Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp

Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011 về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: đối với các doanh nghiệp phải thực hiện ngay các giải phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN VĂN HỢP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG HỆ SỐ

CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS NGUYỄN VIỆT SƠN

Hà Nội – 2013

Tôi xin chân thành cám ơn ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Điện tử Tin Học

và Tự động hóa, các anh chị trong trung tâm Công nghệ cao, đã tạo mọi điều kiện

và giúp đỡ để tôi làm việc, nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lường và các hệ thống điều khiển hệ khoa học khóa 2011B, những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và hoàn thành luận văn

Hà nội, ngày … tháng … năm …

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hợp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Văn Hợp, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH, chuyên ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển khóa 2011B Giảng viên hướng dẫn là

TS Nguyễn Việt Sơn

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn

“Nghiên cứu thiết kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

là công trình nghiên cứu của tôi kết hợp với Viện Nghiên cứu Điện tử Tin học và

Tự động hóa, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Việt Sơn – trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Các thiết kế, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và được lấy từ thực nghiệm Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Hà nội, ngày … tháng … năm …

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Hợp

Mục lục

LỜI CẢM ƠN 2

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 9

PHẦN MỞ ĐẦU 10

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 11

1.1 Sự hình thành đề bài luận văn 11

1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

1.3 Phương pháp nghiên cứu 13

1.4 Nội dung nghiên cứu 13

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 14

2.1 Tổng quan về hệ số công suất 14

2.1.1 Các khái niệm về hệ số công suất 14

2.1.2 Tầm quan trọng của việc nâng cao hệ số công suất 16

2.1.3 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất 17

2.1.3.1 Phương pháp dùng bộ lọc thụ động (Passive Power Filter) 19

2.1.3.2 Phương pháp dùng các bộ lọc tích cực (Active Power Filter) 19

2.1.3.3 Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM 20

2.1.3.4 Phương pháp dùng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) 21 2.1.4 Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn 22

2.2 Thiết kế phần cứng 24

2.2.1 Thiết kế tổng thể 24

2.2.2 Thiết kế chi tiết 26

 Module đo lường và điều khiển 26

2.2.2.1 Thiết kế bộ biến đổi điện áp 26

2.2.2.2 Thiết kế bộ biến đổi dòng điện 28

2.2.2.3 Thiết kế bộ lọc chống chồng phổ 30

2.2.2.4 Lựa chọn bộ biến đổi tương tự số 32

2.2.2.5 Lựa chọn bộ xử lý trung tâm 33

2.2.2.6 Lựa chọn Rơ le đầu ra 35

 Module giao tiếp người dùng 35

2.2.2.7 Bàn phím và hiển thị 35

2.2.2.8 Led thông báo trạng thái 37

2.2.2.9 Khối truyền thông 37

 Thiết kế nguồn cung cấp 37

2.3 Thiết kế phần mềm nhúng 39

2.3.1 Thiết kế tổng thể 39

2.3.2 Phần mềm nhúng cho khối xử lý tính toán và điều khiển 41

2.3.3 Chương trình điều khiển tụ bù 43

2.3.4 Phần mềm nhúng cho khối giao tiếp người dùng HMI 46

2.3.5 Lập trình truyền thông Modbus RTU 52

2.4 Thiết kế phần mềm trên máy tính 53

Chương 3: Thử nghiệm đánh giá thiết bị 57

3.1 Thử nghiệm đánh giá module hài bậc cao 57

3.1.1 Chuẩn bị thí nghiệm 57

3.1.2 Thực hiện và kết quả thí nghiệm 57

3.1.3 Nhận xét kết quả thử nghiệm 62

3.2 Thử nghiệm trong môi trường công nghiệp 62

3.2.1 Đặc điểm cơ sở thử nghiệm thực tế 62

3.2.2 Qui trình thử nghiệm 63

3.2.3 Kết quả thử nghiệm và nhận xét 64

Chương 4: KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Các loại công suất tải tiêu thụ 14

Hình 2.2: Giản đồ vector công suất 15

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ 17

Hình 2.4: Nguyên lý của bộ lọc tích cực 19

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của STATCOM 20

Hình 2.6: Nguyên lý thu phát công suất phản kháng của STATCOM 21

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của SVC 22

Hình 2.8: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF 23

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ PFC 25

Hình 2.10: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P 26

Hình 2.11: Sơ đồ đấu nối LV 20-P 27

Hình 2.12: Sơ đồ khối chức năng của ACS714 28

Hình 2.13: Đặc tính vào ra của ACS714 29

Hình 2.14: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng 29

Hình 2.15: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc 31

Hình 2.16: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau 31

Hình 2.17: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ 32

Hình 2.18: Sơ đồ chân LTC1865 33

Hình 2.19: Mạch tạo nguồn chuẩn cho ADC 33

Hình 2.20: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A 34

Hình 2.21: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108 35

Hình 2.22: Khối truyền thông của PFC 37

Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp 38

Hình 2.24: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC 40

Hình 2.25: Thuật toán điều khiển đóng cắt tụ bù 44

Hình 2.26: Minh họa việc chọn lựa tổ hợp tụ 45

Hình 2.27: Giao diện người dùng 46

Hình 2.28: Giao diện màn hình hiển thị 47

Hình 2.29: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC 48

Hình 2.30: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu 49

Hình 2.31: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi 49

Hình 2.32 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính 55

Hình 2.33: Tab “thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính 55

Hình 2.34: Cửa sổ truy vấn số liệu đo 56

Hình 3.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều 58

Hình 3.2: Trạm Asphalt 120 tấn/h 63

Hình 3.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm thực tế 63

Hình 3.4: Hình ảnh thử nghiệm thực tế 64

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Mô tả chức năng từng chân của GLCD 36

Bảng 2.2: Các tổ hợp tụ 44

Bảng 2.3: Mô tả các tham số trong truyền thông nội bộ PFC 49

Bảng 3.1: Phát riêng rẽ các hài điện áp (đơn vị: V) 58

Bảng 3.2: Phát riêng rẽ các hài dòng điện (đơn vị: A) 59

Bảng 3.3: Phát đồng thời các hài điện áp từ bậc 1 đến bậc 5 (đơn vị: V) 60

Bảng 3.4: Phát đồng thời các hài dòng điện từ bậc 1 đến bậc 5 (đơn vị: A) 60

Bảng 3.5: Chỉ phát hài cơ bản, dòng trễ 30o so với điện áp 61

Bảng 3.6: Phát đồng thời các hài điện áp và dòng điện từ bậc 1 đến bậc 5, dòng trễ 30o so với điện áp cho tất cả các hài 61

Bảng 3.7: Phát đồng thời các hài điện áp và dòng điện từ bậc 1 đến bậc 10, dòng trễ 30o so với điện áp cho tất cả các hài 61

Bảng 3.8: Kết quả tính toán các tham số điện tại thời điểm ban đầu 65

Bảng 3.9: Kết quả tính toán các tham số điện tại thời điểm ổn định 65

Bảng 3.10: Kết quả phân tích hài điện áp 66

Bảng 3.11: Kết quả phân tích hài dòng điện 66

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

PF: Power factor

PFC: Power factor controller

DSP: Digital Signal Processing

DFT: Discrete Fourier Transform

FFT: Fast Fourier Transform

HMI: Human Machine Interface

ADC: Analog - Digital Converter

GLCD: Graphic Liquid Crystal Display

STATCOM: Static Synchronous Compensator

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

SVC: Static Var Compatation

VSI: Voltage Source Inverter

SPI: Serial Peripheral Interface

PC: Personal Computer

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, mặc dù được chú trọng đầu tư và phát triển nguồn và lưới điện nhưng nước ta vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp điện Đặc biệt trong các tháng mùa khô, nhất là khi hạn hán kéo dài không đủ nước cho các nhà máy thủy điện phát điện thì vấn đề đảm bảo cung cấp điện còn khó khăn hơn

Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011

về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: đối với các doanh nghiệp phải thực hiện ngay các giải pháp tiết kiệm điện như xây dựng các giải pháp tiết kiệm điện hiệu quả, sử dụng đúng công suất và biểu đồ phụ tải như trong đăng kí mua bán điện,…

Ngày nay khi mà các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công nghiệp thì vấn đề tiết kiệm điện càng trở nên cấp thiết Việc tiết kiệm điện không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế mà còn tối ưu hóa về mặt kĩ thuật Một trong những phương pháp đơn giản để tiết kiệm điện năng là nâng cao hệ số công suất

Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Sự hình thành đề bài luận văn

Hiện nay, điện đã trở thành một sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị lớn Do đó các nhà cung cấp điện cũng như hộ tiêu thụ điện ngày càng quan tâm đến việc nâng cao chất lượng điện năng và tiết kiệm điện Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, đã được Thủ tướng chính phủ ký Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg Mục tiêu của chương trình cụ thể là nhằm từng bước đạt được mục tiêu tiết kiệm 5 – 8% tổng mức tiêu thụ năng lượng vào năm 2015, giảm một phần mức đầu tư phát triển hệ thống cung ứng năng lượng, mang lại lợi ích về kinh tế - xã hội, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, thực hiện phát triển kinh tế - xã hội bền vững

Trong lĩnh vực công nghiệp, chi phí cho tiền điện chiếm một phần không nhỏ trong hoạt động sản xuất kinh doanh Các xí nghiệp sản xuất công nghiệp, ngoài việc phải chịu mức giá điện sản xuất cao hơn mức giá sinh hoạt, thì việc tiêu thụ công suất phản kháng lớn hơn mức qui định cũng sẽ phải trả thêm chi phí Một trong những biện pháp đơn giản và hiệu quả để tiết kiệm điện cũng như tiết kiệm chi phí sản xuất cho các doanh nghiệp, xí nghiệp sản xuất đó là nâng cao hệ số công suất phụ tải Biện pháp này mang lại các hiệu quả như:

- Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và cáp truyền dẫn nhỏ hơn, … đồng thời giảm tổn thất điện năng

và sụt áp trong mạng điện

- Hệ số công suất cao cho phép tối ưu hoá các phần tử cung cấp điện Khi

đó các thiết bị điện không cần định mức dư thừa

- Đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế khác, giảm chi phí tiêu thụ điện

Theo quan niệm truyền thống, công suất điện năng luôn được quan niệm như một đại lượng đo để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay mức

độ tiêu thụ năng lượng điện của tải và được tính toán với điều kiện giả thiết điện áp

và dòng điện có dạng hình sine Tuy nhiên, ngày nay các tải phi tuyến (dạng dòng

hoặc áp không sine) tham gia ngày càng nhiều trong lưới điện, chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng và trong công nghiệp Các thiết bị như các bộ biến tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, là các nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong

hệ thống điện Với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao Quan niệm truyền thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc này không còn phù hợp, đặc biệt trong tính toán, thiết kế, xây dựng các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc nhiễu hài Vì vậy việc chế tạo bộ tự động điều chỉnh hệ số công suất trên cơ sở phân tích các hài dòng điện và hài điện áp (để từ đó có thể tính toán được hệ số công suất chính xác hơn cho quá trình điều chỉnh hệ số công suất)

là rất cần thiết Trước thực tế đó, tác giả đã chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu thiết

kế bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”.

