Thiết kế thiết bị đo một số chỉ số chất lượng điện năng cho tải ba pha

Còn nhiều thông số phục vụ cho đánh giá chất lượng điện năng như giao động điện áp, tỷ số hài,… chưa được hỗ trợ tính toán, Nhằm khắc phục các điểm hạn chế trên học viên đã đi đến quyết

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trang 2

Hiện nay có hai loại công tơ được sử dụng trên thị trường là công tơ điện cơ

và công tơ điện tử So sánh với công tơ điện cơ, công tơ điện tử có nhiều ưu điểm hơn Đó là độ chính xác công tơ điện tử đến ± 1%, cao hơn so với công tơ điện cơ (± 2%) Công tơ điện tử nhạy hơn công tơ điện cơ, có khả năng tính được cả lượng điện công suất nhỏ Ngoài ra do yêu cầu giao tiếp với các module khác trong tủ điều khiển tải nên công tơ điện tử 3 pha là lựa chọn hợp lý nhất

Hình 1: Sơ đồ khối công tơ điện tử 3 pha

Các công tơ điện tử 3 pha sử dụng trong các hệ thống đo đếm lưới điện hiện nay trên thị trường và ngành điện rất đa dạng Về cơ bản cấu trúc chung của một công tơ điện tử 3 pha do Việt Nam chế tạo sử dụng trong các hệ thống điều khiển như hình 1

Trang 3

Mở đầu

Khối ADC và DSP thường sử dụng chip ADC tích hợp DSP, ví dụ như dòng

IC ADE7753 (cho công tơ 1 pha) hoặc ADE7758 (cho công tơ 3 pha) của hãng Analog Device ADC có tích hợp DSP cho phép xử lý các tín hiệu đo, tính toán các đại lượng cần thiết Không giao tiếp được trược tiếp với ngoại vi mà phải thông qua một vi xử lý (MCU) Với cấu trúc này, các ADC được chế tạo chuyên biệt nên độ chính xác cao, thuận tiện hơn khi sử dụng, cho phép hạ được giá thành sản phẩm chế tạo Với cấu trúc này ADC đã được tích hợp các chức năng DSP trên một chip, cho đầu ra là các đại lượng cần đo, người dùng chỉ cần đọc lưu giữ bằng bộ nhớ, đưa ra hiển thị hay truyền thông theo yêu cầu Giải pháp này cho phép có những sản phẩm nhỏ gọn, với giá thành thấp

Các công tơ điện tử hiện nay mới chủ yếu đo được các thông số P, Q, cosφ hay tần số của tín hiệu dòng/áp Còn nhiều thông số phục vụ cho đánh giá chất lượng điện năng như giao động điện áp, tỷ số hài,… chưa được hỗ trợ tính toán, Nhằm khắc phục các điểm hạn chế trên học viên đã đi đến quyết định lựa chọn đề

tài “Thiết kế công tơ điện tử đo một số chỉ số chất lượng điện năng tải 3 pha” với

các chức năng bổ sung đo tỉ số méo hài, dao động điện áp

Luận văn sẽ phát triển chức năng cho công tơ điện tử ba pha F47197, Công tơ này sử dụng dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng MSP430 của hãng Texas Instruments Chương III sẽ phân tích cụ thể về dòng vi điều khiển MSP430 và giải pháp thiết kế công tơ số sử dụng MSP430 Công tơ số 3 pha EVM430-F47197 sử dụng vi điều khiển MSP430 có những đặc tính sau:

Trang 4

Mở đầu

 Chống hiện tượng ăn cắp điện

 Độ bền cao, hoạt động ổn định trong môi trường ngoài trời với khí hậu nóng ẩm tại Việt Nam, có nguồn nuôi dự phòng (PIN) trong trường hợp mất điện, truyền nhận thông tin chính xác, an toàn, độ tin cậy cao, có khả năng chống quá áp do cháy chập và Sét đánh

 Tiêu hao ít năng lượng hướng đến tiết kiệm năng lượng hiệu quả

Ngày nay trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, nền kinh tế nước ta

đã tăng trưởng liên tục, các ngành công nghiệp phát triển ngày càng tăng Do vậy các yêu cầu về khoa học nói chung cũng như khoa học về công đo lường và thử nghiệm nói riêng đòi hỏi phải đáp ứng kịp thời và phù hợp với sự phát triển công nghiệp đất nước Kỹ thuật đo lường là một trong những ngành quan trọng nhất đối với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong mọi ngành kinh tế quốc dân

Với trình độ hiện nay, khả năng của kỹ thuật đo lường rất lớn mạnh và phát triển Việc thử nghiệm các thiết bị đo là nhiệm vụ hết sức quan trọng nhằm mục đích là tăng số điểm đo, tăng tốc độ đo, nâng cao độ chính xác, độ nhạy nâng cao tính tin cậy Thử nghiệm các thiết bị đo lường sẽ thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật

đo và các hệ thống thông tin đo lường trong việc truyền tải và đo đếm điện năng trong hệ thống điện

Có thể khẳng định hiện nay thì có rất nhiều thiết bị đo chất lượng điện năng, đặc biệt là điện năng 3 pha được sử dụng trong công nghiệp Điện năng từ lưới được truyền đến nơi phân phối vì vậy rất cần hệ thống công tơ đo đếm, vì nó không chỉ

Trang 5

Mở đầu

tính toán lượng điện năng tiêu thụ mà còn qua đó biết nhiều chỉ số về dòng và áp, công suất, tỷ số hài, hệ số cos φ… từ đó giám sát và xử lý tất cả tình huống sao cho điện năng được cung cấp chất lượng cao,việc đo đếm chính xác

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

EVM430- Tìm hiểu các thuật toán hoạt động chính của công tơ số

 Cài đặt mềm lập trình IAR Embedded Workbend thử nghiệm kết nối với công tơ qua cổng nạp JTAG

 Bổ sung thêm chức năng xử lý tính toán dao động điện áp, tỷ số méo hài cho công tơ

4 Nội dung luận văn

Luận văn gồm 4 chương:

Chương 1 (Giới thiệu về chỉ số chất lượng điện năng) trình bày tầm quan trọng của chất lượng điện năng và các thiết bị đo chất lượng điện năng

Trang 6

Mở đầu

Chương 2 (Một số thông số chất lượng điện năng và phương pháp xác định) trình bày một số thông số chất lượng điện năng và một số công thức tính toán thông

số chất lượng điện năng cơ bản

Chương 3 (Công tơ số ba pha EVM430-F47197) trình bày sơ đồ nguyên lý,sơ

đồ khối,sơ đồ thuật toán công tơ EVM430-F47197,mô tả phần mềm và chương trình lập trình cho công tơ

Chương 4 (Các kết quả thực hiện) trình bày các thuật toán tính toán tính toán

hệ số méo hài và thuật toán tính toán dao động điện áp

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực nghiệm việc đo một số chỉ số chất lượng điện năng, luận văn sẽ phát

triển thêm chức năng cho công tơ điện tử 3 pha EVM430-F47197 của TI (Texas

Instrument) do công tơ này hiện chỉ đo được các giá trị P, Q và f Trong luận văn sẽ

tìm hiểu và lập trình lại vi xử lý trung tâm của công tơ để có thể đo thêm được dao động điện áp, tỷ số méo hài,

Đề tài này đã nhận được sự ủng hộ giúp đỡ rất nhiều từ các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện và bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp và thày cô trong

bộ môn, nhất là giáo viên hướng dẫn PGS TSKH Trần Hoài Linh trong suốt quá

trình thực tập thực hiện đề tài này

Thiết bị đang ở dạng thử nghiệm nên còn rất nhiều vấn đề cần hoàn thiện, rất mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ của các quý thầy cô và các bạn

Một lần nữa, tác giả xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2014

Học viên

Chu Bá Trường

Trang 7

Chương 1: Giới thiệu về chỉ số chất lượng điện năng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1 Đặt vấn đề

Khách hàng, hộ tiêu thụ là đối tượng cần quan tâm nên ta sẽ định nghĩa chất lượng điện năng sẽ nhìn nhận từ phía hộ tiêu thụ Theo [1,2] chất lượng điện năng là bất cứ vấn đề nào liên quan đến sai lệch điện áp, dòng điện hoặc tần số mà có thể gây ra sự cố hoặc tác động nhầm của các thiết bị tại hộ tiêu thụ

Chất lượng điện năng có thể gây các ảnh hưởng lớn về mặt kinh tế do:

 Do các thiết bị hiện đại sử dụng ngày càng nhiều các khâu nhạy cảm với thay đổi điện áp

 Một số nhà máy sản xuất rất nhạy cảm với hiện tượng sụt áp (ví dụ như trong công nghiệp sản xuất linh kiện bán dẫn)

 Trong tương lai, khi thị trường phát điện cạnh tranh đã phát triển,chất lượng điện năng cũng là mối quan tâm của các công ty điện lực để thu hút khách hàng

Các tiêu chuẩn phân loại:

 Tồn tại nhiều phương thức và tiêu chuẩn phân loại chất lượng điện năng

 Phân loại theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995 được sử dụng phổ biến

1.2 Tầm quan trọng và nhu cầu về chất lượng điện năng

Nhu cầu về cuộc sống chất lượng nói chung và nhu cầu về chất lượng điện năng nói riêng của con người ngày càng tăng Trước đây đối với người sử dụng thì chất lượng điện năng đơn thuần chỉ là: ít cắt điện, điện đủ thắp sáng hoặc cho một

số thiết bị tối thiểu là được Nhưng khi điện năng đã tương đối đầy đủ thì yêu cầu về

Trang 8

chất lượng điện năng có thể nâng lên thành "không được phép cúp điện, không được cấp điện quá áp, thiếu áp quá 5%" Hiện nay chất lượng điện năng được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, phần 3.1.47, trang 5 như sau: “Cần thiết kế cấp nguồn và nối đất cho thiết bị nhạy cảm theo cách phù hợp để vận hành thiết bị đó”

(“The concept of powering and grounding sensitive equipment in a manner that is

suitable for the operation of that equipment”)

Ngoài ra một hệ thống điện có chất lượng cao cần đáp ứng một số yêu cầu sau [1,2,4,7]:

 Đảm bảo cấp điện áp và công suất theo yêu cầu của thiết bị và của người sử dụng, tỷ số hài thấp

 Relay bảo vệ tác động sai hoặc bị lỗi

 Gây cúp điện, hư hỏng thiết bị

 Làm tăng tổn hao, tăng chi phí

 Gây nhiễu điện từ và tiếng ồn

 …

Trang 9

Các hiện tượng làm suy giảm chất lượng điện năng-chất lượng điện năng được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, theo đó các hiện tượng sau đây được cho là ảnh hưởng đến chất lượng điện năng:

 Voltage Interruption: gián đoạn áp

 Voltage Sag (Dip): võng điện áp, sụt áp

 Voltage Swell: Vọt điện áp, lố điện áp

 Long duration variations: biến động thời gian dài

 Impulsive Transient: quá độ xung

 Oscillatory Transient: quá độ dao động

 Harmonic distortion: nhiễu sóng hài

 Voltage Fluctutation: dao động điện áp

 Noise: Nhiễu

Một số sự cố phổ biến ảnh hướng tới chất lượng điện năng:

 Cúp điện: Sự cố cúp điện thường rất phổ biến, thực chất nó là một sự cố lớn, một sự cố kéo theo từ các sự cố khác ví dụ: nhiễu tín hiệu làm thiết bị bảo vệ tác động nhầm, cúp điện do sự cố quá tải, do chủ ý điều độ

 Quá độ (Transient): Quá độ là hiện tượng thường xuyên nhất trong hệ thống

điện Tất cả thành phần của tải là RLC do vậy bất kỳ một sự thay đổi nào về tải đều kéo theo một quá trình quá độ nhất định Tùy theo bản chất của tải

mà ảnh hưởng của nó đối với hệ thống lớn hoặc nhỏ Hầu hết quá độ là do nội tại của hệ thống, 1 phần nhỏ là do từ bên ngoài hệ thống ví dụ như sét đánh

Quá độ được chia làm 2 loại: Quá độ xung và quá độ dao động Quá độ xung thường do sét đánh hoặc đóng cắt tải có dòng lớn Đối với sét đánh, xung được thể hiện qua 3 tham số: 1 Điện áp cực đại, 2 Thời gian điện áp

Trang 10

tăng từ 0 đến giá trị cực đại, 3 Thời gian suy giảm tới một nửa giá trị cực đại Hình ảnh dòng quá độ xung của 1 tia sét có dạng như sau:

Hình 1.1: Ví dụ một xung dòng điện của một tia sét

Dạng quá độ xung là nguyên nhân hư hỏng hầu hết của thiết bị Thời gian quá

độ xung rất nhanh nên hầu như các dụng cụ đo không phát hiện sự thay đổi điện áp hiệu dụng, điện áp trung bình nhưng linh kiện, thiết bị thì phải chịu đựng stress rất lớn trong quá trình này

Quá độ dao động (Oscillatory Transient): Thường xảy ra khi có đóng cắt các

tụ bù

1.3 Một số chỉ số thể hiện chất lượng điện năng

Các chỉ số đánh giá chất lượng điện năng được đưa ra cho các thành phần của

hệ thống điện Trong luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu về một số chỉ số trong lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối bao gồm lưới điện trung áp và lưới điện hạ áp Lưới điện phân phối có các đặc điểm về thiết kế và vận hành khác với lưới điện truyền tải Lưới điện phân phối phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng

và có tổn thất lớn hơn Vấn đề tổn thất trên lưới phân phối liên quan chặt chẽ đến

Trang 11

các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Do đó trên cơ

sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện phân phối

Tổn thất trên lưới điện phân phối bao gồm tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thương mại) và tổn thất kỹ thuật Tổn thất phi kỹ thuật (tổn thất thương mại) bao gồm 4 dạng tổn thất như sau:

 Trộm điện (câu, móc trộm)

 Không thanh toán hoặc chậm thanh toán hóa đơn tiền điện

 Sai sót tính toán tổn thất kỹ thuật

 Sai sót thống kê phân loại và tính hóa đơn khách hàng

Tổn thất phi kỹ thuật phụ thuộc vào cơ chế quản lý, quy trình quản lý hành chính Tổn thất kỹ thuật trên lưới điện phân phối chủ yếu gồm tổn thất trên dây dẫn và các máy biến áp phân phối Tổn thất kỹ thuật bao gồm tổn thất công suất tác dụng (CSTD) và tổn thất công suất phản kháng (CSPK) Tổn thất CSPK do từ thông rò trong các máy biến áp và cảm kháng trên đường dây Tổn thất CSPK chỉ làm lệch góc pha và ít ảnh hưởng đến tổn thất điện năng Tổn thất CSTD có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng và có thể được tính toán như sau:

 Đường dây phân phối quá dài, bán kính cấp điện lớn

Trang 12

 Tiết diện dây dẫn quá nhỏ, đường dây xuống cấp mà không được cải tạo

 Máy biến áp phân phối thường xuyên mang tải nặng hoặc quá tải

 Máy biến áp là loại có tỷ lệ tổn thất cao hoặc vật liệu lõi từ không tốt dẫn đến sau một thời gian tổn thất tăng lên

 Vận hành không đối xứng liên tục dẫn đến tăng tổn thất trên máy biến áp

 Nhiều thành phần sóng hài của các phụ tải công nghiệp tác động vào các cuộn dây máy biến áp làm tăng tổn thất

 Vận hành với hệ số cosφ thấp do thiếu công suất phản kháng

Để giảm các tổn thất, ta có thể áp dụng một số các biện pháp sau:

 Không để quá tải đường dây, máy biến áp, thường xuyên theo dõi các thông

số vận hành lưới điện, tình hình tăng trưởng phụ tải để có kế hoạch vận hành, cải tạo lưới điện, hoán chuyển máy biến áp đầy, non tải một cách hợp

lý, không để quá tải đường dây, quá tải máy biến áp trên lưới điện

 Không để các MBA phụ tải vận hành tải lệch pha Định kỳ hàng tháng đo dòng tải từng pha Ia, Ib, Ic và dòng điện dây trung tính Io để thực hiện cân pha khi dòng điện Io lớn hơn 15% trung bình cộng dòng điện các pha

 Đảm bảo vận hành phương thức tối ưu: Thường xuyên tính toán kiểm tra đảm bảo phương thức vận hành tối ưu trên lưới điện Đảm bảo duy trì điện

áp trong giới hạn cao cho phép theo quy định hiện hành và khả năng chịu đựng của thiết bị

 Theo dõi thường xuyên cosφ các nút trên lưới điện, tính toán vị trí và dung lượng lắp đặt tụ bù tối ưu để quyết định lắp đặt, hoán chuyển và vận hành hợp lý các bộ tụ trên lưới nhằm giảm tổn thất điện năng

 Kiểm tra, bảo dưỡng lưới điện ở tình trạng vận hành tốt

 …

Trang 13

Một phần tử rất quan trọng đóng góp cho quá trình cải thiện chất lượng điện năng là các hệ thống đo đếm điện năng Với các công nghệ mới về điện tử, vật liệu, cộng nghệ thông tin,… các thiết bị đo đếm hiện nay có cấp chính xác rất cao, nhiều khả năng linh hoạt như nối mạng, truyền kết quả đi xa tức thời,…

Thay thế công tơ điện tử 3 pha cho các phụ tải lớn; áp dụng các phương pháp

đo xa, giám sát thiết bị đo đếm từ xa cho các phụ tải lớn nhằm tăng cường theo dõi, phát hiện sai sót, sự cố trong đo đếm Đối với các phụ tải có đặc điểm biến động theo thời gian và tăng lên theo khu vực, do đó công suất, tỷ số hài, hệ số cosφ, dung lượng thiết bị bù công suất cần được tính toán và đo đếm

Với khả năng đo xa và truyền số liệu qua mạng, các thiết bị đo đếm sẽ hộ trợ rất tích cực cho việc thực hiện lịch ghi chỉ số công tơ như: đảm bảo ghi chỉ số công tơ đúng lộ trình, chu kỳ theo quy định, đúng ngày đã thỏa thuận với khách hàng, tạo điều kiện để khách hàng cùng giám sát, đảm bảo chính xác kết quả ghi chỉ số công tơ và kết quả sản lượng tính toán tổn thất điện năng Đồng thời việc củng cố và nâng cao chất lượng ghi chỉ số công tơ, đặc biệt đối với khu vực thuê dịch vụ điện nông thôn còn hỗ trợ phát hiện kịp thời công tơ hư hỏng để sớm xử lý kịp thời Việc giám sát tự động trên diện rộng các thiết bị đo đếm cho phép người vận hành khoanh vùng đánh giá tính toán tổn thất điện năng, Khi thực hiện lắp đặt công tơ ranh giới, công tơ cho từng xuất tuyến, công tơ tổng từng trạm biến áp phụ tải qua đó theo dõi đánh giá biến động tính toán tổn thất điện năng của từng xuất tuyến, từng trạm biến áp công cộng hàng tháng và lũy kế đến tháng thực hiện để có biện pháp xử lý đối với những biến động tính toán tổn thất điện năng Đồng thời so sánh kết quả lũy kế với kết quả tính toán tính toán tổn thất điện năng kỹ thuật để đánh giá thực tế vận hành cũng như khả năng có tính toán tổn thất điện năng thương mại thuộc khu vực đang xem xét

Việc quản lý chặt các chỉ số đo đếm tại từng nút của lưới cho phép đảm bảo phụ tải đúng với từng đường dây, từng khu vực, phát hiện các biểu hiện lấy cắp điện, dễ dàng phúc tra ghi chỉ số công tơ để đảm bảo đúng quy định của quy trình kinh doanh

Trang 14

Các công tơ điện tử có quy trình kiểm định, bao dưỡng đơn giản hơn so với công

tơ cơ thế hệ cũ.vì thiết kế mạch gọn nhẹ và quản lý nhiều bằng phần mềm ứng dụng

1.4 Các thiết bị đo chất lượng điện năng

Trong hệ thống phân phối bao gồm các hệ thống trạm biến áp,lưới điện phân phối nơi có các tủ thiết bị đo đếm điện năng đo đếm lượng điện năng đối với người tiêu thụ điện, hệ thống điện truyền tải từ lưới là điện năng ba pha nên thống thiết bị

đo chất lượng điện năng tải 3 phà là một phần không thể tách rời trong nghành điện Trong hệ thống lớn, trạm biến áp và trạm đo đếm số lượng thiết bị đo được sử dụng

có thể lên tới con số trục đến hàng trăm thiết bị đo, và được phân bố rộng trên đường đo đếm từ lưới đến các tủ động lực và đến phân phối Một hệ thống thiết bị

đo tốt và hợp lý không những cần tạo ra phép đo chính xác, mà còn phải thể hiện đo

được nhiều thông số

Do đó việc đưa vào thực tiễn các tiến bộ về khoa học kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực, nhất là trong lĩnh vực điện-điện tử, giúp giải quyết các vấn đề về đo lường tính toán tải và thiết bị đo công suất trạm biến áp được xem là một nhu cầu bức thiết hiện nay

Việc ứng dụng công tơ điện tử sẽ mang lại lợi ích cho hộ dân, như biết được phụ tải thực tế đang sử dụng qua việc đọc các thông số điện áp và dòng điện để có điều chỉnh sử dụng điện hợp lý, tiết kiệm và hiệu quả hơn; cảnh báo an toàn cho hộ dân biết khi thiết bị xảy ra rò điện (đèn LED vàng sáng), đồng thời, giúp cho ngành Điện nâng cao năng suất lao động, hạn chế sai sót do yếu tố con người khi ghi chỉ số điện và xây dựng hệ thống giám sát để nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện

Để việc ứng dụng công tơ điện tử đạt hiệu quả cao và tạo đồng thuận trong hộ dân, khuyến nghị ngành Điện cần tiếp tục tuyên truyền, hướng dẫn hộ dân biết đầy

đủ về sử dụng và lợi ích của công tơ điện tử mang lại Đồng thời giải quyết kịp thời

Trang 15

những thắc mắc, khiếu nại của hộ dân đúng quy định Công tơ có thể chia thành các loại chính như sau:

 Công tơ số 1 pha

 Công tơ số 3 pha

 Công tơ điện tử 1 pha

 Công tơ điện tử 3 pha

Trang 16

Chương 2: Một số thông số chất lượng điện năng và phương pháp xác định

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

2.1 Một số thông số chất lượng điện năng

Như ta đã biết, có nhiều cách hiểu, cũng như cách định nghĩa khác nhau về chất lượng điện năng tuỳ thuộc vào quan điểm của người đánh giá Chẳng hạn đối với các đơn vị cung ứng điện chất lượng điện năng thường được hiểu là chất lượng điện áp, tần số và độ tin cậy cung cấp điện được quy định, đối với nhà sản xuất thiết

bị điện thì CLĐN là tập hợp các thông số của điện năng được cung cấp đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt Tập hợp các thông số này có thể rất khác nhau đối với từng chủng loại thiết bị và từng nhà sản xuất, khách hàng sử dụng điện Khách hàng sử dụng điện thường đánh giá chất lượng điện năng theo quan điểm an toàn, đảm bảo tiện nghi và hiệu quả sản xuất, tiêu dùng [1]

Một số thông số, chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng cơ bản có thể được liệt kê theo sau:

 Biến thiên điện áp kéo dài: Các biến thiên điện áp kéo theo sự biến đổi về giá trị hiệu dụng của điện áp trong khoảng thời gian lớn hơn 1 phút Biến thiên điện áp kéo dài có thể bao gồm quá áp và sụt áp Quá áp khi điện áp

Trang 17

 Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance), mức độ mất cân bằng có thể

được định theo tỷ số: Độ chênh lệch điện áp lớn nhất và điện áp trung bình / Điện áp trung bình

 Méo dạng sóng: Các thành phần sóng hài bậc cao (harmonic and

interharmonic), trong đó sóng hài (harmonic) là các sóng có tần số là bội số

nguyên của tần số cơ bản 50 Hz còn liên sóng hài (interharmonic) là các

sóng có tần số không là bội số nguyên của tần số cơ bản 50 Hz

 Dao động điện áp (Voltage Fluctuation): là các biến thiên của biên độ điện

áp trong khoảng từ 0.9 – 1.1 pU

 Flicker (Rung điện áp) thuật ngữ này được dùng khi xét đến ảnh hưởng của dao động điện áp đến hệ thống chiếu sáng mà mắt người có thể cảm nhận được



Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ điện tử, vi xử lý, , hiện nay

đa số các chỉ số này có thể được đo và xác định bằng các thiết bị điện tử tự động Ví

dụ như các dòng công tơ điện tử của SIEMENS có thể xác định được một số chỉ số như liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số chỉ số có thể đo bằng công tơ điện tử theo khuyến cáo của SIEMENS [4]

Các chỉ số Phép đo Sai số phép đo

Điện áp dây L1-N; L2-N; L3-N 0.1%

Điện áp L1-L2; L1-L3; L2-L3 0.1%

Dòng điện IL1, IL2, IL3, N, ∑ 0.1%

Công suất hiệu dụng L1, L2, L3, ∑ 0.5%

Công suất phản kháng L1, L2, L3, ∑ 0.5%

Trang 18

Công suất danh định L1, L2, L3, ∑ 0.5%

Hệ số công suất cos L1, L2, L3, ∑ 0.5% Góc pha L1, L2, L3, ∑ 2 o

Tần số L1-N 10MHz Năng lượng tiêu thụ L1, L2, L3, ∑ 0.5% Năng lượng cung cấp L1, L2, L3, ∑ 0.5% Tổng NL tiêu thụ ∑ 0.5% Năng lượng phản kháng, hiệu suất L1, L2, L3, ∑ 0.5% Năng lượng phản kháng tổng L1, L2, L3, ∑ 0.5% Năng lượng ban đầu L1, L2, L3, ∑ 0.5% Dao động điện áp 4 dây hệ thống 0.5% Dao động dòng điện 4 dây hệ thống 0.5% Thành phần hài điện áp L1, L2, L3 0.5% Thành phần hài dòng điện L1, L2, L3 0.5%

Tỷ số hài điện áp 3 rd , 5 th , 7 th … L1, L2, L3 0.5%

Tỷ số hài dòng điện 3rd, 5th, 7th… L1, L2, L3 0.5%

Giới hạn giá trị tổn thất Đếm 1, 2, 3, 4 0.5% Tín hiệu đầu vào số Tín hiệu ngoài 0.5% Tín hiệu đầu vào hệ nhị phân Tín hiệu ngoài 0.5%

Trang 19

2.2 Một số công thức tính toán chỉ số điện năng cơ bản

Trong lưới điện với tần số f, cung cấp cho tải hiệu điện thế tức thời u(t), dòng

điện tức thời chạy qua tải là i(t), trễ pha φ so với hiệu điện thế có thể mô tả như sau:

( ) 2 rms sin(2 )

trong đó, I rms và U rms là các giá trị hiệu dụng của dòng điện và hiệu điện thế

Giá trị hiệu dụng V rms của một tín hiệu tuần hoàn liên tục ( )v t tính như sau

2 0

1

( )

T rms

Trang 20

với: ph chỉ số pha 1, 2 hoặc 3; v ph( )n  điện áp mẫu tại thời điểm ‘n’; i ph( )n 

dòng điện mẫu tại thời điểm lấy mẫu ‘n’; N - số mẫu trong một đơn vị thời gian; v

K  hệ số chuyển đổi tỉ lệ điện áp của thiết bị đo; K i hệ số chuyển đổi tỉ lệ dòng điện của thiết bị đo;

 Công suất:

3

1 ,

1

( ) ( )( )

1

Re ,

1

( ) ( )( )

Công suất phản kháng tính tại thời điểm độ lệch pha 90 độ vì các lí do sau:

 Phù hợp tiêu chuẩn đo lường

 Đo được công suất phản kháng ứng với dòng điện rất nhỏ

 Tỷ số dao động điện áp cho điện áp trong một cửa sổ thời gian:

max min ( )2

Trang 21

Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F47197

CHƯƠNG 3: CÔNG TƠ SỐ BA PHA EVM430-F47197

Do linh kiện chế tạo phần cứng chưa đầy đủ cùng với việc muốn giành nhiều thời gian nghiên cứu để mở rộng phạm vi tính toán công tơ bằng cách phát triển phần mềm để lập trình lại, nên luận văn không tự thiết kế và chế tạo một công tơ điện tử hoàn toàn mới mà sẽ tìm hiểu và phát triển chức năng cho một công tơ điện

tử đã có là công tơ EVM430-F47197 của Texas Instrument Trong chương này sẽ trình bày về các cơ sở lý thuyết và các sơ đồ khối, mạch nguyên lý của công tơ đã chọn, đồng thời cũng sẽ trình bày về cấu trúc các chương trình phần mềm của công

tơ, từ đó đề xuất các giải pháp mở rộng chức năng tính toán cho công tơ F47197

EVM430-3.1 Vi điều khiển trung tâm MSP430F47197 của công tơ điện tử EVM430-F47197

MSP430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty

Texas Instruments MSP là chữ viết tắt của “Mixed Signal microProcessor” Là

dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp nguồn cấp từ 1,8V – 3,6V MSP430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn các module ngoại vi Đặc biệt chíp MSP430 là giải pháp thích hợp cho

những ứng dụng yêu cầu xử lý nhiều tín hiệu

Những đặc tính của dòng MSP430x4xx bao gồm:

 Điện áp nguồn: 1,8V – 3,6 V

 Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp:

- Chế độ hoạt động: 350μA tại 1MHz, 2,2 V

- Chế độ chờ: 1,1 μA

- Chế độ ngủ (RAM vẫn được duy trì): 0,2 μA

 Thời gian đánh thức từ chế độ chờ nhỏ hơn 6μs

Trang 22

 Cấu trúc RISC-16 bit, thời gian một chu kỳ lệnh là 62,5 ns

 3 Kênh DMA (Direct Memory Access) nội

 Cấu hình các module Clock cơ bản:

- Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số ±1%,

- Thạch anh 32 kHz,

- Tần số làm việc lên tới 16 MHz,

- Bộ cộng hưởng,

- Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài,

 Basic Timer 1 nguồn clock cho khối RTC nội

 Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Giao diện truyền thông nối tiếp:

- Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự dò tìm tốc độ Baud,

- Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Association),

- Chuẩn giao tiếp động bộ SPI,

- Chuẩn giao tiếp I2C,

 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, lấy mẫu

và chốt Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

 Bộ chuyển đổi ADC 16-Bit kiểu Sigma-Delta với bộ khuếch đại nội

Trang 23

 Module mô phỏng trên chip

Một số Chip của dòng MSP430x4xx:

 MSP430F47163: 92KB Flash, 4KB RAM 3 Sigma-Delta ADCs

MSP430F47197 là IC được Texas Instrument lựa chọn để thực hiện công tơ 3 pha EVM430-F47197 MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo có sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp Với chế độ nguồn nuôi từ khoảng 1,8 đến 3,6V và 5 chế độ bảo vệ nguồn, sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ tích cực thì dòng tiêu thụ là 350uA, 1MHz, 2,2V; với chế độ chờ thì dòng tiêu thụ là 1,1uA Và chế độ ngủ chỉ duy trì bộ nhớ RAM thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0,2uA Thời gian chuyển từ chế độ chờ sang chế độ tích cực cũng rất nhỏ (< 6us) Một đặc điểm đáng chú ý của họ vi điều khiển MSP430 là khi không có tín hiệu dao động ngoài thì MSP sẽ tự động chuyển sang chế độ dao động nội

Hình 3.1: Sơ đồ khối MSP430F471x7

Trang 24

Hình 3.2: Sơ đồ chân MSP430F471x7

CPU của MSP430F47197 có kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set

Computer) là một kiến trúc vi xử lý theo hướng đơn giản hóa tập lệnh Các lệnh

được xây dựng để có thể thực hiện với chỉ 1 chu kỳ máy Mặt khác bus dữ liệu và bus địa chỉ (có độ rộng 16 bít) tách rời nhau điều này giúp cho quá trình đọc dữ liệu

và mã lệnh có thể diễn ra đồng thời do đó nâng cao hiệu suất làm việc của vi xử lý CPU gồm 16 thanh ghi 16 bit với ký hiệu từ R0 đến R15 có các chức năng đặc biệt Các thanh ghi còn lại được sử dụng với mục đích chung CPU có sơ đồ khối như hình 3.3

Trang 25

 Chế độ định địa chỉ thanh ghi gián tiếp

 Chế độ định địa chỉ tăng tự động

 Chế độ định địa chỉ tức thời

Hình 3.3: Sơ đồ khối CPU

Trang 26

3.2 Các khối chức năng chính của MSP430F47197

3.2.1 Các nguồn xung nhịp (FLL) và các chế độ hoạt động

Xung nhịp hệ thống của MSP430F47197 được định nghĩa bởi bộ khóa tần số

FLL+ (Frequency Locked Loop) FLL+ có thể làm việc với thạch anh gắn ngoài hay

bộ dao động nội FLL+ gồm có 3 nguồn:

 LFXT1CLK: Bộ dao động có khả năng tạo xung nhịp tốc độ thấp với thạch

anh đồng hồ 32.768 Hz, hoặc xung nhịp tốc độ cao với thạch anh, resonance hay nguồn xung nhịp ngoài với tần số từ 450Khz-8Mhz

