Sử dụng ADE7753 trong các thiết kế đo năng lượng, công suất với độ chính xác rất cao và giá thành rẻ. Bộ đo được thiết kế dễ dàng, sử dụng phổ biến để đo chất lượng điện năng, công suất tiêu thụ của các thiết bị điện dân dụng hay công nghiệp. Độ chính xác trong phép đo phù hợp với các tiêu chuẩn của IEC và tương đương hoặc tốt hơn các công tơ điện tử hiện tại đang được sử dụng cho các hộ dân.
Trang 1BỘ ĐO CÔNG SUẤT ADE7753
1 MÔ TẢ CHUNG
ADE7753 là một IC đo lường công suất điện với độ chính xác cao cùng với giao tiếp nối tiếp và xung đầu ra ADE7753 kết hợp hai ADC sigma-delta bậc 2, mạch tham chiếu, cảm biến nhiệt độ và tất cả các bộ
xử lý tín hiệu cần thiết để đo năng lượng thực, năng lượng phản kháng và biểu kiến
Tài liệu này mô tả về phần cứng của kít đánh giá ADE7753 và các chức năng phần mềm
Mạch đánh giá này được thiết kế để có thể sử dụng đánh giá trong các ứng dụng đo watt-hour Sử dụng các bộ chuyển đổi thích hợp trên kênh dòng điện, cảm biến di/dt, CT và shunt, mạch này có thể được kết nối với các mạch thử điện áp cao (240V rms) Một mạng điện trở được chia
ở bên trong mạch cung cấp bộ suy giảm cho các đường điện áp Tài liệu này cũng mô tả làm thế nào bộ chuyển đổi dòng điện sẽ được kết nối với hiệu suất tốt nhất ADE7753 có một bộ tích phân số tích hợp bên trong cho phép giao tiếp đơn giản với bất kỳ cảm biến di/dt nào (như cuộn dây Rogowski)
Board đánh giá (bộ đo watt-hour) được cấu hình và hiệu chuẩn thông qua cổng song song của một PC Dẽ liệu giao tiếp giữa board và PC được cách ly hoàn toàn
Board đánh giá cũng có chức năng như một hệ thông đánh giá tiêu chuẩn mà có thể kết hợp dễ dàng vào trong một hệ thống có sẵn thông qua kết nối 25 chân D-Sub
Board cũng yêu cầu hai nguồn 5V cung cấp từ bên ngoài (một
nguồn được yêu cầu cho mục đích cách ly) và một bộ chuyển đổi dòng điện
Trang 22 CÁC ĐẦU VÀO TƯƠNG TỰ (SK1 VÀ SK2)
Các tín hiệu điện áp và dòng điện được kết nối ở các đầu vào screw SK1 và SK2, tương ứng Tất cả các tín hiệu đầu vào tương tự được lọc sử dụng các bộ lọc răng cưa trước khi được đưa tới các đầu vào tương tự của ADE7753 Các giá trị linh kiện mặc định được cho cùng với board là các giá trị được giới thiệu cùng với ADE7753 Người sử dụng có thể dễ dàng thay thế các thành phần này nếu chúng có liên hệ với việc chọn lựa các giá trị linh kiện cho các bộ lọc đầu vào tương tự Người dùng được khuyến khích tham khảo bảng dữ liệu ADE7753 để biết mô tả toàn diện hơn về các bộ lọc khử răng cưa và chức năng của chúng
Đầu vào cảm biến dòng điện (SK2)
SK2 là một khối kết nối có 3 đường cho phép ADE7753 kết nối với một bộ chuyển đổi dòng điện Hình dưới đây trình bày kết nối SK2 và mạng bộ lọc được cung cấp trên board
Các điện trở SH1A và SH1B theo mặc định là không được đặt.Chúng
sẽ được sử dụng như một điện trở gánh khi một CT được sử dụng như bộ chuyển đổi dòng điện
Các mạng RC R41/C11 và R42/C21 cung cấp bộ suy giảm nhiễu tần
số cao và cân bằng hệ số khuếch đại 20dB/dec ở tần số cao khi cảm biến di/dt được sử dụng như một bộ chuyển đổi dòng điện Các mạng RC này
dễ dàng được ngắn mạch bằng JP15 và JP25 và tháo C11 và C21
Trang 3Các mạng RC là các bộ lọc răng cưa cần thiết cho các chip ADC Tần
số góc mặc định với các bộ lọc thông thấp (LPF) này được chọn là 4.8kHz (1kΩ và 33nF) Các bộ lọc này có thể dễ dàng được điều chỉnh bằng cách thay thế các linh kiện trên board
Sử dụng một cảm biến di/dt như bộ bộ chuyển đổi dòng điện
Hình 3 trình bày làm thế nào một cảm biến di/dt có thể được sử dụng như một bộ chuyển đổi dòng điện trong một hệ thống truyền tải 2 dây đơn pha Một cảm biến di/dt thường được tạo từ một cuộn dây lõi không khí Bởi vì sự hỗ cảm giữa cuộn dây và dây pha, một tín hiệu được
áp được tạo ra từ đầu ra cuộn dây tỷ lệ thuận với vi sai của dòng điện theo thời gian (di/dt)
Cảm biến di/dt cho ra một điện áp hỗ cảm Khi sử dụng một cảm biến di/dt như một cảm biến dòng, các jum JP15/JP25 và JP1/JP3 nên để hở Tất cả các bộ lọc đều cần thiết trong trường hợp này để cung cấp các bộ lọc răng cưa
Trang 4Trên lý thuyết, các cảm biến di/dt lõi không khí có sự kết hợp dịch pha đi +900 ở tất cả các đầu vào tần số Sự dịch pha này được bù lại bằng -900 của bộ tích phân bên trong Có thêm các lỗi pha từ các thành phần không phù hợp bên ngoài, với ví dụ, có thể chỉnh đúng lại bằng cách ghi vào thành ghi hiệu chuẩn pha (PHCAL[7:0]) trong ADE7753
Cho ví dụ, chỉ ra rằng dải đầu vào tương tự tối đa trên kênh 1 được thiêt lập là 62.5mV, và hệ số khuếch đại cho kênh 1 thiết lập là 8 Dải đầu
ào tương tự tối đa và hệ số khuếch đại được thiết lập thông qua thanh ghi khuếch đại (GAIN) ADE7753 cho phép người sử dụng cấu hình cho dải kênh và hệ số khuếch đại Tín hiệu vi sai đỉnh tối đa trên kênh 1 là 0.5V (ở
hệ số khuếch đại +1)
Sử dụng một CT như một bộ chuyển đổi dòng điện
Hình dưới đây trình bày làm thế nào có thể sử dụng bộ chuyển đổi
CT trong một hệ thống phân phối 3 dây đơn pha Đây là cách mà năng lượng điện phân phối tới người dùng ở các khu dân cư Pha A và Pha B thường lệch pha nhau 1800 Thêm nữa là hướng của dòng điện dễ dàng được xác định bằng cách sử dụng 2 cuộn dây sơ cấp ngược cực nhau trên CT
Dòng điện thứ cấp của CT được chuyển đổi tới một điện áp bằng cách sử dụng một điện trở gánh ở hai bên của đầu ra cuộn dây thứ cấp Cần phải cẩn thận khi sử dụng CT như một bộ chuyển đổi dòng điện Nếu cuộn thứ hai bỏ ngỏ … không có kết nối đến điện trở gánh, một điện áp lớn có thể hiện diện ở các đầu ra thứ cấp Điều này có thể gây ra sốc điện nguy hiểm và có khả năng làm hư hại các linh kiện điện tử
Khi sử dụng một CT như cảm biến dòng điện, mạng bù pha cho ứng dụng điện trở shunt nên được ngắt Làm điều này bằng cách đóng các jum JP15/JP25 và tháo bỏ C11/C21 Các bộ lọc răng cưa sẽ được cho phép hoạt động bằng các jum JP1/JP3 như hình trên
Trang 5Hầu hết các CT đều có một sự dịch pha nhỏ vào khoảng 0.1 – 10 ở tần số 50Hz/60Hz Sự dịch pha hoặc lỗi pha này có thể dẫn đến các lỗi đo lường năng lượng có nghĩa, đặc biệt là ở các hệ số công suất thấp Tuy nhiên, các lỗi pha này có thể được chỉnh lại cho chính xác bằng cách ghi tới thanh ghi hiệu chuẩn pha (PHCAL[7:0]) trong ADE7753
Cho ví dụ, thông báo rằng dải đầu vào tương tự tối đa trên kênh 1 được đặt tới 250mV và hệ số khuếch đại là 2 Dải đầu vào tương tự tối đa
và hệ số khuếch đại sẽ được thiết lập thông qua thanh ghi GAIN
Sử dụng một điện trở SHUNT như một bộ chuyển đổi dòng điện
Hình dưới đây là cách sử dụng một điện trở shunt để thực hiện
chuyển đổi dòng điện tới điện áp cần thiết cho ADE7753 Sử dụng shunt là một cách hiệu quả để thực hiện sự chuyển đổi dòng điện tới điện áp trong ứng dụng 2 dây đơn pha Không có cách ly là điều cần thiết trong ứng dụng 2 dây, và shunt có nhiều ưu điểm hơn là CT Cho ví dụ, một shunt không phải chịu các vấn đề về bão hòa dc và đáp ứng pha của shunt là tuyến tính trên dải động rộng Mặc dù shunt chủ yếu là điện trở, nó vẫn có các yếu tố phản kháng kí sinh (độ tự cảm) mà có thể có trở nên có nghĩa ngay cả ở 50Hz/60Hz.Điều này có nghĩa rằng, đó có thể là một sự dịch pha nhỏ khi dùng shunt Một khi đã hiểu rõ điều này thì sự dịch pha này có thể
dễ dàng được bù lại bằng một mạng bộ lọc R41/C11 và R42/C21
Điện trở shunt được sử dụng trong ví dụ này là một điện trở loại manganin 200µΩ Điện trở shunt nên là loại có giá trị thấp nhất có thể để Ω Điện trở shunt nên là loại có giá trị thấp nhất có thể để tránh tiêu thụ công suất quá mức trên shunt Hình 5 cho thấy cách kết nối shunt đến mạch Hai dây cảm biến nên được hàn vào shunt như ở các mối nối của copper/manganin Hai dây này cũng nên được xoắn vào nhau thành cặp để giảm diện tích lặp làm giảm các hiệu ứng như anten Một kết
Trang 6nối với điện áp chung (common-mode) có thể được thực hiện ở điểm kết nối của dây dẫn mang dòng
Các đầu vào cảm biến điện áp
Các kết nối đầu vào điện áp trên ADE7753 có thể được kết nối trực tiếp với dây điện áp nguồn Dây điện áp được làm suy giảm bằng việc sử dụng một mạng điện trở đơn giản trước khi đưa vào ADE7753 Bởi vì liên quan đến các tín hiệu lớn trên kênh này và các yêu câu dải động nhỏ, điện
áp kênh có thể điện cấu hình trong một cấu hình đơn đầu Hình dưới đây trình bày một kết nối phổ biến đối với đường điện áp
Chú ý rằng đầu vào tương tự V2N được kết nối tới AGND thông qua
bộ lọc răng cưa R57/C54 sử dụng JP10 Do đó, jum JP9 nên được bỏ ngỏ
Mạng suy giảm điện áp được tạo thành từ R53, R54 và R56 Mức tín hiệu tối đa có thể được chấp nhận ở V2P là 0.5V đỉnh Mặc dù các đầu vào tương tự ADE7753 có thể chị được ±6V để không bị phá hủy vĩnh viễn nhưng dải tín hiệu không nên vượt quá ±0.5V so với AGND được chỉ định
Mạng suy giảm có thể dễ dàng được sử đổi từ người sử dụng để đáp ứng bất kỳ mức tín hiệu đầu vào nào Tuy nhiên giá trị của R56 không nên
bị thay đổi để đáp ứng pha của kênh 2 phù hợp với đáp ứng pha của kênh 1
3 CÀI ĐẶT CHO MẠCH ADE7753
Hình dưới đây trình bày các loại cài đặt cho mạch ADE7753 Trong ví
dụ này trình bày một bộ đo kWh với hệ thống phân phối 2 dây, đơn pha Đường điện áp sẽ được kết nối trực tiếp đến mạch như hình dưới Chú ý JP7 nên được để hở để đảm bảo rằng mạng suy giảm không bị bỏ qua và cũng chú ý sử dụng 2 nguồn cấp Nguồn cấp thứ hai được sử dụng cho bộ cách ly quang Với P14 để hở thì sẽ không có kết nối điện nào giữa mạch test điện áp cao và PC Nguồn cấp nên có các đầu ra điện áp để nổi
Trang 7Board mạch được kết nối với PC bằng một cáp có cổng song song
Độ dài cáp không nên vượt quá 2m hoặc truyền thông nối tiếp của nó sẽ
dễ bị nỗi và không đoán trước được các tín hiệu
Khi board mạch được cáp nguồn và được kết nối đến PC, phần mềm
có thể được bật Phần mềm sẽ tự động khởi động trong chế độ đo năng lượng
Main menu
Khi phần mềm khởi động, chương trình tụ động hiểu thị màn hình menu như hình dưới đây Để dừng phần mềm ta chọn Exit từ menu Mỗi mục trong danh sách của menu đều khởi động một màn hình mới để truy cập tới các thanh ghi và hiển thị các thông tin từ ADE7753
Sử dùng phần mềm này board có thể được dùng với đầy đủ các chức năng đo năng lượng Khi các đường điện áp, dòng test, tần số và hằng số
đo được thiết lập thích hợp, người sử dụng có thể sử dụng hiệu chuẩn để loại bỏ các lỗi kết hợp của các bộ chuyển đổi Đầu ra CF có thể được sử dụng cùng với các bộ đếm tần số chuẩn để kiểm tra sự chính xác Các tần
số đầu ra CF được đo sẽ được điều chỉnh để phù hợp với các tần số CF lý thuyết của phần mềm
Trang 8Chú ý rằng hiệu chỉnh thông thường không tự động loại bỏ các lỗi không phù hợp pha của bộ chuyển đổi dòng điện và điện áp Điều này cần được loại bỏ bằng cách dùng thanh ghi PHCAL ADE7753
Cũng cần chú ý rằng dải tín hiệu đầu vào và hệ số khuếch đại cần phải được thiết lập đối với các PGA trên kênh 1 và kênh 2 Điều này đảm bảo rằng dải tín hiệu đầu ra từ các bộ chuyển đổi được phù hợp với các đầu vào tương tự Cho ví dụ, bằng cách chọn một hệ số khuếch đại bằng 1 của PGA trong kênh 2, tín hiệu đầu vào vi sai đỉnh sẽ được cài đặt là
500mV Trong ví dụ đo trình bày ở trên thì điện áp dây và được suy giảm xấp xỉ 215 mV rms hoặc 304 mV đỉnh Tương tự như ví dụ cho kênh 1, giả
sử một dòng điện tối đa của 120 A, tín hiệu đầu ra vi sai tối đa từ cảm biến di/dt là 30mV rms hoặc 42 mV đỉnh (giá trị này phụ thuộc và cảm biến được sử dụng) Để cho phép tăng dòng điện, mức tín hiệu đầu vào vi sai full-scale được cài đặt tới 62mV bằng cách cài đặt hệ số khuếch đại tới 2 nếu dải đầu vào ADC được cài đặt tới 0.125V Truy cập tời các PGA là được cho phép trong các cửa sổ đo các công suất phản kháng, công suất thực
và công suất biểu kiến
Hiệu chuẩn bộ đo
Để hiệu chuẩn bộ đo năng lượng, đường điện áp, dòng test, đường tần số và hằng số đo cần phải được đưa vào, như trình bày trong hình dưới đây Trong ví dụ này, đường điện áp là 220V, dòng điện test là 5A, tần số
là 50Hz và hằng số đo cần thiết là 3200 imp/kWh Khi các tham số được nhập vào, các mạch điện áp và dòng điện được tiếp năng lượng, và năng lượng được chọn, click tới nút nhấn Calibrate Phần mềm sẽ thực hiện việc hiệu chuẩn thông thường và tự động khởi động tới tanh ghi năng lượng
Hiệu chuaanrn có thể hoàn thành bởi việc thay đổi các thanh ghi CFDEN, CFNUM và WGAIN (hoặc VAGAIN), điều này được giải thích trong datasheet ADE7753 Tần số đầu ra CF được đo sau đó được điều chỉnh cho phù hợp với tần số CF trên lý thuyết của phần mềm Để ghi tới các thành
Trang 9ghi CFNUM, CFDEN và WGAIN bằng hiệu chỉnh tay, click vào Adjust Values Cần hiệu chuẩn trước khi làm việc này để tính tần số đích
Đảm bảo rằng các mức tín hiệu tương tự có thể phù hợp với các mức tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi như mô tả trước đây
MENU SELECTIONS
Các danh sách chọn lựa bao gồm: Interrupt Registers, Active
Energy, Reactive Energy, Apparent Energy, Offsets, Power Quality
Information, Line Accumulation, Calibration, and Teperature
Các thanh ghi trạng thái ngắt và mặt lạ được mô tả trong datasheet của ADE7753 có khả năng truy cập từ cửa sổ các thanh ghi ngắt Trong cửa sổ Active Energy, Reactive Energy, Apparent Energy người sử dụng có thể hiển thị bảng dữ liệu, cấu hình hoặc khởi động lại từng thành phần bằng cách ghi tới các thanh ghi cần thiết và đọc các thanh ghi năng lượng
Thêm nữa, dạng sóng lấy mẫu có sẵn ở mọi bảng chọn lựa này
Trang 10Kênh 1, kênh 2, công suất tác dụng và các thanh ghi offset rms có khả năng truy cập thông qua các chọn lựa offset từ menu Người sử dụng
có thể chỉnh sửa và hiển thị rms, peak và các thanh ghi SAG từ của sổ Power Quality Thêm nữa là các thanh ghi trạng thái và mặt nạ liên quan cũng được biểu diễn trong của sổ này
Cửa sổ Line Accumulation cho phép nó hiểu thị công suất tác dụng lích lũy, năng lượng tích lũy VA và năng lượng phản ứng Để bắt đầu
đường tích lũy, nhất nút nhấn Start Read Số chu kỳ có thể được thay đổi trong của sổ này mọi lúc
Chương trình dạng sóng lấy mẫu
Trong chế độ này, phần mềm lập trình ADE7753 cho dạng sóng lấy mẫu với một tốc độ cập nhật 3.5kSPS (CLKIN/1024) Người sử dụng có thể định nghĩa số mẫu cần lấy và chọn dạng sóng tín hiệu để truyền nhận Tùy chọn cho kênh 1, kênh 2 hoặc đa kênh Ba tham số được xử lý khi dạng sóng được hiển thị là giá trị rms, giá trị trung bình và độ lệch chuẩn Để so sánh thì các thanh ghi về điện áp và dòng điện hiệu dụng sẽ được trình bày trong cửa sổ waveform sampling Chương trình waveform sampling có thể được truy cập từ cửa sổ Active Energy, Reactive Energy, Apparent Energy, hoawcjj Power Quality bằng cách nhấn nút nhấn waveform
sampling
Trang 11Khi sử dụng đặc tính này cùng với các tín hiệu sóng SIN, người sử dụng nên hiểu rõ rằng nếu các mẫu biểu diễn không phải là một số nguyên lần chu kỳ của tín hiệu được chọn thì các giá trị rms và giá trị trung bình sẽ bị lệch nhau Để cho đúng thì số lượng mẫu sẽ được chọn sao cho là một số nguyên lần chu kỳ tín hiệu:
Trang 12 Đo các lỗi pha CT sử dụng ADE7753
ADE7753 có thể đo các lỗi pha với cảm biến dòng điện trong suốt quá trình hiệu chuẩn ADE7753 có lỗi pha trong không đáng kể (PHCAL = 00hex), và lỗi do các thành phần bên ngoài là nhỏ (<0.50) Quy trình dựa trên việc đo 2 điểm ở PF = 1 và PF = 0.5 (trễ pha) PF là cài đặt sử dụng cho các nguồn để bàn và nguồn này cần phải rất chính xác ADE7753 nên được cấu hình cho chế độ đo năng lượng
Một phép đo năng lượng đầu tiên được làm với PF = 1 (phép đo A) Một phép đo năng lượng thứ hai sẽ được làm ở PF = 0.5 (phép đo B) Đầu
ra tần số CF có thể được sử dụng cho phép đo này Sử dụng công thức dưới đây để tính toán pha lỗi một cách dễ dàng:
Cho ví dụ, sử dụng tần số đầu ra CF để đo công suất, một tần số 3.66621Hz được ghi với PF = 1 PF sau đó được cài để trễ pha 0.5 và thu được tần số là 1.83817 Hz Sử dụng công thức trên, lỗi pha trên kênh 1 được tính toán là:
Công thức cũng đưa ra dấu hiệu chính xác cho lỗi pha Trong ví dụ này, pha lỗi được tính toán là 0.0910 ở đầu vào kênh 1 của ADE7753 Điều này nghĩa là cảm biến dòng tạo ra sự sớm pha là 0.0910 Do đó, sự khác pha ở đầu vào kênh 1 bây giờ là 59.890 thay vì sớm pha 600 Xác định việc sớm pha hay trễ pha cũng có thể được thực hiện bằng trực giác từ tần
số đầu ra Hình dưới đây trình bày cách mà tần số đầu ra biến đổi cùng với pha (cos Φ) Bởi vì tần số đầu ra B (1.83817Hz) ở PF=0.5 lag (sớm pha) ) Bởi vì tần số đầu ra B (1.83817Hz) ở PF=0.5 lag (sớm pha) đang cài trong ví dụ là thực sự lớn hơn A/2 (1.833105 Hz), lỗi pha giữa kênh 1 và kênh 2 là thực sự nhỏ hơn 600 Điều này nghĩa là có thêm sự sớm pha trong kênh 1 gây ra do CT