1.2 Mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu để làm chủ các vấn đề về hệ số công suất khi có tính đến ảnh hưởng của sóng hài bậc cao

- Tạo ra được sản phẩm với các tính năng:

o Đo và hiển thị:

 Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến

 Điện áp: từ hài cơ bản đến hài 20

 Dòng điện: từ hài cơ bản đến hài 20

 Tổng méo hài điện áp: THDV(%)

 Tổng méo hài dòng điện: THDI(%)

 Tần số (Hz)

 Hệ số công suất PF, cosφ

o Điều khiển:

 Số bước bù từ 0 12  bước

 Hệ số công suất đặt có thể thay đổi theo cài đặt của người sử dụng

o Cho phép truyền số liệu về máy tính

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu, tìm hiểu các vấn đề liên quan đến sóng hài bậc cao, hệ số công suất khi có tính ảnh hưởng của các sóng hài thông qua các tạp chí và công trình nghiên cứu đã công bố

- Tìm hiểu, tham khảo một số sản phẩm của các hãng lớn trên thế giới như dòng sản phẩm RVT của ABB, Ducati của Ý, Mikro của Malaysia, Shizuki của Nhật, … trên cơ sở đó xây dựng các tính năng cần có cho bài toán của luận văn

- Về giải pháp kĩ thuật: Việc lựa chọn các linh kiện cho bài toán là những loại có phẩm chất tốt, bộ điều khiển trung tâm được lựa chọn trên cơ sở hệ

vi điều khiển mạnh với các tài nguyên phù hợp với yêu cầu của bài toán

1.4 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát các thiết bị điều chỉnh hệ số công suất hiện nay

- Tìm hiểu các vấn đề lý thuyết về hệ số công suất

- Nghiên cứu và xây dựng thuật toán tính toán hệ số công suất trên cơ sở phân tích hài dòng điện, điện áp, xây dựng thuật toán điều chỉnh tự động hệ

số công suất

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý làm việc của thiết bị, chế tạo các module phần cứng

- Xây dựng phần mềm cho thiết bị

- Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, đánh giá, hoàn thiện sản phẩm

Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

2.1.1 Các khái niệm về hệ số công suất

Trong các hệ thống phân phối và tiêu thụ điện có thể chia thành 3 loại tải cơ bản bao gồm: Tải thuần trở, tải cảm và tải dung Trong các hệ thống hiện đại, phần

đa là các tải dạng cảm như máy biến áp, các động cơ cảm ứng, Một đặc điểm chung của các loại tải này là chúng sử dụng các cuộn dây để hoạt động Các cuộn dây này tạo ra điện từ trường để các tải này làm việc và nó đòi hỏi năng lượng nhất định để duy trì điện từ trường Như vậy các tải cảm này sử dụng hai loại công suất

để làm việc:

- Công suất tác dụng (kW) – Công suất tiêu thụ thật (để sinh công)

- Công suất phản kháng (kVAR) – Dùng để duy trì điện từ trường

Tổng của hai loại công suất trên là công suất biểu kiến (kVA)

Hình 2.1: Các loại công suất tải tiêu thụ

Trong trường hợp là sóng sine thuần túy, tỉ lệ giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến được gọi là hệ số công suất (Power Factor – PF) và nó chính là cosine của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sóng sine Chính vì thế mà một

số tài liệu người ta gọi luôn hệ số công suất làcos Hệ số công suất không có đơn

vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả như một tỉ lệ phần trăm như PF 50% Công thức tính hệ số công suất được mô tả theo (2 – 1)

= = =

( ) ( ) (2 − 1) Trong đó: P là công suất tác dụng

S là công suất biểu kiến

Hình 2.2: Giản đồ vector công suất

Tuy nhiên, khi điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không duy trì dạng hài cơ bản hình sine và có chứa các hài bậc cao, quan niệm truyền thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine không còn phù hợp, đặc biệt trong tính toán, thiết kế, xây dựng các hệ thống bù công suất, thiết bị lọc nhiễu hài Do đó theo [3], [4] người ta đưa ra công thức mở rộng để tính hệ số công suất:

=

√1 + √1 + (2 − 2) Trong đó: THDV và THDI là tổng độ méo hài áp và dòng được tính theo công thức (2 – 3) và (2 – 4)

Trong trường hợp dòng điện là sóng sine thuần túy, dòng điện không chứa các hài bậc cao tức Un = I  n 0 và do đó PF  cos

2.1.2 Tầm quan trọng của việc nâng cao hệ số công suất

Hệ số công suất thấp đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng điện năng thấp Việc nâng cao hệ số công suất mang lại những hiệu quả về kinh tế và tối ưu hóa về kĩ thuật:

- Tiết kiệm điện: Trong hoạt động sản xuất kinh doanh, theo qui định

việc tiêu thụ công suất phản kháng lớn hơn định mức sẽ phải đóng tiền phạt Việc nâng cao hệ số công suất nhằm giảm công suất phản kháng tiêu thụ từ lưới

- Tối ưu hóa về kỹ thuật:

o Hệ số công suất lớn sẽ giảm tổn thất nhiệt trên máy biến áp, các thiết bị phân phối và truyền tải điện, nâng cao tuổi thọ các thiết bị

o Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và đường cáp truyền tải nhỏ hơn

o Hệ số công suất cao giúp ổn định mức điện áp

o Hạn chế nhiễu lên các thiết bị truyền tin và viễn thông

Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và hệ số công suất Xét trên hai

hệ thống truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn thì sẽ có dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng kích thước dây điện truyền dẫn Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao hơn với cùng một công suất thực được truyền tải

Có thể hiểu một cách đơn giản như sau: để có được 1kW công suất tiêu thụ thực trong điều kiện hệ số công suất là tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có 1kVA công suất biểu kiến được truyền đi Nhưng trong điều kiện hệ số công suất thấp, chẳng hạn 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền đi