 XT2CLK: Bộ dao động có khả năng tạo xung nhịp tốc độ cao với thạch anh,

resonance hay nguồn xung nhịp ngoài với tần số từ 450Khz-8Mhz

 DCOCLK: Bộ dao động R-C nội, được ổn định tần số bởi FLL+

Có 4 tín hiệu xung nhịp được tạo ra:

 Master Clock (MCLK): Được chọn bởi phần mềm từ các nguồn

LFXT1CLK, XT2CLK hoặc DCO MCLK có thể được chia bởi các hệ số

1, 2, 4, 8 trước khi sử dụng MCLK được sử dụng bởi CPU và hệ thống

 Sub-System Main Clock (SMCLK): Được chọn bởi phần mềm giữa

XT2CLK và DCOCLK SMCLK có thể được chọn bằng phần mềm cho ngoại vi

 Auxiliary clock (ACLK): ACLK được tạo ra từ LFXT1CLK, có thể được

chọn bằng phần mềm cho ngoại vi

 Buffered Auxiliary clock (ACLK/n): Là ngõ ra được đệm của ACLK

ACLK/n chính là ACLK chia cho hệ số chia 1, 2, 4, 8 và được sử dụng cho các ngoại vi bên ngoài

Sau khi reset, MCLK và SMCLK được lấy từ DCOCLK ở tần số gấp 32 lần ACLK Nếu bộ dao động LFXT1CLK sử dụng thạch anh 32.768Hz, tần số của MCLK và SMCLK sẽ là 1.048576MHz

Trang 27

Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ tạo xung nhịp của MSP430F47197

3.2.2 Bộ tạo dao động Low/High Frequency Oscillator (LFXT1)

Bộ dao động này có thể được dùng để tạo xung nhịp tốc độ thấp (Low Speed)

từ thạch anh đồng hồ (tần số 32,768 Hz) hoặc xung nhịp tốc độ cao (High Speed) từ

thạch anh ngoài hoặc bộ dao động ngoài 450 kHz-8MHz

Bit XTS_FLL trong thanh ghi FLL_CTL0 dùng để chọn lựa chế độ hoạt động của LFXT1

 XTS_FLL = 0: Low Speed

 XTS_FLL = 1: High Speed

Trang 28

Giá trị tụ điện bên trong của bộ dao động (1, 6, 8, 10pF) được chọn bởi các bit XCAPxPF

Bộ dao động LFXT1 có thể được tắt bằng cách set bit OSCOFF lên 1 nếu LFXT1 không được chọn để tạo nguồn cho MCLK (SELM # 3 hoặc CPUOFF = 1)

3.2.3 Bộ tạo dao động High Frequency Oscillator (XT2)

Bộ dao động XT2 dùng thạch anh ngoài để tạo dao động tần số cao XT2CLK

Bộ dao động XT2 không có tụ điện bên trong, vì vậy tụ ngoài sẽ cần được sử dụng khi giao tiếp thạch anh

Bộ dao động XT2 có thể được tắt bằng cách set bit XT2OFF lên 1 nếu XT2CLK không được chọn để tạo nguồn cho MCLK (SELM # 2 hoặc CPUOFF

=1) và SMCLK (SELS = 0 hoặc SMCLKOFF = 1)

3.2.4 Bộ dao động nội DCO:

Bộ dao động DCO dùng FLL+ để nhân tín hiệu ACLK lên (N+1) lần, với N là

7 bit thấp của thanh ghi SCFQCTL

Bit DCOPLUS chọn tần số chọn tần số f DCOCLK bằng f DCO hoặc f DCO D/ Số chia D bằng 1, 2, 4, 8 và được chọn bởi các bit FLLDx Sau khi reset, DCOPLUS bằng 0 và D bằng 2

 DCOPLUS = 0: f DCOCLK N  1 f ACLK

 DCOPLUS =1: f DCOCLK  D N  1 f ACLK

3.2.5 Giới hạn tần số của DCO

Giới hạn tần số dao dộng của DCO được chọn bởi các bit FNx Người lập

trình phải đảm bảo tần số của MCLK không vượt quá tần số hoạt động cao nhất của

DCO

Trang 29

Bảng 3.1 Bảng giới hạn tần số của DCO

3.2.6 Các chế độ hoạt động

MSP430 được thiết kế cho những ứng dụng sử dụng nguồn thấp và sử dụng ở nhiều chế độ hoạt động khác nhau Các chế độ hoạt động khác nhau ở 3 đặc điểm chính:

 Mức độ sử dụng nguồn thấp

 Tốc độ và lưu lượng dữ liệu

 Mức độ làm nhỏ đi lượng tiêu thụ điện của các thiết bị ngoại vi

Hình 3.5: Dòng tiêu thụ của MSP430x4xx ở các chế độ hoạt động

Ở chế độ nguồn thấp LPM0 đến LPM4 được thiết lập với các Bit SCG0, SCG1, OSCOFF, CPUOFF trong thanh ghi trạng thái SR Ưu điểm của các Bit điều khiển SCG0, SCG1, OSCOFF và CPUOFF trong thanh ghi trạng thái là chế độ hoạt

Trang 30

động hiện tại sẽ được lưu trong Stack trong suốt quá trình ngắt diễn ra Chương trình sẽ quay về chế độ hoạt động trước đó nếu giá trị được lưu trong thanh ghi trạng thái không bị thay đổi trong suốt quá trình ngắt

Chương trình có thể quay về một chế độ hoạt động khác nếu có sự thay đổi giá trị được lưu bên trong Stack trong suốt quá trình ngắt diễn ra Các bít điều khiển và Stack có thể được truy cập bởi bất kì lệnh nào Các giá trị để chọn chế độ hoạt động của họ MSP430 được trình bày ở Bảng 3.2

Bảng 3.2: Các chế độ hoạt động cơ bản của MSP430

MSP430x4xx có 3 Timer, bao gồm: Basic Timer 1, Timer_A và Timer_B Basic Timer 1 counter 1 (BTCNT1) có chức năng để tạo tần số frame (frame frequency) cho bộ điều khiển LCD (LCD Controller) từ nguồn xung: ACLK Hệ số chia cho clock ngõ ra ( f LCD) được chọn bởi các bit BTFRFQx trong thanh ghi BTCTL theo công thức:

/

LCD

và Basic Timer 1 Counter 2 (BTCNT2) là bộ chia tần số có khả năng tạo ngắt, dùng

để tạo những ngắt theo chu kỳ cho CPU hoặc tạo thành hệ thống đồng hồ thời gian

Trang 31

thực BTCNT2 là thanh ghi 8 bit, có thể ghi/đọc Nguồn xung clock: ACLK, SMCLK, hoặc SMCLK/256 khi mắc nối tiếp với BTCN1 Hệ số chia cho clock ngõ

ra ( f LCD) được chọn bởi các bít BTFRFQx trong thanh ghi BTCTL Dùng để tạo ngắt Basic Timer 1 Interrupt BTIFG, thời gian ngắt được chọn bởi các bit BTIPx trong thanh ghi BTCTL

3.2.7 Khối chuyển đổi ADC SD16

Khối SD16_A gồm 7 kênh chuyển đổi tương tự số độc lập với điện áp tham chiếu nội hoặc điện áp tham chiếu bên ngoài Có kênh chuyển đổi cho cảm biến nhiệt độ bên trong Cấu trúc SD16_A gồm 2 khối: khối điều biến và bộ lọc số Bộ lọc số được cấu hình bằng phần mềm

 Các đặc tính của bộ chuyển đổi SD16_A:

- Cấu trúc Sigma-delta 16-Bit

- 7 kênh chuyển đổi độc lập, lấy mẫu đồng thời

- Lựa chọn điện áp tham chiếu nội bằng phần mềm (1,2V)

- Lựa chọn điện áp tham chiếu nội hoặc bên ngoài bằng phần mềm

- Chứa cảm biến nhiệt độ

- Tần số đầu vào khối điều biến có thể lên tới 1,1MHz

- Bộ đệm trở kháng cao đầu vào

- Lựa chọn chế độ chuyển đổi nguồn nuôi thấp

3.2.8 Khối đồng hồ thời gian thực (RTC)

Một ưu điểm nữa của MSP430 so với các dòng vi điều khiển khác (PIC, AVR, .) là có chứa khối Đồng hồ thời gian thực nội Đồng hồ thời gian thực là khối đếm thời gian giây, phút, giờ, ngày, tháng và năm Ngoài ra, nó còn có thể được sử dụng như là 1 bộ đếm Chế độ hoạt động của RTC được cấu hình bởi các bit RTCMODEx trong thanh ghi RTCCTL

Xung nhịp cho RTC có tần số 1Hz được lấy từ khối Basic timer 1 Basic timer

1 vẫn có thể được cấu hình để tạo ngắt Basic timer 1

Trang 32

Ta thường cấu hình cho RTC hoạt động với kiểu BCD khi muốn thiết lập giá trị ban đầu vào các thanh ghi ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây Xóa bit RTCHOLD

sẽ cho phép RTC hoạt động trở lại

3.2.9 Ứng dụng Vi điều khiển MSP430F47197 để thiết kế chế tạo công tơ số

a) Ưu điểm nổi trội của dòng vi điều khiển MSP430 trong các ứng dụng đo lường

MSP430 là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng với dải điện áp nguồn: 1,8V – 3,6V Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp Thời gian đánh thức từ chế

độ chờ nhỏ hơn 6μs MSP430 có nhiều chế độ tiết kiệm nguồn Khi không có nguồn xung clock bên ngoài MSP430 tự động hoạt động với thạch anh nội Vậy nên MSP430 rất phù hợp cho những thiết bị đo cần tiết kiệm điện năng

MSP430 tích hợp đầy đủ các khối chức năng cho các ứng dụng đo lường điều khiển và truyền thông như ADC độ phân giải cao, tiêu hao nguồn nuôi thấp, bộ nhân phần cứng, DAC, các bộ RTC, cảm biến nhiệt độ nội và đầy đủ các giao tiếp truyền thông như UART, SPI, I2C, Cùng với giá thành thấp so với các dòng vi điều khiển khác như PIC, AVR, hay ARM, MSP430 làm hạ giá thành sản phầm đáng kể khi thương mại hóa

b) Sử dụng Vi điều khiển MSP430F47197 để thiết kế chế tạo công tơ số 3 pha

Vi điều khiển MSP430F47197 thuộc dòng MSP430F4xx (4xx) Được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đo lường với các module hỗ trợ đầy đủ MSP430F4xx có tốc độ CPU lên tới 16 MHz với kiến trúc MSP430CPUx Tích hợp ADC 16 bit độ phân giải cao, chống nhiễu tốt có thể lấy mẫu đồng thời 2 tín hiệu dòng điện,điện áp Ngoài ra còn có bộ khuếch đại tích hợp sẵn Bộ nhân 32 bit chuyên dụng Hỗ trợ tính toán cho cả 3 pha hoặc 1 pha Các thông số đo bao gồm: Giá trị hiệu dụng dòng điện, điện áp,công suất hiệu dụng và công suất phản kháng, Công suất toàn phần, tần số ngoài ra hiển thị nhiệt độ và ngày giờ với module đo nhiệt độ, khối RTC nội Vậy nên MSP430F47197 đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cho việc thiết kế công tơ số 3 pha

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	1,63 MB