DATN_NVD_BAO_CAO_CONG _TO_DIEN_TU (2014-06-09) (Dua Nguyen's conflicted copy 2014-06-15).pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

-------------------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

---------------------

NHIỆM VỤ

THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên: Nguyễn Văn Đưa Mã số sinh viên: 20090769

Khóa: 54 Viện : Điện

Ngành: Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp

1. Đầu đề thiết kế/Tên đề tài:

Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng ADE7753

2. Các số liệu ban đầu:

- Sử dụng IC ADE7753.

- Sử dụng MCU MSP430F5419.

- Sử dụng module truyền RF CC1101.

3. Các nội dung tính toán, thiết kế:

- Các phương pháp đo công suất và năng lượng 1 pha.

- Tổng quan về ADE7753, phương pháp hiệu chỉnh cho ADE7753.

- Thiết kế mạch phần cứng cho công tơ điện tử.

- Thiết kế phần mềm điều khiển.

- Kế quả, đánh giá thử nghiệm.

4. Cán bộ hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thị Lan Hương, TS. Nguyễn Việt Tùng

5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 06/01/2014

6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15/06/2014

Ngày...... tháng...... năm......

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký, ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ...................................................................................................................... 1

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN ......................................................................................... 2

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG

LƯỢNG ................................................................................................................................ 3

1.1 Công suất điện xoay chiều một pha[1] ........................................................................ 3

1.1.1 Công suất tác dụng .............................................................................................. 3

1.1.2 Công suất phản kháng ......................................................................................... 3

1.1.3 Công suất toàn phần ............................................................................................ 4

1.1.4 Hệ số công suất .................................................................................................... 4

1.2 Năng lượng điện xoay chiều một pha ......................................................................... 4

1.3 Các phương pháp đo công suất [1] .............................................................................. 4

1.3.1 Phương pháp đo công suất bằng phần tử Hall .................................................... 5

1.3.2 Phương pháp đo công suất bằng khuếch đại loga và đối loga ............................ 6

1.3.3 Phương pháp đo công suất bằng phương pháp điều chế độ rộng xung .............. 6

1.3.4 Phương pháp công suất bằng phương pháp ADC – DAC ................................... 7

1.3.5 Phương pháp đo công suất bằng bộ nhân phần tử bình phương......................... 8

1.4 Phương pháp đo điện năng trong công tơ điện tử [3] .................................................. 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ADE7753 ..................................................................... 11

2.1 Tính năng cơ bản của ADE7753[10] ........................................................................ 11

2.2 Mô tả hoạt động ADE7753 ....................................................................................... 11

2.2.1 Tính công suất và năng lượng tác dụng ............................................................. 13

2.2.2 Tính công suất và năng lượng biểu kiến ............................................................ 15

2.2.3 Tính dòng điện hiệu dụng .................................................................................. 16

2.2.4 Tính điện áp hiệu dụng ...................................................................................... 17

2.2.5 Tính chu kỳ lưới điện ......................................................................................... 18

2.3 Truyền thông nối tiếp trong ADE7753 ..................................................................... 18

2.3.1 Quá trình ghi dữ liệu ......................................................................................... 19

2.3.2 Quá trình đọc dữ liệu ......................................................................................... 19

2.4 Hiệu chỉnh và bù sai số ............................................................................................. 20

2.4.1 Hiệu chỉnh hệ số khuếch đại cho năng lượng tác dụng ..................................... 21

2.4.2 Watt offset .......................................................................................................... 23

2.4.3 Hiệu chỉnh pha ................................................................................................... 24

2.4.4 Hiệu chỉnh VRMS và IRMS ................................................................................ 25

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ ..... 27

3.1 Yêu cầu bài toán ........................................................................................................ 27

MỤC LỤC

3.2 Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................................. 27

3.3 Sơ đồ khối công tơ điện tử ........................................................................................ 28

3.3.1 Khối nguồn ......................................................................................................... 28

3.3.2 Khối vi điều khiển trung tâm .............................................................................. 30

3.3.3 Khối chuyển đổi dòng điện ................................................................................ 32

3.3.4 Khối chuyển đổi điện áp .................................................................................... 36

3.3.5 Khối ADE7753 ................................................................................................... 37

3.3.6 Khối hiển thị ....................................................................................................... 38

3.3.7 Khối RF .............................................................................................................. 38

CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH ......................................... 40

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình cho vi điều khiển .................................................... 40

4.1.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính ............................................................... 40

4.1.2 Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt phục vụ tính toán các đại lượng của công tơ

41

4.1.3 Lưu đồ thuật toán chương trình gửi dữ liệu về thiết bị cầm tay khi có yêu cầu 42

4.2 Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh ...................................................................... 42

4.2.1 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh cho năng lượng tác dụng .................................... 43

4.2.2 Hiệu chỉnh phép đo điện áp hiệu dụng .............................................................. 46

4.2.3 Hiệu chỉnh phép đo dòng điện hiệu dụng .......................................................... 47

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM ............................................................. 48

5.1 Kết quả đạt được ....................................................................................................... 48

5.2 Thực nghiệm ............................................................................................................. 50

5.2.1 Thực nghiệm 1: Kiểm tra các tín hiệu đầu vào kênh 1, kênh 2 ......................... 50

5.2.2 Thực nghiệm 2: Tiến hành đo các đại lượng điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu

dụng và năng lượng tác dụng ..................................................................................... 50

5.3 Hạn chế và hướng phát triển ..................................................................................... 51

5.3.1 Hạn chế .............................................................................................................. 51

5.3.2 Hướng phát triển ................................................................................................ 52

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................

PHỤ LỤC ...............................................................................................................................

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

i


Hình 1-1: Tam giác công suất..................................................................................................... 4

Hình 1-2: Wattmet bằng phần tử Hall ........................................................................................ 5

Hình 1-3: Mạch nhân loga – đối loga dùng khuếch đại thuật toán ............................................. 6

Hình 1-4: Sơ đồ Wattmet bằng khuếch đại loga và đối loga ...................................................... 6

Hình 1-5: a) Đo công suất theo phương pháp điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung

.................................................................................................................................................... 7

Hình 1-6: Bộ nhân bằng ADC – DAC ........................................................................................ 7

Hình 1-7: Bộ nhân bằng phần tử bình phương ........................................................................... 8

Hình 1-8: Wattmet dùng phần tử biến đổi nhiệt ngẫu ................................................................ 8

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc của Wattmet và công tơ kỹ thuật số. .................................................. 9

Hình 1-10: Cấu trúc một thiết bị đo công suất, năng lượng[3] ................................................... 9

Hình 1-11: DSP tích hợp ADC[3] ............................................................................................ 10

Hình 1-12: ADC tích hợp DSP[3] ............................................................................................ 10

Hình 2-1: Sơ đồ chân của ADE7753 ........................................................................................ 11

Hình 2-2: Sơ đồ khối chức năng trong IC ADE7753 ............................................................... 12

Hình 2-3:Thanh ghi GAIN ....................................................................................................... 12

Hình 2-4: Hoạt động của bộ ΣΔADC ....................................................................................... 13

Hình 2-5: Sơ đồ tính công suất tác dụng P. .............................................................................. 13

Hình 2-6: Sơ đồ đo năng lượng tác dụng .................................................................................. 14

Hình 2-7: Chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ .................................................................. 15

Hình 2-8: Sơ đồ đo công suất biểu kiến ................................................................................... 15

Hình 2-9: Sơ đồ đo năng lượng biểu kiến ................................................................................ 16

Hình 2-10: Sơ đồ tính toán dòng điện hiệu dụng...................................................................... 16

Hình 2-11: Sơ đồ tính toán điện áp hiệu dụng .......................................................................... 17

Hình 2-12: Sơ đồ phát hiện điểm “0” ....................................................................................... 18

Hình 2-13: Quá trình ghi của ADE7753 ................................................................................... 19

Hình 2-14: Quá trình đọc của ADE7753 .................................................................................. 20

Hình 2-15: Các bước hiệu chỉnh năng lượng tác dụng và năng lượng toàn phần .................... 20

Hình 2-16: Hiệu chỉnh năng lượng tác dụng ............................................................................ 21

Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................................. 27


ii

Hình 3-2: Sơ đồ khối công tơ điện tử 1 pha ............................................................................. 28

Hình 3-3: Sơ đồ nguyên lý cho khối nguồn công tơ điện tử 1 pha ........................................... 29

Hình 3-4: Sơ đồ nối chân MSP430F5419 ................................................................................ 30

Hình 3-5: Sơ đồ khối của MSP430F5419 ................................................................................ 31

Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý mạch MSP430F5419 ..................................................................... 32

Hình 3-7:Độ dịch pha do cuộn cảm bên trong điện trở Shunt (2nH trên 200μΩ shunt) .......... 33

Hình 3-8: Đường cong từ hóa của vật liệu ferrit ...................................................................... 34

Hình 3-9: Cuộn dây Rogowski ................................................................................................. 34

Hình 3-10: Ví dụ tính suất điện động của cuộn dây Rogowski khi cho dòng điện chạy qua ... 35

Hình 3-11: Sơ đồ khối chuyển đổi dòng ................................................................................... 35

Hình 3-12: Sơ đồ khối chuyển đổi điện áp ............................................................................... 36

Hình 3-13: Sơ đồ nguyên lý cho khối ADE7753 ..................................................................... 37

Hình 3-14: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 16x2 .............................................................. 38

Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý cho khối RF CC1101 .................................................................. 39

Hình 4-2: Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt phục vụ việc đọc và tính toán các giá trị ....... 41

Hình 4-4: Lưu đồ thuật toán chương trình gửi dữ liệu về thiết bị cầm tay ............................... 42

Hình 4-5: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh năng lượng tác dụng ................................... 44

Hình 4-6: Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh hệ số KWh/LSB ........................................................ 45

Hình 4-7: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh giá trị điện áp hiệu dụng ............................. 46

Hình 4-8: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh giá trị dòng điện hiệu dụng ......................... 47

Hình 5-1: Tín hiệu vào kênh 2 với điện áp đầu vào là 220V.................................................... 50

Hình 5-2: Tín hiệu vào kênh 1 với dòng điện đầu vào là 5A ................................................... 50

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của công tơ điện tử ..................................................................... 48

Bảng 5.2: Bảng kết quả đo điện áp ........................................................................................... 50

Bảng 5.3: Bảng kết quả đo dòng điện ....................................................................................... 51

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

RF Radio Frequency Sóng vô tuyến

MCU Micro Controller Unit Vi điều khiển

ADC Analog – to – digital converter Bộ chuyển đổi tương tự thành số

DAC Digital – to – analog converter Bộ chuyển đổi số thành tương tự

DSP Digital signal processing Xử lý tín hiệu số

PGA Programmable gain amplifier Bộ khuếch đại có thể lập trình

IC Integrated circuit Vi mạch tích hợp

LPF Low pass filter Bộ lọc thông thấp

SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ

liệu ở chế độ song công toàn phần.

LSB Least significant bit Bit có trọng số thấp nhất

MSB Most significant bit Bit có trọng số cao nhất

RTC Real time clock Thời gian thực

CT Current Transformer Biến dòng

EMF Electromotive force Sức điện động cảm ứng

http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_signal_processing

http://vi.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

http://en.wikipedia.org/wiki/Least_significant_bit

LỜI NÓI ĐẦU

Trang 1 |53

LỜI NÓI ĐẦU

Đổi mới công nghệ luôn là mục tiêu hàng đầu của ngành điện nhằm mục tiêu nâng cao

hiệu quả sản xuất và kinh doanh, sử dụng điện an toàn và tiết kiệm. Trong đó việc sử dụng

công tơ điện tử trong việc đo đếm điện năng là một nhu cầu tất yếu của thời đại, với những

tính năng nổi trội so với đồng hồ cơ thông thường về độ chính xác cao, các chức năng đo đếm

và hiển thị. Sử dụng công tơ điện tử giúp quản lý điện một cách tốt hơn, đẩy nhanh kế hoạch

phát triển thị trường điện cạnh tranh, quản lý điện theo biểu giá.

Công nghệ truyền dữ liệu không dây đã được áp dụng và phát triển từ lâu, hiện nay có

nhiều phương pháp dựa trên những nguyên lý, chuẩn truyền thông khác nhau như: hồng

ngoại, wifi, zigbee, RF… Việc truyền dữ liệu không dây giúp cho việc thu thập hiển thị dữ

liệu được thuận tiện hơn, tính cơ động hơn, giúp giảm chi phí nhân công phục vụ công việc

đọc ghi số điện. Vì vậy em đã lựa chọn “Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng

ADE7753” cho đề tài tốt nghiệp.

Em xin phép được gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong bộ môn đã dìu dắt

em trong suốt thời gian qua. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Thị

Lan Hương, cô đã truyền cảm hứng, tạo động lực cho em để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Em cũng xin cảm ơn TS Nguyễn Việt Tùng – trưởng phòng Multilab, Viện Mica,

trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người thầy đã hết lòng giúp đỡ và luôn tạo mọi điều kiện

tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, những người đã không

ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện

đồ án.

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Trang 2 |53

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN

Công tơ điện tử 1 pha giúp nâng cao hiệu quả trong việc đo đếm hiển thị các giá trị đo,

nâng cao chất lượng quản lý điện, đẩy nhanh tiến trình thực hiện tính giá điện theo biểu giá.

Với đề tài “Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng ADE7753” em đã thực

hiện được những công việc như sau:

Tìm hiểu về lý thuyết đo công suất và năng lượng bằng phương pháp điện

Tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cách tính toán các đại lượng năng lượng, công

suất, dòng điện, điện áp trong ADE7753.

Phân tích, thiết kế mạch công tơ điện tử 1 pha.

Phân tích, tính toán, lập trình, lưu trữ năng lượng tác dụng trong bộ nhớ flash của

MCU và hiển thị các giá trị dòng điện, điện áp, năng lượng tác dụng qua màn hình

LCD. Gửi dữ liệu năng lượng tác dụng về thiết bị cầm tay khi có yêu cầu.

Đồ án được trình bày gồm 5 chương:

Chương 1: Trình bày lý thuyết về công suất, năng lượng trong mạch điện xoay chiều.

Nêu ra một số phương pháp đo công suất của mạch điện xoay chiều một pha bằng phương

pháp điện. Lý thuyết đo năng lượng trong công tơ điện tử.

Chương 2: Trình bày tổng quan về ADE7753, nguyên lý hoạt động của ADE7753 trong

việc tính toán các đại lượng điện bao gồm năng lượng, công suất, điện áp và dòng điện hiệu

dụng. Đưa ra các bước tiến hành hiệu chỉnh, bù sai số cho ADE7753.

Chương 3: Trình bày yêu cầu bài toán, sơ đồ khối thiết bị, tính toán lựa chọn và thiết kế

mạch nguyên lý và mạch in trong công tơ điện tử.

Chương 4: Trình bày lưu đồ thuật toán chương trình.

Chương 5: Kết quả và thực nghiệm

Hà Nội, ngày 01 tháng 06 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Đưa

LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Trang 3 |53

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG

LƯỢNG

1.1 Công suất điện xoay chiều một pha[1]

Xét hệ thống nguồn điện 1 pha với nguồn áp dạng sin lý tưởng và một tải tuyến tính, khi

đó dạng dòng điện và điện áp được biểu diễn như sau:

u(t)= 2×U×sin(ωt) 1-1

i(t)= 2×I×sin(ωt+ ) 1-2

Công suất tức thời được định nghĩa bằng tích của điện áp và dòng điện tức thời:

p(t)=u(t)i(t)=2UIsin(ωt)sin(ωt+φ)

= UIcosφ - UIcos(2ω+φ) 1-3

1.1.1 Công suất tác dụng

Công suất tác dụng là phần công suất điện có thể biến đổi thành các dạng công suất

khác (cơ, nhiệt, hay hóa). Đơn vị của công suất tác dụng P là watt (W).

Công suất tác dụng của mạch xoay chiều một pha được xác định là giá trị trung bình của

công suất trong một chu kì T:

0 0

1 1T T

P pdt uidtT T

1-4

Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng.

Trong trường hợp dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng được

tính là:

cosP UI 1-5

Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện.

Phi ( ) là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.

Trong trường hợp chung nếu một quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kì thì

công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài. [1]

1 1

cosk k k k

k k

P P U I

1-6

1.1.2 Công suất phản kháng

Trong trường hợp mạch điện xoay chiều (dòng điện và điện áp có dạng hình sin) thì

công suất phản kháng được tính theo công thức:

sinQ UI 1-7


Trang 4 |53

Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện.

Phi ( ) là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.

Đơn vị đo công suất phản kháng là VAR (Volt Amperes Reactive).

1.1.3 Công suất toàn phần

Công suất biểu kiến được xác định là giá trị lớn nhất của công suất được phân phối tới

tải. Với U và I là giá trị hiệu dụng được phân phối tới tải thì ta có công suất biểu kiến được

tính bằng công thức:

S= IU 1-8

Đơn vị của công suất toàn phần là VA (Volt - Ampe).

Mối liên hệ giữa công suất biểu kiến, công suất tác dụng và công suất phản kháng được

thể hiện ở công thức 1-9 và Hình 1-1.

2 2S P Q 1-9

Hình 1-1: Tam giác công suất

1.1.4 Hệ số công suất

Tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần trong mạch gọi là hệ số công suất.

Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất là cosin của góc lệch pha giữa

dòng điện và hiệu điện thế của dòng xoay chiều. Do vậy trên thực tế người ta hay ghi hệ số

công suất như là "cos ".

1.2 Năng lượng điện xoay chiều một pha

Cũng như công suất ta có:

Năng lượng tác dụng: Ea=P x t

Năng lượng phản kháng: Er=Q x t

Năng lượng biểu kiến: Es=S x t=2 2

a rE E

1.3 Các phương pháp đo công suất [1]


Trang 5 |53

1.3.1 Phương pháp đo công suất bằng phần tử Hall

Chuyển đổi Hall là một mạng bốn cửa được chế tạo dưới dạng một tấm mỏng bằng bán

dẫn.

Hai cực dòng kí hiệu là T – T của chuyển đổi được mắc vào một nguồn điện một chiều

hay xoay chiều.

Hai cực điện áp kí hiệu là X – X. Khi đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi một từ

trường thì xuất hiện ở hai đầu X – X một thế điện động gọi là thế điện động Hall được tính

như sau:

X X Xe =k .B.I 1-10

Trong đó:

kx : Hệ số biến đổi của cảm biến Hall

B : Độ từ cảm của từ trường

Thế điện động Hall sẽ tỉ lệ với công suất nếu như một trong hai đại lượng trên (ví dụ B)

tỉ lệ thuận với điện áp u, còn dòng điện ix là dòng đi qua phụ tải.

Để thực hiện một watmet bằng chuyển đổi Hall ta đặt chuyển đổi vào khe hở của một

nam châm điện. Dòng điện đi qua cuộn hút L của nó chính là dòng điện đi qua phụ tải ZL.

Còn ở hai cực T – T có dòng điện chạy tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL. Điện trở phụ RP để

hạn chế dòng. Hướng của từ trường được chỉ bởi đường chấm chấm (Hình 1-2).

Hình 1-2: Wattmet bằng phần tử Hall

Thế điện động Hall lúc đó sẽ được tính:

e =X kui kP 1-11

ex: được đo bằng milivonmet (k – hệ số tỉ lệ).

Watmet với chuyển đổi Hall cho phép đo công suất xoay chiều với tần số lên đến hàng

trăm MHz.

Ưu điểm của loại watmet này là không có quán tính, có cấu tạo đơn giản, bền, tin cậy.

Nhược điểm: Sai số do nhiệt độ lớn.


Trang 6 |53

1.3.2 Phương pháp đo công suất bằng khuếch đại loga và đối loga

Sơ đồ bộ nhân bằng khuếch đại loga và đối loga được giải thích như sơ đồ Hình 1-3.

Hình 1-3: Mạch nhân loga – đối loga dùng khuếch đại thuật toán

Sơ đồ của Wattmet khuếch đại loga – đối loga cho ở Hình 1-4.

Hình 1-4: Sơ đồ Wattmet bằng khuếch đại loga và đối loga

Trong sơ đồ này, dòng điện I tạo nên điện áp U1= I.RS đưa vào một khuếch đại loga.

Điện áp rơi trên phụ tải được phân áp thành U2 để đưa vào bộ khuếch đại loga thứ 2.

Điện áp ra của hai khuếch đại loga được đưa vào bộ cộng sau đó vào bộ đối loga.

Ta có: Đầu ra của bộ cộng là: K1lnU1+K2lnU2

Đầu ra của bộ đối loga là: K1K2U1U2

Mặt khác, ta có:

1

S

UI=

R;

1 22

2

R +RU=U

R

21 2 1 2 1 2 S

1 2

RK K U U =K K (IR )(U )

R +R 2

1 2 S P

1 2

RK K R UI=K .UI

R +R

Điện áp của bộ đối loga tỷ lệ với tích UI tức tỷ lệ với công suất.

Cũng như ở bộ nhân bằng phần tử Hall, ta có thể chỉ thị công suất trung bình hoặc xây

dựng thành bộ ghi công suất tức thời.

1.3.3 Phương pháp đo công suất bằng phương pháp điều chế độ rộng xung

Phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu uu (tỉ lệ với điện áp trên

tải cần đo) và ui (tỉ lệ với dòng điện trên tải cần đo) trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung.

Các tín hiệu tương tự uu và ui được biến đổi thành tần số, chu kì, biên độ, độ rộng của tín hiệu

xung sau đó lấy tích phân. Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại điều chế sau đây:

Điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung: (ĐRX – BĐX).

Điều chế độ rộng xung với tần số xung: (ĐRX – TSX).


Trang 7 |53

Điều chế tần số xung và biên độ xung: (TSX – BĐX).

Hình 1-5a là sơ đồ cấu trúc của watmet dựa trên phương pháp (ĐRX – BĐX).

Hình 1-5b giải thích nguyên lý của watmet. Tín hiệu vào ui được điều chế thành độ rộng

t của xung (ĐRX) được phát ra từ máy phát tần số chuẩn 0

0

1f

T . Ở đầu ra của điều chế ĐRX

có các xung với độ rộng ti = k.ui, tín hiệu này sẽ được đặt vào bộ điều chế biên độ xung BĐX

và được điều chế biên độ bằng tín hiệu uu(t).

Khi T 0 thì diện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ tỉ lệ với công

suất tức thời:

( ) . .t i u iS t u t k u u 1-12

Như vậy điện áp ra của bộ tích phân sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung bình P (Hình

1-5b).

Hình 1-5: a) Đo công suất theo phương pháp điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung

b) Biểu đồ thời gian

1.3.4 Phương pháp công suất bằng phương pháp ADC – DAC

Hình 1-6: Bộ nhân bằng ADC – DAC

Điện áp U1 được đưa vào một bộ ADC biến thành số N1=K1.U1.

Số N1 được đưa vào một bộ DAC biến đổi số thành điện áp Ura= K2N1U2.

Như vậy Ura= K1K2U1U2.


Trang 8 |53

Với mạch nhân này ta có thể xây dựng Wattmet, độ chính xác phụ thuộc vào tính chính

xác của ADC và DAC.

1.3.5 Phương pháp đo công suất bằng bộ nhân phần tử bình phương

Từ phần tử bình phương, ta có thể tạo thành bộ nhân theo công thức sau: (Hình 1-7)

(a+b)2.(a-b)

2= 4ab

Hình 1-7: Bộ nhân bằng phần tử bình phương

Phần tử bình phương có thể sử dụng các phần tử sau:

Bộ biến đổi nhiệt ngẫu, trong đó ET=KI.I2.

Đường đặc tính của diode I=KU.U2.Tuy nhiên đường đặc tính này không hoàn toàn

chính xác.

Hình 1-8 vẽ sơ đồ của Wattmet dùng bộ biến đổi nhiệt ngẫu.

Hình 1-8: Wattmet dùng phần tử biến đổi nhiệt ngẫu

Trong biến đổi nhiệt ngẫu TT1, dòng điện ia tỷ lệ với I cùng chiều với iu tỷ lệ với U.

Ta có:

E1= KT(ia+iu)2

E2= KT(ia-iu)2.

Hai cặp nhiệt được nối xung đối nên:

Ura= E1-E2= KT[(ia+iu)2

-(ia-iu)2]

Ura= 4KTiaiu

Do quán tính nhiệt của chuyển đổi lớn nên:


Trang 9 |53

Ura = 4KTKuKiUI=KpUIcosφ

Ura tỷ lệ với công suất tác dụng P.

1.4 Phương pháp đo điện năng trong công tơ điện tử [3]

Cuối thập kỳ 80, với sự phát triển mạnh mẽ các vi xử lý, người ta thực hiện phép nhân

tức thời của u và i bằng phương pháp số. Phương pháp này được giải thích trong sơ đồ Hình

1-9.

Hình 1-9: Sơ đồ cấu trúc của Wattmet và công tơ kỹ thuật số.

Hai điện áp U1 và U2 được 2 bộ ADC biến thành số N1= K1U1 và N2= K2U2.

Bộ nhân (N1xN2) được thực hiện trong không gian số bằng một vi xử lý.

Nếu 2 bộ ADC có tốc độ đủ lớn thì N1t, N2t tỷ lệ với giá trị tức thời của U1 và U2. Tích

số: Nt=N1t.N2t tỷ lệ với giá trị tức thời của p.

Bộ tổng cho phép thay cho tích phân pdt .

Từ những cơ sở lý thuyết trên Hình 1-10 đưa ra cấu trúc chung cho một thiết bị đo điện

năng. Thiết bị gồm một chuyển đổi dòng điện và một chuyển đổi điện áp kết hợp với chuyển

đổi ADC số hóa tín hiệu dòng điện và điện áp trước khi vào bộ xử lý trung tâm xử lý kết quả

đo. Số liệu sau khi xử lý được lưu giữ trong EFPROM, hiển thị kết quả hoặc truyền ra ngoài

để giao tiếp với một thiết bị khác.

Hình 1-10: Cấu trúc một thiết bị đo công suất, năng lượng[3]


Trang 10 |53

Hình 1-11 là giải pháp sử dụng DSP có tích hợp ADC. DSP xử lý số tín hiệu từ ADC,

tính toán ra các đại lượng cần thiết cho phép giao tiếp trực tiếp với vi xử lý (MCU) khác và

các ngoại vi.

Hình 1-11: DSP tích hợp ADC[3]

Hình 1-12 là giải pháp dùng ADC có tích hợp DSP, cho phép xử lý các tín hiệu đo, tính

toán các đại lượng cần thiết. Không giao tiếp được trực 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. Đây cũng chính là cấu trúc hoạt động của các IC đo công

suất của hãng Analog Device.

Hình 1-12: ADC tích hợp DSP[3]

TỔNG QUAN VỀ ADE7753

Trang 11 |53

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ADE7753

2.1 Tính năng cơ bản của ADE7753[10]

ADE7753 là 1 IC do hãng analog device sản xuất. ADE7753 có những tính năng cơ bản

như sau:

Độ chính xác cao, tuân theo chuẩn ICE 61036/60687/61268, IEC62053-21, IEC

62053-22, và 62053-23.

Tích hợp bộ tích phân số cho phép kết nối trực tiếp tới cảm biến dòng điện đầu ra

tỉ lệ với di/dt.

Một bộ PGA trong kênh dòng điện cho phép giao diện trực tiếp tới shunt và bộ

biến dòng điện.

Tính năng lượng hoạt động và năng lượng biểu kiến, dạng sóng và giá trị hiệu

dụng của dòng điện và điện áp với sai số nhỏ hơn 0.1%.

Chế độ tích lũy năng lượng dương.

Cho phép người dùng đặt chương trình ngưỡng cho sự sụt áp, quá điện áp.

Hiệu chuẩn số cho nguồn, pha và bù đầu vào.

Cảm biến đo nhiệt độ trên chip (±3°C).

Truyền thông nối tiếp SPI.

Lập trình tần số xung ngõ ra.

Yêu cầu ngắt ở chân IRQ và thanh ghi trạng thái.

Điện áp chuẩn 2.4V, cho đưa từ ngoài.

Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25 mW).

2.2 Mô tả hoạt động ADE7753

Hình 2-1: Sơ đồ chân của ADE7753


Trang 12 |53

Các chân ADE7753 và chức năng của các chân được thể hiện ở Phụ lục B

Nguyên lý hoạt động của ADE7753 được thể hiện rõ qua Hình 2-2.

Hình 2-2: Sơ đồ khối chức năng trong IC ADE7753

ADE7753 là IC đo công suất một pha có 2 đầu vào tín hiệu kênh 1 và kênh 2. Trong đó,

kênh 1 lấy tín hiệu đầu vào dòng điện và kênh 2 lấy tín hiệu điện áp. Các tín hiệu dòng điện,

điện áp trước khi được đưa vào ADE đều được biến đổi sao cho điện áp đưa vào không được

vượt quá ±500mV (điện áp các chân đầu vào so với AGND).

Mỗi kênh đầu vào đều chứa 1 bộ khuếch đại lập trình được PGA với các hệ số khuếch

đại có thể được lựa chọn là 1, 2, 4, 8, 16. Riêng ở đầu vào kênh 1 ta có thể thay đổi điện áp

mẫu đặt vào ADC với 3 giá trị là 2.42V, 1.24V và 0.6V. Việc thay đổi hệ số khuếch đại cũng

như giá trị điện áp mẫu đặt vào ADC được lựa chọn qua thanh ghi GAIN 8 bit. Hình 2-3 đưa

ra cách thiết lập các giá trị đầu vào cho thanh ghi GAIN.

Hình 2-3:Thanh ghi GAIN

Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự đầu vào thành tín hiệu số được thực hiện qua 2 bộ

ΣΔADC 16 bit, tần số lấy mẫu là 894kps/s. Tín hiệu số sau ADC được đưa qua bộ lọc thông

cao để loại trừ offset ở đầu ADC. Hoạt động của bộ ΣΔADC trong ADE7753 được thể hiện

qua Hình 2-4.


Trang 13 |53

Hình 2-4: Hoạt động của bộ ΣΔADC

Tín hiệu số sau khi qua bộ ΣΔADC sẽ được xử lý để đưa ra các giá trị, các đại lượng

cần đo như năng lượng, công suất, chu kỳ, dòng điện hiệu dụng, điện áp hiệu dụng.

2.2.1 Tính công suất và năng lượng tác dụng

Công suất được định nghĩa là tỉ lệ dòng chảy của năng lượng từ nguồn đến tải.

Công thức tính công suất tức thời được thể hiện

p(t)=u(t)×i(t)=UIcos(φ) - UIcos(2ωt + φ) 2-1

Giá trị trung bình của công suất:

nT

0

1P= p(t)dt=UIcos(φ)

nT 2-2

Trong đó: T là chu kỳ tín hiệu

P là công suất tác dụng.

Từ công thức 2-1và 2-2 nhận thấy giá trị công suất tác dụng là thành phần một chiều

của công suất tức thời. Trên cơ sở đó ADE7753 thực hiện tính công suất tác dụng bằng cách

đưa tín hiệu đầu ra của bộ ΣΔADC qua bộ nhân để tính giá trị tức thời của công suất. Sau đó

tín hiệu được đưa qua bộ lọc thông thấp (LPF2) để tách lấy thành phần một chiều P. Sơ đồ

thực hiện quá trình tính P được thể hiện ở Hình 2-5.

Hình 2-5: Sơ đồ tính công suất tác dụng P.


Trang 14 |53

Việc đọc giá trị công suất tác dụng sẽ được thực hiện bằng cách đọc giá trị thanh ghi

WAVEFORM khi đặt thanh ghi MODE[14:13]=0, 0 và cho phép ngắt SWMP.

Do công suất được định nghĩa là tỉ lệ dòng chảy của năng lượng nên ta có mối quan hệ

giữa công suất và năng lượng được thể hiện qua công thức:

01

E= ( ) lim ( ) Tt

n

p t dt p nT

2-3

Trong đó: n là số mẫu

T là chu kỳ lấy mẫu

Hình 2-6 thể hiện nguyên lý đo công suất và năng lượng tác dụng của ADE7753.

Hình 2-6: Sơ đồ đo năng lượng tác dụng

Tín hiệu số sau khi qua bộ ΣΔADC được qua bộ nhân tín hiệu để đưa ra giá trị công

suất tức thời. Giá trị này sau đó được đưa qua bộ lọc thông thấp để loại trừ những dao động

tần số cao. ADE7753 thực hiện phép tích phân công suất tức thời bằng cách tích lũy liên tục

các tín hiệu công suất tác dụng sau khi qua bộ lọc thông thấp. Giá trị năng lượng tác dụng sau

đó được ghi vào thanh ghi AENERGY [23:0].

Để hiệu chỉnh sai số của phép đo, ADE7753 cung cấp 2 thanh ghi APOS (thanh ghi có

dấu 16bit) và thanh ghi WGAIN (thanh ghi có dấu 12 bit) giúp triệt tiêu giá trị offset cũng

như hiệu chỉnh giá trị công suất và năng lượng.

Ngoài ra ADE7753 cung cấp chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ tín hiệu để loại bỏ

thành phần dao động nhỏ trong năng lượng tác dụng. Để tính năng lượng trong chế độ này,

đặt bit 7 (CYCMODE=1) trong thanh ghi MODE. ADE tích lũy năng lượng và chứa trong

thanh ghi LAENERGY trong n chu kỳ tín hiệu. Số nguyên lần nửa chu kỳ được đặt trong

thanh ghi 16 bit LINECYC. Khi kết thúc quá trình tích lũy thì cờ báo ngắt CYCEND của

thanh ghi trạng thái sẽ bằng 1.


Trang 15 |53

Hình 2-7: Chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ

2.2.2 Tính công suất và năng lượng biểu kiến

Công suất biểu kiến (Apparent Power) là công suất cực đại mà có thể được phân phối

tới tải. Công suất biểu kiến được xác định bằng tích giữa VRMS và IRMS. Việc tính toán giá trị

công suất biểu kiến trong ADE được thể hiện qua Hình 2-8.

Hình 2-8: Sơ đồ đo công suất biểu kiến

Năng lượng biểu kiến (Apparent Energy) được lấy từ tích phân của công suất biểu kiến.

00

( ) lim (nT) TT

T

ApparentEnergy ApparentPower t dt ApparentPower

2-4

ADE7753 thực hiện việc tích phân công suất biểu kiến bằng việc tích lũy liên tục tín

hiệu công suất biểu kiến. Giá trị năng lượng biểu kiến được lưu trữ trong thanh ghi 24 bit

không dấu VAENERGY. Hình 2-9 thể hiện cách tính năng lượng biểu kiến trong ADE7753.

Việc hiệu chỉnh, bù sai số trong ADE7753 được thực hiện qua việc hiệu chỉnh sai số

trong phép đo VRMS và IRMS. Ngoài ra, ADE7753 còn hỗ trợ việc hiệu chỉnh giá trị đầu ra của

năng lượng tác dụng qua thanh ghi VAGAIN [11:0].


Trang 16 |53

Hình 2-9: Sơ đồ đo năng lượng biểu kiến

2.2.3 Tính dòng điện hiệu dụng

Giá trị hiệu dụng của tín hiệu V(t) được xác định bởi công thức:

2

0

1( )

T

RMSVRMS V V t dtT

2-5

Giá trị hiệu dụng của tín hiệu sau khi trích mẫu được xác định bởi công thức

2

1

1( )

N

RMS

i

VRMS V V iN

2-6

ADE7753 tính toán đồng thời giá trị hiệu dụng cho kênh 1 và kênh 2 ở các thanh ghi

khác nhau. Hình 2-10 thể hiện chi tiết việc xử lý tín hiệu trong tính toán giá trị hiệu dụng ở

kênh 1.

Hình 2-10: Sơ đồ tính toán dòng điện hiệu dụng

Giá trị dòng điện hiệu dụng được lưu trữ trong thanh ghi không dấu 24 bít IRMS

Ở chế độ đầu vào lớn nhất (0.5V) thì giá trị thanh ghi IRMS đạt được là 1868467d

(0x1C82B3).


Trang 17 |53

ADE7753 cung cấp phép đo dòng hiệu dụng với độ chính xác đạt 0.5% với dải đo đầu

vào kênh 1 tương ứng là full-scale/100 đến full-scale (toàn thang).

Ngoài ra, giá trị dòng điện hiệu dụng có thể được chỉnh offset qua thanh ghi 12 bít

IRMSOS. Giá trị dòng điện hiệu dụng sau khi chỉnh offset được thể hiện qua công thức 2-7

2

0 IR 32768IRMS IRMS MSOS 2-7

2.2.4 Tính điện áp hiệu dụng

Hình 2-11: Sơ đồ tính toán điện áp hiệu dụng

Giá trị điện áp hiệu dụng được lưu trữ trong thanh ghi không dấu 24 bít VRMS

Ở chế độ đầu vào lớn nhất (0.5V) thì giá trị thanh ghi VRMS đạt được là 1561400d

(0x17D338).

ADE7753 cung cấp phép đo điện áp hiệu dụng với độ chính xác đạt 0.5% với dải đo đầu

vào kênh 1 tương ứng là full-scale/20 đến full-scale.

Giá trị điện áp hiệu dụng có thể được chỉnh offset qua thanh ghi 12 bít VRMSOS. Giá

trị điện áp hiệu dụng sau khi hiệu chỉnh được thể hiện qua công thức 2-8

0VRMS VRMS VRMSOS 2-8

Ngoài ra giá trị điện áp hiệu dụng có thể được chỉnh định qua thanh ghi CH2OS.


Trang 18 |53

2.2.5 Tính chu kỳ lưới điện

ADE7753 cho phép đọc tần số lưới điện về qua thanh ghi PERIOD[15:0]. Giá trị MSB

của thanh ghi PERIOD luôn bằng 0. Chu kỳ được tính dựa trên việc phát hiện điểm “0” của

dữ liệu vào kênh 2. Quá trình phát hiện điểm “0” trong ADE7753 được thể hiện qua Hình

2-12.

Hình 2-12: Sơ đồ phát hiện điểm “0”

Công thức 2-9 đưa ra cách tính chu kỳ của lưới điện qua việc đọc thanh ghi chu kỳ:

8

PERIODT

CLKIN

2-9

Trong đó: T Chu kỳ lưới điện

PERIOD Giá trị thanh ghi PERIOD (0x27)

CLKIN Giá trị xung đầu vào cho ADE7753

2.3 Truyền thông nối tiếp trong ADE7753

ADE7753 giao tiếp với ngoại vi thông qua cổng truyền thông SPI với bốn dây tín hiệu

DIN, DOUT, SCLK, CS . Việc giao tiếp giữa ADE7753 và ngoại vi được điều khiển bằng

thanh ghi truyền thông 8 bits. Bit MSB (Most Significant Byte) trong thanh ghi truyền thông

sẽ quyết định hoạt động truyền dữ liệu tiếp theo sẽ là đọc hay ghi. 6 bit LSB (Least

Significant Byte) từ A0 đến A5 chứa địa chỉ của thanh ghi sẽ truy cập đến.

Giao diện nối tiếp của ADE 7753 được tạo bởi 4 tín hiệu: SCLK, DIN, DOUT, và CS .

Nhịp xung nối tiếp cho việc truyền dữ liệu được áp dụng qua chân logic vào SCLK. Chân

logic này là chân 3 trạng thái, cho phép sử dụng sườn lên hoặc sườn xuống làm xung clock.

Tất cả các hoạt động truyền dữ liệu đều được đồng bộ với xung clock nối tiếp. Dữ liệu truyền

vào ADE7753 thông qua chân DIN khi có sườn xuống của xung clock. Dữ liệu truyền ra

ngoài ADE7753 thông qua chân DOUT. Chân CS là chân chọn chip. Chân này được sử dụng


Trang 19 |53

khi có nhiều thiết bị cùng sử dụng giao diện nối tiếp. Xung sườn xuống ở chân này đồng thời

Reset và đặt ADE 7753 vào chế độ truyền thông. Mức logic của chân này phải để ở mức thấp

trong suốt quá trình truyền dữ liệu. Đặt vào chân này mức logic cao trong suốt quá trình

truyền dữ liệu đồng nghĩa với việc bỏ qua hoạt động truyền và đặt bus nối tiếp vào trạng thái

cao trở. Chân CS có thể đặt thấp khi chỉ có ADE7753 sử dụng bus nối tiếp. Nhưng khi để

chân CS luôn ở mức thấp thì tất cả hoạt động truyền dữ liệu đã được bắt đầu đều phải được

kết thúc.

2.3.1 Quá trình ghi dữ liệu

Việc nhập dữ liệu nối tiếp liên tục được thực hiện như sau: Với ADE 7753 đang ở chế

độ truyền thông, trước tiên phải nhập dữ liệu vào cho thanh ghi truyền thông. Bit MSB đặt giá

trị là 1, biểu thị hoạt động truyền dữ liệu là viết vào thanh ghi của ADE. Các bit LSB sẽ định

ra địa chỉ của thanh ghi được ghi tới. ADE 7753 sẽ bắt đầu truyền dữ liệu khi có xung sườn

xuống của xung nhịp SCLK. Trong một quá trình nhập dữ liệu vào cho ADE 7753, dữ liệu

được truyền từng Byte một. Sau khi 1 Byte đã được đưa vào cổng nối tiếp, sẽ có một thời gian

hạn chế trước khi nó được chuyển đến một thanh ghi trên chip của ADE 7753. Mặc dù một

Byte có thể chuyển đến cổng nối tiếp trong khi byte trước đó đang được đến một thanh ghi

trên chip, hoạt động truyền byte này không nên kết thúc sớm hơn 4 µs sau khi byte trước đó

được truyền đi.

Hình 2-13: Quá trình ghi của ADE7753

2.3.2 Quá trình đọc dữ liệu

Dữ liệu được đưa ra ngoài ADE 7753 thông qua chân DOUT trên sườn lên của SCLK.

Như trường hợp với quá trình ghi dữ liệu, dữ liệu đọc phải thực hiện trước dữ liệu ghi trong

thanh ghi truyền thông. Với ADE7753 trong chế độ truyền thông ( CS ở mức thấp) ghi 8 bit

vào thanh ghi truyền thông diễn ra đầu tiên. Bit MSB của byte truyền ở mức 0. chỉ ra rằng quá

trình truyền tiếp theo là đọc, bit LSB của byte này chứa địa chỉ của thanh ghi mà để đọc

ADE7753 bắt đầu di chuyển ra ngoài của thanh ghi dữ liệu trên sườn lên tiếp theo của SCLK.

ở thời điểm đó đầu ra logic DOUT không còn ở tình trạng trở kháng cao và bắt đầu chuyển

lên bus dữ liệu. Tất các các bit còn lại của thanh ghi dữ liệu chuyển ra ngoài trên sườn lên tiếp

theo SCLK. Giao diện nối tiếp chỉ nhập lại chế độ truyền thông ngay khi quá trình đọc hoàn

thành. Ở thời điểm đó đầu ra DOUT nhập giá trị trở kháng cao trên sườn xuống của SCLK

cuối cùng. Quá trình đọc có thể bị hủy bỏ bằng cách đặt đầu vào CS ở mức cao trước khi

truyền dữ liệu hoàn thành, đầu ra DOUT nhận giá trị trở kháng cao trên sườn lên của CS .


Trang 20 |53

Khi thanh ghi ADE7753 được địa chỉ hóa quá trình đọc, toàn bộ nội dung của thanh ghi

được truyền tới cổng nối tiếp cho phép ADE7753 sửa đổi thanh ghi trên chip mà không cần

phải làm sai lệch dữ liệu.

Khi quá trình đọc diễn ra sau quá trình ghi lệnh đọc (ghi vào thanh ghi truyền thông)

không nên xảy ra dưới 4µs. Sau khi kết thúc quá trình ghi nếu lệnh đọc được gửi đi trong

vòng 4µs của quá trình ghi byte cuối của thanh ghi có thể bị mất

Hình 2-14: Quá trình đọc của ADE7753

2.4 Hiệu chỉnh và bù sai số

ADE7753 cung cấp thành phần khuếch đại và bù giá trị offset cho việc hiệu chỉnh công

suất tác dụng và công suất toàn phần. Hiệu chỉnh sai pha trong thành phần công suất tác dụng,

công suất toàn phần, công suất phản kháng. Trong trường hợp sử dụng điện trở shunt, bù

offset và hiệu chỉnh pha sẽ không cần thiết. Việc hiệu chỉnh có thể thông qua (i) một công tơ

chuẩn hoặc (ii) một nguồn chuẩn.

Khi sử dụng 1 công tơ chuẩn, việc hiệu chỉnh tần số đầu ra chân CF được điều chỉnh để

phù hợp với công tơ chuẩn. Xung đầu ra CF tương ứng với giá trị năng lượng được tích lũy

trong ADE7753.

ADE7753 cung cấp chế độ cộng dồn chu kỳ cho việc hiệu chỉnh sử dụng 1 nguồn

chuẩn. Trong phương pháp này, tỉ lệ cộng dồn năng lượng tác dụng được hiệu chỉnh để tạo ra

xung tần số xung CF. Điểm mạnh của việc sử dụng chế độ cộng dồn chu kỳ là giảm gợn sóng

nhiễu trong thành phần năng lượng tác dụng. Số nguyên lần nửa chu kỳ có thể được cộng dồn

là 65535, vì vậy cung cấp một giá trị năng lượng ổn định để tính trung bình. Thời gian cộng

dồn được tính từ chu kỳ điện áp được đo bởi thanh ghi PERIOD trong ADE7753 và số

nguyên lần nửa chu kỳ trong việc cộng dồn được cài đặt bởi thanh ghi LINECYC.

Giá trị offset trong năng lượng biểu kiến được hiệu chỉnh qua giá trị offset của điện áp

và dòng điện hiệu dụng. Ngoài ra năng lượng biểu kiến cũng được hiệu chỉnh qua hệ số

khuếch đại. Hình 2-15 thể hiện cách thực hiện tối ưu cho việc hiệu chỉnh năng lượng tác

dụng, giá trị hiệu dụng và năng lượng toàn phần.

Hình 2-15: Các bước hiệu chỉnh năng lượng tác dụng và năng lượng toàn phần

Hiệu chỉnh hệ số WATT/VA

GAIN

Hiệu chỉnh giá trị RMS

Hiệu chỉnh WATT

OFFSET

Hiệu chỉnh pha


Trang 21 |53

Hiệu chỉnh hệ số khuếch đại của năng lượng tác dụng và năng lượng biểu kiến có thể

thực hiện đồng thời với việc đọc thanh ghi cộng dồn năng lượng toàn phần cùng lúc với việc

đọc thanh ghi cộng dồn năng lượng tác dụng.

Hình 2-16 thể hiện việc hiệu chỉnh một phần năng lượng tác dụng.

Hình 2-16: Hiệu chỉnh năng lượng tác dụng

ADE7753 không cung cấp cách thức để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại và bù giá trị offset

cho năng lượng phản kháng. Một phần năng lượng phản kháng có thể được hiệu chỉnh ngoài

qua MCU.

2.4.1 Hiệu chỉnh hệ số khuếch đại cho năng lượng tác dụng

Bước đầu tiên để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại là xác định điện áp cấp, dòng điện kiểm

tra và dòng điện lớn nhất cho công tơ. Một hằng số công tơ cần để xác định xung đầu ra CF.

Có thể tùy chọn hằng số công tơ để hiệu chỉnh cũng như xác định xung đầu ra của CF. Ví dụ

ta chọn hằng số công tơ là 3200imp/KWh hay 3.2imp/Wh.

Tần số chân CF mong muốn:

exp

MeterConstant(imp/Wh) load(W)( ) cos

3600( / )ectedCF Hz

s h

2-10

Trong đó: là góc lệch pha giữa I và V.

Cos là hệ số công suất (PF).

MetterConstant: Hằng số công tơ

Tỉ lệ giữa số LSB năng lượng tác dụng trên 1 xung CF đầu ra được điều chỉnh bằng

cách cài đặt các hệ số CFNUM, CFDEN và WDIV trong thanh ghi tương ứng.

exp

LAENERGY 1( )

( ) 1ected

ac

CFNUMCF Hz WDIV

t s CFDEN

2-11

Trong đó tac là thời gian tích lũy (AccumulationTime). tac được xác định từ giá trị của

chu kỳ dòng điện và số nửa chu kỳ dòng điện được cài đặt trong thanh ghi LINECYC. tac

( )

( )2

aI

cBLINECYC T

sts

2-12

Trong đó T là chu kỳ tín hiệu (lineperiod) được xác định theo công thức:

8

( )T s PERIODCLKIN

2-13

Khi đó ta có biểu thức liên quan giữa Wh được tích lũy và giá trị đọc về từ thanh ghi

AENERGY:

Hiệu chỉnh hệ số WATT GAIN

Hiệu chỉnh giá trị WATT OFFSET

Hiệu chỉnh pha


Trang 22 |53

( ) ( )

3600 /

acLoad W sWhLSB LAENERGY s h

t

2-14

Tỉ số Wh/LSB cho thanh ghi năng lượng AENERGY cũng có thể được tính theo công

thức sau:

CFNUM+1×WDIV

CFDEN+1Wh =LSB MeterConstant(imp/Wh)

2-15

Trong thiết kế công tơ, WDIV, CFNUM, CFDEN nên được giữ là hằng số cho tất cả

công tơ để đảm bảo rằng giá trị Wh/LSB được duy trì.

Thanh ghi WGAIN được sử dụng để hiệu chỉnh cho công tơ. Hiệu chỉnh thanh ghi

WGAIN thay đổi cả CF và AENERGY cho 1 điều kiện tải xác định.

expected nominal 12

WGAINAENERGY = AENERGY × (1+ )

2 2-16

expected nominal 12

CFNUM+1 WGAINCF =CF × ×(1+ )

CFDEN+1 2 2-17

Khi hiệu chỉnh với một công tơ chuẩn, WGAIN được điều chỉnh đến khi xung đầu ra

CF tương ứng với xung đầu ra của công tơ chuẩn. Nếu sử dụng nguồn chuẩn để hiệu chỉnh thì

WGAIN được xác định đến khi giá trị năng lượng tác dụng tương ứng với xung CF đầu ra.

2.4.1.1 Hiệu chỉnh WGAIN sử dụng 1 công tơ chuẩn

Giá trị CFDEN và CFNUM cho thiết kế được ghi vào thanh ghi tương ứng trước khi bắt

đầu các bước hiệu chỉnh.

Bước 1: Tính toán hệ số CFDEN thiết kế. Sau đó ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng.

Bước 2: Đặt giá trị Itest=Ib, Vtest = Vnomal, PF=1

Bước 3: Tính phần trăm lỗi xung CF đầu ra và xung CF đồng hồ chuẩn theo công thức:

Ib ref Ib

CF(Ib)

ref Ib

CF -CF%ERROR =

CF 2-18

Trong đó: CFIb là giá trị tần số xung đầu ra của đồng hồ đo.

CFref(Ib) là tần số xung đầu ra của công tơ chuẩn tại cùng đầu vào kiểm

tra.

Bước 4: Tính giá trị WGAIN theo công thức:

( )%

( )0.0244%

CF IBEERORWGAIN INT

2-19

2.4.1.2 Hiệu chỉnh WGAIN sử dụng nguồn chuẩn

Hiệu chuẩn WGAIN với nguồn chuẩn được thực hiện qua các bước:


Trang 23 |53

Bước 1: Tính toán giá trị CFDEN, CFNUM sau đó ghi vào các giá trị tương ứng.

Bước 2: Đặt giá trị ITEST=IB, VTEST=VNOM, PF=1

Bước 3: Ghi giá trị số nguyên lần chu kỳ vào thanh ghi LINCYCE

Bước 4: Chọn chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ và bật cờ báo ngắt CYCEND.

Bước 5: Xóa toàn bộ ngắt bằng cách đọc thanh ghi RSTSTATUS và chờ ngắt xảy ra.

Bước 6: Bỏ qua kết quả đọc về lần 1 thanh ghi LAENERGY. Reset lại giá trị thanh ghi

trạng thái ngắt, chờ ngắt và đọc kết quả LAENERGY về.

Bước 7: Giá trị thanh ghi đọc về được so sánh với giá trị LAENRGYExpected để đưa ra

hệ số WGAIN.

Công thức tính WGAIN được thể hiện qua:

Ib(expected) 12

Ib(nominal)

LAENERGYWGAIN=INT -1 ×2

LANENERGY

2-20

Trong đó LAENERGYIb(nominal) là giá trị thanh ghi đọc về. LAENERGYIb(Expected) được

xác định bằng công thức:

Ib(expected)

Ib(ex

a

pected

c

)

CF × (s)LAENERGY =INT

CFNUM+1×WDIV

CFDEN+1

t

2-21

Trong đó CFIb(expected) được xác định bằng công thức 2-10, tac được tính toán dựa trên

công thức 2-12.

2.4.2 Watt offset

Để hiệu chỉnh giá trị offset cho phép đo công suất cần sử dụng hai tải thuần trở (hệ số

công suất PF=1) một tải có dòng điện bằng dòng định mức I1 và một tải có dòng điện bằng

dòng điện nhỏ nhất, cần hiệu chỉnh I2. Phương pháp tính giá trị sai lệch offset sẽ được tính

thông qua đo sai lệch năng lượng qua một số chu kỳ. Việc hiệu chỉnh offset được tiến hành

sau khi tiến hành hiệu chỉnh hệ số watt again.

Hiệu chỉnh offset được thể hiện bời việc xác định tỉ lệ phần trăm lỗi của năng lượng tác

dụng. Một khi đã xác định được tỉ lệ phần trăm lỗi của năng lượng tác dụng thì giá trị của

thanh ghi APOS sẽ được tính bằng công thức:

35AENERGY Error Rate×2APOS=-

CLKIN 2-22

2.4.2.1 Hiệu chỉnh watt offset sử dụng công tơ chuẩn

Để hiệu chỉnh watt offset sử dụng công tơ chuẩn ta thực hiện qua các bước sau:


Trang 24 |53

Bước 1: Thiết lập thông số đầu vào ITEST=IMIN, VTEST=VNOM, PF=1 cho công tơ cần hiệu

chỉnh và công tơ chuẩn.

Bước 2: Tính phần trăm lỗi giữa 2 CF đầu ra (%ERRORCF(IMIN)) dựa theo công thức 2-

16

Bước 3: Tính AENERGY Error Rate (phần trăm lỗi của năng lượng tác dụng) theo công

thức:

CFDEN+1AENERGYE Error Rate(LSB/s)=CFAbsoluteError×

CFNUM+1 2-23

Trong đó CF Absolute Error (phần trăm lỗi của xung đầu ra CF) được tính bởi công

thức:

CF(IMIN) IMIN

MetterConstant(imp/wh)CFAbsoluteError=(%ERROR )×W ×

3600 2-24

Bước 4: Tính giá trị APOS theo công thức 2-22.

2.4.2.2 Hiệu chỉnh watt offset sử dụng nguồn chuẩn

Các bước hiệu chỉnh watt offset được thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Đặt tải thuần trở có ITEST=IMIN, VTEST=VNOM, PF=1

Bước 2: Đọc giá trị LAENERGYIMIN từ thanh ghi LAENERGY (Để đọc được giá trị

thực hiện theo các bước từ bước 3 đến bước 6 trong mục 2.4.1.2.

Bước 3: Tính giá trị AENERGY Error Rate theo công thức:

LAENERGY -LAENERGYCLKINIMIN(nominal) IMIN(expected)

AENERGYErrorRate(LSB/s)= ×LINECYC/2 8×PERIOD

2-25

Trong đó LAENERGYIMIN(expected) được xác định bằng công thức:

MIN MINIMIN(expected) IB(expected)

b IB

I LINECYCILAENERGY =INT( ×LAENERGY × )

I LINECYC 2-26

Trong đó Ib, LINECYCIB, LAENERGYIB(expected) được tính ở mục 2.4.1.2.

LINECYCIMIN là số nguyên lần nửa chu kỳ được thiết lập cho việc tích lũy năng lượng

với tải đầu vào có dòng ITEST=IMIN.

2.4.3 Hiệu chỉnh pha

Thanh ghi PHCAL được cung cấp để xóa những sai pha nhỏ. Bù sai pha trong

ADE7753 được thực hiện bởi việc chèn thêm 1 khoảng thời gian trễ nhỏ hoặc nâng cao chất

lượng đầu vào kênh áp.

Để chỉnh độ lệch pha, ta cần 2 tải có tổng trở bằng nhau, nhưng 1 tải có hệ số công suất

PF = 1 (thuần trở) và 1 tải có hệ số công suất PF = 0.5 (tải có tính cảm).

Khi đó sai lệch pha được xác định bằng công thức:


Trang 25 |53

IB,PF=.5 IB(expected)

IB(expected)

LAENERGY -LAENERGY /2Error=

LAENERGY /2 2-27

Trong trường hợp đã tiến hành hiệu chỉnh giá trị offset và giá trị watt again thì chúng ta

có thể tính sai pha theo công thức:

CF(IB,PF=.5)Error=%ERROR /100 2-28

Góc pha sai lệch được tính bằng công thức:

o ErrorPhaseError( )=-Arcsin( )

3 2-29

Biểu thức liên hệ giữa giá trị thanh ghi PHCAL và phase Error được xác định bởi công

thức:

o

0

PERIODPHCAL=INT(PhaseError( )× )+0×0D

360 2-30

2.4.3.1 Hiệu chỉnh pha sử dụng công tơ chuẩn

Để hiệu chỉnh pha sử dụng công tơ chuẩn ta tiến hành theo các bước sau:

Bước 1: Thiết lập thông số đầu vào ITEST=IMIN, VTEST=VNOM, PF=0.5 cho công tơ cần

hiệu chỉnh và công tơ chuẩn.

Bước 2: Tính phần trăm lỗi giữa 2 CF đầu ra (%ERRORCF(IB,PF=.5)) dựa theo công thức

2-16

Bước 3: Tính PHCAL theo công thức 2-30.

2.4.3.2 Hiệu chỉnh pha sử dụng nguồn chuẩn

Để hiệu chỉnh pha sử dụng nguồn chuẩn ta thực hiện theo các bước sau:

Bước 1: Đặt tải thuần trở có ITEST=IIB, VTEST=VNOM, PF=0.5

Bước 2: Đọc giá trị LAENERGYIB,PF=.5 từ thanh ghi LAENERGY (Để đọc được giá trị

thực hiện theo các bước từ bước 3 đến bước 6 trong mục 2.4.1.2.

Bước 3: Tính giá trị Error dựa theo công thức: 2-28 với LAENERGYIB(expected) được xác

định tính ở mục 2.4.1.2.

Bước 4: Tính PHCAL theo công thức 2-29.

2.4.4 Hiệu chỉnh VRMS và IRMS

Vrms và Irms được tính bằng tích phân tín hiệu đầu vào:

2 2 2v (t)= 2Vsin(wt)× 2V=V -V cos(2wt) 2-31

Bình phương của giá trị RMS được khai căn từ v2(t) qua một bộ lọc thông thấp. kết quả

đầu ra của bộ lọc thông thấp là giá trị RMS. Giá trị offset được cung cấp để khử nhiễu và

offset được sử dụng từ đầu vào.


Trang 26 |53

Một thành phần nhiễu từ thành phần 2w do bộ lọc thông thấp không làm suy giảm hoàn

toàn các thành phần nhiễu. Tuy nhiên các nhiễu này có thể được giảm khi việc đọc giá trị

thanh ghi RMS đồng bộ với việc bắt điểm 0 của tín hiệu điện áp. Ngắt IRQ được cấu hình để

xác định điểm 0 của tín hiệu.

2.4.4.1 Hiệu chỉnh VRMS

VRMS=VRMS0+VRMSOS 2-32

Trong đó:

VRMS0: Giá trị RMS đo được khi không offset

VRMS: tuyến tính từ full-scale đến giá trị full-scale/20

Các bước tiến hành calib:

Đo Vnominal (V1) và Vnominal / 10 (V2)

VRMSOS được tính dựa trên công thức:

1 2 2 1

2 1

V ×VRMS -V ×VRMSVRMSOS=

V -V 2-33

Nếu giá trị thanh ghi VRMSOS không đủ thì ta có thể chỉnh offset qua thanh ghi

CH2OS

2.4.4.2 Hiệu chỉnh IRMS

2 2IRMS =IRMS0 +32768×IRMSOS 2-34

Trong đó:

IRMS0: Giá trị RMS đo được khi không có offset.

IRMS: tuyến tính trong dải từ full-scale đến full-scale/100

Các bước tín hành calib

Đo IMAX/100 (I1) và IMAX/50 (I2)

IRMSOS được tính bởi công thức:

2 2 2

1 2 2 1

2 2

2 1

I ×IRMS -I ×IRMS1IRMSOS= ×

32768 I -I 2-35

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

Trang 27 |53

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

3.1 Yêu cầu bài toán

Thiết kế công tơ điện tử 1 pha truyền RF với các tính năng sau:

Thực hiện chức năng đo đếm hiển thị các thông số trực tiếp tại công tơ.

Lưu trữ giá trị năng lượng tiêu thụ của tải trong bộ nhớ FLASH của MCU.

Gửi dữ liệu về thiết bị cầm tay khi có yêu cầu qua chuẩn truyền thông RF.

Đảm bảo nguồn cấp liên tục cho công tơ hoạt động.

3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Công tơ điện tử 1 pha và thiết bị đọc cầm tay truyền RF là 2 phần tử quan trọng của hệ

thống. Công tơ điện tử 1 pha được lắp trực tiếp tại các hộ gia đình để tính toán, lưu trữ giá trị

điện năng tiêu thụ của hộ gia đình đó. Đến ngày chốt số điện hàng tháng nhân viên điện lực

mang thiết bị đọc cầm tay đến khu vực thực hiện các thao tác trực tiếp trên thiết bị cầm tay để

thu thập tự động các giá trị điện năng tiêu thụ của từng hộ gia đình và lưu trữ trong bộ nhớ

của thiết bị.

Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ thống

Trong phạm vi đồ án, em xin trình bày việc phân tích, thiết kế công tơ điện tử 1 pha

truyền RF. Việc thiết kế thiết bị đọc cầm tay sẽ được trình bày trong cuốn đồ án tốt nghiệp


Trang 28 |53

“Thiết kế xây dựng phần truyền tin (RF) cho công tơ điện tử một pha” do bạn Trần Tùng Lâm

thực hiện.

3.3 Sơ đồ khối công tơ điện tử

Khi công tơ hoạt động thì điện áp và dòng điện được lấy mẫu riêng biệt đưa vào IC

chuyên dụng ADE7753 để tính công suất, năng lượng, điện áp… Các giá trị sau đó được lưu

trữ vào các thanh ghi tương ứng. Vi điều khiển thực hiện giao tiếp với ADE7753 qua chuẩn

giao tiếp SPI để đọc giá trị thanh ghi để xử lý, lưu trữ trong bộ nhớ FLASH của chip. Cuối

cùng vi xử lý gửi dữ liệu đã xử lý để hiển thị và truyền về thiết bị cầm tay khi có yêu cầu.

Việc truyền về thiết bị cầm tay sử dụng RF, được thiết kế triển khai bởi bạn Trần Tùng Lâm.

Trong phạm vi báo cáo này sẽ không đi chi tiết phần tính toán thiết kế thiết bị đọc cầm tay

bằng sóng RF.

MCU

MSP430F5419

MCU

MSP430F5419

IC ĐO CÔNG

SUẤT

ADE 7753

IC ĐO CÔNG

SUẤT

ADE 7753

Thu phát RF

CC1101

Thu phát RF

CC1101

Chuyển đổi

dòng điện

Chuyển đổi

dòng điện

Chuyển đổi

điện áp

Chuyển đổi

điện áp

SPI SPI

Nguồn 5VNguồn 5V

SƠ ĐỒ KHỐI CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

TẢI

HIỂN THỊ LCDHIỂN THỊ LCD

SPI

Nguồn 3.3VNguồn 3.3V

Hình 3-2: Sơ đồ khối công tơ điện tử 1 pha

3.3.1 Khối nguồn

Yêu cầu của khối nguồn:

Tích hợp trực tiếp trong bo mạch (lấy trực tiếp từ nguồn lưới điện 220V).

Đầu vào: 220VAC

Đầu ra: 5VDC cho mạch ADE7753, khối LCD và 3.3VDC cho mạch

MSP430F5419 và khối CC1101.

Tính toán công suất nguồn

Xét các tải sử dụng nguồn 3.3VCC

Dòng cung cấp lớn nhất cho khối MCU MSP430F5419: 10mA

Dòng cung cấp lớn nhất cho khối CC1101: 34mA (TX + 12dBm 868MHz)

Dòng cung cấp cho LED và các phần tử khác (tổn hao trên mạch): 30mA


Trang 29 |53

Vậy tổng dòng lớn nhất mà nguồn 3.3VCC cung cấp cho mạch là: 74mA

Xét các tải sử dụng nguồn 5VCC

Dòng lớn nhất cho khối ADE7753: 10mA

Dòng lớn nhất cho khối LCD 16x2: 30mA

Dòng tiêu thụ lớn nhất cho khối nguồn 3.3VCC: 70mA

Vậy tổng dòng lớn nhất mà nguồn 5VCC phải cung cấp cho mạch là 110mA

Như vậy khi thiết kế phải lựa chọn IC nguồn sao cho đảm bảo cung cấp đủ dòng

điện và điện áp cho toàn mạch hoạt động tốt.

Có nguồn pin dự phòng cho mạch hoạt động liên tục. Pin sử dụng là XP08002ES

7.4V, 800mAh.

Từ những yêu cầu thiết kế trên, em đã đưa ra bản thiết kế cho khối nguồn sử dụng trong

đồ án (Hình 3-3).

Khối nguồn lấy điện áp 220VAC trực tiếp từ điện lưới qua biến áp 220V/12 VAC,

2.5VA. Sau đó được đưa qua mạch cầu chỉnh lưu (DB107 1A 700V) trước khi đưa qua IC

TLV1117_5V để tạo nguồn 5VDC cung cấp cho mạch ADE7753 và LCD. Nguồn 5VDC tiếp

tục là đầu vào của IC TLV1117_3.3V để tạo ra nguồn 3.3VDC nuôi cho khối vi điều khiển và

khối RF. 2 IC nguồn được lựa chọn là TLV1117_5V và TLV1117_3.3V đều có dòng

Iout=0.8A đáp ứng được yêu cầu bài toán.

Mạch có sử dụng cầu chì tự phục hồi 1A 15VDC để bảo vệ khi xảy ra sự cố.

Led báo nguồn để báo sự hoạt động của mạch.

Hình 3-3: Sơ đồ nguyên lý cho khối nguồn công tơ điện tử 1 pha


Trang 30 |53

3.3.2 Khối vi điều khiển trung tâm

3.3.2.1 Yêu cầu lựa chọn

Khối vi điều khiển trung tâm được lựa chọn trong đề tài phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Có tối thiểu 2 cổng giao tiếp SPI để kết nối với ADE7753 và module RF CC1101.

Có RTC bên trong Chip để phục vụ việc tính toán điện năng tiêu thụ theo biểu giá.

Tiêu thụ điện năng thấp.

Giá thành hợp lý.

Để đáp ứng được các nhu cầu trên thì hãng Texas Instruments có rất nhiều IC thích hợp

như MSP430F5510, MSP430F5438, MSP430F478, MSP430F5358… Tuy nhiên để thuận lợi

cho việc thiết kế thử nghiệm (thêm chuẩn kết nối UART) em đã lựa chọn MSP430F5419.

3.3.2.2 Vi điều khiển MSP430F5419

Sơ đồ chân của MSP430F5419 được thể hiện ở Hình 3-4.

Hình 3-4: Sơ đồ nối chân MSP430F5419

Các tính năng nổi bật của MSP430F5419

Nhiều chế độ tiết kiệm năng lượng

http://www.ti.com/


Trang 31 |53

Dải điện áp hoạt động nằm trong khoảng 1.8V đến 3.6V

Tiêu thụ điện năng cực thấp

Chế độ hoạt động: 230uA với tần số hoạt động là 1Mhz, 3V

Chế độ ngủ: 0.5uA

Chế độ không hoạt động (duy trì hoạt động của RAM): 0.1uA

MCU 16bits với 32kB Flash số lần ghi xóa dữ liệu vào flash đạt 100000 lần.

Hỗ trợ RTC bên trong chip.

Sơ đồ khối của MSP430F5419:

Hình 3-5: Sơ đồ khối của MSP430F5419

3.3.2.3 Thiết kế khối vi xử lý trung tâm

Sơ đồ nguyên lý của khối vi xử lý trung tâm được thể hiện qua Hình 3-6.


Trang 32 |53

Hình 3-6: Sơ đồ nguyên lý mạch MSP430F5419

Nguồn cung cấp cho MCU là nguồn 3,3VDC: đưa vào các chân DVCC1, DVCC2,

DVCC3, DVCC4, AVCC. Đất được đưa vào các chân DVSS1, DVSS2, DVSS3, DVSS4,

AVSS1.

Thiết kế nguồn nối với đất qua các tụ Bypass có nhiệm vụ lọc nhiễu cao tần cho nguồn

nuôi vi điều khiển. Lựa chọn các tụ có điện dung nhỏ C = 100nF.

Có thể sử dụng thạch anh ngoài có tần số lên tới 32 MHz để cung cấp dao động cho

hoạt động của vi điều khiển. Với tần số lựa chọn là 16MHz, tụ điện trong thiết kế là C12 = C13

= 22pF.

Khối reset cho vi điều khiển: reset ngoài được thực hiện khi chân 𝑅𝑆𝑇 hạ từ 1 xuống 0.

Dòng vi điều khiển MSP430 với xung reset với độ rộng nhỏ nên chỉ có thể lựa chọn tụ và điện

trở reset phù hợp: chọn R5 = 10kΩ và C6 = 1nF.

Các dòng vi điều khiển Msp430 có khả năng nạp trực tiếp chương trình qua cấu hình

JTAG. Vậy thiết kế một header bốn chân: VCC_3,3V, GND và 2 chân kết nối với TEST và

𝑅𝑆𝑇 của vi điều khiển để thực hiện nạp chương trình cho chip qua JTAG.

3.3.3 Khối chuyển đổi dòng điện

ADE7753 được thiết kế cho sử dụng với cảm biến dòng Shunt, cuộn dây Rogowski,

hoặc biến dòng (CT). Dưới đây là phân tích những yêu nhược điểm của các phương pháp và

đưa ra phương pháp lựa chọn sử dụng trong đồ án.


Trang 33 |53

3.3.3.1 Trở Shunt[6]

Trở Shunt là một điện trở chính xác có trở kháng thấp được dùng để đo dòng điện AC

và DC. Nó có giá thành thấp và đang được sử dụng nhiều trong các thiết bị đo đơn giản. Tuy

nhiên trong điện trở Shunt luôn có cuộn cảm ký sinh làm ảnh hưởng đến độ chính xác của

phép đo. Giá trị của cuộn cảm ký sinh thường vài nH. Cuộn cảm ký sinh cũng làm ảnh hưởng

trực tiếp đến pha của tín hiệu. Hình 3-7 thể hiện độ dịch pha do cuộn cảm bên trong điện trở

Shunt gây ra ở các tần số khác nhau.

Hình 3-7:Độ dịch pha do cuộn cảm bên trong điện trở Shunt (2nH trên 200μΩ shunt)

= phase mismatch x tan x100% 3-1

Trong đó: là sai số phép đo

là hệ số công suất

Phase missmatch là độ sai pha giữa điện áp và dòng điện

Trở Shunt là một lựa chọn cho ứng dụng đo năng lượng. Tuy nhiên, trở shunt bị thay

đổi giá trị bởi nhiệt độ. Chính lý do này làm cho trở Shunt ít được sử dụng cho việc đo dòng

điện lớn.

3.3.3.2 Biến dòng (CT)[6]

Biến dòng (CT) là một thiết bị chuyển đổi dòng sơ cấp thành 1 dòng ở thứ cấp. CT có

thể đo với dòng điện cao và tiêu thụ ít công suất

Do có dòng từ hóa nên CT làm dịch pha tín hiệu dòng và áp từ 0.1o

đến 0.3o. Nếu không

được hiệu chỉnh nó sẽ gây sai số. Công thức tính tính sai số phép đo được thể hiện ở công

thức 3-1. Thêm vào đó, lõi từ được sử dụng trong CT có thể bị bão hòa ở tần số cao. Ngoài ra

từ hóa trong lõi từ sẽ chứa sóng hài làm cho độ chính xác của phép đo bị giảm nếu không có

biện pháp khử từ. Hình 3-8 thể hiện đường cong từ hóa của vật liệu ferrit.


Trang 34 |53

Hình 3-8: Đường cong từ hóa của vật liệu ferrit

CT bão hòa có thể xảy ra khi sóng xung dòng điện vượt qua 1 tỉ lệ dòng của CT hoặc

tồn tại thành phần 1 chiều trong dòng điện. Giải pháp cho vấn đề bão hòa là sử dụng lõi ferrite

có độ từ thẩm cao. Tuy nhiên nhược điểm của giải pháp trên là góc dịch pha so với CT sử

dụng lõi sắt sẽ cao hơn.

3.3.3.3 Cuộn dây Rogowski[6]

Hình 3-9: Cuộn dây Rogowski

Rogowski bao gồm các cuộn dây xoắn ốc. Rogowski có lõi là không khí nên không có

hiện tượng trễ, không bị bão hòa và không phi tuyến.

Nếu dòng i(t) chạy trong 1 dây thẳng theo trục z, khi đó trường điện từ tại một điểm bất

kỳ P có tọa độ ( , , z) trong tọa độ trụ là:

( )B

2

i t

3-2

Trong đó: B : Từ trường

: Từ thông

Sức điện động cảm ứng (EMF) được tạo ra bởi từ trường trong vùng không gian có thể

được tính theo công thức Maxwell’s:


Trang 35 |53

EMFB

d St

3-3

Xét trường hợp sau:

Hình 3-10: Ví dụ tính suất điện động của cuộn dây

Rogowski khi cho dòng điện chạy qua

Khi đó ta có công thức tính suất điện

động:

EM ln( )2

air NL c di diF M

b dt dt

3-4

Rogowski không đo được dòng 1 chiều nhưng có thể đo được dòng xoay chiều lên đến

hàng nghìn Ampes. Do không có lõi sắt (lõi không khí) nên Rogowski không phi tuyến trên

dải đo rộng (từ vài mA đến hàng trăm A).

Dựa vào phân tích và bảng so sánh các ưu nhược điểm của từng loại cảm biến (Phụ lục

E) ta thấy sử dụng cuộn Rogowski có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như đo được dòng lớn, giá

thành thấp, không có từ trễ. Tuy nhiên do chưa tìm mua được cuộn Rogowski cũng như thời

gian thực hiện đồ án có hạn nên em đã quyết định chọn biến dòng CT để thực hiện việc

chuyển đổi tín hiệu dòng đưa vào kênh 1.

Hình 3-11: Sơ đồ khối chuyển đổi dòng

Dòng điện được đưa qua biến dòng CT100P (1:1500, Imax = 40A, 12.5Ω, cấp chính xác

là 0.1) của OSWEL sau đó qua mạch trở tạo áp để đưa vào 2 đầu kênh 1 (V1N và V1P). Điện

trở ở biến dòng phụ thuộc vào dòng điện lớn nhất có thể đo được. R được tính theo công

thức:


Trang 36 |53

max

0.5VFullscale

2 22R= 6.6( )I 40A

1500CTRN

peak

3-5

Trong đó CTRN là tỉ số biến dòng.

Vậy ta lựa chọn trở R=6.8Ω.

3.3.4 Khối chuyển đổi điện áp

Đầu vào kênh 2 ADE7753 có thể sử dụng phương pháp phân áp theo trở hoặc sử dụng

biến áp.

3.3.4.1 Phương pháp sử dụng biến áp

Ưu điểm của phương pháp là cách ly hoàn toàn giữa lưới điện và phần đo.

Nhược điểm: Giá thành cao hơn phương án sử dụng phân áp theo trở. Ngoài ra sử dụng

biến áp cũng dẫn đến việc dịch pha giữa dòng điện và điện áp.

3.3.4.2 Phương pháp sử dụng phân áp bằng trở

Ưu điểm: Thiết kế mạch đơn giản, giá thành rẻ hơn so với phương án dùng máy biến áp.

Nhược điểm: Không cách ly được hoàn toàn với nguồn lưới điện.

Hình 3-12 thể hiện sơ đồ nguyên lý của khối chuyển điện áp đưa vào đầu kênh 2.

Hình 3-12: Sơ đồ khối chuyển đổi điện áp

Tính toán thiết kế:

Ta có:

max10 10

8 9 10 8 9 10

2 0

3002

V N

VV P R R

R R R R R R

3-6

Do 0.52 22

V P V N nên ta chọn R8=R9=470KΩ, R10=1KΩ

Khi đó Vmax có thể đo được là: Vmax = 330V.


Trang 37 |53

3.3.5 Khối ADE7753

Khối ADE7753 có chức năng thu thập tín hiệu dòng điện, điện áp để xử lý đưa ra các

giá trị về dòng điện hiệu dụng, điện áp hiệu dụng, chu kỳ, công suất và năng lượng. Các giá trị

sau khi tính toán được lưu vào các thanh ghi tương ứng. ADE7753 cung cấp giao thức SPI

phục vụ việc đọc, ghi dữ liệu với vi điều khiển.

Yêu cầu thiết kế của khối ADE7753

Chống nhiễu cho mạch.

ADE7753 và MCU giao tiếp với nhau qua chuẩn truyền thông SPI và các chân xử

lý ngắt. Tuy nhiên, giữa 2 IC lại không hoàn toàn tương thích với nhau về mức

logic. Vì vậy trong thiết kế phải đảm bảo mức logic giữa 2 IC.

Đảm bảo cung cấp nguồn cho ADE7753 hoạt động.

Với những yêu cầu thiết kế trên, sơ đồ nguyên lý khối ADE7753 được thể hiện qua

Hình 3-13.

Hình 3-13: Sơ đồ nguyên lý cho khối ADE7753

ADE7753 sử dụng 2 điểm tham chiếu “0” là AGND (điểm tham chiếu 0 cho mạch

tương tự) và DGND (điểm tham chiếu 0 cho mạch số). Để giảm thiểu nhiễu thì AGND và

DGND được khuyến cáo nối chung với nhau tại một điểm duy nhất.


Trang 38 |53

ADE7753 có các chân giao tiếp SPI, ngắt để kết nối với MCU phục vụ việc đọc ghi dữ

liệu. Do điện áp của ADE7753 và MSP430F5419 khác nhau nên ta cần mạch chuyển đổi logic

tại ở chân DOUT và chân IRQ. Để hiểu rõ hơn về điện áp hoạt động của các chân ADE7753

và MSP430F5419 chúng ta xem phần Phụ lục A

Để chống nhiễu cho mạch ADE7753 em sử dụng các cuộn lọc cao tần ferrit bead trước

khi đưa tín hiệu đầu vào mạch phân áp (Hình 3-12) và điểm nối giữa AGND và GND (Hình

3-13).

3.3.6 Khối hiển thị

Khối hiển thị trong thiết kế có tác dụng hiển thị các thông số đo được giúp người dùng

có thể trực tiếp giám sát các đại lượng về dòng điện, điện áp, tần số cũng như năng lượng tiêu

thụ.

Sơ đồ nguyên lý của khối LCD 16x2 được thể hiện qua Hình 3-14.

Hình 3-14: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD 16x2

Nguồn cung cấp cho LCD là nguồn VDC_5V. LCD được điều khiển bởi các chân RS, E

(Enable) và 4bit dữ liệu D4 đến D7. Chân R/W được nối trực tiếp xuống đất được hiểu rằng

LCD luôn đọc dữ liệu lên, ta thiết kế vậy để giảm bớt sự phức tạp trong lập trình. Chân Katot

của LCD được nối với chân GPIO của MCU để điều khiển bật tắt đèn nền của LCD. Chân V0

được nối chân qua một biến trở 10k để làm nhiệm vụ chỉnh độ tương phản cho LCD: khi biến

trở có trị số nhỏ dần thì điện áp rơi trên chân V0 sẽ giảm làm cho chữ hiển thị nhạt.

3.3.7 Khối RF

RF được sử dụng trong thiết kế là module CC1101 của TI. CC1101 là thiết bị thu phát

RF có tần số lên tới 1GHz, được sử dụng trong những ứng dụng không dây năng lượng rất

thấp. CC1101 hoạt động ở băng tần 315, 433, 868, 915 MHz, tuy nhiên băng tần có thể thay

đổi bởi phần mềm trong các phạm vi 300 – 348MHz, 387 – 464MHz, 779 – 928MHz.


Trang 39 |53

CC1101 thực hiện giao tiếp với module ngoại vi qua chuẩn giao tiếp SPI. Sơ đồ nguyên

lý kết nối được trình bày theo Hình 3-15.

Hình 3-15: Sơ đồ nguyên lý cho khối RF CC1101

Nguồn cung cấp cho module CC1101 là nguồn VCC_3.3V.

CC1101 là một Slave được điều khiển bởi vi điều khiển trung tâm bằng bốn chân là

CC1101_SI, CC1101_SO, CC1101_CSn, CC1101_SCLK. Ngoài ra trong thiết kế ta sử dụng

2 chân GDO0 và GDO2 là các chân tạo ngắt ngoài cho MCU báo hiệu các quá trình

truyền/phát gói dữ liệu bắt đầu hoặc đã hoàn tất.

Trong phạm vi cuốn đồ án, em không đi sâu vào việc trình bày sóng RF, cấu tạo,

nguyên lý hoạt động cũng như cách thức lập trình điều khiển cho module CC1101. Những nội

dung này đã được bạn Trần Tùng Lâm trình bày trong cuốn đồ án “Thiết kế xây dựng phần

truyền tin (RF) cho công tơ điện tử”.

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH

Trang 40 |53

CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH

Việc xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình cho thiết bị phải đảm bảo các yêu cầu kỹ

thuật của thiết bị bao gồm:

Đọc dữ liệu từ ADE7753 về, xử lý để đưa ra các đại lượng như dòng điện hiệu

dụng, điện áp hiệu dụng, công suất, năng lượng, tần số.

Hiển thị các giá trị lên LCD.

Lưu trữ số công tơ kể cả trong trường hợp mất điện.

Gửi điện năng tiêu thụ về thiết bị cầm tay khi có lệnh.

Thực hiện chương trình hiệu chỉnh sai số và offset cho công tơ.

4.1 Lưu đồ thuật toán chương trình cho vi điều khiển

4.1.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính

Khởi tạo ADE7753, CC1101,

LCD, MSP430F5419

Khởi tạo ADE7753, CC1101,

LCD, MSP430F5419

Hiển thị

(U, I, f, P, PF, Wh)

Hiển thị

(U, I, f, P, PF, Wh)

ΔKWh>1ΔKWh>1

Y

STARTSTART

Đọc dữ liệu KWh0 từ bộ nhớ

FLASH

Tính giá trị

KWh=KWh0 + ΔKWh

Ghi giá trị KWh mới vào

FLASH

ΔKWh=0

N

Hình 4-1: Lưu đồ thuật toán chương trình chính

Nhiệm vụ của chương trình chính là thực

hiện việc khởi tạo các giá trị ban đầu cho các

module hoạt động.

Hiển thị các đại lượng điện áp hiệu dụng

của lưới, dòng điện hiệu dụng, điện năng tác

dụng và hệ số công suất của tải tiêu thụ. Việc

hiển thị này giúp người dùng có thể theo dõi

được các thông số trực tiếp của lưới điện cũng

như của tải mình sử dụng.

Chương trình chính sẽ thực hiện việc ghi

giá trị năng lượng mới vào FLASH khi

ΔKWh>1.

Trong đó ΔKWh là chênh lệch điện năng

tác dụng giữa thời gian ghi dữ liệu từ FLASH

đến lúc đọc giá trị thanh ghi RAENERGY.

ΔKWh được tính theo công thức:

KWh KWh RAENERGY Ke 4-1

Trong đó Ke (KWh/LSB) là số KWh trên

1 LSB của thanh ghi năng lượng. Ke được tính

theo công thức 4-6.


Trang 41 |53

4.1.2 Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt phục vụ tính toán các đại lượng của công tơ

Công tơ điện tử được thiết kế để đo được các đại lượng sau:

Năng lượng tác dụng của phụ tải

Dòng điện tiêu thụ của tải

Điện áp, tần số của lưới điện.

Việc đọc và tính toán các giá trị trên được cập nhật 30 giây. Sau 30 giây sẽ có một ngắt

timer để thực hiện việc đọc và tính toán các giá trị trên. Các hoạt động chính trong chương

trình ngắt được thể hiện trên lưu đồ Hình 4-2.

INT0INT0

Cờ báo ngắt bắt

điểm 0 =1?

Cờ báo ngắt bắt

điểm 0 =1?N

Đọc thanh ghi VRMS, IRMS,

PERIOD, RAENERGY

Đọc thanh ghi VRMS, IRMS,

PERIOD, RAENERGY

Tính U, I, Tần số, năng lượngTính U, I, Tần số, năng lượng

Y

ENTIENTI

Đọc giá trị năng lượng lưu

trong FLASH

Đọc giá trị năng lượng lưu

trong FLASH

Hình 4-2: Lưu đồ thuật toán chương

trình ngắt phục vụ việc đọc và tính toán

các giá trị

Giá trị năng lượng tác dụng được lưu trong

thanh ghi RAENERGY, giá trị điện áp hiệu dụng,

dòng điện hiệu dụng và chu kỳ lần lượt được lưu trữ

trong thanh ghi VRMS, IRMS, PERIOD.

Các giá trị sau khi đọc về sẽ được MCU tính

toán để đưa ra giá trị tương ứng.

Tính toán điện áp hiệu dụng

=VRMS uU K 4-2

Trong đó: Ku (V/LSB) là số điện áp đầu vào

trên 1 LSB của thanh ghi VRMS. Ku tính theo công

thức 4-7.

Tính toán dòng điện hiệu dụng

= RMS iI I K 4-3

Trong đó: Ki (I/LSB) là số dòng điện trên

1LSB thanh ghi IRMS. Ki tính theo công thức 4-8

Tính toán tần số lưới điện

1= ff K

PERIOD

4-4

Trong đó: Kf là hệ số biến đổi tần số theo thanh

ghi chu kỳ đọc về. Kf được tính theo công thức:

8f

CLKINK

4-5

Trong đó: CLKIN là giá trị của thạch anh tạo

dao động đầu vào.


Trang 42 |53

4.1.3 Lưu đồ thuật toán chương trình gửi dữ liệu về thiết bị cầm tay khi có yêu cầu

Khi có yêu cầu gửi dữ liệu về từ thiết bị cầm tay, module CC1101 sẽ nhận tín hiệu RF

và chân GDO0 của CC1101 sẽ chuyển mức logic từ 1 về 0. Khi đó MCU sẽ thực hiện chương

trình ngắt để gửi dữ liệu về thiết bị đọc. Dữ liệu được gửi về là điện năng tiêu thụ đến thời

điểm thiết bị đọc gửi yêu cầu. Lưu đồ thuật toán cho việc gửi dữ liệu được thể hiện ở Hình

4-3

Flag == 1 ?

// ngắt khi nhận xong

gói tin

Đọc RX FIFO

Kiểm tra:

(Com == 1 & ID)

TX mode

Flag = 0;

Ghi TX FIFO: Mã công tơ

Số điện

Y

Thoát khỏi chương

trình ngắt

N

Y

N

Thoát khỏi chương

trình ngắt

Chương trình ngắt

gửi dữ liệu về thiết bị

cầm tay

Hình 4-3: Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt gửi dữ liệu về thiết bị cầm tay

4.2 Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh

Hiệu chỉnh công tơ là công việc không thể thiếu trước khi đưa công tơ vào hoạt động.

Để đạt được độ chính xác, ADE7753 ngoài việc tích hợp ADC chính xác cao, sử dụng điện áp

mẫu Uref được tự động bù nhiệt độ bằng phần mềm, ADE7753 còn thực hiện hiệu chỉnh hệ số

tỉ lệ, pha, giá trị offset các đại lượng đo thông qua các thanh ghi hiệu chỉnh: APOS, WGAIN,

PHCAL, IRMSOS, VRMSOS, VAGAIN, CFNUM, CFDEN, VADIV, WDIV. Nhằm loại bỏ

nhiễu đến mức tối thiểu trong quá trình xử lý số liệu, đưa ra được kết quả đảm bảo độ chính

xác theo yêu cầu.


Trang 43 |53

Mục 2.4 đã trình bày 2 phương pháp hiệu chỉnh các đại lượng trong ADE7753 là (i) sử

dụng một công tơ chuẩn hoặc (ii) một nguồn chuẩn. Do điều kiện phòng thí nghiệm đo lường

tại bộ môn chỉ có máy biến áp (0V-250V) và máy biến dòng (0A-5A) nên đồ án chọn phương

pháp pháp hiệu chỉnh bằng nguồn chuẩn.

Trong phạm vi đồ án, em xin trình bày cách thức hiệu chỉnh công tơ ở một số thông số

sau:

Hiệu chỉnh giá trị watt again, watt offset, KWh/LSB (1 LSB trong thanh ghi năng

lượng tương ứng với bao nhiêu điện năng tiêu thụ) cho đo năng lượng tác dụng.

Hiệu chỉnh giá trị offset, hệ số I/LSB (1 LSB trong thanh ghi IRMS tương ứng với

bao nhiêu dòng điện tiêu thụ) cho đo dòng điện hiệu dụng và giá trị offset, hệ số

V/LSB (1 LSB trong thanh ghi VRMS tương ứng với bao nhiêu điện áp hiệu dụng

đưa vào) cho điện áp hiệu dụng.

4.2.1 Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh cho năng lượng tác dụng

Việc hiệu chỉnh các thông số cho năng lượng tác đụng đã được trình bày ở mục 2.4.1 và

mục 2.4.2. Các thông số cần được hiệu chỉnh là CFNUM, WGAIN, APOS và KWh/LSB.

Trong đó giá trị CFNUM, WGAIN, APOS được hiệu chỉnh trước. Khi đã hiệu chỉnh xong các

hệ số này ta mới tiến hành hiệu chỉnh giá trị KWh/LSB.

Hiệu chỉnh giá trị thanh ghi APOS giúp cho phép giá trị thanh ghi năng lượng tác dụng

về 0 khi không có năng lượng được tích lũy. Nếu không chỉnh offset thì các nhiễu xuyên âm

trong thiết kế PCB hoặc tự bản thân IC gây ra sẽ làm sai số phép đo.

Hình 4-4 thể hiện lưu đồ thuật toán thực hiện quá trình hiệu chỉnh giá trị năng lượng tác

dụng do em xây dựng dựa trên lý thuyết nhà sản xuất đưa ra phục vụ quá trình hiệu chỉnh.


Trang 44 |53

STARTSTART

Khởi tạo các giá trị Khởi tạo các giá trị

Tính CFNUM, CFDEN

Ghi vào thanh ghi tương ứng

Tính CFNUM, CFDEN


Đặt tải thuần trở có (U=220V, Ib=5A)Đặt tải thuần trở có (U=220V, Ib=5A)

Cài đặt chế độ CYCMODE (Adr 0x09=0x0080)

Cho phép ngắt CYCEND (Adr 0x0A=0x0004)

Ghi LINECYC(Ib) (adr 0x1C)




Kiểm tra xem cờ báo ngắt = 1?

(bit CYCEND trong thanh ghi

STATUS)



STATUS)

N

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt (đọc thanh ghi RSTATUS)Xóa thanh ghi trạng thái ngắt (đọc thanh ghi RSTATUS)

Y



STATUS)



STATUS)

N

Đọc thanh ghi LAENERGY(1)

Đọc thanh ghi LVAENERGY(1)

Đọc thanh ghi LAENERGY(1)

Đọc thanh ghi LVAENERGY(1)

Y

Đặt tải thuần trở có (U=220V, Imin=40mA)Đặt tải thuần trở có (U=220V, Imin=40mA)









STATUS)



STATUS)

N


Y



STATUS)



STATUS)

N

Đọc thanh ghi LAENERGY(2)Đọc thanh ghi LAENERGY(2)

Y

Tính giá trị APOSTính giá trị APOS

Tính giá trị WGAIN


Tính giá trị WGAIN


Kết thúc quá trình hiệu chỉnhKết thúc quá trình hiệu chỉnh

11

11

Hình 4-4: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh năng lượng tác dụng

Việc hiệu chỉnh giá trị offset cho năng lượng biểu kiến được thực hiện thông qua việc

hiệu chỉnh giá trị offset cho điện áp và dòng điện.

Sau khi tiến hành hiệu chỉnh các giá trị WGAIN, APOS ta tiến hành hiệu chỉnh lại hệ số

KWh/LSB phục vụ quá trình tính toán năng lượng tác dụng trong chương trình.


Trang 45 |53

Hiệu chỉnh hệ số KWh/LSBHiệu chỉnh hệ số KWh/LSB

Khởi tạo các giá trị (CFDEN, CFNUM, WGAIN, APOS)Khởi tạo các giá trị (CFDEN, CFNUM, WGAIN, APOS)

Đặt tải thuần trở (U=220V, Ib=5A)Đặt tải thuần trở (U=220V, Ib=5A)







CYCEND=1?CYCEND=1? N


Y

CYCEND=1?CYCEND=1? N

Đọc thanh ghi LAENERGY(1)Đọc thanh ghi LAENERGY(1)

11

11

Đọc chu kỳ Period của lưới (Adr 0x27)Đọc chu kỳ Period của lưới (Adr 0x27)

Tính hằng số KWh/LSBTính hằng số KWh/LSB

Kết thúc quá trình hiệu chỉnhKết thúc quá trình hiệu chỉnh

Hình 4-5: Lưu đồ thuật toán hiệu chỉnh hệ số KWh/LSB

Công thức tính KWh/LSB được tính theo công thức:

( ) 220 5 ( )

3600 / 1000 3600 / 1000

ac ab cU I s sKWhLSB LAENERGY s h LAENERGY s h

t t

4-6

Trong đó tac được tính theo công thức 2-12.


Trang 46 |53

4.2.2 Hiệu chỉnh phép đo điện áp hiệu dụng

Chương trình hiệu chỉnh điện áp hiệu

dụng

Chương trình hiệu chỉnh điện áp hiệu

dụng

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt

(Đọc thanh ghi 0xRSTATUS)



Cho phép ngắt zero-crossing

(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)

ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

Đặt giá trị U1=220VĐặt giá trị U1=220V

Y

Đặt giá trị U2=22VĐặt giá trị U2=22V


(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)


(Đọc thanh ghi RSTATUS)



ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

11

22

22

Y






(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)

ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

Đặt giá trị U=220VĐặt giá trị U=220V

Đọc giá trị thanh ghi VRMS

(VRMS1)


(VRMS1)

Y


(VRMS2)


(VRMS2)

11

Tính giá trị VRMSOS

Ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng

Tính giá trị VRMSOS



(VRMS)


(VRMS)

Tính giá trị V/LSBTính giá trị V/LSB

Kết thúc chương trình hiệu chỉnhKết thúc chương trình hiệu chỉnh

Hình 4-6: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh giá trị điện áp hiệu dụng

Để hiệu chỉnh điện áp hiệu dụng ta cần hiệu chỉnh giá trị offset (VRMSOS) và hệ số

V/LSB. Hệ số V/LSB biểu diễn 1 đơn vị trong thanh ghi VRMS tương ứng với bao nhiêu điện

áp đưa vào. Hệ số V/LSB có thể được tính toán qua thiết kế phần cứng tuy nhiên để có một

hằng số biến đổi chính xác, ta có thể tính lại hằng số này. Việc hiệu chỉnh hệ số V/LSB được

tiến hành sau khi hiệu chỉnh xong hệ số offset và ghi vào giá trị tương ứng.

Công thức tính hệ số V/LSB:

V/LSB=V

VRMS 4-7

Trong đó:

V là giá trị điện áp chuẩn đưa vào ADE7753.

VRMS: Giá trị thanh ghi đọc về.


Trang 47 |53

4.2.3 Hiệu chỉnh phép đo dòng điện hiệu dụng

Chương trình hiệu chỉnh dòng điện

hiệu dụng

Chương trình hiệu chỉnh dòng điện

hiệu dụng






(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)

ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

Đặt giá trị I1=1AĐặt giá trị I1=1A

Y

Đặt giá trị I2=0.4AĐặt giá trị I2=0.4A


(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)





ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

11

22

22

Y






(Adr 0x0A = 0x0010)


(Adr 0x0A = 0x0010)

ZX=1?ZX=1? N

ZX=1?ZX=1? N

Đặt giá trị I=5AĐặt giá trị I=5A

Đọc giá trị thanh ghi IRMS

(IRMS1)


(IRMS1)

Y


(IRMS2)


(IRMS2)

11

Tính giá trị IRMSOS


Tính giá trị IRMSOS



(IRMS)


(IRMS)

Tính giá trị I/LSBTính giá trị I/LSB

Kết thúc chương trình hiệu chỉnhKết thúc chương trình hiệu chỉnh

Hình 4-7: Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh giá trị dòng điện hiệu dụng

Để hiệu chỉnh dòng điện hiệu dụng ta cần hiệu chỉnh giá trị offset (IRMSOS) và hệ số

I/LSB. Hệ số I/LSB biểu diễn 1 đơn vị trong thanh ghi IRMS tương ứng với bao nhiêu dòng

điện. Hệ số I/LSB có thể được tính toán qua thiết kế phần cứng tuy nhiên để có một hằng số

biến đổi chính xác, ta có thể tính lại hằng số này. Việc hiệu chỉnh hệ số I/LSB được tiến hành

sau khi hiệu chỉnh xong hệ số offset và ghi vào giá trị tương ứng.

Công thức tính hệ số I/LSB:

I/LSB=I

IRMS 4-8

Trong đó:

I là giá trị dòng điện đưa vào ADE7753.

IRMS: Giá trị thanh ghi đọc về.

KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Trang 48 |53

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

5.1 Kết quả đạt được

Sau thời gian nghiên cứu đồ án “Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng

ADE7753” em đã hoàn thành những công việc sau:

Tìm hiểu các phương pháp đo công suất và năng lượng trong công tơ điện tử. Xu

hướng phát triển của công tơ điện tử trong tương lai.

Nắm vững được nguyên lý hoạt động của IC đo năng lượng ADE7753, cách thức

để giao tiếp và xử lý số liệu đưa về từ IC.

Lập trình được với dòng vi điều khiển MSP430 của TI.

Thiết kế được công tơ điện tử đáp ứng được các tính năng như sau:

Hiển thị các giá trị: năng lượng tác dụng, năng lượng toàn phần, điện áp hiệu

dụng, dòng điện hiệu dụng, tần số lưới điện.

Lưu giá trị năng lượng tác dụng vào FLASH của MCU.

Truyền giá trị năng lượng tác dụng đến thiết bị đọc cầm tay khi có yêu cầu.

Thông số kỹ thuật công tơ:

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của công tơ điện tử

Kiểu pha 1 pha

Điện áp danh định Un 220V

Dải điện áp hoạt động danh định 150V – 250V

Dòng điện định mức 10A

Dòng cực đại 40A

Hằng số công tơ 3.2imp/wh

Tần số RF 433MHz

Khoảng cách truyền 20m


Trang 49 |53

Hình ảnh thiết bị sau khi thiết kế

Hình 5-1: Hình ảnh công tơ điện tử khi hoàn thành


Trang 50 |53

5.2 Thực nghiệm

5.2.1 Thực nghiệm 1: Kiểm tra các tín hiệu đầu vào kênh 1, kênh 2

Đo các tín hiệu vào kênh 1 và kênh 2 để đánh giá chất lượng tín hiệu đầu vào kênh 1 và

kênh 2.

Tín hiệu đo kênh 1

Hình 5-2: Tín hiệu vào kênh 2 với điện áp

đầu vào là 220V

Tín hiệu đo kênh 2

Hình 5-3: Tín hiệu vào kênh 1 với dòng điện đầu vào

là 5A

Nhận xét: Tín hiệu đầu vào kênh 1 và kênh 2 có dạng hình Sin.

5.2.2 Thực nghiệm 2: Tiến hành đo các đại lượng điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng

và năng lượng tác dụng

Hình ảnh tiến hành đo được thể hiện ở Phụ lục F.

Tiến hành đo điện áp:

Cách thức tiến hành: Sử dụng máy biến áp điều chỉnh điện áp cấp vào mạch công tơ.

Sau đó đọc các giá trị từ đồng hồ đo DMM4020 và công tơ điện tử.

Bảng 5.2: Bảng kết quả đo điện áp

Giá trị điện áp cấp (Đọc từ

đồng hồ vạn năng DMM4020

của Tektronix)

Giá trị điện áp đọc về Sai số

230.14V 230.62V 0.20%

220.11V 220.53V 0.19%

200.05V 200.65V 0.30%

180.04V 180.58V 0.3%

150.17 150.90 0.49%

Nhận xét: Sai số của kết quả đo nằm trong dải sai số cho phép của ADE7753 (Sai số

điện áp hiệu dụng là 0.5%)


Trang 51 |53

Tiến hành đo dòng hiệu dụng

Cách thức tiến hành: Dòng điện qua công tơ điện tử được thay đổi nhờ biến dòng (0 –

5A). Sau đó đọc các giá trị hiển thị trên đồng hồ vạn năng DMM4020 và hiển thị trên công tơ

điện tử)

Bảng 5.3: Bảng kết quả đo dòng điện

Giá trị dòng điện (Đọc từ

đồng hồ vạn năng DMM4020

của Tektronix)

Giá trị dòng điện đọc về Sai số

5.10A 5.11A 0.19%

4.08A 4.07A 0.25%

2.99A 3.01A 0.67%

1.02A 1.02A 0%

0 0.00A 0%

Sai số của kết quả đo nằm trong dải sai số cho phép của ADE7753 (Sai số điện áp hiệu

dụng là 0.5%)

Tiến hành đo năng lượng tác dụng

Cách thức tiến hành: Cấp dòng điện 2A và điện áp 220V cho công tơ điện tử và để công

tơ tiến hành đo trong thời gian 1h.

Kết quả đọc về: năng lượng tác dụng là 412W. Như vậy so với giá trị công suất đưa vào

thì sai số của phép đo là 2%. Sai số này lớn hơn nhiều so với sai số cho phép của ADE7753

(0.1%). Lý do dẫn đến sai số trên là do chưa thực hiện thành công việc hiệu chỉnh giá trị năng

lượng tác dụng.

5.3 Hạn chế và hướng phát triển

5.3.1 Hạn chế

Chưa tính toán thiết kế thiết bị bảo vệ quá áp cho công tơ điện tử.

Phần lập trình cho thiết bị còn chưa tối ưu như việc ghi dữ liệu vào FLASH. Với việc

ghi dữ liệu như vậy thì tổn thất năng lượng do mất điện vẫn còn lớn.

Bộ nhớ FLASH của MSP430 có dung lượng đủ lớn để lưu trữ dữ liệu của công tơ điện

tử. Việc sử dụng bộ nhớ FLASH trong MSP430 giúp giảm chi phí sản xuất ban đầu của sản

phẩm. Tuy nhiên do số lần ghi/xóa của FLASH chỉ đạt được khoảng 100000 vì vậy dẫn đến

tuổi thọ của MCU ngắn, phí bảo trì thay thế khi MSP430 hỏng sẽ lớn hơn rất nhiều khi sử

dụng bộ nhớ FLASH ngoài.

LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trong đồ án không phải là giải pháp tốt cho một sản

phẩm thương mại vì nó tiêu tốn điện năng lớn, giá thành cao và việc hiển thị các thông số


Trang 52 |53

không được trực quan. Để sản phẩm có thể thương mại được cần thay đổi màn hình hiển thị

sang loại LCD segment.

Hình 5-4: LCD segment

Công tơ đáp ứng được nhu cầu thay thế công tơ số thông thường và có thể mở rộng

trong việc tính biểu giá. Tuy nhiên với thiết kế ban đầu của công tơ sẽ khó khăn trong việc

phát triển các tính năng mới đi kèm như lập biểu đồ phụ tải điện.

5.3.2 Hướng phát triển

Với những hạn chế được nêu ra, em xin đề xuất hướng phát triển mới của đề tài như

sau:

Phân tích tìm hiểu thiết bị bảo vệ quá áp cho công tơ điện tử.

Thiết kế bổ sung thêm bộ nhớ ngoài để thực hiện chức năng lưu trữ giá trị công tơ.

Áp dụng tính toán năng lượng tiêu thụ theo biểu giá.

Xây dựng được phần mềm phục vụ công tác hiệu chỉnh cho công tơ.

KẾT LUẬN

Trang 53 |53

KẾT LUẬN

Trong thời gian làm đồ án, dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô giáo TS Nguyễn Thị

Lan Hương cùng các thầy cô giáo trong bộ môn kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, em đã

tiến hành nghiên cứu để hoàn thiện đề tài: “Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng

ADE7753”.

Về lý thuyết, đồ án đã đi sâu vào tìm hiểu các phương pháp đo công suất và năng lượng

bằng phương pháp số. Tìm hiểu và phân tích nguyên lý hoạt động của vi hệ thống ADE7753,

các bước thực hiện hiệu chỉnh để đạt được kết quả đo cao nhất.

Về thực hành, đồ án đã trình bày việc phân tích, tính toán thiết kế mạch nguyên lý công

tơ điện tử một pha truyền RF, và đưa ra lưu đồ thuật toán tính toán các thông số, hiệu chỉnh,

hiển thị và lưu giữ. Thiết kế thành công công tơ điện tử 1 pha với các tính năng cơ bản sau:

Đo và hiển thị các giá trị: điện năng tiêu thụ, công suất, dòng điện của tải, điện áp

và tần số lưới điện.

Lưu trữ giá trị điện năng trong bộ nhớ flash.

Truyền giá trị điện năng về thiết bị đọc cầm tay.

Thông qua quá trình thực hiện đồ án lần này, em có thêm cơ hội ứng dụng và kiểm tra

những kiến thức đã học vào trong thực tế cũng như phát huy tính sáng tạo, khả năng giải

quyết một vấn đề theo yêu cầu đề ra.

Tuy đã cố gắng hết mình nhưng do thời gian thực hiện đề tài cũng như kinh nghiệm có

hạn nên em không tránh khỏi sai sót. Mong thầy cô thông cảm và đóng góp thêm ý kiến để đề

tài được hoàn thiện hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

[1] Phạm Thượng Hàn, 2006. “Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý”, Nhà xuất bản

Giáo dục, quyển 2.

[2] Nguyễn Trọng Quế, 1996. Giáo trình “Cơ sở kỹ thuật đo”, Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội.

TÀI LIỆU TIẾNG ANH

[3] Anthony Collins, “Solid State Solutions for Electricity Metrology”, Analog Devices

Inc., Wilmington MA 01887, USA

[4] Hariharan Mani, “AN-639: Frequently Asked Questions (FAQs) Analog Devices

Energy (ADE) Products”, Analog Devices Inc.

[5] Stephen English and Dave Smith, “AN-564: A Power Meter Reference Design

Based on the ADE7756”, Analog Devices Inc.

[6] William Koon, “Current sensing for energy metering”, Analog Devices, Inc.

[7] Brian W. Kernighan – Dennis M.Ritchie, “The ansi C programming language” ,

Prentice Hall Sofware Seres.

[8] MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User’s Guide, Texas Instrument, 2013.

[9] “Energy Meter Seminar: Designing a EMC Compatible Electronic Meter using

AD7755”, Analog Devices, Inc.

[10] Datasheet “ADE7753: Single-Phase Multifunction Metering IC with di/dt Sensor

Interface Data Sheet (Rev C, 01/2010)”, Analog Devices, Inc.

[11] “CC1101 Low-Power Sub-1 GHz RF transceiver datasheet ”, Texas Instrument.

[12] “MSP430x5xx and MSP430x6xx Family User’s Guide”, Texas Instrument, 2013.

[13] “MSP430F5419 datasheet”, Texas Instrument, 2013.

http://communications.analog.com/static/imported-files/tech_articles/16673279729875solid_state.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-639.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN-639.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/an564.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/an564.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADE7753.pdf

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADE7753.pdf

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC

Phụ lục A Bảng giá trị ngưỡng điện áp vào ra của các chân logic trong ADE7753 và

MSP430F5419

Bảng phụ lục 1: Giá trị ngưỡng điện áp vào ra của các chân logic trong ADE7753

Bảng phụ lục 2: Giá trị ngưỡng điện áp vào ra của các chân logic trong MSP430F5419

Phụ lục B Bảng mô tả hoạt động của các chân trong ADE7753

Bảng phụ lục 3: Mô tả hoạt động của các chân ADE7753

Chân

số Ký hiệu Mô tả

1 RESET Thiết lập lại ADE7753, tín hiệu ở mức thấp sẽ giữ cho ADCs và

những mạch kỹ thuật số ở chế độ khởi động lại.

2 DVDD Nguồn mạch số, chân này sẽ cung cấp nguồn cho các mạch số trong

ADE7753. Điện áp cần được duy trì ở mức 5V±5%. Chân AVDD

được tách riêng với DGND qua hai tụ điện mắc song song là tụ 10µF

và tụ gốm 100 µF.

3 AVDD Nguồn mạch tương tự, chân này cung cấp điện áp tương tự cho các

mạch tương tự trong ADE7753. Điện áp cần được duy trì ở mức

5V±5%. Chân AVDD được tách riêng với DGND qua hai tụ điện

PHỤ LỤC

mắc song song là tụ 10µF và tụ gốm 100 µF.

4,5 V1P, V1N Tín hiệu tương tự sẽ vào bởi kênh 1. Kênh được thiết kế để sử dụng

với một bộ chuyển đổi dòng di/dt (như cuộn Rogowski), cảm biến

dòng (ví dụ Shunt) hoặc biến áp dòng CT.

6,7 V2P,V2N Tín hiệu tương tự sẽ vào kênh 2. Kênh 2 được thiết kế để sử dụng

dung cho bộ chuyển đổi điện áp. Tín hiệu đầu vào lớn nhất là ±0.5V,

có thể chịu được quá điện áp là ±6V.

8 AGND Điện áp chuẩn tương tự, chân này cung cấp cho sự so áp của tất cả

các mạch tương tự bên trong ADE7753 như ADCs. Chống xung răng

cưa của bộ lọc, bộ biến dòng, và điện áp.

9 REFIN/OUT Truy cập và kiểm tra điện áp trên Chip, các giá trị điện áp trên Chip

là 2,4V±8% và giá trị nhiệt độ là 30 ppm/oC. Một số nguồn bên ngoài

cũng so áp ở chân này. Trong cả hai trường hợp, chân này cần được

tách riêng để nối với tụ 1µF

10 DGND Điện áp chuẩn số, chân này cung cấp sự so sánh cho các mạch số bên

trong ADE7753 như bộ nhân, bộ lọc, và bộ chuyển đổi tần số. Bởi vì

dòng điện số trong ADE7753 là rất nhỏ. Tuy nhiên các điện dung cao

trên chân DOUT có thể dẫn đến tín hiệu số bị nhiễu, làm ảnh hưởng

đến sự so sánh.

11 CF Tần số đầu ra mức logic. Chân CF cung cấp thông tin về công suất

hiệu dụng. Các tần số ra sẽ được điều chỉnh bởi CSDEN và CFNUM

12 ZX Điện áp dạng sóng (kênh 2)

13 SAG Cổng này mở ra khi mức công suất xuống thấp.

14 IRQ Ngắt ngõ ra. Khi công suất xuống thấp cổng này sẽ mở ra.

15 CLKIN Xung đồng hồ ngõ vào cho ADEs và quá trình điều chế tín hiệu số.

xung đồng hồ là 3.579545 MHz. Dùng 2 tụ điện cho mạch là 22pF và

33pF.

16 CLKOUT Cung cấp xung đồng hồ cho ADE7753. Có thể dung một tải CMOS.

17 CS Chọn Chip. Dung giao diện 4 dây nối tiếp SPI. ADE7753 sẽ hoạt

động với đầu vào là mức thấp.

18 SCLK Xung đầu vào đồng bộ. Tất cả dữ liệu truyền nối tiếp được quản lý

bởi xung này

19 DOUT Dữ liệu đầu ra, dữ liệu được chuyển khi sườn lên của SCLK tác động.

Trong trường hợp trở kháng cao, sẽ xuất ra mức logic thông thường.

20 DIN Dữ liệu đầu vào, dữ liệu được chuyển khi sườn xuống của SCLK tác

PHỤ LỤC

động.

Phụ lục C Các thanh ghi của ADE7753

Bảng phụ lục 4: Mô tả các thanh ghi trong ADE7753

Địa

chỉ

Ký hiệu R/W Giá trị

mặc

định

Số

bít

Tên

0x01 WAVEFORM R 0x0 24 Thanh ghi giá trị tức thời của kênh 1,

kênh 2 và công suất tác dụng

0x02 AENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng tác dụng

0x03 RAENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng tác dụng (bị reset

về 0 khi đọc)

0x04 LAENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng tiêu thụ ở chế độ

tích lũy theo chu kỳ.

0x05 VAENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng biểu kiến

0x06 RVAENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng biểu kiến (reset về

0 khi được đọc)

0x07 LVAENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng biểu kiến ở chế độ

tích lũy theo chu kỳ

0x08 LVARENERGY R 0x0 24 Thanh ghi năng lượng phản kháng ở chế

độ tích lũy theo chu kỳ

0x09 MODE R/W 0x000C 16 Thanh ghi chế độ

0x0A IRQEN R/W 0x40 16 Thanh ghi cho phép ngắt

0x0B STATUS R 0x0 16 Thanh ghi trạng thái ngắt

0x0C RSTSTATUS R 0x0 16 Thanh ghi trạng thái ngắt (reset về 0 khi

được đọc)

0x0D CH1OS R/W 0x00 8 Thanh ghi chỉnh offset kênh 1

0x0E CH2OS R/W 0x0 8 Thanh ghi chỉnh offset kênh 2

0x0F GAIN R/W 0x0 8 Thanh ghi đặt hệ số khuếch đại PGA

0x10 PHCAL R/W 0x0D 6 Thanh ghi hiệu chỉnh pha

0x11 APOS R/W 0x0 16 Thanh ghi chỉnh offset công suất tác

dụng

0x12 WGAIN R/W 0x0 12 Thanh ghi hiệu chỉnh hệ số khuếch đại

công suất

0x13 WDIV R/W 0x0 8 Thanh ghi chia năng lượng tác dụng

0x14 CFNUM R/W 0x3F 12 Thanh ghi tử số chia tần số CF

0x15 CFDEN R/W 0x3F 12 Thanh ghi mẫu số chia tần số CF

0x16 IRMS R 0x0 24 Thanh ghi giá trị hiệu dụng (RMS) kênh

1 (dòng điện)

0x17 VRMS R 0x0 24 Thanh ghi giá trị hiệu dụng (RMS) kênh

2 (điện áp)

0x18 IRMSOS R/W 0x0 12 Thanh ghi hiệu chỉnh offset cho giá trị

hiệu dụng kênh 1

0x19 VRMSOS R/W 0x0 12 Thanh ghi hiệu chỉnh offset cho giá trị

hiệu dụng kênh 2

0x1A VAGAIN R/W 0x0 12 Thanh ghi hệ số khuếch đại công suất

biểu kiến

PHỤ LỤC

0x1B VADIV R/W 0x0 8 Thanh ghi chia năng lượng biểu kiến

0x1C LINECYC R/W 0xFFFF 16 Thanh ghi chu kỳ chế độ năng lượng tích

lũy

0x1D ZXTOUT R/W 0xFFF 12 Thanh ghi ZXTOUT

0x1E SAGCYC R/W 0xFF 8 Thanh ghi số chu kỳ điện áp sụt.

0x1F SAGLVL R/W 0x0 8 Thanh ghi đặt mức điện áp sụt

0x20 IPKLVL R/W 0xFF 8 Thanh ghi đặt mức ngưỡng đỉnh kênh 1

0x21 VPKLVL R/W 0xFF 8 Thanh ghi đặt mức ngưỡng đỉnh kênh 2

0x22 IPEAK R 0x0 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 1

0x23 RSTIPEAK R 0x0 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 1 (reset về 0

khi được đọc)

0x24 VPEAK R 0x0 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 2

0x25 RSTVPEAK R 0x0 24 Thanh ghi giá trị đỉnh kênh 2 (reset về 0

khi được đọc)

0x26 TEMP R 0x0 8 Thanh ghi nhiệt độ

0x27 PERIOD R 0x0 16 Thanh ghi chu kỳ

0x3D TMODE R/W - 8 Thanh ghi chế độ kiểm tra

0x3E CHKSUM R 0x0 6 Thanh ghi Checksum

Phụ lục D Một số thanh ghi đặc biệt trong ADE7753

Bảng phụ lục 5: Thanh ghi MODE

Bít Ký hiệu Mặc

định

Mô tả

0 DISHPF 0 HPF kênh 1 không kích hoạt khi DISHPF=1

1 DISLPF2 0 LPF sau bộ nhân (LPF2) không kích hoạt khi

DISLPF=1

2 DISCF 1 Đầu ra tần số CF không kích hoạt khi DISCF=1

3 DISSAG 1 Không phát hiện sụt điện áp trên lưới khi DISSAG=1

4 ASUSPEND 0 ASUSPEND=1 cả hai A/D trong ADE7753 không

hoạt động

5 TEMPEL 0 Bộ biến đổi nhiệt độ bắt đầu khi TEMPEL=1

Bít này ự động reset khi quá trình kết thúc

6 SWRST 0 Đặt chế độ reset mềm cho ADE7753

7 CYCMODE 0 CYCMODE=1 bật chế độ tích lũy năng lượng

8 DISCH1 0 ADC1 bị ngắn mạch bên trong

9 DISCH2 0 ADC2 bị ngắn mạch bên trong

10 SWAP 0 SWAP=1, V1P và V1N được nối với ADC2, V2P và

V2N được nối với ADC1.

12, 11 DTRT 1, 0 00 Lựa chọn tốc độ lấy mẫu tức thời

DPRT1 DPRT2 Tốc độ

0 0 27.9 kSPS (CLKIN/128)

0 1 14 kSPS (CLKIN/256)

1 0 7 kSPS (CLKIN/512)

1 1 3.5 kSPS (CLKIN/1024)

14, 13 WAVSEL 1, 0 00 Chọn nguồn tín hiệu được lấy mẫu cho thanh ghi tức

thời WAVEFORM

WAVSEL1 WAVSEL0 Nguồn

0 0 Công suất tác dụng

0 1 -

PHỤ LỤC

1 0 24 bit kênh 1

1 1 24 bit kênh 2

15 POAM 0

Bảng phụ lục 6: Thanh ghi STATUS, RSTSTATUS, IRQEN

Bít Cờ ngắt Mô tả

0 AEHF Ngắt xảy ra khi bit có trọng số lớn nhất của thanh ghi năng lượng

tác dụng chuyển từ 0 lên 1

1 SAG Ngắt SAG do điện áp lưới

2 CYCEND Kết thúc quá trình tích lũy năng lượng

3 WSMP Dữ liệu mới trong thanh ghi tức thời

4 ZX Phản ánh trạng thái đầu ra ZX

5 TEMP Chỉ ra kết quả biến đổi nhiệt độ có trong thanh ghi nhiệt độ

6 RESET Kết thúc reset. Tương ứng với bit cho phép không có vai trò trong

thanh ghi cho phép ngắt.

7 AEOF Thanh ghi năng lượng tác dụng bị tràn

8 PKV Lấy mẫu tức thời từ kênh 2 vượt quá giá trị VPKLVL

9 PKI Lấy mẫu tức thời từ kênh 1 vượt quá giá trị IPKLVL

10 VAEHF Ngắt xảy ra khi bit có trọng số lớn nhất trong thanh ghi năng lượng

biểu kiến chuyển đổi từ 0 lên 1

11 VAEOF Thanh ghi năng lượng biểu kiến

12 ZXTO Ngắt do trôi điểm không của điện áp lưới

13 PPOS Công suất từ âm sang dương

14 PNEG Công suất từ dương sang âm

15 RESERVED Dự trữ

Phụ lục E Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại biến dòng đầu vào ADE7753

Bảng phụ lục 7: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại biến dòng đầu vào ADE7753

PHỤ LỤC

Phụ lục F Hình ảnh thử nghiệm công tơ:

Hình phụ lục 1: Bàn thử nghiệm công tơ

Hình phụ lục 2: Hình ảnh đo kết quả dòng điện, điện áp

PHỤ LỤC

Hình phụ lục 3: Hình ảnh hiển thị giá trị năng lượng tác dụng

Phụ lục G Sơ đồ mạch nguyên lý công tơ điện tử

PHỤ LỤC

Phụ lục H Mạch in công tơ điện tử

Hình phụ lục 4: Mạch in lớp TOP

Hình phụ lục 5: Mạch in lớp bottom

Documents

DATN_NVD_BAO_CAO_CONG _TO_DIEN_TU (2014-06-09) (Dua Nguyen's conflicted copy 2014-06-15).pdf