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ

Tại sao phải quan tâm tới việc này? Mặc dù công suất phản kháng thật sự không sinh ra công nhưng khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn Vì phải cung cấp cả công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công” nên nguồn điện (máy phát điện, máy biến thế,…) cũng như hệ thống dây truyền tải tới phụ tải phải được thiết kế với kích thước dây lớn hơn để có thể chịu được

Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng cá nhân (khách hàng cá nhân là nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ

số công suất cao hơn các khu vực công nghiệp) Nhà phân phối điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các thiết bị đo chuyên dụng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ

số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp hơn tiêu

chuẩn

2.1.3 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất

Việc nâng cao hệ số công suất có thể thực hiện một cách đơn giản là sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Đây là thiết bị cung cấp công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng tiêu thụ của tải Xét trong lưới điện hạ áp, việc bù công suất phản kháng có thể thực hiện theo hai phương pháp:

- Dùng thiết bị bù có dung lượng cố định (bù nền): Thiết bị bù có thể mắc

trực tiếp vào tải và cấp điện cho thiết bị bù được thực hiện đồng thời khi cấp điện cho tải Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ sử dụng trong trường hợp tải không đổi

- Dùng các thiết bị điều chỉnh tự động: Cho phép điều chỉnh liên tục công

suất phản kháng theo yêu cầu khi tải thay đổi, giữ cho hệ số công suất trong giới hạn cho phép Phương pháp này linh hoạt hơn so với bù nền và thường

sử dụng trong trường hợp công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rộng

Xét trên phương diện tải sử dụng có thể phân thành hai phương pháp cơ bản:

- Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính: Phương pháp này áp

dụng cho các loại tải tiêu thụ trực tiếp lưới điện Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hoặc bớt ra các cuộn dây hoặc tụ điện có dung lượng cố định (phương pháp bù SVC) hoặc sử dụng các linh kiện điện tử công suất điều khiển việc thu/phát công suất phản kháng vào lưới (phương pháp bù STATCOM)

- Phương pháp điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến: Phương pháp này

thường sử dụng cho các tải phi tuyến – dạng tải không sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều (như chỉnh lưu, nghịch lưu, …) hoặc tải sử dụng năng lượng gián đoạn (như máy hàn) Các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài chèn vào tần số điện lưới Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay

bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu

kỳ nhằm giảm sóng hài (các bộ lọc tích cực hoặc thụ động).

Các mục 2.1.3.1 – 2.1.3.4 trình bày các phương pháp cơ bản để nâng cao hệ số công suất

2.1.3.1 Phương pháp dùng bộ lọc thụ động (Passive Power Filter)

Phương pháp này sử dụng bộ lọc chỉ cho dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) đi qua và chặn đối với các tần số sóng hài Đây là phương pháp đơn giản, có giá thành rẻ, tuy nhiên kém linh động Đối với bộ lọc RC khả năng chọn lọc tần số kém, tổn hao trên điện trở càng lớn khi công suất càng lớn

Bộ lọc LC cho khả năng lọc tốt hơn nhưng giá thành đắt, phát sinh nhiễu điện từ

trong quá trình vận hành

2.1.3.2 Phương pháp dùng các bộ lọc tích cực (Active Power Filter)

Trong vài năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ bán dẫn và

vi mạch số, trên thế giới có xu hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp lọc mới với tên gọi là lọc tích cực Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là bơm dòng bù bằng tổng sóng điều hòa bậc cao nhưng ngược pha nhằm triệt tiêu sóng điều hòa bậc cao trên phía nguồn Phương pháp này đáp ứng hai mục tiêu cơ bản là bù sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng Việc bơm dòng bù vào lưới được thực hiện hiện thông qua việc đóng cắt các linh kiện bán dẫn công suất (IGBT) Đây

là một phương pháp mới, hiện đại, rất mềm dẻo trong cấu hình phần cứng lẫn phần mềm phù hợp với từng loại tải và điện áp nguồn cấp khác nhau, không những đáp ứng được yêu cầu nâng cao được hệ số công suất mà còn nâng cao được chất lượng điện năng sử dụng Tuy nhiên đây là phương pháp mới, có độ phức tạp cao và giá thành đắt đỏ nên chưa được ứng dụng phổ biến

Dòng cung cấp

Dòng tải

Dòng lọc

Hình 2.4 mô tả nguyên lý cơ bản của bộ lọc tích cực dạng song song Dòng tải tiêu thụ iL có thể phân tích thành hai thành phần bao gồm thành phần cơ bản iF

và thành phần sóng hài iH theo công thức (2 – 5)

= + (2 − 5)

Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ tính toán và điều khiển sao cho dòng do nó bơm lên đường dây iC phải thỏa mãn:

= − (2 − 6) Khi đó dòng trên đường dây sẽ là:

Như vậy dòng trên đường dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các thành phần sóng hài bậc cao được bộ lọc loại bỏ Nếu nhìn từ phía tải bộ lọc AF tương đương với một trở kháng song song có thể thay đổi với trở kháng bằng không, hoặc rất nhỏ

so với các sóng điều hòa và bằng vô cùng lớn với thành phần cơ bản

2.1.3.3 Phương pháp dùng thiết bị bù đồng bộ STATCOM

STATCOM là một thiết bị bù ngang, bù tức thời công suất phản kháng vào lưới (còn gọi là bù đồng bộ), nó bao gồm một bộ nghịch lưu nguồn áp được kết nối với lưới điện thông qua máy biến áp Hình 2.5 mô tả sơ đồ nguyên lý cơ bản của STATCOM

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của STATCOM

Nguyên lý hoạt động của STATCOM có thể mô tả như sau: Bằng cách khống chế điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp lưới nhưng có biên độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn mà phát hoặc thu công suất phản kháng Hình 2.6 mô tả nguyên

lý hoạt động cơ bản của STATCOM Khi điện áp trên STATCOM nhỏ hơn điện áp lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ lưới vào thiết bị STATCOM Do đó STATCOM đóng vai trò như tải tiêu thụ công suất phản kháng Ngược lại khi điện áp trên STATCOM nhỏ hơn điện áp lưới, sẽ xuất hiện dòng điện đi từ thiết bị STATCOM vào lưới Lúc này STATCOM đóng vai trò như nguồn phát công suất phản kháng

vào lưới [8]

Hình 2.6: Nguyên lý thu phát công suất phản kháng của STATCOM

Cũng như phương pháp lọc tích cực, STATCOM cũng là phương pháp mới, độ

phức tạp cao, có giá thành đắt đỏ

2.1.3.4 Phương pháp dùng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator)

So với STATCOM, SVC cũng là một thiết bị bù ngang, điểm khác biệt cơ bản là trong khi STATCOM là thiết bị bù tức thời thì SVC là thiết bị bù tĩnh, nó bao gồm hệ thống các tụ điện có dung lượng cố định và các cuộn cảm được điều khiển đóng cắt bởi các contactor đối với mạng lưới hạ áp hoặc đóng cắt bởi các Thyristor (mạng cao áp hoặc công suất lớn) Sơ đồ nguyên lý cơ bản của SVC được mô tả trên hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của SVC

Căn cứ vào công suất phản kháng tính được, bộ điều khiển sẽ đóng hoặc cắt

tụ hoặc cuộn cảm vào lưới điện Cụ thể: khi phát hiện có sự thiếu hụt công suất phản kháng, SVC sẽ đóng các tụ bù vào lưới điện để phát công suất phản kháng vào lưới, còn khi phát hiện có sự dư thừa công suất phản kháng trên lưới, SVC sẽ đóng các cuộn cảm để tiêu thụ công suất phản kháng Có thể thấy SVC là một thiết bị bù tĩnh, trong đó các tụ đóng vai trò là các nguồn phát công suất phản kháng, còn các cuộn dây đóng vai trò là nguồn tiêu thụ công suất phản kháng

2.1.4 Lựa chọn phương pháp cho bài toán của luận văn

Nếu so sánh với STATCOM thì SVC không ưu việt bằng Rõ ràng STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, ngoài sự nhỏ gọn thì STATCOM bù linh hoạt hơn Tuy nhiên như đã được đề cập, phương pháp bù STATCOM là phương pháp mới, độ phức tạp cao, có giá thành đắt đỏ, và thường ứng dụng trong các hệ thống đòi hỏi khả năng đáp ứng bù công suất phản kháng nhanh (các hệ thống truyền tải điện, hệ thống máy phát hỗn hợp như điện gió – Diezel, …) SVC tuy đáp ứng chậm nhưng lại có giá thành rẻ hơn rất nhiều Chính vì thế phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở sản xuất công nghiệp Hiện nay trong các hệ thống sản xuất, phần đa các tải mang tính cảm kháng như máy biến áp, các động cơ cảm ứng, … do đó người ta chỉ cần sử dụng các tụ bù để nâng cao hệ số công suất

Do đó, đối với bài toán của luận văn, để nâng cao hệ số công suất, tác giả chọn

phương pháp dùng các thiết bị bù tĩnh SVC, cụ thể là sử dụng các tụ bù được điều khiển đóng cắt thông qua bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất Như chỉ ra

ở hình 2.8, các tụ bù làm việc như một nguồn phát công suất phản kháng Thay vì phải sử dụng công suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng công suất phản kháng lấy từ tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ giảm

Hình 2.8: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF

2.2 Thiết kế phần cứng

2.2.1 Thiết kế tổng thể

Như đã trình bày trong chương 1, nhiệm vụ cơ bản của bộ điều chỉnh tự động

hệ số công suất (PFC) có thể chia thành hai phần cơ bản là phân tích chất lượng điện năng và phần điều khiển đóng/ cắt tụ để đạt được hệ số công suất theo yêu cầu Phân tích chất lượng điện là quá trình thu thập, phân tích, xử lý tín hiệu thô thành các thông tin có ích Quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện bằng cách đo lường liên tục điện áp và dòng điện Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số, quá trình phân tích và xử lí tín hiệu được thực hiện nhờ các chip chuyên dụng với khả năng tính toán nhanh Tín hiệu sau khi được xử lý sẽ là cơ sở cho việc điều khiển và hiển thị

Trên cơ sở đó, tác giả thiết kế sơ đồ khối thiết bị như trên hình 2.9, bao gồm

ba Module cơ bản:

o Khối xử lý đầu vào làm nhiệm vụ cách ly phần điện áp cao với mạch điện tử, định mức điện áp phù hợp với các khối xử lý phía sau, tạo bộ lọc anti aliasing

o Bộ biến đổi tương tự sang số tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu tương tự để đưa vào bộ xử lý trung tâm

o Bộ xử lý trung tâm được xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để thực hiện được các thuật toán phân tích và xử lý số

o Khối Relay đóng cắt các tụ bù

o Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các hài dòng điện, hài điện áp, độ méo hài tổng, tần số, công suất, hệ số công suất,…

o Cài đặt các thông số

o Cảnh báo lỗi, thông báo trạng thái làm việc,…

o Thực hiện chức năng truyền thông

o Giám sát và cảnh báo

o Giao tiếp với cơ sở dữ liệu

o Truyền thông với bộ PFC

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ PFC

2.2.2 Thiết kế chi tiết

2.2.2.1 Thiết kế bộ biến đổi điện áp

Để đo điện áp lưới ta có thể dùng biến áp để giảm mức điện áp xuống dải đo được của mạch đo đồng thời đảm bảo cách ly điện giữa phần cao áp và mạch điện

tử Tuy nhiên việc sử dụng máy biến áp có hạn chế như: cồng kềnh và có hệ số chuyển đổi không đồng nhất theo tần số nên gây méo với các hài bậc cao do đó giải pháp này không phù hợp Để đảm bảo dạng điện áp lưới không đổi khi vào đến mạch đo, tác giả lựa chọn bộ chuyển đổi điện áp LV 20 – P của LEM Đây là bộ chuyển đổi sử dụng hiệu ứng Hall cho việc đo điện áp AC/DC với cách li điện áp sơ cấp và thứ cấp là 2.5kV, hệ số chuyển đổi dòng là 2500:1000

Sơ đồ đấu nối mạch đo sử dụng LV20 – P được thể hiện trên hình 2.11 Dòng thứ cấp được tạo ra tỉ lệ với dòng đầu vào (2 – 1) thể hiện mối liên hệ

giữa điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:

=

380 ∗ √2

200 = 2.687 Điện áp đầu ra nhỏ nhất:

Is

2.2.2.2 Thiết kế bộ biến đổi dòng điện

Đối với đầu vào dòng điện, ngoài việc phải đảm bảo cách ly giữa phần cao

áp và mạch điện tử, cần thiết kế thêm bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang điện áp

và mạch chia tỉ lệ sao cho điện áp trước khi đưa vào ADC nằm trong dải 0 5V Dựa trên những yêu cầu trên, tác giả chọn cảm biến dòng ACS714LLCTR-5B-T của Allegro Đây là loại cảm biến dòng hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall có đầu ra điện áp tỉ lệ tuyến tính với đầu vào dòng điện, điện áp cách li giữa mạch sơ cấp và thứ cấp là 2.1kV Hình 2.12 minh họa sơ đồ khối chức năng của ACS714 và hình 2.13 minh họa đặc tính của điện áp đầu ra với dòng đầu vào của IC này

Hình 2.12: Sơ đồ khối chức năng của ACS714

Các thông số kĩ thuật và tính năng của ACS714:

- Nguồn cung cấp: = 5

- Điện áp đầu ra tỉ lệ với dòng đầu vào với độ nhạy: 185mV/A

- Điện áp ra với dòng đầu vào = 0 là ∗ 0.5 = 2.5

- Dải dòng điện vào: −5 ÷ 5

- Khử nhiễu tốt

- Đầu ra cực kì ổn định với điện áp offset

- Thời gian đáp ứng với sự thay đổi dòng đầu vào: t r 5 S

- Tổng sai số đầu ra: X G   1.5% ở 0

25

A

T  C

- Điện áp cách li: Viso  2.1kV

- Nhiệt độ làm việc: T A  40 80  0C

Hình 2.13: Đặc tính vào ra của ACS714

Điện áp đầu ra IC được tính theo:

= 2.5 + 0.185 ∗ (2 − 3) Với dòng lớn nhất cho phép là 5A, khi đó đầu ra điện áp lớn nhất sau ACS714 là :

= 2.5 + 0.185 ∗ 5 = 3.425 Điện áp nhỏ nhất:

= 2.5 − 0.185 ∗ 5 = 1.575

Để điện áp đưa vào ADC nằm trong dải 0 5V , tín hiệu điện áp này cần khuếch đại lên 1.3 lần theo sơ đồ hình 2.14

10k R7 30k

AVCC Viout

2.2.2.3 Thiết kế bộ lọc chống chồng phổ

Các tín hiệu có được sau các bộ biến đổi dòng điện và điện áp trước khi đưa tới ADC cần đi qua bộ lọc thông thấp chống chồng phổ Vậy tại sao lại cần bộ lọc này? Để trả lời câu hỏi này ta xét quá trình lấy mẫu của ADC Một quá trình lấy mẫu được mô tả bởi quan hệ:

Theo định lý lấy mẫu Nyquist, với một tín hiệu liên tục có tần số lớn nhất

Fmax thì tín hiệu được lấy mẫu với tần số Fs>=2Fmax có thể khôi phục chính xác với các mẫu rời rạc x(nT) Với tần số lấy mẫu Fs<=2Fmax thì sẽ xảy ra sai số lấy mẫu do trùng phổ (aliasing) Hay nói một cách khác với tần số lấy mẫu cố định là Fs thì tần

số cao nhất của tín hiệu lấy mẫu là Fmax = Fs/2 Để hiểu rõ hơn ta xét một ví dụ:

Cho hai tín hiệu liên tục hình sin có tần số là 50Hz và 10Hz

dùng trong các bộ lọc anti-aliasing trong các ứng dụng biến đổi dữ liệu nơi mà tín hiệu có độ chính xác cao đi qua nó phải đảm bảo nguyên vẹn Bộ lọc có bậc càng cao thì phẩm chất càng tốt, tuy nhiên việc thiết kế sẽ phức tạp và mạch trở lên cồng kềnh Với bài toán của luận văn, tác giả chọn bộ lọc thông thấp Butterworth bậc 4

Hình 2.15: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc

Hình 2.16: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau

Theo như các tính năng trên sản phẩm mà luận văn hướng tới, khả năng phân tích các hài đến bậc 20 Với tần số lưới điện là 50Hz thì hài bậc 20 có tần số là 1kHz Do đó để đảm bảo chống sai số lấy mẫu do trùng phổ thì bộ lọc được thiết kế với tần số cắt 1kHz Hình 2.17 thể hiện bộ lọc thông thấp Butterworth theo cấu trúc Sallen-key, bao gồm 2 bộ lọc bậc 2 nối tiếp nhau với tần số cắt là 1kHz, sử dụng

