Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY ĐO CÔNG SUẤT VẠN NĂNG PMM100
PGS.TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân,
KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Chu Ngọc Liêm
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá-Viện Công Nghệ Thông Tin
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
Fax: +84-04-8361485 Tex: +84-04-8363484 Email: ptcat@ioit.ncst.ac.vn
Tóm tắt: Hầu hết các thiết bị đo điện năng ở nước ta hiện nay là các thiết bị cơ, thời gian sử dụng đã lâu,
nên nhu cầu thay thế bằng các thiết bị đo kỹ thuật số với những tính năng vượt trội là một xu thế tất yếu. Tuy
nhiên, chủ yếu chúng ta vẫn nhập ngoại các thiết số bị này với giá thành rất cao. Do đó việc nghiên cứu, chế tạo
các thiết bị đo điện hiện đại trong nước là cần thiết, có ý nghĩ về cả mặt khoa học và kinh tế. Áp dụng những
công nghệ tiên tiến là IC đo điện năng chuyên dụng của Analog Device và họ vi xử lý PSoC của Cypress Micro
chúng tôi đã chế tạo thiết bị đo công suất vạn năng PMM100 với độ chính xác cao, giá thành thấp, phù hợp với
nhu cầu trong nước.
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF
POWER MULTIMETER PMM100
Prof.DSc. Pham Thuong Cat, Eng. Phan Minh Tan,
Eng. Nguyen Xuan Hoang, Eng. Chu Ngoc Liem
Department for Automation Technology-Institute of Information Technology
Viet Nam Academy of Science and Technology
Fax: +84-04-8361485 Tex: +84-04-8363484 Email: ptcat@ioit.ncst.ac.vn
Abstracts: Nowadays, almost Watt-hour Meter in Viet Nam are mechanical devices, long service life,
therefore the need for new, digital, developed characteristics devices is indispendable trend. However, new
devices are generally imported with very high cost. With these reasons, the research and developement of
measuring devices made in Viet Nam are neccessary, and meaningfule in both science and economicwise. By
applying modern power multimeter IC of Analog device and chip PSoC of Cypress Micro, we have designed and
built power a multimeter PMM100 that is highly reliable, low cost, and suitable with local environment and
need.
1. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT Dải đo 0 đến 10KW
Độ chính xác 0,5%
Máy đo công suất vạn năng PMM100 giao Công Suất Toàn phần
tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD Dải đo 0 đến 10KVA
(2x16) và các phím bấm, cho phép đo được đầy đủ Độ chính xác 0,5%
8 đại lưọng điện năng: dòng điện (Irms), điện áp Công Suất Phản
(Urms), công suất hiệu dụng (Watt), công suất phản kháng
kháng (VAR), công suất toàn phần (VA), hệ số Dải đo 0 đến 10KVAR
công suất (cosϕ), tần số (f), điện năng. Các đặc Độ chính xác 0,5%
trưng kỹ thuật của PMM100 như sau: Hê Số Công suất
Dải đo 0,000 đến 1,000
Thế Hiệu Độ chính xác 0,5%
Dải đo 15Vrms đến 500Vrms Tần số
Độ chính xác 0,25% Dải đo 45Hz đến 65Hz
Chịu cực đại 5000Vrms Độ chính xác 0,1%
Dòng điện Công Suất tích luỹ
Dải đo 200mA đến 20A Dải đo 15 phút
Độ chính xác 0,25% Nguồn nuôi 220V/50Hz
Chịu cực đại 200Arms Môi trường – 4000C đến +850C
Công suất Hiệu dụng
1
- 2. NGUYÊN LÝ VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN Đại lượng cosϕ được gọi là hệ số công suất,
đánh giá hiệu suất sử dụng nguồn điện. Nâng cao
Lưới điện với tần số f, cung cấp cho tải hiệu hệ số cosϕ sẽ tăng được hiệu suất sử dụng ngu ồn,
điện thế tức thời u(t), dòng điện tức thời chạy qua đồng thời làm giảm tiết diện dây d ẫn truyền tải,
tải là i(t), trễ pha ϕ so với hiệu điện thế có thể mô tả giảm tổn hao điện n ăng. Việc xác định hệ số cosϕ
như sau: cũng rất cần thiết.
i(t ) = 2 .I rms . sin(2πft ) (1) Dựa trên phương trình (6) để thiết kế thiết bị
đo công suất hiệu dụng P, Hình 2 biểu diễn quá
u (t ) = 2 .U . sin(2πft + ϕ)
rms
(2)
trình xử lý tín hiệu. Tín hiệu liên tục của điện áp và
Trong đó, Irms và Urms là các giá trị hiệu dụng của dòng điện đo được đưa trực tiếp qua một bộ nhân.
dòng điện và hiệu điện thế. Tín hiệu sau bộ nhân là tín hiệu liên tục, tín hiệu
Giá trị hiệu dụng Vrms của một tín hiệu tuần này được xử lý bằng một bộ lọc thông thấp (LPF)
hoàn liên tục v(t) tính như sau để cho kết quả là giá trị công suất trung bình P.
T
1
Vrms = ∫
. v 2 (t )dt (3) T
∫
T 1
P= . p (t )
0 T
0
Với các biên độ hài của v(t) ta có thể tính Vrms theo
công thức:
N
∑ v 2 (i)
1
Vrms = . (4)
N
i =1
trong đó T là chu kỳ của tín hiệu v(t), v(i) là biên độ
hài thứ i của tín hiệu v(t). Hình 2: Xỷ lý tín hiệu tương tự
Công suất tiêu thụ tức thời p(t): Khi chuyển sang kỹ thuật số, các tín hi ệu
p (t ) = i(t ).u (t ) (5) tương tự được lấy mẫu thành tín hiệu rời rạc. Tín
Tuy nhiên việc tính công suất tiêu thụ tức thời hiệu sau khi rời rạc hóa qua bộ chuyển đổi tương
p(t) không có nhiều ý nghĩa, đại lượng cần quan tự/số thành tín hiệu số dưới dạng mã nhị phân hay
tâm hơn chính công suất hiệu dụng, là giá trị công mã Hecxa. Quá trình xử lý mô tả trên Hình 3.
suất trung bình tính trong một chu kỳ T:
T
∫
1
P= . p (t )dt = U rms .I rms . cos ϕ (6)
T
0
Công suất hiệu dụng P đặc trưng cho quá trình biến
đổi điện năng sang các dạng năng lượng khác như
nhiệt năng, cơ năng,…
H×nh 3: ChuyÓn ®æi t−¬ng tù sang sè
Đại lượng công suất ph ản kháng Q đặc trưng
cho quá trình trao đổi năng lượng điện từ trường: Các tín hiệu sau khi số hoá thành mã nhị phân
Q = U rms .I rms . sin ϕ (7) được xử lý dễ dàng với các bộ vi xử lý tín hiệu
DSP, µP, µC để cho ra các đại lượng theo yêu cầu,
Hợ p của công suất hiệu dụng P và công suất
mô tả trên Hình 4.
phản kháng Q có công suất toàn phần S của thiết bị
S = U rms .I rms = P 2 + Q 2 (8)
Ba đại lượng S, Q, R quan hệ theo một tam
giác vuông như Hình 1, gọi là tam giác công suât.
P, Q, S có cùng thứ nguyên nhưng để phân biệt
người ta dùng các đợn vị khác nhau. Đơn vị của P
là Watt, đơn vị của Q là VAR, đơn vị của S là VA.
Hình 4: Xử lý tín hiệu số
S
Q Từ những cơ sở trên, Hình 5 đưa ra một cấu
ϕ trúc chung cho một thiết bị đo điện năng. Thiết bị
P gồm có một sensor dòng điện và một sensor điện áp
kết hợp với chuyển đổi ADC số hoá tín hiệu dòng
H×nh1 : Tam gi¸c c«ng suÊt
điện và điẹn áp trước khi vào bộ xử lý trung tâm,
xử lý kết quả đo. S ố liệu sau khi xử lý được lưu giữ
trong EEPROM, hiển thị kết quả hoặc truyền ra
2
- ngoài để giao tiếp với thiết bị khác. Ngoài ra cần Hình 6 là giải pháp sử dụng DSP có tích hợp
các bộ phận qu ản lý hoạt động củ a thiết bị, ngu ồn ADC. DSP xử lý số liệu từ ADC, tính toán ra các
nuôi cho thiết bị. đại lượng đ o cần thiết, cho phép giao tiếp trực tiếp
Với một sơ đồ cấu trúc như trên, có nhiều giải với vi xử lý (MCU) khác hoặc các ngoại vi.
pháp để chọn lựa. Hình 7 là cấu trúc dùng ADC có tích hợp
DSP, cho phép xử lý các tín hi ệu đo, tính toán các
đại lượng cần thiết. Không giao tiếp được trượ c 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 hợ p các
chức n ăng DSP trên một chip, cho đầu ra là các đại
lượng cần đ o, người dùng chỉ cần đọc lưu giữ bằng
bộ nhớ, đưa ra hiển thị hay truyền thông theo yêu
Hình 5:Cấu trúc một thiết bị đo công suất cầu. Giải pháp này cho phép có những sản phẩm
nhỏ gọn, với giá thành thấp.
3. THIẾT KẾ
Thiết bị đo công suất PMM100 sử dụng
phương án dùng một ADC tích hợp với DSP của
hãng Analog Device. Các số liệu được thu thập bởi
một vi xử lý.
Thiết bị giao tiếp với người sử dụng qua một
màn hình LCD và các phím chức năng.
Hình 6: DSP tích hợp ADC
Mạch đệm trướ c khi vào ADC là một Shunt
dòng đo dòng điện và một mạch phân áp.
ADC được sử dụng là ADE7753 của hãng
Analog Device, đây là một IC đo điện chuyên dụng
độ chính xác cao, giao tiếp đơn giản với vi xử lý
qua cổng truyền thông SPI và các thanh ghi truyền
thông, không cần cách ly điện với nguồn điện đo.
Vi xử lý sử dụng là CY8C26443 của hãng
Cypress Micro. Đây là một họ vi xử lý PsoC
(Programmable System on Chip) có tính linh hoạt
cao, lập trình đơn giản, công cụ phát triển giá thành
thấp.
Hình 7: ADC tích hợp DSP
Hình 8: Cấu trúc thiết bị PMM100
3
- Việc ch ọn lựa phần cứng cho phép phát triển Giá trị điện áp hiệu dụng (VRMS) được xử lý
một dòng sản phẩm nội địa với giá thành thấp với và lưu trong thanh ghi VRMS, 24 bit, số nguyên
tính năng, độ chính xác không thua kém các sản dương. Với tín hiệu đủ thang đầu vào, thang ghi
phẩm nhập ngoại. VRMS có giá trị tương đương 1561400(17D338h).
Tuyến tính trong khoảng FS đến FS/20.
AVDD RESET DVDD DGND
PGA WGAIN[11:0]
INTEGRATOR MULTIPLIER LPF2
V1P
V1N
+
-
ADC dt × ∑ ×
HPF
Π
TEMP 2
APOS[15:0] CFNUM[11:0]
PHCAL[5:0]
×
SENSOR
Φ DFC ÷ CF
IRMSOS[11:0]
CFNUM[11:0]
VAGAIN[11:0]
x2 ∑
PGA VRMSOS[11:0]
× × ZX
V2P + SAG
ADC 2 ∑
V2N -
LPF1
x
VADIV[7:0] ÷ ÷ WADIV[7:0]
2.4V
4kΩ
ADE7753 REGISTERS &
REFERENCE
SERIAL INTERFACE
AGND REFIN/OUT CLKIN CLKOUT DIN DOUT SCLK CS IRQ
Hình 9: Sơ đồ khối chức năng của ADE7753
ADE7753 Công Suất tiêu thụ đượ c tích luỹ liên tục
bằng một thanh ghi năng lượng 48 bit, 24 bit cao
Hình 9 mô tả sơ đồ khối chức năng của một của thanh ghi này là thanh ghi AENERGY[23:0].
IC chuyên dụng ADE7753. Công suất phản kháng được tích lu ỹ theo
một số nguyên nửa chu kỳ, lưu trong thanh ghi
Chức năng LVARENEGY.
IC ADE7753 có độ chính xác cao, tuân theo Công suất toàn phần tích luỹ bằng một
tiêu chuẩn IEC61036 và IEC1268. thanh ghi năng lượng toàn phần
Tích hợp bộ tích phân số nối trực tiếp được VAENERGY[23:0].
với các sensor dòng đầu ra tỉ lệ với di/dt. Chuẩn định thiết bị đo tuỳ thuộc vào đai
Tính các giá trị công su ất tiêu thụ, công phản lượng cần đo củ a thiết bị. Với thiết bị đo công suất
kháng, công suất biểu kiến, giá trị hiệu dụng của vạn năng như yêu cầu thiết kề, phải tiến hành chuẩn
dòng điện, điện áp, Sampled Waveform, với độ định 8 đại lượng đo. ADE7753 cung cấp các thanh
chính xác nhỏ hơn 0,1%. ghi đủ để tiến hành chuẩn định bằng phần mềm,
Chế độ chỉ tích luỹ năng lượng dương. thông qua cổng truyền thông SPI, các hệ số đươ c
Cho phép người dùng đặt mềm ngưỡng sụt MCU tính toàn và truyền xuống cho ADE7753.
áp, quá điện áp, có khối quản lý nguồn nuôi. Chế độ chuyển thông nối tiếp của ADE7753
Cho phép chỉnh định pha và độ lệch đầu vào. ADE7753 giao tiếp với ngoại vi thông qua
Có Sensor đo nhiệt độ trên chip (±30 C). cổng truyền thông SPI với bốn dây tín hi ệu DIN,
Chế độ truyền thông nối tiếp SPI. DOUT, SCLK, CS. Việc giao tiếp, truy su ất dữ liệu
Chân yêu cầu ngắt và thanh ghi trạng thái được điều khiển bằng một thanh ghi truyên thông 8
ngắt. bit.
Có 2 ADC cấu trúc sigma-delta và DSP cho CY8C26443
dữ liệu với độ chính xác cao trong điều kiện môi
trường và thời gian biến động mạnh. Hình 9 là sơ đồ kh ối ch ức năng của IC họ
Điện áp chuẩn 2,4V, cho đưa từ ngoài. PsoC. PsoS là họ vi xử lý tốc độ cao, 8-bit, ki ến
Ngu ồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW). trúc Harvard. Việc phân chia bus dữ liệu và bus địa
chỉ cho phép đẩy tốc độ xử lý lên cao. PsoS có thể
Mô tả hoạt động của ADE7753 đạt tốc độ xử lý đến 24MHz, tuy nhiên có thể đặt
Giá trị dòng điện hiệu dụng (IRMS) đượ c xử tốc độ thấy hơn để phù hợp với các ứng dụng khác
lý và lưu trong thanh ghi số nguyên dương 12 bit nhau. Họ vi xử lý này phân chia cấu trúc cứng
(IRMS). Với tín hiệu đủ thang 0,5V ADC cho ra thành các kh ối ngoại vi số và khối ngoại vi tương tự
mã đầu ra xấp xỉ 63% của giá trị đủ thang. Giá trị khác nhau với một CPU tốc độ cao, bộ nhớ chương
tín hiệu AC đủ thang là 1868467d (1C82B3h). trình (Flash program memory), bộ nhớ dữ liệu
Tuyến tính trong khoảng FS đến FS/100. (SRAM data). Các kh ối này cho phép người dùng
thiết lập thành nhiều dạng thiết bị với các chức
4
- năng khác nhau. Với mười hai khối ngoại vi tương - Module CRC
tự và tám kh ối ngoại vi số, có thể cấu trúc thành - Truyền thông UART
các bộ đếm thời gian, các bộ UART, bộ phát CRC, - Truyền thông SPI
bộ điều chế độ rộng xung PWM, các bộ ADC, - Nguồn tần số cho các kh ối tương tự
DAC, cùng nhiều các modul cao cấp hơn như
modem, điện kiển động cơ, sensor,... Một hệ lệnh Thay đổi được cấu trúc chân
phong phú rất hiệu cho phép dùng các ngôn ngữ lập - Các chân I/O kiểu TTL
trình bậc thấp, ngoài ra còn h ỗ trợ cả ngôn ngữ lập - Mức logic ra 25mA với pull-up trong hoặc
trình bậc cao (ngôn ngữ lập trình C). Những điều điện trở pull-up, High Z, strong driver
thể hiện khả năng mềm d ẻo dường như không giới - Thay đổi chân ngắt
hạn tích hợp trên một hệ thống vi xử lý PSoC có thể - Vào tương tự bởi 40mA
tạo ra mà khó có họ vi xử lý nào đạt được. Lập trình chu kì, tần số
- Dao động trong 24/48MHz
- Dao động tinh thể ngoài 32.768Hz
- Dao động thấp cho Watchdog và Sleep
Ngoại vi chuyên dụng
- Watchdog, Sleep timer
- Nhận biết mức sụt điện áp
- Điện áp chuẩn
Với công nghệ Flash
- Công suất thấp với tốc độ cao
- Điện áp hoạt động từ 3,0 đến 5,25 V
- Điện áp hoạt động xuống đến 1,0V trong chế
độ bơm điện áp trên chip
- Dải nhiệt độ hoạt động: -400C đến +850C
Các phần cứng khác
LCD Display 2x16 : HD44780 của Hitachi
Shunt dòng : BVO-M-R0002-5.0 của hãng
RHOPOINT
Hình 10: Sơ đồ khối chức năng CY8C26443 Phối ghép CY8C26443 với ADE7753
Bộ vi xử lý kiến trúc Harvard nhân và tích
luỹ nhanh
- Tốc độ xử lý đến 24MHz
- Chế độ địa chỉ mềm dẻo
- 8x8 multiply, 32-bit accumulate
- Register speed memory transfers
- Bit manipulation on I/O and memory
Bộ nhớ trên chip linh hoạt
- Bộ nhớ chương trình từ 4K đến 16K
- 100000 chu kỳ xoá/ghi
- 256 byte SRAM
- In-System Serial Programming
- Chế độ bảo vệ linh hoạt
- EEPROM đến 2304 byte
Khối chức năng khả trình
- Người dùng có thể cấu trúc các khối chức
năng để dùng riêng rẽ hay kết hợp
- 12 khối tương tự cung cấp
- ADC Delta-Sigma đến 11 bit
- ADC xấp xỉ liên tục đến 8 bit
- ADC Incremental đến 12 bit
- DAC đến 10 bit
- Bộ khuếch đại khả trình
- Bộ lọc khả trình
- Bộ so sánh vi sai
- 8 khối chức năng số cung cấp:
- Các chức năng về thời gian: sự kiện, thời
gian thực, điều chế độ rộng xung (PWM). Hình 11: Lưu đồ chương trình
5
- PSoC giao tiếp với ADE7753 qua cổng truyền nhiều lần, mở ra hướng nội địa hoá các thiết bị đo
thông SPI. PSoC là thiết bị Master, ADE7753 là điện năng.
thiết bị Slave. PSoC truy cập ADE7753 qua các Kết quả này có ý nghĩa về cả mặt khoa học và
thanh ghi, được điều khiển qua thanh ghi truyền cả mặt kinh tế.
thông. Các dải pháp tích hợp truyền thông qua
Trình tự các bước truyền thông được PsoC RS485/RS232, hồng ngoài đ ang đượ c xây dựng
tiến hành như sau: trên thiết bị mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn
- Gửi mà lệnh xuống thanh ghi truyền thông. Mã trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.
lệnh gồm có địa chỉ thanh ghi truy cập, đánh dấu
chế độ đọc/ghi cho hoạt động tiếp theo.
- Gửi dữ liệu xuống nếu ghi dữ liệu. Nhận dữ liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO
lên nếu đọc dữ liệu.
ADE7753 thực hiện công việc xử lý các đại [1] Device Data Sheet for PsoCTM (Cypress
lượng dòng điện, điện áp, công suất và lưu trong MicroSystems Inc, Aug 18 2003).
các thanh ghi. PsoC thu thập số liệu số liệu từ các [2] PsoCTM (IDE) Design Integrated Development
thanh ghi này, tiến hành xử lý số liệu để chuyên đổi Environment.(Cypress MicroSystems Inc, Dec 8
thứ nguyên tương ứng, và tính toàn các đại lượng 2003).
trung gian không đ o được trục tiếp (hệ số sô công [3] PsoCTM (IDE) Design C Language Compiler.
suất cosϕ). (Cypress MicroSystems Inc, June 17 2003)
Chuẩn định thiết bị được tiến hành bằng phần [4] PsoC TM (IDE) Design Assembly Language
mềm. Chuẩn định bằng một thiết bị đo chu ẩn, so (Cypress MicroSystems Inc, June 20 2003)
sanh với các đại lượng đo được, từ đo tính toán các [5] A Power Meter Reference Design Based on the
độ lệch cũng như các hệ số. Sau khi tính toán các ADE7756 (www.analog.com)
hệ số, kết quả này đượ c truyền xu ống cho [6] Active and Apparent Energy Metering IC with
ADE7753, ADE7753 sẽ sử dụng kết quả này để bù didt sensor interface ADE7753 (www.analog.com)
các sai số cần thiết cho toàn bộ thiết bị. [7] Evaluation Board Documentation ADE7753
Hình 11 là lưu đồ phần mềm thực hiện cho Energy metering IC (www.analog.com)
máy đ o PMM100.
4. KẾT QUẢ
Hình 12: Máy đo công suất vạn năng PMM100
Thiết bị đo công suất đã được ch ế tạo hoàn
chỉnh. Đã chạy thử nghiệm với các chế độ ngắn hạn
và đ áp ứng đượ c các chỉ tiêu đề ra. Hiện đang trong
quá trình thử nghiệm dài hạn. Và có thể khả định
các thiết bị đo điện năng hoàn toàn có thể chế tạo
trong n ước, với giá thành rẻ hơn thiết bị nhập ngoại
6
nguon tai.lieu . vn
