Kiểm soát hoàn thuế giá trị gia tăng đối với hàng hóa, dịch vụ xuất khẩu tại cục thuế tỉnh bình định

Hệ thống thực hiện việc giám sát điện năng, theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất,.... Vớ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Ngô Minh Khoa – Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, Trường Đại học Quy Nhơn Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này

Học viên

Nguyễn Thanh Bình

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

3.2 Phạm vi nghiên cứu 5

4 Phương pháp nghiên cứu 6

4.1 Nghiên cứu lý thuyết 6

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm 6

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 7

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ VÀ GIÁM SÁT ĐIỆN NĂNG 9

1.1 Mở đầu 9

1.2 Chất lượng điện năng 9

1.2.1 Tiêu chuẩn về CLĐN 10

1.2.2 Nguyên nhân làm giảm CLĐN 13

1.2.3 Ảnh hưởng của CLĐN đối với khách hàng sử dụng điện 13

1.3 Đo lường các đại lượng điện 15

1.3.1 Yêu cầu chung 15

1.3.2 Sơ đồ đo 16

1.3.3 Đo trị hiệu dụng 17

1.3.4 Đo quá trình quá độ 17

1.3.5 Thuật toán tổ hợp đo lường 18

1.4 Quản lý và giám sát điện năng 19

1.4.1 Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) 19

1.4.2 Giám sát điện năng 20

1.4.3 Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý và giám sát điện năng 22

1.5 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 24

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 24

2.1 Mở đầu 24

2.2 Các phần tử của mạch lực 25

2.2.1 Sơ đồ mạch lực 25

2.2.2 Nguồn 26

2.2.3 Tải 27

2.3 Các phần tử của mạch đo lường và điều khiển 27

2.3.1 Cảm biến dòng điện 27

2.3.2 Cảm biến điện áp 30

2.3.3 Bo mạch Arduino Wemos D1 R32 32

2.3.4 Môđun rơle 34

2.3.5 Màn hình LCD 35

2.4 Cấu trúc phần cứng của hệ thống 35

2.4.1 Sơ đồ lắp ráp chi tiết 35

2.4.2 Tổng thể phần cứng 36

2.5 Kết luận chương 2 36

CHƯƠNG 3 38

THIẾT KẾ PHẦN MỀM CỦA HỆ THỐNG 38

3.1 Mở đầu 38

3.2 Giới thiệu các phần mềm được áp dụng 38

3.2.1 Phần mềm Arduino IDE 38

3.2.2 Phần mềm Blynk 39

3.3 Phương pháp xác định trị hiệu dụng 41

3.3.1 Phương pháp đỉnh – đỉnh 42

3.3.2 Phương pháp trị hiệu dụng RMS 43

3.3.3 Lựa chọn phương pháp 43

3.4 Đo lường các đại lượng điện 46

3.4.1 Đo điện áp trị hiệu dụng (U rms ) 46

3.4.2 Đo dòng điện trị hiệu dụng (I rms ) 47

3.4.3 Đo lường công suất tác dụng (P) 48

3.4.4 Đo lường các đại lượng khác (S, Q, A, cos) 49

3.4.5 Giải thuật đo lường đại lượng điện 50

3.4.6 Giải thuật DSM và bảo vệ quá/thấp áp 53

3.5 Thiết kế giao diện quản lý, giám sát và điều khiển từ xa 54

3.5.1 Thiết lập các biến ảo cho các đối tượng 54

3.5.2 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát 55

3.5.3 Lập trình đối tượng trên Blynk 59

3.6 Kết luận chương 3 60

CHƯƠNG 4 61

CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 61

4.1 Mở đầu 61

4.2 Kịch bản 1: Chế độ làm việc bình thường 62

4.3 Kịch bản 2: Chế độ quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) 71

4.4 Kịch bản 3: Chế độ bảo vệ quá/thấp áp 72

4.5 Kết luận chương 4 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LĐPP Lưới điện phân phối

CLĐN Chất lượng điện năng

DSM Quản lý nhu cầu phụ tải

LCD Màn hình hiển thị

FFT Biến đổi Fourier nhanh

DFT Biến đổi Fourier rời rạc

ACS712 Cảm biến dòng điện

ZMPT101B Cảm biến điện áp

CLĐA Chất lượng điện áp

IEEE Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử CSTD Công suất tác dụng

CSPK Công suất phản kháng

ĐNTT Điện năng tiêu thụ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Sóng điện áp và dòng điện ba pha 10

Hình 1.2 Sơ đồ đo theo IEC 6100-3-40 [1] 16

Hình 1.3 Các kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) [11] 19

Hình 1.4 Dạng tổng quát của hệ thống quản lý năng lượng 21

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống quản lý và giám sát điện năng 25

Hình 2.2 Sơ đồ mạch lực 26

Hình 2.3 (a) Cảm biến dòng điện ACS712; (b) Sơ đồ kết nối với Arduino 28

Hình 2.4 (a) Sơ đồ mạch của ACS712; (b) Đặc tuyến vào ra 29

Hình 2.5 Tín hiệu đầu ra của cảm biến dòng điện xoay chiều ACS712 30

Hình 2.6 (a) Cảm biến điện áp ZMPT101B; (b) Mạch cảm biến điện áp 30

Hình 2.7 Đặc tuyến đầu ra của ZMPT101B [9] 31

Hình 2.8 Bo mạch Arduino Wemos D1 R32 32

Hình 2.9 Adapter cấp nguồn cho Arduino Wemos D1 R32 34

Hình 2.10 Relay 5V 10A (a) Hình tổng thể; (b) Sơ đồ chân 34

Hình 2.11 Sơ đồ lắp ráp chi tiết của hệ thống 35

Hình 2.12 Tổng thể phần cứng của hệ thống 36

Hình 3.1 Giao diện chương trình Arduino IDE 39

Hình 3.2 Chức năng chính của Blynk 40

Hình 3.3 Giao diện thiết kế project của Blynk 41

Hình 3.4 (a) Tín hiệu tương tự; (b) Tín hiệu số hóa 42

Hình 3.5 Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp hình sin lý tưởng 44

Hình 3.6 Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp có thành phần hài 45

Hình 3.7 Đo điện áp trị hiệu dụng khi tín hiệu điện áp có mẫu lạ 46

Hình 3.8 Mối tương quan giữa u(t), i(t), p(t) và P 49

Hình 3.9 Giải thuật đo lường các đại lượng điện 50

Hình 3.10 Kỹ thuật giảm đỉnh, nâng đáy đối với vấn đề DSM 53

Hình 3.11 Giao diện nhóm 1 56

Hình 3.12 (a) Giao diện lựa chọn phương thức báo cáo; (b) Dạng file *.csv trong Excel của báo cáo phương thức One-time 57

Hình 3.13 Giao diện nhóm 2 58

Hình 3.14 Giao diện nhóm 3 59

Hình 4.1 Hệ thống thực nghiệm 61

Hình 4.2 Kết quả ở chế độ bình thường 63

Hình 4.3 (a) Giao diện lựa chọn phương thức báo cáo; (b) Dạng file *.csv trong Excel của báo cáo phương thức One-time 64

Hình 4.4 Điện áp U ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 65

Hình 4.5 Dòng điện I1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 65

Hình 4.6 CSTD P1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 66

Hình 4.7 Điện năng A1 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 66

Hình 4.8 Dòng điện I2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 66

Hình 4.9 CSTD P2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 67

Hình 4.10 Điện năng A2 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 67

Hình 4.11 Dòng điện I3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 67

Hình 4.12 CSTD P3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 68

Hình 4.13 Điện năng A3 ghi được từ 15h17 đến 15h33 ngày 6/6/2019 68

Hình 4.14 Kết quả thực nghiệm chức năng DSM 72

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài điện áp 10

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài dòng điện 11

Bảng 1.3 Chỉ số méo dạng sóng hài điện áp theo Thông tư 32 12

Bảng 1.4 Chỉ số mức nhấp nháy theo Thông tư 32 12

Bảng 2.1 Các phần tử cơ bản trên mạch lực 26

Bảng 2.2 Các thông số chính của cảm biến dòng điện ACS712 29

Bảng 2.3 Các thông số chính của cảm biến điện áp ZMPT101B 32

Bảng 2.4 Các thông số cơ bản của bo mạch Arduino Wemos D1 R32 33

Bảng 3.1 Danh sách các biến ảo trên ứng dụng Blynk 54

Bảng 3.2 Ý nghĩa của các lệnh lập trình đối tượng trên Blynk 59

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế đất nước, nhu cầu về tiêu thụ điện năng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp điện còn rất nhiều khó khăn,

từ đó vấn đề sử dụng điện tiết kiệm, hiệu quả trở thành vấn đề cấp bách Việc

ý thức tiết kiệm điện của người dân chưa được nâng cao, các biện pháp đề ra

để tiết kiệm điện còn khá ít và việc áp dụng nó vào thực tiễn còn nhiều bất cập Để tiết kiệm điện phụ thuộc ở 2 yếu tố: thiết bị điện và thói quen sử dụng của con người Người dùng thường bận rộn với công việc nên ít có thời gian giám sát được việc sử dụng các thiết bị trong gia đình hay cơ quan, dẫn đến nhiều thiết bị hoạt động không cần thiết, gây lãng phí năng lượng điện và tăng chi phí điện cho gia đình, cơ quan

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, quản lý và giám sát điện năng là yếu

tố vô cùng quan trọng và càng quan trọng hơn trong sản xuất và kinh doanh của doanh nghiệp Một bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là làm sao quản lý tòa nhà, nhà máy hay xí nghiệp của mình một cách hiệu quả nhất nhằm để tiết giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa, tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp trong những hoạt động kinh doanh Một phương án tối ưu hiện nay là thiết lập hệ thống tự động quản lý và giám sát điện năng từ xa [1, 2] Một cách tổng quát, cấu trúc của một hệ thống quản lý và giám sát điện năng được thể hiện như Hình 1 Trong đó bao gồm cấu trúc phần cứng được thể hiện như Hình 1(a) bao gồm phương thức kết nối truyền thông giữa các thiết bị đo đếm tại các vị trí cần đo với hệ thống máy chủ và phần mềm của hệ thống được thể hiện như Hình 1(b) là các phần giao diện người máy (HMI) trên máy tính hoặc các thiết bị smartphone giúp con người thực hiện các chức năng của hệ thống như hiển thị, báo cáo, phân tích, lưu trữ từ xa

(a) Cấu trúc phần cứng

(b) Phần mềm của hệ thống

Hình 1 Cấu trúc của hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh Các chức năng quản lý và giám sát điện năng của hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả công trình, hiện đại hoá, tiết kiệm điện năng tiêu thụ và góp phần vào việc bảo vệ môi trường Hệ thống thực hiện việc giám sát điện năng, theo dõi các thông số kỹ thuật chính của nguồn điện như: điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, Đây là những thông số cần được giám sát chặt chẽ vì có ảnh hưởng rất lớn tới việc vận hành tất cả thiết bị sử dụng điện của các nhà máy, xí nghiệp, Quản lý tốt các tham

số này đồng nghĩa với việc giảm chi phí vận hành của các nhà máy, xí nghiệp đồng thời nâng cao được hiệu quả sử dụng thiết bị [3-7]

Các tham số đều được đo bằng bộ đo đếm điện năng kỹ thuật số nối mạng, thể hiện thông số trên màn hình máy tính, lưu trữ dữ liệu và giám sát từ

xa qua mạng Internet Phần mềm web được nhúng trong thiết bị cho phép người quản lý có thể xem các tham số được thể hiện trực quan với nhiều hình thức như thể hiện dạng đồng hồ số điện, dạng bảng số liệu, dạng đồ thị thời gian Người sử dụng có thể thực hiện chức năng chiết xuất các cơ sở dữ liệu theo ngày, tháng năm để phục vụ công tác báo cáo

Với tính ứng dụng thực tế cũng như nhu cầu cấp thiết hiện nay như trên,

tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh” để làm đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ của

mình Nhằm hướng đến tính ứng dụng, kết quả đầu ra của đề tài sẽ là một hệ thống quản lý và giám sát điện năng thực hiện các chức năng cơ bản như sau:

- Giám sát và cảnh báo các thông số vận hành:

+ Điện áp;

+ Dòng điện;

+ Công suất: P, Q, S;

+ Hệ số công suất cos;

+ Điện năng tiêu thụ

- Quản lý điện năng tiêu thụ:

+ Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM)

+ Báo cáo điện năng tiêu thụ phụ tải theo ngày, tuần, tháng

+ Vẽ đồ thị xu hướng các giá trị U, I, P, cosφ,

- Phân quyền truy cập hệ thống (user account)

2 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa trên tính cấp thiết cũng như phần tổng quan về tình hình nghiên cứu

đã được trình bày như trên, tác giả nghiên cứu đề tài này hướng đến mục tiêu nghiên cứu như sau:

- Tổng hợp cơ sở lý thuyết về quản lý và giám sát điện năng; cơ sở của việc đo lường các thông số cần thiết từ hệ thống

- Thiết kế phần cứng mô hình thực nghiệm hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh một pha 220VAC

- Thiết kế chương trình phần mềm giám sát các thông số của hệ thống trong thời gian thực như: U, I, P, cos, A

- Điều khiển và giám sát hệ thống từ xa bằng smartphone hoặc máy tính thông qua mạng internet wifi, 3G hoặc 4G

- Tự động gửi báo cáo điện năng tiêu thụ của phụ tải theo qui luật hàng ngày, hàng tuần, hàng tháng

- Thiết kế chức năng quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) sử dụng kỹ thuật

giảm đỉnh và nâng đáy

- Tích hợp một số chức năng khác như:

+ Bảo vệ quá/thấp áp;

+ Bảo vệ quá dòng;

+ Cảnh báo sự cố qua tin nhắn điện thoại

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là hệ thống giám sát và quản lý điện năng thông minh được áp dụng cho các phụ tải điện ví dụ như: các nhà máy xí nghiệp, nhà hàng, khách sạn, công sở, bệnh viện,

- Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu để thiết kế hệ thống quản lý và giám sát các thông số điện năng như: điện áp, dòng điện, công suất, hệ số công suất, điện năng tiêu thụ, của các phụ tải nói trên

- Đồng thời sẽ xây dựng chương trình phần mềm nhằm giám sát các thông số của hệ thống từ xa thông qua mạng wifi internet bằng cách sử dụng smartphone hoặc máy tính

Hình 2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng dựa trên các thiết bị phần cứng như: bo mạch Arduino Wemos, cảm biến điện áp ZMPT101b, cảm biến dịng điện ACS712,

- Hệ thống này sẽ được thử nghiệm và áp dụng cho mạng điện một pha 220V, cịn đối với phần mạng điện ba pha hay mạng điện cao áp sẽ được đưa vào phần kiến nghị đề xuất của đề tài

- Thiết kế phần mềm quản lý và giám sát từ xa tất cả các thơng số của hệ thống trên smartphone và máy tính

Arduino

Màn hình LCD Rơle

Mô-đun wifi u(t)

i(t)

Điều khiển

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp được áp dụng để nghiên cứu nhằm hoàn thành mục đích của đề tài đã đặt ra sẽ bao gồm hai nội dung chính đó là: Nghiên cứu lý thuyết

và nghiên cứu thiết kế hệ thống thực nghiệm

4.1 Nghiên cứu lý thuyết

- Tổng hợp và đánh giá tổng quan các công trình đã công bố liên quan đến đối tượng nghiên cứu của đề tài nhằm phân tích các ưu nhược điểm của những công trình đó, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài

- Tổng hợp và so sánh các cơ sở lý thuyết về đo lường các thông số của mạch điện như: U, I, S, P, Q, cosφ, A Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để đánh giá và lựa chọn cơ sở lý thuyết phù hợp sẽ được áp dụng để thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng

- Tổng hợp, phân tích và đánh giá cơ sở lý thuyết về các phương pháp quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) để lựa chọn phương pháp phù hợp để thiết kế tích hợp vào hệ thống thực nghiệm

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

- Nghiên cứu các chức năng cơ bản của các phần tử trong mô hình phần cứng của hệ thống và lựa chọn các phần tử phù hợp để thiết kế hệ thống Làm thực nghiệm với các ví dụ đơn giản để hình thành kỹ năng ứng dụng các phần cứng này nhằm đạt được mục đích của đề tài

- Nghiên cứu lựa chọn các thiết bị phần cứng phù hợp để thiết kế mô hình thực nghiệm chẳng hạn như bo mạch Arduino, các cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp, các module relay, LCD, cũng như nghiên cứu ứng dụng các phần mềm, các app có liên quan để thiết kế chương trình giám sát và điều khiển các thông số cần thiết từ xa thông qua smartphone hay máy tính

- Tiến hành làm hệ thống thực nghiệm, đo đạc và kiểm chứng các kết quả thực nghiệm với các thiết bị chuyên dụng chẳng hạn như: oscilloscope,

đồng hồ đo đếm điện năng, để đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Đề tài có ý nghĩa khoa học trong việc nghiên cứu giải quyết bài toán quản lý và giám sát điện năng của các phụ tải thông qua mạng internet Các nhà quản lý có thể truy cập ở bất cứ nơi nào, bất cứ lúc nào để có thể giám sát cũng như theo dõi các thông số vận hành của đơn vị mình

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Trong xu thế phát triển của nền công nghiệp 4.0 hiện nay, việc ứng dụng điểm mạnh của internet trong lĩnh vực của ngành điện ngày càng được quan tâm, nó góp phần hiện đại hóa và mang lại nhiều hiệu quả hơn trong công tác quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống điện nói chung và các trạm phụ tải nói riêng

6 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

Ở Việt Nam, hệ thống quản lý và giám sát điện năng Scada đã được triển khai và áp dụng trong nhiều năm qua Mục đích của hệ thống là để quản lý, giám sát hoạt động tại các nhà máy, xí nghiệp… Về lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng Scada trong việc quản lý và giám sát điện năng cũng đã được nghiên cứu và công bố trong một số công trình có liên quan như [3, 4]

Với kiến trúc mã nguồn mở của Arduino, cho phép người dùng khai thác nhiều tính năng khác nhau trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tự động hóa,

hệ thống điện, đo đếm thông minh,… thì việc áp dụng nó để nghiên cứu thiết

kế các hệ thống quản lý và giám sát điện năng thông minh còn khá hạn chế Các tác giả trong tài liệu [5] đã ứng dụng Arduino để thiết kế thiết bị giám sát điện năng không dây Tuy nhiên vẫn chưa tích hợp được nhiều chức năng khác nhau vào trong thiết bị này Chính vì thế, đề tài này sẽ nghiên cứu khai

thác tối đa chức năng mã nguồn mở của Arduino để thiết kế hệ thống quản lý

và giám sát điện năng thông minh Bên cạnh việc giám sát các thông số đo thông thường thì hệ thống trong đề tài này sẽ được tích hợp thêm nhiều chức năng khác

Hệ thống có khả năng đo đếm dòng điện tải và điện áp các thiết bị điện trong gia đình, cơ quan… từ đó cho biết được lượng điện tiêu thụ và chi phí tiêu thụ điện Người dùng có thể đặt mức giới hạn lượng điện tiêu thụ theo từng ngày hoặc từng tháng nhằm tối ưu hóa khả năng sử dụng và tiết kiệm điện, đồng thời giảm được chi phí điện cho gia đình, cơ quan Khi lượng điện tiêu thụ đạt mức ngưỡng cho phép của người dùng thì xuất ra các thông báo cảnh báo, gửi SMS tới điện thoại người dùng nếu đang ở xa, tự động tắt các thiết bị nếu vượt ngưỡng cho phép Hệ thống có thể gửi dữ liệu điện năng qua điện thoại cho người dùng thông qua SMS, từ đó người dùng có thể tự quản

lý, giám sát được ngôi nhà của mình từ xa [10]

1.2 Chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng (CLĐN) là những vấn đề liên quan đến điện áp, dòng điện, tần số làm cho các thiết bị điện vận hành không bình thường hoặc

bị hư hỏng [1, 2]

Hình 1.1 Sóng điện áp và dòng điện ba pha

Vì sao phải quan tâm đến CLĐN [1]:

- CLĐN ảnh hưởng trực tiếp đến các quá trình sản xuất hiện đại

- CLĐN ảnh hưởng trực tiếp quá trình vận hành và tuổi đời của thiết bị

- CLĐN luôn là mối quan tâm hàng đầu của các nhà sản xuất thiết bị

- Yêu cầu cung cấp cho khách hàng với CLĐN cao nhất là mục tiêu của các công ty điện lực

- Mối quan tâm của xã hội đến CLĐN ngày càng được nâng cao

Tóm lại, CLĐN là của mọi bên, từ các điện lực, khách hàng cho đến các nhà sản xuất, chế tạo thiết bị và của xã hội

1.2.1 Tiêu chuẩn về CLĐN

1.2.1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 về sóng hài dòng và áp

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài điện áp

Cấp điện áp Sóng hài riêng lẻ (%) Tổng độ biến dạng sóng hài THDv (%)

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn IEEE 519-1922 về sóng hài dòng điện

Tỉ lệ: Isc/IL Tổng biên độ sóng hài dòng điện THDI (%)

1.2.1.2 Tiêu chuẩn theo Thông tư 32 của Bộ Công thương

Ngày 15/04/2010 Bộ Công Thương có ban hành Thông tư 32 về việc quy định hệ thông điện truyền tải trong đó có yêu cầu chi tiết về các thông số điện năng như sau:

+ Khách hàng: không được vượt quá ±5%

+ Nhà máy điện: không được vượt quá +10% và -5%

- Trong điều kiện sự cố đơn lẻ, độ dao động cho phép là +5% và -10%

- Trong điều kiện sự cố nghiêm trọng, độ dao động cho phép là ±10%

b) Tần số:

Tần số định mức là 50Hz, dao động tần số cho phép so với tần số định mức như sau:

- Trong điều kiện bình thường, dao động cho phép là ±2%

- Trong điều kiện hệ thống chưa ổn định, dao động cho phép là ±5%

c) Sóng hài dòng và áp:

Sóng hài điện áp:

Bảng 1.3 Chỉ số méo dạng sóng hài điện áp theo Thông tư 32

Cấp điện áp Tổng độ biến dạng

- Đối với đầu nối vào cấp điện áp trung áp hoặc đầu nối có công suất từ 10kW đến 50kW thì giá trị dòng bậc cao không được vượt quá 20% dòng phụ tải

- Đối với đầu nối vào cấp điện áp cao áp hoặc công suất lớn hơn 50kW thì giá trị dòng hài không được vượt quá 12% dòng phụ tải

d) Cân bằng pha:

Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch của điện

áp pha không được vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp điện áp 110kV

và 5% đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp

e) Nhấp nháy điện áp:

Mức nhấp nháy điện áp theo tiêu chuẩn như sau:

Bảng 1.4 Chỉ số mức nhấp nháy theo Thông tư 32

Cấp điện áp Mức nhấp nháy ngắn hạn

1.2.2 Nguyên nhân làm giảm CLĐN

1.2.2.1 Từ đơn vị cung cấp điện

Đơn vị cung ứng điện cung cấp điện không đủ tiêu chuẩn về CLĐN theo luật điện lực, nghị định 105/2005/NG-CP, Thông tư 12/2010/TT-BCT, Thông

tư 32/2010/TT-BCT Cụ thể như sau:

- Các tổ máy phát điện cung cấp nguồn điện không đạt yêu cầu về tiêu chuẩn CLĐN

- Việc khắc phục các sự cố trên đường dây truyền tải không kịp thời, giảm độ tin cậy trong viêc cung cấp điện

- Khách hàng sử dụng điện, gây ra sóng hài dòng & áp lớn, gây méo dạng cho nguồn điện lưới, giảm chất lượng nguồn điện cung cấp…

- Hệ thống lò luyện kim loại như lò hồ quang, lò trung tần

- Các loại nhiệt điện trở

Sẽ làm phát sinh ra sóng hài dòng và áp, tăng độ nhấp nháy điện áp, làm giảm CLĐN

1.2.3 Ảnh hưởng của CLĐN đối với khách hàng sử dụng điện

Nhiễu sóng hài và nhấp nháy điện áp ảnh hưởng rất tiêu cực đến hệ thống điện như:

1.2.3.1 Với động cơ điện và máy phát điện

Sóng hài làm tăng tổn thất dưới dạng nhiệt trên lõi sắt và dây quấn đồng Gây ra tiếng ồn lớn, gây rung trong quá trình làm việc của động cơ Các sóng hài bậc 5 và bậc 7 gây ra hiện tượng dao động giữa tuabin và máy phát hoặc giữa động cơ và hệ thống tải

1.2.3.2 Với máy biến áp

Tăng tiếng ồn, gây rung, lắc và phát nóng máy biến áp Sóng hài còn làm tăng tổn thất trong cuộn dây và lõi từ của máy biến áp Gây quá tải, giảm tuổi thọ thậm chí còn gây cháy máy biến áp

1.2.3.5 Với các thiết bị điện tử

Các thiết bị điện tử rất nhạy cảm với sự không ổn định của nguồn điện cung cấp cho nó Do vậy, khi có sóng hài tác động có thể làm nhiễu loạn hoặc cháy các vi mạch điện tử

1.2.3.6 Thiết bị đo lường bảo vệ

Các thành phần sóng hài sẽ tác động làm sai kết quả thực tế của thiết bị

đo và thiết bị bảo vệ, dẫn đến đưa tín hiệu tác động nhầm

1.2.3.7 Các lò luyện thép

Tăng thời gian nấu chảy kim loại, cũng như tăng thời gian tạo ra sản phẩm dẫn đến chi phí vận hành và chi phí năng lượng tăng cao Ngoài ra còn giảm công suất nguồn cấp dẫn đến giảm hiệu suất vận hành của lò luyện

1.2.3.8 Chất lượng sản phẩm

CLĐN thấp, không ổn định sẽ làm giảm năng suất sản xuất, chất lượng sản phẩm…

1.2.3.9 Các hộ sử dụng điện kế cận

Sóng hài gây ra làm ảnh hưởng đến ác nhà máy điện xung quanh, khiến role tác động nhầm, gây hư hỏng thiết bị điện tử, gián đoạn sản xuất cũng như mất thời gian cho việc khởi động lại nhà máy

1.2.3.10 Hệ thống lưới điện

Gây tổn thất trên lưới điện, giảm chất lượng và công suất truyền tải trên lưới điện…

1.3 Đo lường các đại lượng điện

1.3.1 Yêu cầu chung

Việc đo được ghi lại nhờ các dụng cụ ghi mức nhiễu động và cách các tín hiệu thể hiện Điều đó có thể chỉ dẫn là không tồn tại sai số và nhiễu ghi và người dùng không thể hiểu rõ tầm quan trọng của nhiễu trên thiết bị [3, 4] Điều này có thể dẫn tới kết luận sai và quyết định tốn tiền

Vì thế người dùng cần xem xét lại đặc tính kỹ thuật đo của các dụng cụ

đo Những điểm quan trọng nhất là:

- Độ rộng dải mẫu đo;

- Số dải mẫu đo;

- Số dải mẫu đo được phân tích mỗi giây;

- Kiểu dải gia trọng được dùng;

- Kỹ thuật đồng bộ hóa sử dụng;

- Độ chính xác của kỹ thuật đồng bộ hóa;

- Tỷ số loại trừ sai số chung;

- Cờ báo chu kỳ khóa pha không đồng bộ;

- Cờ báo lỗi phần cứng hay phần mềm xuất hiện;

- Cờ báo hiện diện một số sóng hài trong tín hiệu không được ghi;

- Độ khử nhiễu của thiết bị trong nguồn cấp điện áp;

- Mức tín hiệu có quan hệ với toàn bộ thang đo của bộ giám sát;

- Tần số và góc pha là đặc trưng của tín hiệu vào (tín hiệu điện)

Đơn vị

đo

Đơn vị đánh giá

- Lượng tức thời u(t) và i(t) từ đó tính ra tổng méo sóng hài, các sóng hài bậc cao

1.3.2.3 Đơn vị đánh giá

Đơn vị đánh giá xử lý kết quả đo và đánh giá đo lường Một đánh giá đo lường có thể, chẳng hạn phân tích Fourier của sóng hài

Bước đầu của đo lường là thu thập mẫu của dạng sóng, thông thường là

ba pha Yêu cầu quan trọng là tỷ lệ lấy mẫu và độ chính xác của tín hiệu đủ để đánh giá được nhiễu động Trong thực tế, bộ giám sát cũng thường thu thập phổ sáng sóng hài, điển hình là các mẫu có chu kỳ 128 và 256

1.3.3 Đo trị hiệu dụng

Để tính biên độ điện áp hay dòng điện cung cấp, trị hiệu dụng được tính dựa trên giá trị mẫu của một chu kỳ xác định Chẳng hạn, để đo độ sụt áp và dạng sóng, trị hiệu dụng tương đương, Urms(1/2) được dùng ở mỗi kênh đo Trị hiệu dụng tương đương là trị hiệu dụng của áp xác định trên một chu kỳ và làm tươi sau mỗi nửa chu kỳ [9]:

N – số mẫu trong 1 giây

Ui – điện áp (mẫu đo) ghi được của sóng hài bậc k, k = 1, 2, 3,…

Giá tị đầu tiên thu được qua một chu kỳ từ mẫu 1 tới mẫu N, tiếp theo từ mẫu (N/2+1) tới (N+N/2), cứ thế tiếp tục

1.3.4 Đo quá trình quá độ

Quá độ được đặc trưng bởi tín hiệu biến thiên nhanh và có độ rộng dải sóng, biên độ và khoảng thời gian lớn Theo phân loại truyền thống, có hai dạng quá độ là dạng xung và dạng dao động, phản ảnh dạng sóng dòng hay áp quá độ Yêu cầu thu thập dữ liệu quá độ cao hơn so với đo trị hiệu dụng Tần

số phổ sóng quá độ điện xoay chiều có thể tới 10 MHz (chu kỳ 100 ms) và độ rộng dải tần tới 1 MHz Tỷ lệ lấy mẫu ít nhất phải gấp đôi tần số cực đại, nhưng trong thực hành, cần tới 10 lần cao hơn để nhận dạng sóng gốc

1.3.5 Thuật toán tổ hợp đo lường

Đo điện áp cung cấp, sóng hài và mức không đối xứng được thực hiện trong mọi chu kỳ Để đánh giá kết quả đo trong khoảng thời gian dài, cần kết hợp các chu kỳ đo Tiêu chuẩn IEC 6100-3-40 đề nghị bốn khoảng kết hợp khác nhau Việc kết hợp sử dụng căn bậc hai trung bình toán của giá trị lượng vào Khoảng thời gian đo cơ bản là 10 chu kỳ cho hệ 50 Hz và 12 chu kỳ cho

hệ 60 Hz

2 rms 200ms

15 2

200 2

- Khoảng dài hạn (2 giờ):

Tổ hợp 12 khoảng ngắn hạn 10 phút là tổ hợp từ một khoảng dài hạn:

n 2

1.4 Quản lý và giám sát điện năng

1.4.1 Quản lý nhu cầu phụ tải (DSM)

Chương trình quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) được triển khai từ nhiều năm nay đã mang lại một số kết quả đối với sự phát triển của ngành điện nước

ta Để tăng cường hơn nữa tính hiệu quả của chương trình này, mới đây Thủ tướng Chính phủ đã phê duyệt "Chương trình quốc gia về DSM" với mục tiêu

là cắt giảm cơng suất phụ tải đỉnh (khoảng 2.000MW) và tăng thêm hệ số phụ tải (3-4%) của hệ thống điện (HTĐ) tồn quốc vào năm 2030, gĩp phần giảm kinh phí đầu tư phát triển nguồn, lưới điện Trên thế giới, tại một số nước như

Mỹ, Canada, Balan, Trung Quốc, Ấn Độ, Brazil, Mexico, Thái Lan… DSM

đã được đặc biệt chú trọng và khuyến khích nên đã thu được những thành tựu rất đáng khích lệ [11]

CÁC KỸ THUẬT DSM

Hình 1.3 Các kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) [11]

Chương trình quản lý nhu cầu điện (Demand-side management - DSM)

là tập hợp các giải pháp kỹ thuật - công nghệ - kinh tế - xã hội nhằm quản lý thời điểm, thời gian sử dụng, hoặc sản lượng tiêu thụ điện từ phía khách hàng với ba cách tiếp cận dưới đây

Thứ nhất, cải tiến hiệu suất năng lượng của các doanh nghiệp sản xuất,

các tòa nhà, các thiết bị điện và quá trình sử dụng chúng

Thứ hai, phát triển phụ tải theo chiến lược nhằm cải thiện hệ số phụ tải

(load factor) của hệ thống điện (HTĐ)

Thứ ba, quản lý nhu cầu nhằm phân phối lại quá trình tiêu thụ điện năng

trong một ngày đêm

Trong ba giải pháp này thì giải pháp thứ ba được coi là giải pháp mang lại hiệu quả cao trong việc đầu tư phát triển nguồn, lưới điện.Thông thường thì mục tiêu của DSM là khuyến khích các khách hàng giảm sử dụng điện vào các giờ cao điểm (peak hours), hoặc dịch chuyển việc sử dụng điện từ các giờ cao điểm sang các giờ thấp điểm (off-peak times) như vào ban đêm, hoặc những ngày nghỉ cuối tuần Hay nói một cách đơn giản, DSM theo giải pháp này là thực hiện việc "cắt" một phần công suất vào các giờ cao điểm (công suất đỉnh) để "lấp" vào các giờ thấp điểm, làm cho biểu đồ phụ tải ngày đêm của HTĐ được "san bằng" hơn (tăng hệ số phụ tải và tỷ lệ Pmin/Pmax) Giải pháp này không đòi hỏi phải giảm tổng điện năng tiêu thụ trong một ngày đêm, nhưng có tác dụng to lớn là tiết giảm được vốn đầu tư vào nguồn và lưới điện cần thiết để đảm bảo đáp ứng nhu cầu phụ tải vào các giờ cao điểm

1.4.2 Giám sát điện năng

Giám sát điện năng là quá trình đo đạc, thu thập và phân tích các tín hiệu điện nhằm đưa ra các giải pháp kịp thời để cải thiện chất lượng nguồn điện, tiết kiệm chi phí vận hành Hệ thống quản lý năng lượng nói chung (Hình 1)

và hệ thống giám sát điện năng nói riêng sẽ thu thập tín hiệu đầu vào từ thông

tin dự báo, giám sát tất cả các thông số trong thời gian thực,… để thực hiện các biện pháp vận hành tối ưu nhằm cực tiểu chi phí vận hành, mang lại hiệu suất cao nhất,… Đối với hệ thống giám sát điện năng sẽ thực hiện theo qui trình sau:

Hình 1.4 Dạng tổng quát của hệ thống quản lý năng lượng

Bước 1: Xác định mục tiêu

Chính là xác định nguyên nhân, hiện tượng hoặc các sự cố xảy ra thường xuyên trong quá khứ

Bước 2: Xác định đối tượng

Là những tín hiệu nhiễu loạn gây ra những hiện tượng trong quá khứ chẳng hạn như sụt áp, quá áp hoặc hiện tượng nhấp nhày điện áp…

Bước 3: Xác định vị trí

Là vị trí lắp đặt thiết bị giám sát chất lượng điện Đối với khách hàng sử dụng điện, việc lắp đặt thiết bị giám sát càng gần phụ tải sẽ thu thấp được những dữ liệu thực tế và chính xác hơn

Bước 4: Xác định đối tượng và thời gian giám sát

Tùy vào yêu cầu của khách hàng cũng như những hiện tượng đã xảy ra trong quá khứ để xác định những tín hiệu và thời gian cần để theo dõi Chẳng hạn như theo dõi tín hiệu dòng & áp hoặc các tín hiệu về tần số, sóng hài…

Bước 5: Thiết lập các ngưỡng:

Đối với các thiết bị giám sát lien tục thì cần thiết lập các ngưỡng đo Tuy nhiên, đối với các thiết bị phân tích CLĐN hiện đại như PowerQ4, Hioki…thì việc giám sát trong một vài chu kỳ vận hành của thiết bị thì cũng cho được những kết quả tin cậy

1.4.3 Lợi ích của doanh nghiệp khi quản lý và giám sát điện năng

- Đánh giá được chất lượng nguồn điện lưới cung cấp cho vận hành hệ thống điện trong nhà máy, từ đó làm cơ sở để xác định những ảnh hưởng của nguồn điện lưới lên quá trình vận hành của các thiết bị trong nhà máy

- Đánh giá được những ảnh hưởng của phụ tải tiêu thụ lên chất lượng hệ thống điện trong nhà máy cũng như tác động lên nguồn điện lưới quốc gia

- Nhận dạng được nguyên nhân làm ảnh hưởng đến quá trình sản xuất, quá trình vận hành của thiết bị và các sự cố đã xảy ra trong quá khứ

- Thực hiện các giải pháp phù hợp để khắc phục kịp thời, nâng cao CLĐN, không những làm tăng tuổi thọ, tăng độ tin cậy cho quá trình vận hành của thiết bị, dây chuyền sản xuất mà còn mang lại những lợi ích kinh tế

rõ rệt sau khi thực hiện giải pháp nâng cao CLĐN

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về hệ thống quản lý và giám sát điện năng Các định nghĩa và khái niệm cơ bản liên quan đến CLĐN đã được trình bày trong phần đầu của chương như là nền tảng cơ sở lý thuyết để nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và giám sát điện năng trong các chương tiếp theo Một số tiêu chuẩn về CLĐN, tầm quan trọng của nó cũng như mức độ ảnh hưởng của nó đến khách hàng sử dụng điện đã được trình bày trong chương này

Việc đo lường các đại lượng điện là bước quan trọng đầu tiên để có thể quản lý và giám sát điện năng, do đó trong nội dung Chương 1 là cơ sở lý

thuyết của việc đo lường các đại lượng điện đã được tổng hợp những nội dung quan trọng để phục vụ cho việc nghiên cứu thiết kế hệ thống

Quản lý nhu cầu của phụ tải (DSM) là một vấn đề cũng đang được quan tâm hiện nay Nó là tập hợp các giải pháp kỹ thuật - công nghệ - kinh tế - xã hội nhằm quản lý thời điểm, thời gian sử dụng, hoặc sản lượng tiêu thụ điện

từ phía khách hàng Các kỹ thuật cơ bản của quản lý nhu cầu phụ tải (DSM) được tác giả tổng hợp phân tích để lựa chọn giải pháp đưa vào trong hệ thống thực nghiệm

và mở rộng các chức năng Hiện tại, công nghệ vi điều khiển cho phép ta xây dựng được các thiết bị đo vừa có giá cả cạnh tranh so với các thiết bị đo truyền thống vừa đạt được độ chính xác cao (thiết bị có thể đạt cấp chính xác

1, sai số ±1% hoặc thấp hơn) Bên cạnh đó, vi điều khiển có thể cho phép các nhà thiết kế bổ sung thêm các chức năng khác vào thiết bị đo như truyền phát

dữ liệu không dây, cảnh báo mất nguồn điện lưới, lưu trữ dữ liệu…

Nội dung cơ bản của chương này là thiết kế và lựa chọn các phần tử phần cứng của mô hình sau đó đưa ra sơ đồ kết nối chúng lại với nhau để tạo thành một hệ thống nhằm thực hiện các chức năng của hệ thống quản lý và giám sát điện năng đã được đề ra Theo như phạm vi nghiên cứu của đề tài, hệ thống quản lý và giám sát điện năng cho mạng điện một pha 220 VAC sẽ được thiết kế Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như một máy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code Bên cạnh đó các môđun của bo mạch Arduino, môđun cảm biến điện áp xoay chiều, môđun cảm biến dòng điện xoay chiều, môđun rơle đóng cắt mạch điện, môđun wifi của Arduino, môđun hiển thị LCD,… sẽ được nghiên cứu lựa chọn để thiết kế trong chương này Cấu trúc

phần cứng của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thông minh mă đề tăi

nghiín cứu hướng tới xđy dựng có sơ đồ khối được thể hiện như Hình 2.1

dưới đđy Trong đó, bo mạch Arduino Wemos đại diện cho khối vi điều khiển

lă cốt lõi của hệ thống Nó thu thập dữ liệu âp vă dòng từ câc kính âp vă dòng của khối cảm biến để xử lý tính toân câc đại lượng cần thiết Sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến câc khối rơle, gửi tín hiệu lín khối hiển thị LCD, đồng thời gửi tín hiệu đến smartphone hoặc PC thông qua mạng truyền thông internet wifi Ngoăi ra, nó còn có thể nhận lệnh điều khiển ngược lại từ smartphone hoặc PC từ xa

Khoẫi nguoăn caâp

Caùc keđnh aùp

Caùc keđnh doøng

Khoâi hieơn thò LCD Caùc khoâirôle

Khoâi vi ñieău khieơn

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng

2.2 Câc phần tử của mạch lực

2.2.1 Sơ đồ mạch lực

Trong phạm vi của luận văn, tâc giả tập trung đi văo thiết kế hệ thống quản lý vă giâm sât điện năng thông minh cho đối tượng lă mạng điện một pha 220VAC Phần mạch lực được thể hiện như Hình 2.2, trong đó có một mạch nguồn vă hai mạch tải (tải 1 vă tải 2) Câc tín hiệu điện âp tại thanh câi, dòng điện trín câc nhânh được thu thập thông qua cảm biến điện âp (ZMPT101B) vă câc cảm biến dòng điện (ACS712) vă đưa về bộ xử lý trung

tâm (Arduino Wemos) của hệ thống Sau khi xử lý tính toán các thông số đầu

ra, bộ xử lý trung tâm sẽ đưa tín hiệu để điều khiển các rơle đóng/cắt các mạch trên sơ đồ mạch lực

Hình 2.2 Sơ đồ mạch lực

Các phần tử chính trên sơ đồ mạch lực được lựa chọn và có các thông số

cơ bản như trong Bảng 2.1

+ Công suất định mức: 10.000 VA

+ Điện áp vào: 220 VAC

+ Điện áp ra: 0 ÷ 250 VAC

Hệ thống quản lý, điều khiển

và giám sát điện năng thông minh

Nguồn

220VAC

2.2.3 Tải

Tải được lựa chọn để thiết lập các kịch bản thực nghiệm đối với hệ thống quản lý và giám sát điện năng trong đề tài này là các tải một pha, điện áp 220 VAC, có dòng điện định mức lên đến 20 A Do đó, để đánh giá khả năng làm việc của hệ thống, các dạng tải đại diện cho tải trở, tải cảm và tải phi tuyến sẽ được sử dụng để thiết kế mô hình thực nghiệm

2.2.3.1 Tải thuần trở

Tải được lựa chọn cho mô hình thực nghiệm trong đề tài này là các tải một pha, trong đó bóng đèn sợi đốt 60 W, 220 VAC được giả định là tải thuần trở cố định được gắn trên mô hình thực nghiệm Ngoài ra để đáp ứng việc mở rộng kết nối với các dạng tải khác thì các tải bên ngoài có thể được thử nghiệm bằng cách kết nối với ổ cắm trên mặt trước của mô hình Việc kết nối thêm với các tải khác bên ngoài nhằm giả lập các chế độ khác nhau của mô hình thực nghiệm

2.2.3.2 Tải động cơ không đồng bộ

Các thiết bị điện dân dụng sẽ được sử dụng để làm thực nghiệm trong trường hợp này chẳng hạn như các máy quạt, máy sấy tóc,…

2.2.3.3 Tải phi tuyến

Tải phi tuyến được giả định trong đề tài này là các thiết bị điện tử công suất sử dụng các bộ chỉnh lưu AC/DC hoặc các thiết bị văn phòng như máy tính PC, máy in, máy photocopy,…

2.3 Các phần tử của mạch đo lường và điều khiển

2.3.1 Cảm biến dòng điện

Để đo lường dòng điện xoay chiều của mạch lực đồng thời có thể gửi tín hiệu dòng điện đo được đến bo mạch vi xử lý Arduino Wemos để từ đó đo được công suất, hệ số công suất, điện năng tiêu thụ,… Do đó dòng điện chạy trong mạch điện sẽ được thu thập thông qua cảm biến dòng điện xoay chiều

ACS712 [5] Cảm biến dòng điện xoay chiều ACS712 được thể hiện như Hình 2.3

Hình 2.3 (a) Cảm biến dòng điện ACS712;

(b) Sơ đồ kết nối với Arduino

Giá trị cường độ dòng điện được đo và tính toán sử dụng IC ACS712 của hãng Allegro Với IC này, giá trị dòng tối đa mà thiết bị có thể đo được là 30A ACS712 là cảm biến dòng tuyến tính, hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, rất phổ biến trên thị trường do hãng Allegro sản xuất ACS712 sử dụng nguồn cấp từ 4.5 - 5.5 VDC, cấp chính xác 1.5% ở 25oC [4] Cảm biến Hall ACS712 được hãng sản xuất đưa ra thị trường ba phiên bản với giới hạn dòng đo được khác nhau là 5A, 20A và 30A Để có mở rộng thang đo tối đa, phiên bản cảm biến ACS712ELCTR-30A-T có dải đo lớn nhất từ 0 - 30A được lựa chọn trong thiết kế mạch đo dòng của thiết bị Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng được biểu diễn như trong Hình 2.4(a) Dựa theo hiệu ứng Hall [4], mỗi giá trị dòng điện chạy qua IC ACS712 đều tạo ra một giá trị điện áp tương ứng theo quan

hệ tuyến tính Giá trị điện áp đó sẽ được xuất ra chân Vout của ACS712 và đi vào bộ ADC của vi điều khiển Quan hệ tuyến tính giữa độ nhạy của ACS712

và giá trị điện áp tham chiếu Vcc được thể hiện như trong Hình 2.4(b) Ngoài

ra, các thuộc tính chính của chip cảm biến dòng điện xoay chiều ACS712 được thể hiện như trong Bảng 2.2

(a) (b)

Hình 2.4 (a) Sơ đồ mạch của ACS712; (b) Đặc tuyến vào ra

Bảng 2.2 Các thông số chính của cảm biến dòng điện ACS712

Điện áp cách điện tối thiểu (đầu vào & đầu ra) 2,1 kVrms

Độ nhạy (±5, ±20 và ±30) A (66, 100, 185) mV/A Nhiệt độ làm việc bình thường Từ -40 oC đến +85 oC

Tín hiệu điện áp được ACS712 tạo ra tương ứng với giá trị dòng điện đầu vào cũng được tự động nâng lên mức điện áp Uoffset= UVcc/2 để tín hiệu đo dao động hoàn toàn trong dải điện áp 0 ÷ Vcc phù hợp với nhiều loại vi điều khiển có bộ ADC chỉ hoạt động trong dải điện áp từ 0 ÷ Vcc, và theo tài liệu

kỹ thuật của ACS712 thì giá trị điện áp Vcc chỉ được cho phép trong khoảng

từ 4.5 ÷ 5.5V [4] Dạng tín hiệu đầu ra của cảm biến dòng điện xoay chiều ACS712 là sóng điện áp có dạng hình sin nằm trong phạm vi từ 0 ÷ 5 V để đưa vào đầu vào ADC của Arduino Do đó, dạng sóng điện áp đầu ra của nó

có dạng như đường màu xanh trong Hình 2.5 Từ tín hiệu điện áp đầu ra này, các giải thuật được nạp vào bo mạch Arduino để tính toán điện áp trị hiệu dụng của nó và từ đó sẽ xác định được giá trị dòng điện thực tế trong phần mạch lực tùy theo độ phân giải của cảm biến ACS712