OpAmp AD706AR là loại OA chính xác cao có dòng và áp Offset rất nhỏ Các công thức tính toán được thực hiện theo [5], [6]

Hình 2.17: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ

2.2.2.4 Lựa chọn bộ biến đổi tương tự số

Các tín hiệu điện áp và dòng đầu vào sau khi qua bộ lọc và chuẩn hoá mức thì được số hoá bằng các bộ ADC Việc lựa chọn độ phân giải của ADC có tính quyết định đến độ chính xác của các phép xử lí sau này Lựa chọn ADC độ phân giải càng cao độ chính xác càng lớn tuy nhiên giá thành lại rất đắt Hơn nữa việc chọn ADC độ phân giải cao cũng không quá cần thiết Tác giả sử dụng ADC LTC1865 của Linear Technology Đây là ADC 16 bit hoạt động theo nguyên tắc xấp xỉ liên tiếp với mạch Sample/Hold được tích hợp bên trong, tốc độ lấy mẫu 250ksps, thời gian biến đổi 3,2us Với thời gian lấy mẫu và chuyển đổi như vậy hoàn toàn có thể sử dụng một chip 2 kênh cho cả áp và dòng Đặc biệt ADC này có khả năng giao tiếp với MCU theo chuẩn SPI rất tiện dùng Hình 2.18 minh họa sơ

đồ chân của ADC này Một số thông số kĩ thuật chính của ADC LTC1865:

- Nguồn cấp 5V

- Dòng cung cấp thấp: 850uA

- Độ phân giải 16 bit, tốc độ lấy mẫu 250ksps

- Tự động Shutdown khi dòng cung cấp giảm 2uA và 1ksps

- Hai kênh đầu vào tương tự

- Hỗ trợ giao tiếp SPI

R6

+12V

+12V

-12V -12V

104

C4

104 C6 103

C3

103 C5

- Nhiệt độ làm việc đến 1250C

Hình 2.18: Sơ đồ chân LTC1865

Nguồn chuẩn cung cấp cho ADC được thiết kế riêng sử dụng IC tạo nguồn chuẩn ADR02 như hình 2.19

Hình 2.19: Mạch tạo nguồn chuẩn cho ADC

2.2.2.5 Lựa chọn bộ xử lý trung tâm

Đối với bộ điều chỉnh công suất tự động, các thuật toán phân tích DFT từ đó làm cơ sở cho việc tính toán các hài điện áp, dòng điện, P, Q, PF, là những kĩ thuật phức tạp đòi hỏi phải có bộ xử lí trung tâm với cấu hình đủ mạnh và có cấu trúc phần cứng phù hợp cho giải thuật DFT Vì vậy tác giả đã chọn Bộ điều khiển xử lý tín hiệu số DSPIC30F6014A của MicroChip làm bộ xử lý trung tâm

Bản thân DSPIC30F6014A là một chip xử lý mạnh với bộ xử lí 16 bit, dựa trên kiến trúc RISC có tốc độ tính toán cao, đặc biệt nó có khả năng thực hiện chức

IN 2 TEMP 3

GND 4

OUT 6

TP 8NC

IC7B

TL082

+12V

0.1uF CIC8

+12V

AGND

AGND

năng của bộ xử lý tín hiệu số DSP Các đặc điểm kĩ thuật chính của DSPIC30F6014A:

- Tập lệnh tối ưu cho ngôn ngữ lập trình C với chế độ địa chỉ linh hoạt

- 144kB bộ nhớ Flash có thể xóa, nạp 10000 lần

- 8kB bộ nhớ RAM

- 4kB bộ nhớ EEPROM có thể xóa nạp 100000 lần

- Tốc độ xử lí tối đa với 30 triệu lệnh mỗi giây

- 44 nguồn tạo ngắt với 5 nguồn ngoài, 8 mức ưu tiên ngắt

- 16 thanh ghi 16 bit

- 5 bộ timer/counter 16 bit với tính năng Input Capture, Output Compare và PWM

- 2 Module mạng can với chuẩn CAN 2.0B

- Hỗ trợ giao tiếp truyền thông SPI, IIC, DCI, UART

- 16 kênh ADC 12 bit với tốc độ lấy mẫu lên tới 200ksps

- Watchdog Timer on chip

- Tích hợp module xử lí số với các tính năng:

o Nhập dữ liệu kép

o 2 bộ tích lũy 40 bit với tính năng bão hòa logic

o Bộ nhân phần cứng 17x17 bit chỉ trong một chu kì lệnh

o Tất cả các lênh DSP được thực hiện trong một chu kì

Hình 2.20: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A

2.2.2.6 Lựa chọn Rơ le đầu ra

Các Rơ le đầu ra có thông số sau:

- Điện áp điều khiển: 5VDC

- Điện áp lớn nhất chịu được 250VAC

- Dòng lớn nhất cho phép qua: 7A

2.2.2.7 Bàn phím và hiển thị

Chức năng hiển thị các giá trị hài cơ bản và bậc cao của dòng điện và điện

áp, giá trị THD của dòng và áp, công suất P, Q, PF, các trang màn hình cài đặt các thông số hệ thống, các tương tác người dùng với thiết bị, … được thực hiện qua 4 phím bấm và màn hình Graphic LCD 128x64 Các phím bấm bao gồm phím BACK, SET, UP và DOWN với chức năng từng phím được trình bày trong mục 3.1.5 Màn hình GLCD 128x64 là loại có 128 cột và 64 hàng tạo ra 128 64 =

8190 dots, được điều khiển bởi chip KS0108 của SamSung Có thể nói GLCD với KS0108 là loại phổ biến nhất trong các loại GLCD loại này (chấm, không màu) Hình 2.21 là hình ảnh thật của GLCD128x64 được điều khiển bởi chip KS0108

Hình 2.21: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108

Các GLCD 128x64 dùng chip KS0108 thường có 20 chân trong đó chỉ có 18 chân thực sự điều khiển trực tiếp GLCD còn hai chân còn lại là Anode và Cathode của LED nền Trong 18 chân còn lại thì có 4 chân cung cấp nguồn còn 14 chân điều khiển dữ liệu

Bảng 2.1: Mô tả chức năng từng chân của GLCD

1

Ghi Đọc

2.2.2.8 Led thông báo trạng thái

Bao gồm các đèn led thông báo trạng thái đóng/ cắt của các Rơ le, led thông báo trạng thái lỗi giúp người dùng có cái nhìn trực quan hơn

2.2.2.9 Khối truyền thông

Luận văn sử dụng hai chuẩn truyền thông là RS232 và RS485 để giao tiếp PFC với các thiết bị khác Đây là hai chuẩn truyền thông được sử dụng chủ yếu trong mạng truyền thông công nghiệp Việc truyền thông này cho phép PFC gửi kết quả các phép đo lường, các báo động hoặc các sự kiện tới các thiết bị giám sát điều khiển và thu nhận dữ liệu Việc chọn lựa chuẩn truyền thông là RS232 hoặc RS485 được thực hiện thông qua các Jump trên mạch Để đảm bảo an toàn cho các linh kiện bên trong PFC, tác giả lựa chọn phương án thiết kế module truyền thông cách

li hoàn toàn về điện với module Vi xử lý chính bằng việc sử dụng các bộ cách ly quang và nguồn cách li Hình 2.22 mô tả sơ đồ nguyên lý của khối truyền thông

Hình 2.22: Khối truyền thông của PFC

Căn cứ vào việc lựa chọn các linh kiện trên, luận văn đã thiết kế bộ nguồn với các tính năng:

- Điện áp đầu vào 380V, tần số 50Hz

- Cung cấp điện áp mức 5VDC, dòng 560mA cho các mạch số (Vi xử lý,

C1+

1

3 C2+

C1-4 C2- 5

R2OUT 9 T2IN

IC17

MAX232ACPE

10uF C18

10uF C19

10uF C16

10uF C17

+5V@2

1 2 3 4 5

6 7 8 9

11 10

J232/485

RE 2 R 1

GND 5

DE 3

D 4

IC18

SN75176AD

10k R37 680 R38

10k R39

2 3 1

100k R32

100k R33

104 CIC13

+5V@2

+5V@2 +5V@2

104 CIC17

- Cung cấp điện áp mức 5VDC, dòng 100mA cho mạch tương tự (IC chuyển

đổi dòng ACS714)

- Cung cấp điện áp mức 5VDC, dòng 100mA cho khối truyền thông

- Cung cấp mức điện áp ±12VDC, dòng100mA cho các mạch tương tự (Các

mạch khuếch đại thuật toán, mạch lọc, IC chuyển đổi áp, …)

Việc tính toán dòng tiêu thụ của mỗi nguồn được căn cứ theo dòng tiêu thụ

của các linh kiện trên mỗi mạch với mục đích thiết kế biến áp nguồn có công suất

phù hợp với yêu cầu của bài toán Tách biệt các nguồn nuôi giữa phần tương tự và

số để giảm nhiễu từ các mạch số sang mạch tương tự Mạch truyền thông sử dụng

nguồn nuôi riêng và cách ly hoàn toàn với các mạch khác với mục đích nếu đường

truyền thông có sự cố (chạm chập, nhiễu, …) cũng không ảnh hưởng đến sự hoạt

động của các mạch khác trong bộ PFC

Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý nguồn cung cấp

Chi tiết bản vẽ thiết kế mạch nguyên lý phần cứng các mạch: DCU, mạch

chuyển đổi dòng và áp, mạch HMI, mạch nguồn cung cấp, mạch truyền thông,

mạch Rơ le được thể hiện trong phần phụ lục

IN 1

OUT 2GND

IC1 7812 B1

IN 2

OUT 3GND

IC2 7912

470/25V C1 104 C3

470/25V C2 104 C4

100/25V C5

104 C7

100/25V C6

104 C8

10/16V C9 104 C10

IN 1

OUT 2GND

IC3 78L05

IN 1

OUT 2GND

IC4

7805 B2 1000/25V

C11 104 C12

470/16V C13 104 C14

+5V@1

-12V

+5V@2 500mA

100mA

100mA +12V

OUT 2GND

IC5

7805 470/16V

C15 104 C16

100/16V C17 104 C18

+5V@3 100mA

GND3 14V

7V

- Phần mềm giao tiếp người dùng HMI thực hiện chức năng tương tác với người sử dụng thông qua giao diện phím bấm và màn hình hiển thị

- Phần mềm quản lý giám sát PFC – Monitor: quản lý, hiện thị dữ liệu lên màn hình máy tính, thực hiện tính năng lưu trữ và in ấn

Việc trao đổi dữ liệu giữa module xử lý tính toán và HMI được thực hiện thông qua chuẩn giao tiếp SPI – với giao thức truyền thông do tác giả tự thiết kế

Trao đổi dữ liệu giữa bộ PFC với máy tính được thực hiện qua chuẩn giao tiếp RS232/485 với giao thức truyền thông Modbus RTU

Toàn bộ chương trình phần mềm có thể mô tả thông qua lưu đồ trạng thái được minh họa trong hình 2.24

Đã

y đủ m

Hình 2.24: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC