- Lý do chọn đề tài Trong các hệ thống đo chỉ số điện năng từ lưới, thiết bị công tơ có chức năng cung cấp các thông tin về điện áp, dòng điện, độ lệch pha, công suất tiêu thụ phản kháng, hệ số công suất của lưới . - Hiện nay có hai loại công tơ được sử dụng trên thị trường là công tơ điện cơ và công tơ điện tử. - So sánh với công tơ điện cơ, công tơ điện tử có nhiều ưu điểm hơn. - Đó là độ chính xác công tơ điện tử đến ± 1%, cao hơn so với công tơ điện cơ. - Công tơ điện tử nhạy hơn công tơ điện cơ, có khả năng tính được cả lượng điện công suất nhỏ. - Ngoài ra do yêu cầu giao tiếp với các module khác trong tủ điều khiển tải nên công tơ điện tử 3 pha là lựa chọn hợp lý nhất. - Hình 1: Sơ đồ khối công tơ điện tử 3 pha. - Các công tơ điện tử 3 pha sử dụng trong các hệ thống đo đếm lưới điện hiện nay trên thị trường và ngành điện rất đa dạng. - Về cơ bản cấu trúc chung của một công tơ điện tử 3 pha do Việt Nam chế tạo sử dụng trong các hệ thống điều khiển như hình 1. - Các công tơ điện tử hiện nay mới chủ yếu đo được các thông số P, Q, cosφ hay tần số của tín hiệu dòng/áp. - Còn nhiều thông số phục vụ cho đánh giá chất lượng điện năng như giao động điện áp, tỷ số hài,… chưa được hỗ trợ tính toán, Nhằm khắc phục các điểm hạn chế trên học viên đã đi đến quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế công tơ điện tử đo một số chỉ số chất lượng điện năng tải 3 pha” với các chức năng bổ sung đo tỉ số méo hài, dao động điện áp. - Luận văn sẽ phát triển chức năng cho công tơ điện tử ba pha EVM430-F47197, Công tơ này sử dụng dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng MSP430 của hãng Texas Instruments. - Chương III sẽ phân tích cụ thể về dòng vi điều khiển MSP430 và giải pháp thiết kế công tơ số sử dụng MSP430. - Công tơ số 3 pha EVM430-F47197 sử dụng vi điều khiển MSP430 có những đặc tính sau. - Điện năng từ lưới được truyền đến nơi phân phối vì vậy rất cần hệ thống công tơ đo đếm, vì nó không chỉ Mở đầu - 4 - tính toán lượng điện năng tiêu thụ mà còn qua đó biết nhiều chỉ số về dòng và áp, công suất, tỷ số hài, hệ số cos φ… từ đó giám sát và xử lý tất cả tình huống sao cho điện năng được cung cấp chất lượng cao,việc đo đếm chính xác. - Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý công tơ số 3 pha và ứng dụng vi xử lý chuyên dụng MSP430F47197 của Texas Instrument trong thiết kế, chế tạo công tơ số 3 pha. - Tìm hiểu để nắm được nguyên tắc hoạt động của công tơ số EVM430-F47197. - Tìm hiểu các thuật toán hoạt động chính của công tơ số. - Cài đặt mềm lập trình IAR Embedded Workbend thử nghiệm kết nối với công tơ qua cổng nạp JTAG. - Bổ sung thêm chức năng xử lý tính toán dao động điện áp, tỷ số méo hài cho công tơ. - Đối tượng: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là công tơ số EVM430-F47197. - Phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu thêm chức năng xử lý tính toán dao động điện áp, tỷ số méo hài cho công tơ. - Chương 3 (Công tơ số ba pha EVM430-F47197) trình bày sơ đồ nguyên lý,sơ đồ khối,sơ đồ thuật toán công tơ EVM430-F47197,mô tả phần mềm và chương trình lập trình cho công tơ. - Phương pháp nghiên cứu Để thực nghiệm việc đo một số chỉ số chất lượng điện năng, luận văn sẽ phát triển thêm chức năng cho công tơ điện tử 3 pha EVM430-F47197 của TI (Texas Instrument) do công tơ này hiện chỉ đo được các giá trị P, Q và f. - Với các công nghệ mới về điện tử, vật liệu, cộng nghệ thông tin,… các thiết bị đo đếm hiện nay có cấp chính xác rất cao, nhiều khả năng linh hoạt như nối mạng, truyền kết quả đi xa tức thời,… Thay thế công tơ điện tử 3 pha cho các phụ tải lớn. - Đồng thời việc củng cố và nâng cao chất lượng ghi chỉ số công tơ, đặc biệt đối với khu vực thuê dịch vụ điện nông thôn còn hỗ trợ phát hiện kịp thời công tơ hư hỏng để sớm xử lý kịp thời. - Chương 1: Giới thiệu về chỉ số chất lượng điện năng - 13 - Các công tơ điện tử có quy trình kiểm định, bao dưỡng đơn giản hơn so với công tơ cơ thế hệ cũ.vì thiết kế mạch gọn nhẹ và quản lý nhiều bằng phần mềm ứng dụng. - Việc ứng dụng công tơ điện tử sẽ mang lại lợi ích cho hộ dân, như biết được phụ tải thực tế đang sử dụng qua việc đọc các thông số điện áp và dòng điện để có điều chỉnh sử dụng điện hợp lý, tiết kiệm và hiệu quả hơn. - Công tơ có thể chia thành các loại chính như sau. - Công tơ số 1 pha Công tơ số 3 pha Công tơ điện tử 1 pha Công tơ điện tử 3 pha Chương 2: Một số thông số chất lượng điện năng và phương pháp xác định - 15 - CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 2.1. - Ví dụ như các dòng công tơ điện tử của SIEMENS có thể xác định được một số chỉ số như liệt kê trong bảng 2.1. - Bảng 2.1: Một số chỉ số có thể đo bằng công tơ điện tử theo khuyến cáo của SIEMENS [4] Các chỉ số Phép đo Sai số phép đo Điện áp dây L1-N. - Tỷ số dao động điện áp cho điện áp trong một cửa sổ thời gian: max min()2UUkpuUd®Ud® (2.10) Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F CHƯƠNG 3: CÔNG TƠ SỐ BA PHA EVM430-F47197 Do linh kiện chế tạo phần cứng chưa đầy đủ cùng với việc muốn giành nhiều thời gian nghiên cứu để mở rộng phạm vi tính toán công tơ bằng cách phát triển phần mềm để lập trình lại, nên luận văn không tự thiết kế và chế tạo một công tơ điện tử hoàn toàn mới mà sẽ tìm hiểu và phát triển chức năng cho một công tơ điện tử đã có là công tơ EVM430-F47197 của Texas Instrument. - Trong chương này sẽ trình bày về các cơ sở lý thuyết và các sơ đồ khối, mạch nguyên lý của công tơ đã chọn, đồng thời cũng sẽ trình bày về cấu trúc các chương trình phần mềm của công tơ, từ đó đề xuất các giải pháp mở rộng chức năng tính toán cho công tơ EVM430-F47197. - Vi điều khiển trung tâm MSP430F47197 của công tơ điện tử EVM430-F47197 MSP430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty Texas Instruments. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F47197 - 21. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F47197 - 22. - Hình 3.1: Sơ đồ khối MSP430F471x7 Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.2: Sơ đồ chân MSP430F471x7 CPU của MSP430F47197 có kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) là một kiến trúc vi xử lý theo hướng đơn giản hóa tập lệnh. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F47197 - 24. - Hình 3.3: Sơ đồ khối CPU Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F . - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.4: Sơ đồ khối bộ tạo xung nhịp của MSP430F47197 3.2.2. - XTS_FLL = 0: Low Speed XTS_FLL = 1: High Speed Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Giá trị tụ điện bên trong của bộ dao động pF) được chọn bởi các bit XCAPxPF. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Bảng 3.1 Bảng giới hạn tần số của DCO 3.2.6. - Ưu điểm của các Bit điều khiển SCG0, SCG1, OSCOFF và CPUOFF trong thanh ghi trạng thái là chế độ hoạt Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F động hiện tại sẽ được lưu trong Stack trong suốt quá trình ngắt diễn ra. - Hệ số chia cho clock ngõ ra (LCDf) được chọn bởi các bit BTFRFQx trong thanh ghi BTCTL theo công thức: /LCDfACLK x (3.1) và Basic Timer 1 Counter 2 (BTCNT2) là bộ chia tần số có khả năng tạo ngắt, dùng để tạo những ngắt theo chu kỳ cho CPU hoặc tạo thành hệ thống đồng hồ thời gian Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F thực. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Ta thường cấu hình cho RTC hoạt động với kiểu BCD khi muốn thiết lập giá trị ban đầu vào các thanh ghi ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây. - Ứng dụng Vi điều khiển MSP430F47197 để thiết kế chế tạo công tơ số a) Ưu điểm nổi trội của dòng vi điều khiển MSP430 trong các ứng dụng đo lường MSP430 là dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng với dải điện áp nguồn: 1,8V – 3,6V. - b) Sử dụng Vi điều khiển MSP430F47197 để thiết kế chế tạo công tơ số 3 pha Vi điều khiển MSP430F47197 thuộc dòng MSP430F4xx (4xx). - Vậy nên MSP430F47197 đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật cho việc thiết kế công tơ số 3 pha. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F . - Sơ đồ nguyên lý của công tơ 3 pha sử dụng thiết kế công tơ EVM430-F47197 Sơ đồ khiển nguyên lý modul MSP trong mạch công tơ điện tử là mạch điện xoay chiều 3 pha được kết nối kiểu hình sao 4 dây. - Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý của EVM430-F47197 của TI Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.7: Hình ảnh công tơ thực EVM430-F47197 của TI 3.3.1. - Sơ đồ mạch nguồn của công tơ sử dụng điện lưới được trình bày trên hình 3.8. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của mạch tự dùng điện áp 1 pha 220V Diode công suất D1-6 dùng để chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều. - Khi đó một máy biến áp cung cấp nguồn nuôi là một giải pháp, điện áp từ nguồn chính cung cấp cho thiết bị sẽ không bị giảm đột Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F ngột chúng giảm từng bước qua sự điều tiết của biến áp bằng mạch chỉnh lưu. - Biến áp lựa chọn phải là biến áp phù hợp yêu cầu thiết bị bằng mạch đồng nhất điện áp với công tơ. - Hình 3.10 là hình ảnh thực tế mạch được sử dụng trong công tơ ba pha EVM430-F47197. - Hình 3.9: Hình ảnh biến áp 220V-5V dùng biến áp Hình 3.10: Hình ảnh thực tế mạch nguồn công tơ EVM430-F47197 Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F . - b) Đầu vào dòng điện Hình 3.12: Tín hiệu đầu vào mạch đầu vào dòng điện pha C Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.12 là mạch đầu vào dòng điện pha C. - Hạn chế về mặt tính toán và hiển thị hiện nay của công tơ 3 pha EVM430-F47197 của TI Hiện trạng hiện nay của công tơ chỉ đo được điện áp, dòng điện và tần số lưới điện, không có khả năng đo sóng hài, dao động điện áp… Cũng vì lý do đó, công tơ sử dụng một màn hình LCD chuyên dụng để hiển thị các đại lượng đo được. - (a) (b) Hình 3.13: Màn hình LCD của công tơ ở chế độ hiển thị công suất tiêu thụ trên pha B (a) và dòng điện tức thời trên pha C (b) Đề xuất luận văn sẽ đề xuất tìm hiểu mã nguồn của công tơ ba pha EVM430-F47197 sử dụng MSP430-F47197 của Texas Instrument để bổ sung thêm các đoạn chương trình với chức năng tính toán một số chỉ số chất lượng điện năng. - Do hạn chế về mặt tiếp xúc thiết bị cũng như hạn chế về mặt thời gian thực hiện, luận văn mới tạm dựng ở việc tính toán hệ số dao động điện áp và tỷ số hài công tơ ba pha. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F47197 - 38. - Tần số lẫy mẫu được xác định từ công thức: OSMsffR (3.5) Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F với hệ số OSR được chọn là 256, điều chế tần số Mfvới giá trị 1,048576 MHz, tần số lấy mẫu thu được là 4,096Ksps. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hãng Texas Instrument cho phép ta có thể lập trình lại được vi xử lý trung tâm của công tơ để có thể điều chỉnh được các tham số, thuật toán hoạt động. - Hình 3.15: Thiết bị nạp chương trình qua cổng JTAG cho vi xử lý của hãng TI Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Chu trình hoạt động chính của công tơ được thực hiện như sau. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Wake-up N Tích lũy năng lượng đủ 1 giây chưa? Đợi cờ báo hiệu từ hàm phục vụ ngắt Tính toán giá trị hiệu dụng Điện áp, dòng điện. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F b) Chu trình thuật toán Background. - Hết 1 giây tính toán năng lượng chưa? N SD16 Interrupts 4096/s Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán background Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Chu trình Background sử dụng SD16 để thu thập dòng điện và điện áp mẫu cho mỗi pha (tổng tất cả 6 mẫu), các mẫu này được sử lý và tích lũy trên thanh ghi 48 bit. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Giá trị DC offset này được lấy từ hiệu số giữa giá trị mẫu chuyển đổi U, I với hệ số bộ lọc DC removal filter. - (3.6) Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Trong ứng dụng này tần số đầu vào dòng điện xoay chiều là 50Hz, OSR là 256 và tần số lấy mẫu là 4096, độ phân giải cho mỗi bit trong thanh ghi PRELOAD là 0.02º, giá trị lớn nhất là 5.25º (tương ứng với số bước tối đa 255). - Mô tả về phần mềm và chương trình lập trình cho công tơ. - a) Phần mềm IAR embended workbend lập trình cho công tơ 3 pha của TI Phần mềm của công tơ EVM430-F47197 được TI cung cấp trong khuôn khổ ứng dụng (Application Note) SLAA409A, có thể được tải về từ địa chỉ www.ti.com. - Trong thư mục “emeter-ng” ta có file chứa phần mềm cho công tơ “emeter-47197.ewp”. - Hình 3.20: File tệp lưu trữ chương trình gốc công tơ do TI cung cấp Khi mở tệp “emeter-47197.ewp” bằng phần mềm IAR Embedded Workbend ta có toàn bộ các tệp chương trình như trên hình 3.21. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Hình 3.21: Các chương trình trong công tơ khi mở tệp Ta có thể thấy phần mềm cuả công tơ EVM430-F47197 bao gồm rất nhiều chức năng, tương ứng với các tệp chương trình viết bằng ngôn ngữ C. - Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F b) Cấu trúc chương trình hiện nay của file background. - Hình 3.22: Các chương trình soạn thảo code của IAR Chương 3: Công tơ số ba pha EVM430-F Các chương trình sau khi được soạn thảo, có thể sử dụng phần mềm IAR để biên dịch thành dạng ngôn ngữ máy (file dạng HEX) để nạp xuống vi xử lý của công tơ qua cổng JTAG. - Hình 3.23: Mạch nạp công tơ sử dụng thiết bị JTAG và phần mềm IAR Chương 4: Các kết quả thực hiện - 50 - CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1. - Triển khai thuật toán tính toán hệ số méo hài Để bổ sung phần tính toán thành phần hài, tận dụng thực tế công tơ EVM430-F47197 có cung cấp thuật toán xác định tự động điểm qua 0 để xác định pha của tín hiệu, vì vậy, ta sẽ sử dụng phương pháp tính tích chập giữa tín hiệu ()vt với một hàm sin đồng pha 2 sin 314t. - Với các giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng điện và của thành phần 50Hz của điện áp và dòng điện, ta có thể tính toán các chỉ số THD theo các hàm như sau (bổ sung cho phần mềm của công tơ EVM430-F47197. - Thuật toán tính toán dao động điện áp Dao động điện áp được tính theo công thức max min()2UUkpuUd®Ud® (4.6) với các giá trị cực trị được tính cho 4096 giá trị tức thời đo được cuối cùng (tương ứng với thời gian đo 1s của chu kỳ hàm foreground được gọi và 20 chu kỳ cơ bản của tín hiệu điện áp) của công tơ. - Tìm hiểu được sơ đồ nguyên lý công tơ số 3 pha và ứng dụng vi xử lý chuyên dụng MSP430F47197 của Texas Instrument trong thiết kế, chế tạo công tơ số 3 pha. - Tìm hiểu và nắm được nguyên tắc hoạt động của công tơ số EVM430-F47197. - Tìm hiểu được các thuật toán hoạt động chính của công tơ số. - Cài đặt thành công phần mềm lập trình IAR Embedded Workbend và kết nối được với công tơ qua cổng nạp JTAG. - Viết bổ sung được chức năng xử lý tính toán dao động điện áp, tỷ số méo hài cho công tơ. - Chưa tìm hiểu được chức năng chống quay ngược, chống can thiệp bằng từ trường bên ngoài của công tơ EVM430-F47197. - Chưa tìm hiểu được chức năng truyền thông bằng sóng RF để truyền kết quả đo đi xa của công tơ. - Công tơ chưa có các chức năng phân tích sự cố, chưa tích hợp các chức năng cảnh báo. - Nghiên cứu thêm về sơ đồ nguyên lý công tơ và tự phát triển để chủ động về công nghệ chế tạo các công tơ điện tử chất lượng cao. - Tăng khả năng chống nhiễu của công tơ như chống nhiễu từ trường. - Phát triển khối truyền thông đi xa để thu thập chỉ số công tơ từ xa. - [4] Siemens, "Power Quality and measurement Product Catalog SR10 Second edition", [5] Tạ Văn Linh, “Thiết kế công tơ số 3 pha sử dụng vi điều khiển MSP430 cho hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng”, ĐHBK, 2012. - Một số công thức tính toán chỉ số điện năng cơ bản CHƯƠNG 3: CÔNG TƠ SỐ BA PHA EVM430-F . - Vi điều khiển trung tâm MSP430F47197 của công tơ điện tử EVM430-F . - Ứng dụng Vi điều khiển MSP430F47197 để thiết kế chế tạo công tơ số . - Sơ đồ nguyên lý của công tơ 3 pha sử dụng thiết kế công tơ EVM430-F . - Hạn chế về mặt tính toán và hiển thị hiện nay của công tơ 3 pha EVM430-F47197 của TI . - Mô tả về phần mềm và chương trình lập trình cho công tơ CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt