Thiết kế xây dựng công tơ điện 1 pha sử dụng ADE7753 55

LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

Công suất điện xoay chiều một pha[1]

Hệ thống nguồn điện 1 pha với nguồn áp dạng sin lý tưởng và tải tuyến tính được mô tả bằng các phương trình: điện áp u(t) = 2×U×sin(ωt) và dòng điện i(t) = 2×I×sin(ωt + φ).

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

Công suất tác dụng là phần công suất điện có khả năng chuyển đổi thành các dạng công suất khác như cơ, nhiệt, hoặc hóa Đơn vị đo lường của công suất tác dụng 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:

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: cos

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 một quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kỳ, công suất tác dụng được xác định là tổng các công suất của các thành phần sóng hài.

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: sin

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)

Công suất biểu kiến là giá trị tối đa của công suất được cung cấp cho tải Để tính công suất biểu kiến, ta sử dụng công thức dựa trên giá trị hiệu dụng của điện áp (U) và dòng điện (I) được phân phối tới tải.

S= U I  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

Hình 1-1: Tam giác công suất

Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần trong mạch điện Đối với dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất được xác định là cosin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế Thực tế, người ta thường biểu thị hệ số công suất bằng ký hiệu "cos φ".

Năng lượng điện xoay chiều một pha

Cũng như công suất ta có:

 Năng lượng tác dụng: Ea=P x t

 Năng lượng biểu kiến: Es=S x t= E a 2 E r 2

Các phương pháp đo công suất [1]

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

Khi một cực điện áp kí hiệu là X – X được đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi của một từ trường, sẽ xuất hiện ở hai đầu X – X một thế điện động gọi là thế điện động Hall Thế điện động này được tính toán dựa trên các yếu tố liên quan đến từ trường và vị trí của cực điện áp.

Trong đó: kx : Hệ số biến đổi của cảm biến Hall

B : Độ từ cảm của từ trường

Thế điện động Hall tỉ lệ với công suất khi một trong hai đại lượng, chẳng hạn như từ trường B, tỉ lệ thuận với điện áp u, trong khi dòng điện i x là dòng đi qua phụ tải Để thực hiện một wattmet bằng chuyển đổi Hall, chúng ta cần đặt chuyển đổi vào khe hở của nam châm điện, với dòng điện qua cuộn hút L tương ứng với dòng điện qua phụ tải ZL Tại hai cực T – T, dòng điện sẽ chạy tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL, trong khi điện trở phụ RP giúp hạn chế dòng Hướng của từ trường được chỉ bởi các đường chấm chấm như mô tả trong 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 có khả năng đo công suất xoay chiều ở tần số lên đến hàng trăm MHz Loại watmet này nổi bật với ưu điểm không có quán tính, cấu tạo đơn giản, bền bỉ và đáng tin cậy Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là sai số do nhiệt độ lớn.

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, dòng điện I tạo ra điện áp U1 = I.R S, sau đó được đưa vào khuếch đại loga Điện áp rơi trên phụ tải được phân chia thành U2 và được đưa vào khuếch đại loga thứ hai Cuối cùng, điện áp ra từ hai khuếch đại loga sẽ được đưa vào bộ cộng và tiếp theo là bộ đối loga.

Ta có: Đầu ra của bộ cộng là: K1lnU1+K2lnU2 Đầu ra của bộ đối loga là: K1K2U1U2

 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 liên quan đến việc nhân các tín hiệu u u (tỉ lệ với điện áp trên tải cần đo) và ui (tỉ lệ với dòng điện trên tải cần đo) thông qua quá trình điều chế hai lần tín hiệu xung Các tín hiệu tương tự uu và ui được chuyển đổi thành các thông số như tần số, chu kỳ, biên độ và độ rộng của tín hiệu xung, sau đó thực hiện tích phân Các loại điều chế phổ biến thường được kết hợp trong quy trình này.

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

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

 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

Tại đầu ra của quá trình điều chế ĐRX, xuất hiện các xung có độ rộng t i = k.u i Tín hiệu này sẽ được đưa 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:

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 U 1 được đưa vào một bộ ADC biến thành số N 1 =K 1 U 1

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

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 E T =K I I 2 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

Hai cặp nhiệt được nối xung đối nên:

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

Do quán tính nhiệt của chuyển đổi lớn nên:

U ra tỷ lệ với công suất tác dụng P.

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

Cuối thập kỷ 80, sự phát triển vượt bậc của các vi xử lý đã cho phép thực hiện phép nhân tức thời của u và i thông qua phương pháp số Phương pháp này được minh họa rõ ràng 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 N 1t , N 2t tỷ lệ với giá trị tức thời của U 1 và U 2 Tích số: N t =N 1t N 2t tỷ lệ với giá trị tức thời của p

Bộ tổng cho phép thay cho tích phân pdt

Thiết bị đo điện năng được cấu trúc chung bao gồm một chuyển đổi dòng điện và một chuyển đổi điện áp, kết hợp với bộ chuyển đổi ADC để số hóa tín hiệu trước khi gửi vào bộ xử lý trung tâm Sau khi xử lý, dữ liệu được lưu trữ trong EFPROM và có thể hiển thị kết quả hoặc truyền ra ngoài để giao tiếp với thiết bị khác.

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

Giải pháp sử dụng DSP tích hợp ADC cho phép DSP xử lý tín hiệu số từ ADC, từ đó tính toán các đại lượng cần thiết để giao tiếp trực tiếp với các vi xử lý (MCU) và các thiết bị ngoại vi khác.

Hình 1-11: DSP tích hợp ADC[3]

Giải pháp sử dụng ADC tích hợp DSP trong hình 1-12 cho phép xử lý tín hiệu đo và tính toán các đại lượng cần thiết, nhưng cần thông qua vi xử lý (MCU) để giao tiếp với ngoại vi Cấu trúc này giúp các ADC đạt độ chính xác cao và thuận tiện trong sử dụng, đặc biệt là trong các IC đo công suất của hãng Analog Device.

Hình 1-12: ADC tích hợp DSP[3]

TỔNG QUAN VỀ ADE7753

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).

Mô tả hoạt động ADE7753

Hình 2-1: Sơ đồ chân của ADE7753

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 với hai đầu vào tín hiệu: kênh 1 nhận tín hiệu dòng điện và kênh 2 nhận tín hiệu điện áp Trước khi đưa vào ADE7753, các tín hiệu dòng điện và điện áp phải được biến đổi để đảm bảo điện áp đầu vào không vượt quá ±500mV so với AGND.

Mỗi kênh đầu vào được trang bị một bộ khuếch đại lập trình PGA với các hệ số khuếch đại có thể chọn là 1, 2, 4, 8, 16 Đặc biệt, ở đầu vào kênh 1, điện áp mẫu đưa vào ADC có thể được điều chỉnh với ba giá trị là 2.42V, 1.24V và 0.6V Việc thay đổi hệ số khuếch đại và giá trị điện áp mẫu được thực hiện thông qua thanh ghi GAIN 8 bit, như được minh họa trong Hình 2-3.

Quá trình chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số được thực hiện thông qua hai bộ ΣΔADC 16 bit với tần số lấy mẫu 894kps/s Sau khi tín hiệu số được tạo ra từ ADC, nó sẽ được xử lý qua bộ lọc thông cao để loại bỏ offset ở đầu vào của ADC Hoạt động của bộ ΣΔADC trong ADE7753 được minh họa rõ ràng qua Hình 2-4.

Hình 2-4: Hoạt động của bộ ΣΔADC

Sau khi tín hiệu số đi qua bộ ΣΔADC, các giá trị và đại lượng cần đo như năng lượng, công suất, chu kỳ, dòng điện hiệu dụng và điện áp hiệu dụng sẽ được xử lý và đưa ra.

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

Trong đó: T là chu kỳ tín hiệu

P là công suất tác dụng

Công suất tác dụng được xác định là thành phần một chiều của công suất tức thời, theo công thức 2-1 và 2-2 ADE7753 tính toán công suất tác dụng bằng cách đưa tín hiệu đầu ra của bộ ΣΔADC qua bộ nhân để lấy giá trị tức thời của công suất Tiếp theo, tín hiệu này được lọc qua bộ lọc thông thấp (LPF2) để tách thành phần một chiều P, như thể hiện trong sơ đồ ở Hình 2-5.

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

Để đọc giá trị công suất tác dụng, cần kiểm tra giá trị thanh ghi WAVEFORM khi thiết lập thanh ghi MODE[14:13] bằng 0, 0 và kích hoạt ngắt SWMP.

Công suất được định nghĩa là tỷ lệ dòng chảy của năng lượng, và mối quan hệ giữa công suất và năng lượng được thể hiện qua công thức.

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

Sau khi tín hiệu số đi qua bộ ΣΔADC, nó được nhân để tính giá trị công suất tức thời, sau đó giá trị này được đưa qua bộ lọc thông thấp nhằm loại bỏ các dao động tần số cao ADE7753 thực hiện tích phân công suất tức thời bằng cách liên tục tích lũy các tín hiệu công suất tác dụng sau khi đã qua lọc Giá trị năng lượng tác dụng được ghi vào thanh ghi AENERGY [23:0] Để hiệu chỉnh sai số đo, ADE7753 cung cấp hai thanh ghi APOS (16 bit) và WGAIN (12 bit) nhằm triệt tiêu giá trị offset và điều chỉnh công suất cũng như năng lượng.

ADE7753 cung cấp chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ tín hiệu để loại bỏ các thành phần dao động nhỏ trong năng lượng tác dụng Để kích hoạt chế độ này, cần đặt bit 7 (CYCMODE=1) trong thanh ghi MODE Trong quá trình tích lũy, năng lượng sẽ được lưu trữ trong thanh ghi LAENERGY trong n chu kỳ tín hiệu, với số nguyên nửa chu kỳ được ghi trong thanh ghi 16 bit LINECYC Khi quá trình tích lũy hoàn tất, cờ báo ngắt CYCEND trong thanh ghi trạng thái sẽ được thiết lập thành 1.

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 tối đa có thể phân phối đến tải, được xác định bằng tích giữa VRMS và IRMS 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

ADE7753 thực hiện tích phân công suất biểu kiến thông qua việc liên tục tích lũy tín hiệu công suất biểu kiến Năng lượng biểu kiến được lưu trữ trong thanh ghi 24 bit không dấu có tên VAENERGY Hình 2-9 minh họa phương pháp tính năng lượng biểu kiến trong ADE7753.

Việc hiệu chỉnh và bù sai số trong ADE7753 được thực hiện thông qua việc điều chỉnh sai số trong phép đo điện áp RMS và dòng điện RMS Bên cạnh đó, ADE7753 cũng cho phép hiệu chỉnh giá trị đầu ra của năng lượng tác dụng thông qua thanh ghi VAGAIN [11:0].

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:

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

ADE7753 có khả năng tính toán đồng thời giá trị hiệu dụng cho cả kênh 1 và kênh 2, với dữ liệu được lưu trữ ở các thanh ghi khác nhau Hình 2-10 minh họa chi tiết quá trình xử lý tín hiệu trong việc tính toán giá trị hiệu dụng tại kênh 1.

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

Giá trị dòng điện hiệu dụng IRMS được lưu trữ trong thanh ghi 24 bít không dấu, với giá trị đạt được là 1868467d (0x1C82B3) ở chế độ đầu vào lớn nhất là 0.5V.

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)

Giá trị dòng điện hiệu dụng có thể được điều chỉnh offset thông qua thanh ghi 12 bít IRMSOS, và giá trị này được thể hiện bằng công thức 2-7.

2.2.4 Tính điện áp hiệu dụng

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

Truyền thông nối tiếp trong ADE7753

ADE7753 giao tiếp với các thiết bị ngoại vi qua cổng SPI với bốn dây tín hiệu: DIN, DOUT, SCLK và CS Giao tiếp này được điều khiển bởi một thanh ghi truyền thông 8 bits, trong đó bit MSB (Most Significant Byte) xác định liệu hoạt động truyền dữ liệu tiếp theo là đọc hay ghi Các bit LSB (Least Significant Byte) từ A0 đến A5 chứa địa chỉ của thanh ghi cần truy cập.

Giao diện nối tiếp của ADE 7753 bao gồm 4 tín hiệu chính: SCLK, DIN, DOUT và CS Tín hiệu SCLK cung cấp nhịp xung cho việc truyền dữ liệu, với khả năng sử dụng sườn lên hoặc sườn xuống làm xung clock Tất cả các hoạt động truyền dữ liệu được đồng bộ với xung clock này, trong đó dữ liệu được truyền vào ADE7753 qua chân DIN khi có sườn xuống của xung clock, và dữ liệu được truyền ra qua chân DOUT Chân CS, dùng để chọn chip, có vai trò quan trọng khi nhiều thiết bị cùng sử dụng giao diện nối tiếp; xung sườn xuống ở chân này không chỉ reset mà còn đặt ADE 7753 vào chế độ truyền thông Mức logic của chân CS phải ở mức thấp trong suốt quá trình truyền dữ liệu, và nếu đặt ở mức cao, hoạt động truyền sẽ bị bỏ qua, đưa bus nối tiếp vào trạng thái cao trở Chân CS có thể được đặt thấp khi chỉ có ADE7753 sử dụng bus nối tiếp, nhưng nếu chân này luôn ở mức thấp, tất cả các hoạt động truyền dữ liệu đã bắt đầu phải được kết thúc.

2.3.1 Quá trình ghi dữ liệu

Việc nhập dữ liệu vào ADE 7753 diễn ra khi thiết bị ở chế độ truyền thông, bắt đầu bằng cách ghi dữ liệu vào thanh ghi truyền thông Bit MSB được đặt giá trị 1 để chỉ định hoạt động ghi dữ liệu, trong khi các bit LSB xác định địa chỉ thanh ghi Quá trình truyền dữ liệu bắt đầu với xung sườn xuống của SCLK, và dữ liệu được truyền từng Byte một Sau khi một Byte được đưa vào cổng nối tiếp, sẽ có thời gian hạn chế trước khi nó được chuyển tới thanh ghi trên chip Mặc dù một Byte có thể vào cổng nối tiếp trong khi Byte trước đang được xử lý, nhưng hoạt động truyền byte không nên kết thúc sớm hơn 4 µs sau khi Byte trước đó đã được truyền.

Hình 2-13: Quá trình ghi của ADE7753

2.3.2 Quá trình đọc dữ liệu

Dữ liệu từ ADE7753 được xuất ra qua chân DOUT trên sườn lên của SCLK Để thực hiện quá trình đọc dữ liệu, cần phải ghi dữ liệu vào thanh ghi truyền thông trước Trong chế độ truyền thông (CS ở mức thấp), việc ghi 8 bit vào thanh ghi diễn ra đầu tiên, với bit MSB của byte truyền ở mức 0 để chỉ ra rằng quá trình tiếp theo là đọc, trong khi bit LSB chứa địa chỉ của thanh ghi cần đọc ADE7753 bắt đầu di chuyển dữ liệu ra ngoài thanh ghi trên sườn lên tiếp theo của SCLK, lúc này đầu ra DOUT không còn ở trạng thái trở kháng cao và bắt đầu truyền dữ liệu lên bus Tất cả các bit còn lại của thanh ghi dữ liệu sẽ được chuyển ra ngoài trên sườn lên tiếp theo của SCLK Giao diện nối tiếp sẽ chỉ nhập lại chế độ truyền thông khi quá trình đọc hoàn tất, và đầu ra DOUT sẽ trở về giá trị trở kháng cao trên sườn xuống của SCLK cuối cùng Quá trình đọc có thể bị hủy bằng cách đặt đầu vào CS ở mức cao trước khi truyền dữ liệu hoàn thành, khiến đầu ra DOUT nhận giá trị trở kháng cao trên sườn lên của CS.

Khi thanh ghi ADE7753 được địa chỉ hóa để đọc, toàn bộ nội dung của nó sẽ được truyền tới cổng nối tiếp Điều này cho phép ADE7753 thực hiện việc sửa đổi thanh ghi trên chip mà không làm sai lệch dữ liệu.

Trong quá trình đọc dữ liệu, việc thực hiện lệnh đọc sau khi ghi vào thanh ghi truyền thông cần được chú ý, vì nếu xảy ra trong khoảng thời gian 4µs, có thể dẫn đến mất dữ liệu Sau khi hoàn tất quá trình ghi, nếu lệnh đọc được gửi trong khoảng 4µs, byte cuối của thanh ghi có thể bị mất.

Hình 2-14: Quá trình đọc của ADE7753

Hiệu chỉnh và bù sai số

ADE7753 cung cấp khả năng khuếch đại và bù giá trị offset để hiệu chỉnh công suất tác dụng và công suất toàn phần Thiết bị này cũng cho phép hiệu chỉnh sai pha trong các thành phần công suất tác dụng, công suất toàn phần và công suất phản kháng Khi sử dụng điện trở shunt, việc bù offset và hiệu chỉnh pha sẽ không cần thiết Quá trình hiệu chỉnh có thể thực hiện thông qua một công tơ chuẩn hoặc một nguồn chuẩn.

Khi sử dụng công tơ chuẩn, tần số đầu ra của chân CF cần được hiệu chỉnh để phù hợp với công tơ chuẩn Xung đầu ra CF phản ánh giá trị năng lượng tích lũy trong ADE7753.

ADE7753 hỗ trợ chế độ cộng dồn chu kỳ để hiệu chỉnh năng lượng sử dụng một nguồn chuẩn Phương pháp này điều chỉnh tỉ lệ cộng dồn năng lượng tác dụng nhằm tạo ra xung tần số CF, giúp giảm thiểu gợn sóng nhiễu trong thành phần năng lượng Số nguyên lần nửa chu kỳ có thể cộng dồn lên đến 65535, mang lại giá trị năng lượng ổn định cho việc tính trung bình Thời gian cộng dồn được xác định từ chu kỳ điện áp đo được qua thanh ghi PERIOD và số nguyên lần nửa chu kỳ được cài đặt thông qua thanh ghi LINECYC trong ADE7753.

Giá trị offset trong năng lượng biểu kiến được điều chỉnh dựa trên giá trị offset của điện áp và dòng điện hiệu dụng, cùng với hệ số khuếch đại Hình 2-15 minh họa quy trình tối ưu để 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

Hiệu chỉnh giá trị RMS

Hiệu chỉnh hệ số khuếch đại giữa năng lượng tác dụng và năng lượng biểu kiến có thể được thực hiện đồng thời khi đọc thanh ghi cộng dồn năng lượng toàn phần và 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 hỗ trợ điều chỉnh hệ số khuếch đại và bù giá trị offset cho năng lượng phản kháng Tuy nhiên, một phần năng lượng phản kháng có thể được hiệu chỉnh bên ngoài thông qua MCU.

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

Để hiệu chỉnh hệ số khuếch đại, bước đầu tiên là xác định điện áp cấp, dòng điện kiểm tra và dòng điện lớn nhất cho công tơ Ngoài ra, cần có một hằng số công tơ để xác định xung đầu ra CF.

Có thể tùy chỉnh hằng số công tơ để điều chỉnh và xác định xung đầu ra của CF, ví dụ như chọn hằng số công tơ là 3200imp/KWh hoặc 3.2imp/Wh.

Tần số chân CF mong muốn: exp

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 mỗi xung CF đầu ra được điều chỉnh thông qua việc cài đặt các hệ số CFNUM, CFDEN và WDIV trong các thanh ghi tương ứng.

Thời gian tích lũy (t ac) được xác định từ giá trị chu kỳ dòng điện và số nửa chu kỳ dòng điện được cài đặt trong thanh ghi LINECYC.

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

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

WATT OFFSET Hiệu chỉnh pha

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

Wh LSB MeterConstant(imp/Wh)

Trong thiết kế công tơ, cần giữ WDIV, CFNUM và CFDEN là hằng số cho tất cả các công tơ để đảm bảo giá trị Wh/LSB được duy trì ổn định.

Thanh ghi WGAIN được sử dụng để hiệu chỉnh công tơ, giúp điều chỉnh cả CF và AENERGY theo một điều kiện tải xác định với giá trị kỳ vọng danh nghĩa là 12.

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

CF đại diện cho xung đầu ra của công tơ chuẩn Khi sử dụng nguồn chuẩn để thực hiện hiệu chỉnh, WGAIN sẽ được xác định cho đến khi giá trị năng lượng tác dụng tương ứng với xung CF đầu ra đạt được.

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

Trong đó: CF Ib là giá trị tần số xung đầu ra của đồng hồ đo

CF ref(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:

2.4.1.2 Hiệu chỉnh WGAIN sử dụng nguồn chuẩn

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

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

Bước 2: Đặt giá trị I TEST =I B , V TEST =V NOM , PF=1

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

Để thiết lập chế độ tích lũy năng lượng theo chu kỳ, hãy chọn chế độ này và bật cờ báo ngắt CYCEND Tiếp theo, để xóa toàn bộ ngắt, cần đọc thanh ghi RSTSTATUS và chờ cho 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 LAENRGY Expected để đưa ra hệ số WGAIN

Công thức tính WGAIN được thể hiện qua:

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 )

Trong đó CFIb(expected) được xác định bằng công thức 2-10, t ac 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

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

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.

Sơ đồ khối hệ thống

Công tơ điện tử 1 pha và thiết bị đọc cầm tay truyền RF là hai thành phần thiết yếu trong hệ thống đo đếm điện năng Công tơ điện tử 1 pha được lắp đặt tại hộ gia đình để ghi nhận và lưu trữ lượng điện năng tiêu thụ Vào ngày chốt số hàng tháng, nhân viên điện lực sử dụng thiết bị đọc cầm tay để tự động thu thập và lưu trữ các giá trị điện năng tiêu thụ của từng hộ gia đình.

Hình 3-1: Sơ đồ khối hệ thống

Trong đồ án này, tôi sẽ phân tích và thiết kế một công tơ điện tử 1 pha sử dụng công nghệ truyền RF Thiết kế thiết bị đọc cầm tay sẽ được trình bày chi tiết trong cuốn đồ án tốt nghiệp.

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

Sơ đồ khối công tơ điện tử

Khi công tơ hoạt động, điện áp và dòng điện được lấy mẫu riêng biệt và gửi đến IC ADE7753 để tính toán công suất, năng lượng và điện áp, sau đó lưu trữ vào các thanh ghi tương ứng Vi điều khiển giao tiếp với ADE7753 qua chuẩn SPI để đọc giá trị thanh ghi, xử lý và 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, với việc truyền dữ liệu sử dụng công nghệ RF do Trần Tùng Lâm thiết kế Báo cáo này không đi sâu vào chi tiết thiết kế thiết bị đọc cầm tay bằng sóng RF.

SƠ ĐỒ KHỐI CÔNG TƠ ĐIỆN TỬ

HIỂN THỊ LCD HIỂN THỊ LCD

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

Yêu cầu của khối nguồn:

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

 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

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 chỉnh lưu qua mạch cầu DB107 1A 700V Điện áp sau khi chỉnh lưu được đưa vào IC TLV1117_5V để tạo nguồn 5VDC cho mạch ADE7753 và LCD Nguồn 5VDC tiếp tục được sử dụng làm đầu vào cho IC TLV1117_3.3V, từ đó cung cấp nguồn 3.3VDC cho khối vi điều khiển và khối RF Cả hai IC nguồn TLV1117_5V và TLV1117_3.3V đều đảm bảo dòng điện ổn định cho hệ thống.

I out =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

3.3.2 Khối vi điều khiển trung tâm

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

Texas Instruments cung cấp nhiều IC phù hợp với nhu cầu thiết kế, như MSP430F5510, MSP430F5438, MSP430F478 và MSP430F5358 Đặc biệt, MSP430F5419 được lựa chọn để thuận tiện cho việc thiết kế thử nghiệm với chuẩn kết nối UART, đồng thời có giá thành hợp lý.

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

 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 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

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 đất qua các tụ Bypass giúp lọc nhiễu cao tần cho nguồn nuôi vi điều khiển Để đạt hiệu quả tối ưu, cần lựa chọn các tụ có điện dung nhỏ, cụ thể là C = 100nF.

Thạch anh có tần số lên tới 32 MHz có thể được sử dụng để cung cấp dao động cho vi điều khiển Trong thiết kế với tần số lựa chọn là 16 MHz, tụ điện C12 và C13 được sử dụng với giá trị bằng nhau.

Khối reset cho vi điều khiển được thực hiện khi chân 𝑅𝑆𝑇 chuyển từ 1 xuống 0 Đối với dòng vi điều khiển MSP430, xung reset có độ rộng nhỏ, do đó cần lựa chọn tụ và điện trở reset phù hợp, với giá trị R 5 = 10kΩ và C 6 = 1nF.

Vi điều khiển MSP430 hỗ trợ nạp chương trình trực tiếp qua giao thức JTAG Để thực hiện điều này, cần thiết kế một header bốn chân bao gồm VCC 3,3V, GND, cùng với hai chân kết nối đến TEST và RST của vi điều khiển, nhằm thực hiện quá trình nạp chương trình cho chip qua JTAG.

3.3.3 Khối chuyển đổi dòng điện

ADE7753 được tối ưu hóa cho việc sử dụng với cảm biến dòng Shunt, cuộn dây Rogowski, và biến dòng (CT) Bài viết này sẽ phân tích những ưu và nhược điểm của từng phương pháp, đồng thời đưa ra hướng dẫn lựa chọn phù hợp cho đồ án.

Điện trở Shunt là một thiết bị đo chính xác với trở kháng thấp, được sử dụng để đo dòng điện AC và DC, với chi phí thấp và phổ biến trong các thiết bị đo đơn giản Tuy nhiên, cuộn cảm ký sinh có mặt trong điện trở Shunt có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo, với giá trị thường chỉ vài nH Cuộn cảm ký sinh này cũng tác động trực tiếp đến pha của tín hiệu, như thể hiện trong hình 3-7 về 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)

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 giải pháp phổ biến cho việc đo năng lượng, nhưng giá trị của nó có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Do đó, trở shunt thường không được ưa chuộng cho việc đo dòng điện lớn.

Biến dòng (CT) là thiết bị chuyển đổi dòng điện sơ cấp thành dòng điện thứ cấp, cho phép đo đạc dòng điện cao mà vẫn tiêu thụ ít công suất.

Dòng từ hóa ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi tín hiệu dòng và áp trong cảm biến dòng (CT) từ 0.1 o đến 0.3 o, và nếu không được hiệu chỉnh đúng cách, sẽ dẫn đến sai số trong phép đo Công thức tính sai số được trình bày trong công thức 3-1 Bên cạnh đó, lõi từ trong CT có thể bị bão hòa khi hoạt động ở tần số cao, và hiện tượng từ hóa trong lõi từ có thể tạo ra sóng hài, làm giảm độ chính xác của phép đo nếu không có biện pháp khử từ Hình 3-8 minh họa đường cong từ hóa của vật liệu ferrit.

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

CT bão hòa xảy ra khi dòng điện vượt quá tỷ lệ cho phép hoặc khi có thành phần 1 chiều trong dòng Giải pháp hiệu quả để khắc phục tình trạng này là sử dụng lõi ferrite với độ từ thẩm cao Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là góc dịch pha sẽ cao hơn so với CT sử dụng lõi sắt.

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:

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:

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:

Rogowski không thể đo dòng một chiều nhưng có khả năng đo dòng xoay chiều lên đến hàng nghìn Ampe Với thiết kế không có lõi sắt (lõi không khí), Rogowski duy trì tính phi tuyến trên dải đo rộng, từ vài mA đến hàng trăm Ampe.

Sau khi phân tích và so sánh ưu nhược điểm của các loại cảm biến, cuộn Rogowski nổi bật với khả năng đo dòng lớn, giá thành thấp và không có hiện tượng từ trễ Tuy nhiên, do khó khăn trong việc tìm mua cuộn Rogowski và thời gian thực hiện đồ án có hạn, tôi đã quyết định chọn biến dòng CT để thực hiện chuyển đổi tín hiệu dòng vào kênh 1.

Hình 3-11: Sơ đồ khối chuyển đổi dòng

LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH

Lưu đồ thuật toán chương trình cho vi điều khiển

4.1.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính

START START Đọc dữ liệu KWh0 từ bộ nhớ

Tính giá trị KWh=KWh0 + ΔKWh

Ghi giá trị KWh mới vào

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 thông số như điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng, điện năng tác dụng và hệ số công suất của tải tiêu thụ giúp người dùng theo dõi trực tiếp tình trạng lưới điện và thiết bị tiêu thụ.

Chương trình chính sẽ thực hiện việc ghi giá trị năng lượng mới vào FLASH khi ΔKWh>1

ΔKWh là chênh lệch điện năng tác dụng được tính toán từ thời điểm ghi dữ liệu từ FLASH cho đến khi đọc giá trị thanh ghi RAENERGY Công thức tính ΔKWh là yếu tố quan trọng trong việc xác định mức tiêu thụ điện năng.

Trong đó Ke (KWh/LSB) là số KWh trên

1 LSB của thanh ghi năng lượng K e được tính theo công thức 4-6

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 sẽ được cập nhật sau mỗi 30 giây, với một ngắt timer được kích hoạt để thực hiện các thao tác này Các hoạt động chính trong chương trình ngắt được minh họa rõ ràng trong lưu đồ Hình 4-2.

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,

Tính U, I, Tần số, năng lượng

ENTI ENTI 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 trữ trong thanh ghi RAENERGY, trong khi giá trị điện áp hiệu dụng, dòng điện hiệu dụng và chu kỳ được ghi nhận lần lượt trong các thanh ghi VRMS, IRMS và 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

Trong đó: Ku (V/LSB) là số điện áp đầu vào trên 1 LSB của thanh ghi VRMS K u tính theo công thức 4-7

Tính toán dòng điện hiệu dụng

Trong đó: Ki (I/LSB) là số dòng điện trên 1LSB thanh ghi IRMS K i tính theo công thức 4-8

Tính toán tần số lưới điện

Trong đó: K f là hệ số biến đổi tần số theo thanh ghi chu kỳ đọc về Kf được tính theo công thức: f 8

Trong đó: CLKIN là giá trị của thạch anh tạo dao động đầu vào

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

Khi thiết bị cầm tay yêu cầu gửi dữ liệu, module CC1101 sẽ nhận tín hiệu RF và chân GDO0 sẽ chuyển mức logic từ 1 xuống 0 Lúc này, MCU sẽ thực hiện chương trình ngắt để truyền dữ liệu về thiết bị đọc, bao gồm thông tin về điện năng tiêu thụ tại thời điểm yêu cầu Lưu đồ thuật toán cho quá trình gửi dữ liệu được minh họa trong Hình 4-3.

Flag == 1 ? // ngắt khi nhận xong gói tin Đọc RX FIFO

Ghi TX FIFO: Mã công tơ

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

Lưu đồ thuật toán cho việc hiệu chỉnh

Hiệu chỉnh công tơ là bước quan trọng trước khi đưa vào hoạt động, đảm bảo độ chính xác cao ADE7753 tích hợp ADC chính xác và sử dụng điện áp mẫu Uref được bù nhiệt độ tự động Ngoài ra, ADE7753 thực hiện hiệu chỉnh các hệ số tỷ lệ, pha và giá trị offset thông qua các thanh ghi như APOS, WGAIN, PHCAL, IRMSOS, VRMSOS, VAGAIN, CFNUM, CFDEN, VADIV, WDIV Quá trình này giúp giảm thiểu nhiễu, đảm bảo kết quả đo lường đạt yêu cầu về độ chính xác.

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, watt offset và KWh/LSB là bước quan trọng trong việc đo năng lượng tác dụng, nhằm xác định chính xác lượng điện năng tiêu thụ tương ứng với mỗi LSB trong thanh ghi năng lượng.

Hiệu chỉnh giá trị offset và hệ số I/LSB cho phép đo dòng điện hiệu dụng, trong đó 1 LSB trong thanh ghi IRMS tương ứng với mức tiêu thụ dòng điện Đồng thời, cần điều chỉnh giá trị offset và hệ số V/LSB, với 1 LSB trong thanh ghi VRMS tương ứng với điện áp hiệu dụng đưa vào.

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 bao gồm CFNUM, WGAIN, APOS và KWh/LSB đã được trình bày ở mục 2.4.1 và 2.4.2 Trước tiên, cần hiệu chỉnh các giá trị CFNUM, WGAIN và APOS Sau khi hoàn tất việc hiệu chỉnh các hệ số này, chúng ta mới tiến hành hiệu chỉnh giá trị KWh/LSB.

Hiệu chỉnh giá trị thanh ghi APOS là cần thiết để đảm bảo rằng giá trị thanh ghi năng lượng sẽ trở về 0 khi không có năng lượng tích lũy Nếu không thực hiện việc điều chỉnh offset, các nhiễu xuyên âm trong thiết kế PCB hoặc do chính IC gây ra có thể dẫn đến sai số trong phép đo.

Hình 4-4 minh họa lưu đồ thuật toán cho quá trình hiệu chỉnh giá trị năng lượng tác dụng, được xây dựng dựa trên lý thuyết của nhà sản xuất nhằm phục vụ cho việc hiệu chỉnh hiệu quả.

Khởi tạo các giá trị

Ghi vào thanh ghi tương ứng

Ghi vào thanh ghi tương ứng Đặt tải thuần trở có (U"0V, IbZ) Đặt tải thuần trở có (U"0V, IbZ)

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

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

Kiểm tra xem cờ báo ngắt = 1?

(bit CYCEND trong thanh ghi

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

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"0V, Imin@mA) Đặt tải thuần trở có (U"0V, Imin@mA)

Cài đặt chế độ CYCMODE (Adr 0x09=0x0080) Cho phép ngắt CYCEND (Adr 0x0A=0x0004) Ghi LINECYC(Ib) (adr 0x1C)

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

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

Tính giá trị APOS Tính giá trị APOS

Tính giá trị WGAIN Ghi vào thanh ghi tương ứng

Kết thúc quá trình hiệu chỉnh

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 điều chỉnh các giá trị WGAIN và APOS, chúng ta tiến hành hiệu chỉnh lại hệ số KWh/LSB để phục vụ cho quá trình tính toán năng lượng tác dụng trong chương trình.

Hiệu 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"0V, IbZ) Đặt tải thuần trở (U"0V, IbZ)

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

CYCEND=1? N Đọc thanh ghi LAENERGY(1) Đọc thanh ghi LAENERGY(1)

1 1 Đọc chu kỳ Period của lưới (Adr 0x27) Đọc chu kỳ Period của lưới (Adr 0x27)

Tính hằng số KWh/LSB Tính hằng số KWh/LSB

Kết thúc quá trình hiệu chỉnh Kết 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:

Trong đó tac được tính theo công thức 2-12

4.2.2 Hiệu chỉnh phép đo điện áp hiệu dụng

Chương trình hiệu chỉnh điện áp hiệu dụng

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt

Cho phép ngắt zero-crossing

ZX=1? N Đặt giá trị U1"0V Đặt giá trị U1"0V

Y Đặt giá trị U2"V Đặt giá trị U2"V

Cho phép ngắt zero-crossing (Adr 0x0A = 0x0010)

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

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt (Đọc thanh ghi 0xRSTATUS)

ZX=1? N Đặt giá trị U"0V Đặt giá trị U"0V Đọc giá trị thanh ghi VRMS

(VRMS1) Đọc giá trị thanh ghi VRMS

Y Đọc giá trị thanh ghi VRMS (VRMS2) Đọc giá trị thanh ghi VRMS (VRMS2)

Tính giá trị VRMSOS Ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng

Tính giá trị VRMSOS Ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng Đọc giá trị thanh ghi VRMS (VRMS) Đọc giá trị thanh ghi VRMS (VRMS)

Tính giá trị V/LSB Tính giá trị V/LSB

Kết thúc chương trình hiệu chỉnh Kết thúc chương trình hiệu chỉnh

Để hiệu chỉnh điện áp hiệu dụng, cần điều chỉnh giá trị offset (VRMSOS) và hệ số V/LSB, với hệ số V/LSB thể hiện mối quan hệ giữa đơn vị trong thanh ghi VRMS và điện áp đầu vào Mặc dù hệ số V/LSB có thể được tính toán qua thiết kế phần cứng, để đạt được độ chính xác cao hơn, cần tính lại hằng số này Quá trình hiệu chỉnh hệ số V/LSB diễn ra sau khi đã hoàn tất việc điều chỉnh hệ số offset và ghi lại giá trị tương ứng.

Công thức tính hệ số V/LSB:

V là giá trị điện áp chuẩn đưa vào ADE7753

VRMS: Giá trị thanh ghi đọc về

4.2.3 Hiệu chỉnh phép đo dòng điện hiệu dụng

Chương trình hiệu chỉnh dòng điện hiệu dụng

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt

Cho phép ngắt zero-crossing

ZX=1? N Đặt giá trị I1 Đặt giá trị I1

Y Đặt giá trị I2=0.4A Đặt giá trị I2=0.4A

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

Xóa thanh ghi trạng thái ngắt (Đọc thanh ghi 0xRSTATUS)

ZX=1? N Đặt giá trị IZ Đặt giá trị IZ Đọc giá trị thanh ghi IRMS

(IRMS1) Đọc giá trị thanh ghi IRMS

Y Đọc giá trị thanh ghi IRMS (IRMS2) Đọc giá trị thanh ghi IRMS (IRMS2)

Tính giá trị IRMSOS Ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng

Tính giá trị IRMSOS Ghi giá trị vào thanh ghi tương ứng Đọc giá trị thanh ghi IRMS (IRMS) Đọc giá trị thanh ghi IRMS (IRMS)

Tính giá trị I/LSB Tính giá trị I/LSB

Kết thúc chương trình hiệu chỉnh Kết thúc chương trình hiệu chỉnh

Để hiệu chỉnh giá trị dòng điện hiệu dụng, cần điều chỉnh giá trị offset (IRMSOS) và hệ số I/LSB Hệ số I/LSB cho biết một đơn vị trong thanh ghi IRMS tương ứng với bao nhiêu dòng điện Mặc dù có thể tính toán hệ số này qua thiết kế phần cứng, để đảm bảo độ chính xác, cần tính lại hằng số này Việc hiệu chỉnh hệ số I/LSB được thực hiện sau khi đã điều chỉnh hệ số offset và ghi lại giá trị tương ứng.

Công thức tính hệ số I/LSB:

I là giá trị dòng điện đưa vào ADE7753

IRMS: Giá trị thanh ghi đọc về

KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Tiêu đề	Thiết Kế Xây Dựng Công Tơ Điện 1 Pha Sử Dụng ADE7753
Tác giả	Nguyễn Văn Đưa
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Thị Lan Hương, TS. Nguyễn Việt Tùng
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa HN
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Đo Và Tin Học Công Nghiệp
Thể loại	Nhiệm Vụ Thiết Kế Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2014
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	3,16 MB