Bé Gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Trêng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi _______________________ luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc thiÕt kÕ c«ng t¬ ®iÖn tö mét pha NguyÔn h÷u b×nh Hµ néi 2005 17057205110961000000 Bé Gi¸o dôc vµ ®µo t¹o Trêng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi _______________________ NguyÔn h÷u b×nh thiÕt kÕ c«ng t¬ ®iÖn tö mét pha luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc NGÀNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG HÀ NỘI - 2005 më ®Çu Công tơ điện là một thiết bị quan trọng không thể thiếu được trong quy trình cung cấp và mua bán điện năng của các công ty điện lực. Công tơ điện tử hiện nay là một sản phẩm công nghệ hiện đại, để đáp ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện năng một cách hợp lý, công tơ điện tử thường có những tính năng như: Đo năng tác dụng, năng lượng phản kháng và năng lượng biểu kiến; Đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến; Đo tần số lưới điện, hệ số công suất, góc pha; Đo dòng và áp hiệu dụng; Công tơ nhiều giá; Quản lý phụ tải hộ tiêu thụ, ghi lại thời điểm quá tải; Quản lý số lần mất điện, thời gian mất điện; Quản lý quá dòng quá áp, sụt dòng sụt áp, ngược chiều công suất; Tự động lập hoá đơn và lưu giữ trong bộ nhớ; Trao đổi thông tin với với các thiết bị quản lý qua: RS232, RS485, cổng quang học, MODEM, với PC; Khả năng truyền số liệu, nối mạng nhiều công tơ; Khả năng chống sét lan truyền;. Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế công tơ điện tử một pha.
Luận văn sẽ trình bày các bước nghiên cứu và thiết kế công tơ điện tử sử dụng vi mạch tích hợp tính năng lượng loại ADE7753 của hãng ANALOG DEVICES với những tính năng ưu việt kết hợp với bộ vi điều khiển và mạch thời gian thực để tìm ra giải pháp về công tơ điện tử đa năng với độ tin cậy cao, đáp ứng được những nhu cầu thực tế của các nhà cung cấp điện và khách hàng tiêu dùng điện. KẾT LUẬN Công tơ điện là một thiết bị quan trọng, thứ yếu trong quá trình mua và bán điện, đòi hỏi có độ chính xác, tin cậy cao và đảm bảo vận hành an toàn trong mọi điều kiện khắc nhiệt của môi trường. Chính vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm công tơ điện tử một pha sử dụng vi mạch ADE 7753 là một vấn đề khó khăn. Song với nỗ lực của bản thân, được sự giúp đỡ nhiệt tình của các Thầy Cô giáo trong khoa và đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của Thầy giáo hướng dẫn Tiến sỹ Nguyễn Quốc Cường luận văn tốt nghiệp đã đạt được một số vấn đề cơ bản như sau: Đưa ra mô hình của công tơ điện tử sử dụng vi mạch ADE7753 làm phần mạch đo, phần mạch điều khiển bao gồm bộ vi điều khiển, EEPROM, mạch thời gian thực ( Real Time Clock), màn hình hiển thị LCD và đầu ra là cổng truyền tin nối tiếp SPI; Nguyên lý của công tơ loại này là sử dụng vi mạch ADE 7753 để đưa tín hiệu về năng lượng tiêu thụ vào bộ vi điều khiển.
Bộ vi điều khiển cập nhật và sử lý thông tin, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên bộ nhớ EEPROM, đồng hồ thời gian thực và hiển thị các dữ liệu cần thiết lên màn hình hiển thị. Đưa ra tiêu chí thiết kế công tơ điện tử một pha sử dụng chip ADE7753 đa năng đáp ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện. Kết hợp với một vi mạch tích hợp ADC và bộ sử lý tín hiệu DSP cho phép tính các giá trị năng lượng, công suất, giá trị hiệu dụng, chu kỳ và một số tính năng phát hiện sự cố điện. Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên còn một số đại lượng chưa tính hết và số các sự kiện còn lưu giữ ít.
Vì vậy hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu phát triển thêm về phần mền để khắc phục các thiếu sót trên. Với các đề xuất và kiến nghị trên, Tôi hy vọng rằng sẽ nâng cao một bước về nhận thức. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy Cô giáo trong khoa đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm bổ ích trong học tập, nghiên cứu khoa học và trong công tác, cuộc sống. Đặc biệt Tôi vô cùng biết ơn Thầy giáo Tiến sỹ Nguyễn Quốc Cường đã tận tình chỉ bảo Tôi trong suốt quá trình xây dựng đề cương, thu thập số liệu và phương pháp nghiên cứu để hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này.
Do kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nghiên cứu có hạn nên nội dung, ý nghĩa, tác dụng thực tế của bản luận văn này chắc chắn còn nhiều thiếu sót, hạn chế. Tôi rất mong được sự tham gia góp ý kiến của các Thày Cô giáo và được sự cộng tác của các đồng nghiệp. - 1- Ch¬ng 1 – Tæng quan Ch¬ng 1 Tæng quan C«ng suÊt ®iÖn ®îc ®Þnh nghÜa nh lµ tèc ®é cña dßng ch¶y n¨ng lîng tõ nguån tíi t¶i. C«ng suÊt trong m¹ch ®iÖn mét chiÒu P =U.I hay P = I2R, P= U2/R, P =kq Trong ®ã: I - dßng trong m¹ch U - ®iÖn ¸p r¬i trªn t¶i víi ®iÖn trë R q- nhiÖt lîng to¶ ra trªn phô t¶i trªn mét ®¬n vÞ thêi gian C«ng suÊt t¸c dông trong m¹ch xoay chiÒu mét pha ®îc x¸c ®Þnh nh lµ gi¸ trÞ trung b×nh cña c«ng suÊt trong mét chu k× T: T 1 P = ∫ uidt (1.1) T0 Trong ®ã: u, i lµ c¸c gi¸ trÞ tøc thêi cña ®iÖn ¸p vµ dßng dßng ®iÖn Trong trêng hîp khi dßng vµ ¸p cã d¹ng h×nh sin th× c«ng suÊt t¸c dông ®îc tÝnh lµ: P = UI cos ϕ (1.2) HÖ sè cosϕ ®îc gäi lµ hÖ sè c«ng suÊt.
Cßn ®¹i lîng S = UI gäi lµ c«ng suÊt toµn phÇn hay cßn gäi lµ c«ng suÊt biÓu kiÕn, nã ®îc coi lµ c«ng suÊt t¸c dông khi phô t¶i lµ thuÇn trë tøc lµ, khi cosϕ = 1. - 2- Ch¬ng 1 – Tæng quan Khi tÝnh to¸n, ®Ó ®¸nh gi¸ hiÖu qu¶ cña c¸c thiÕt bÞ ®iÖn, ngêi ta cßn sö dông kh¸i niÖm c«ng suÊt ph¶n kh¸ng. §èi víi dßng vµ ¸p h×nh sin th× c«ng suÊt ph¶n kh¸ng ®îc tÝnh theo: Q = UI sin ϕ (1.3) Trong trêng hîp chung nÕu mét qu¸ tr×nh cã chu k× víi d¹ng ®êng cong bÊt k× th× c«ng suÊt t¸c dông lµ tæng c¸c c«ng suÊt cña c¸c thµnh phÇn sãng hµi.4) k =0 k =0 HÖ sè c«ng suÊt ®îc x¸c ®Þnh nh lµ tØ sè gi÷a c«ng suÊt t¸c dông víi c«ng suÊt toµn phÇn kp = P/S vµ khi dßng, ¸p h×nh sin th× kp = cos ϕ Trong trêng hîp qu¸ tr×nh cã d¹ng xung, th× cã thÓ ®îc ®Æc trng bëi c«ng suÊt xung, ®îc x¸c ®Þnh nh lµ gi¸ trÞ trung b×nh trong thêi gian mét xung.5) Vµ thêng c«ng suÊt t¸c dông trong trêng hîp nµy ®îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o c«ng suÊt trung b×nh trong mét chu k× lÆp l¹i T cña xung.6) Nh vËy c«ng t¬ ®o n¨ng lîng ®iÖn ph¶i bao gåm mét bé phËn chuyÓn ®æi ®Ó ®o c«ng suÊt, mét bé tÝch ph©n cho phÐp céng dån c«ng suÊt theo thêi gian. Bé chuyÓn ®æi ®o c«ng suÊt ®îc thùc hiÖn theo nhiÒu ph¬ng ph¸p kh¸c nhau, ®ã lµ: - 3- Ch¬ng 1 – Tæng quan - Theo ph¬ng ph¸p ®iÖn: PhÐp nh©n ®îc dùa trªn c¬ cÊu chØ thÞ nh ®iÖn ®éng, s¾t ®iÖn ®éng, tÜnh ®iÖn vµ c¶m øng, trong ®o gãc quay α cña phÇn ®éng lµ hµm cña c«ng suÊt cÇn ®o.
- Ph¬ng ph¸p ®iÖn tö, phÐp nh©n ®îc thùc hiÖn bëi c¸c m¹ch nh©n t¬ng tù còng nh nh©n sè ®iÖn tö, tÝn hiÖu ra cña nã lµ hµm cña c«ng suÊt cÇn ®o. - Víi ph¬ng ph¸p nhiÖt ®iÖn th× dïng c¸ch biÕn ®æi th¼ng c«ng suÊt ®iÖn thµnh nhiÖt. Ph¬ng ph¸p nµy thêng ®îc øng dông khi cÇn ®o c«ng suÊt vµ n¨ng lîng trong m¹ch tÇn sè cao còng nh nguån laze.1 §o c«ng suÊt trong m¹ng ®iÖn xoay chiÒu mét pha 1.1 §o c«ng suÊt b»ng Wattmet ®iÖn ®éng: S¬ ®å m¾c Wattmet nh sau: H×nh 1.1 §o c«ng suÊt sö dông Wattmet ®iÖn ®éng §Ó ®o nh÷ng C«ng suÊt nhá ta dïng c¬ cÊu s¾t ®iÖn ®éng tøc lµ C¬ cÊu ®iÖn ®éng nhng cã m¹ch tõ b»ng vËt liÖu s¾t tõ. Cuén d©y dßng ®iÖn gi÷ vai trß nh mét Ampemet , cßn cuén d©y ®iÖn ¸p th× nh mét Voltmet - 4- Ch¬ng 1 – Tæng quan Wattmet cã tÝnh cùc tÝnh.
NghÜa lµ khi ta ®¶o pha cuén d©y dßng hay cuén d©y ¸p, Wattmet quay ngîc. V× vËy ®Ó x¸c ®Þnh ®îc chiÒu truyÒn C«ng suÊt ta ph¶i ®¸nh dÊu ®Çu vµ cuèi cña cuén d©y ¸p vµ dßng 1.2 §o c«ng suÊt b»ng Wattmet dïng bé nh©n ®iÖn tö: 1.1 C¶m biÕn Hall ®o C«ng suÊt: C¶m biÕn nµy lµ mét phÇn tö nh©n, bao gåm mét m¹ch b¸n dÉn cã dßng diÖn ch¹y qua. Khi cã tõ trêng t¸c dông lªn mÆt cña m¶nh b¸n dÉn ®ã xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng Hall E H = KHBI sinψ Trong ®ã: ψ- gãc gi÷a B vµ I NÕu ta ®Ó cho I tû lÖ víi ®iÖn ¸p. B tû lÖ víi dßng ®iÖn I vµ B,I vu«ng gãc víi nhau th× E H = KU.I E H sÏ lµ mét bé nh©n gi¸ trÞ tøc thêi cña u vµ i: E H=Kp Víi p lµ C«ng suÊt tiªu thô tøc thêi trªn t¶i, nÕu u vµ i lµ nh÷ng hµm h×nh sin th× c«ng suÊt tøc thêi gåm thµnh phÇn cè ®Þnh vµ thµnh phÇn biÕn thiªn.
NÕu dông cô ë ®Çu ra cã qu¸n tÝnh nhá (®Çu rung cña giao ®éng ký, thiÕt bÞ ®iÖn tö) ta cã c«ng suÊt tøc thêi biÕn thiªn theo thêi gian. NÕu ®Çu ra cña c¶m biÕn Hall m¾c vµo c¬ cÊu c¬ ®iÖn cã qu¸n tÝnh lín hay mét kh©u tÝch ph©n th× nã sÏ chØ c«ng suÊt trung b×nh: P = UIcosϕ ¦u ®iÓm cña lo¹i Watmet nµy lµ kh«ng cã qu¸n tÝnh, cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, cho phÐp c«ng suÊt xoay chiÒu víi tÇn sè ®Õn hµng tr¨m MHz. Nhîc ®iÓm: sai sè do nhiÖt ®é lín. - 5- Ch¬ng 1 – Tæng quan iL Vra ~iB R VL V~VL T¶i iL TÊm b¸n dÉn Tõ trêng B H×nh 1.2 §o c«ng suÊt sö dông c¶m biÕn Hall 1.2 §o c«ng suÊt dïng bé nh©n b»ng phÇn tö Logarithm vµ anti- logarithm: S¬ ®å khèi cña bé nh©n nh sau H×nh 1.3 §o c«ng suÊt sö dông bé nh©n t¬ng tù Hai ®¹i lîng Ux vµ Uy ®îc ®a vµo hai bé loga U1 = ln(U X ); U2 = ln(UY) - 6- Ch¬ng 1 – Tæng quan Vµ U1 ,U 2 ®îc cho vµo bé céng: U3 = U1+U 2 =ln(U x.