Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các SCADA phục cho ngành năng lượng thay thế cho nhập ngoại phần 1 nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị cơ bản xây dựng hệ SCADA mạng điện

Hội liên hiệp KHKT Việt nam
Liên hiệp hội kHKT công trình




Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nớc
Kc 03 Tự động hóa

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada
phục vụ cho ngành năng lợng
thay thế cho nhập ngoại
M số kc 03.11


Chủ nhiệm: PGS Nguyễn trọng quế



Phần 2
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
thiết bị cơ bản xây dựng hệ scada mạng điện

6684-2
28/11/2007


Hà nội 2003



1
MỤC LỤC


Chương I: Các khái niệm cơ bản, chọn phương án.
I. Các khái niệm cơ bản.
1. Dòng hiệu dụng
2. Đo công suất và năng lượng
II. Phương hướng của việc nghiên cứu transducer
III. Vi hệ thống ADE 7753
IV. Phân tích những vần đề kỹ thuật áp dụng vào ADE 7753
Chương II. Thiết kế các transducer, đo các đại lượng trên cơ sở ADE 7753
I. Phương hướng cơ bả
n
II. Các cách truy cập vào ADE 7753
III. Tổ chức hệ thống
Chương III. Xây dựng thiết bị.
I. Sơ đồ lắp ráp
II. Chương trình phần mềm

2

BÀI TÓM TẮT

Đây là nội dung của 5 đề tài nhánh 3,4,5,6,7 của đề tài Nhà nước KC – 03-
11 ký kết ngày 6/11/2001 với chủ nhiệm chương trình khoa học và công nghệ
trong diện Nhà nước KC – 03.
Nội dung của đề tài nhánh như sau:
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các transducer đo các đại lượng sau:
- Dòng và áp hiệu dụng
- Công suất và năng lượng tác dụng
- Công suất và năng lượng phản kháng
- Công suất và năng lượng biểu ki
ến
- Chu kỳ lưới điện
- Hệ số công suất cosφ.
Cấp chính xác của tất cả các thang đo 0,5% FS.
Đầu ra thống nhất hoá 4-20mA và ra nối tiếp kiểu số theo chuẩn RS 485
Có thể đặt được giá trị báo động.
Hợp đồng ký kết 11/2001/HD – DTCT – KC03.
Đây là những bộ biến đổi của các đại lượng điện cơ bản mà trong quản lý

điện (SCADA) cầ
n phải thu thập, có thể kết nối với các hệ thống đo lường và điều
khiển trong hệ thống điện Việt Nam. Trong đề tài đã áp dụng những thành tựu mới
nhất của vi hệ thống tức là các hệ thống ADE 775X của Analog devices ra đời
năm 1999 và đến nay mới đi vào hoàn thiện.
Tính năng của vi hệ thống này cao hơn hẳn các biển đổi lắp ghép bằng linh
kiện rời từ trước nay vẫn dùng.
3
Vi hệ thống này lại cho phép sử dụng rất linh hoạt, vì vậy đề tài đã bố trí
nghiên cứu thiết kế các transducer có dùng một kết cầu phần cứng. Phần mềm
được thiết kế để đặt được các thông số đo các đại lượng như nói trên.
Vì vậy, phần lập trình phải tổ chức theo kiểu menu. Khi cần đo đại lượng gì
ta chỉ cần chọn menu bằng 4 phím trên mặt máy.
Các s
ản phẩm được sản xuất ra ở dạng chế tạo thử và hoạt động tin cậy.
Ở đây có một ý nghĩa lớn là đã nghiên cứu một vi hệ thống hiện đại là cơ sở
của những biến đổi lớn trong kỹ thuật đo lường các đại lượng điện và không điện.
Ra được bộ biến đổi này cho ta có sổ cho các bộ biến đổ
i khác phát triển
các thiết bị đo ảo với giá thành rất rẻ.

Các tác giả

4
CHƯƠNG I
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN

I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Transducer điện là một bộ biến đổi đo lường, biến của các đại lượng về điện
trong lưới điện thành dòng điện một chiều thống nhất hoá 4-20mA hay biến
thành đại lượng số được truyền đi bằng mã nối tiếp theo các chuẩn xác định
(thông thường là RS 232 hay RS485)
Các đại lượng là:
Dòng và áp dụng hiệu dụng (I
rms,
U
rms)
Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến (P,Q,S)
Năng lượng tác dụng và phản kháng (W
a,
W
r
)
Chu kỳ lưới điện hay tần số, hệ số cosφ.
1. Dòng điện và điện áp hiệu dụng. Theo định nghĩa.
I

rms
=
dti
T
T
∫
0
2
1

i: Là dòng điện tức thời
T: Chu kỳ dòng điện.
Trong trường hợp đo lượng bằng số với bộ biến đổi tương tự số tốc độ cao
ta có:
I
rms
=
∑
=
N
Ii
i
I
N
2
1


I
i:

Dòng điện ở thời điểm thứ i
Đối với dòng điện hình sin ta có:

5
I
rms
=
dtSinatI
T
T
m
∫
0
22
)(
1
=
2
m
I

Trong công nghiệp, khi điện tử chưa phát triển người ta thường đo dòng
điện bằng có cấu điện từ trong ấy momen quay
M
q
=
α
d
dL
2

I
2

α
d
dL
: Biến thiên điện cảm cuộn dây tĩnh khi lõi thép quay
I: Dòng điện hiệu dụng
Cơ cấu điện từ này cho phép đo dòng hiệu dụng nhưng có những vấn đề
sau:
- Quan hệ với I không tuyến tính.
- Độ nhạy không cao, độ chính xác thấp.
Tuy thế, một thời gian dài nó được dùng chủ yếu do dòng điện xoay chiều
công nghiệp. Cấp công suất tiêu thụ 1-2Watt chính xác 1,5 và 2,5.
Để có độ chính xác cao hơn ng
ười ta dùng cơ cấu điện động.
Trong cơ cấu điện động ta có momen quay:
M
q
=
α
d
dM
I
1
.I
2
Cơ cấu điện dộng này cho phép nhân giữa I
1
và I

2
vì vậy nó có thể dùng đo
dòng điện, điện áp (I
1
= K
2
I
2
=KI) hoặc I
1
=K
2
I
2
= KV) M
q
= K
α
d
dM
12
hoặc có
thể dùng đo công suất.
(I = K
1
I; I
2
= K
v
V)

Loại cơ cấu điện động này chủ yếu dùng đẻ đo công suất hoặc đo U
v
khi cần
có độ chính xác cao.
Cấp chính xác cao nhất của dụng cụ này là 0,2% FS.
Công suất tiêu thụ 2-5Watt.
6
Trong các vạn năng kế người ta đi dòng và áp mạch chỉnh lưu bán dẫn tức
là đo dòng trung bình, sau đó suy ra dòng hiệu dụng bằng cách nhân với hệ số
1,11 là hệ số quan hệ giữa dòng hiệu dụng và dòng trung bình trong tín hiệu
hình sin.
Cơ cấu này có những khuyết điểm sau:
- Các diot chỉnh lưu không phải là phân tử lý tưởng, quan hệ giữa U và I
không tuyến tính.
- Hệ số chỉnh lưu diot thay đỏi theo nhiệ
t độ vì thế dụng cụ chỉnh lưu bằng
diot thay đổi theo nhiệt độ.
- Hệ số 1, 11chỉ đúng khi tín hiệu đo là hình sin
Cấp chính xác cao nhất của các dụng cụ chỉnh lưu chỉ là cấp 1,5
Nhiều công trình từ năm 1970 đến nay đã cố gắng đo dòng xoay chiều
chính xác cao.
Luận án Tiến sỹ của NguyễnVăn Tách đã đưa trên 130 tài liệu nghiên cứu
phương pháp đ
o dòng xoay chiều chính xác.
Với sự ra đời của nhiều linh kiện điện tử, nhiều sơ đồ đã được đưa ra để đo
chính xác dòng xoay chiều; các bộ transducer điện tử ra đời biến I, U hiệu dụng
thành dùng 0 – 10 mA; 0 – 20mA.
Sau khi ra đời các ADC chính xác cao, tốc độ lớn và sự phối hợp với vi điều
khiển giải quyết việc tính toán xử lý số liệu người ta mới đi đế
n phương pháp

rời rạc hoá xoay chiều, thu nhập và tính toán theo đúng công thức như đã định
nghĩa ở trên.
Liên tiếp các transducer vạn năng ra đời, vừa đo I, U, P, Q, S, W
a
, W
t
với độ
chính xác 0,5.
Sơ đồ chung của các transducer này là ADC tốc độ cao phối hợp với vi xử lý
hoặc ADC phối hợp với DSP.

7
2. Đo công suất và năng lượng
Theo định nghĩa: P= ui
Công suất P =
∫∫
=
N
ii
T
IU
N
uidt
T
1
0
11

Năng lượng W
a

=
tpdtp
T
T
.
1
0
=
∫

P: Công suất tức thời và tích của u và i
i, u: Dòng điện và điện áp tức thời
U
i
, I
i:
Dòng điện và điện áp tức thời tại thời điểm i.
P: Công suất trung bình.
W
a
: Năng lượng tác dụng.
Q: Công suất phản kháng.
Trước kia người ta đo công suất bằng cơ cấu điện động.
M
q
=
=ui
d
dM
α

12
Kw.ui
M
q
= Kw.U
m
sin
.t
ω
I
m
sin (
ϕ
ω
+
t
)

M
wl
= Kw
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
++
+
)1cos(2

2
U
cos
2
m
ϕωϕ
mmm
IIU
n
.t
ω
I
m
sin (
ϕ
ω
+
t
)
M
q
: Gồm 2 thành phần 1 thành phần không biến đổi và một thành phần hình
sin theo thời gian có tần số góc 2
ω
.
Cơ cấu điện động có quán tính rất lớn (tần số riêng <1 Hz) do đó không
theo kịp, không theo kịp sự biến biên của momen động; cuối cùng momen trung
bình.
M
th

= Kw

=
2
.
2
mm
IU
cosφ
M
th
= Kw

=U.Icosφ = Kwφ
Đối với đo năng lượng ta dùng cơ cấu cảm ứng.
8
Momen quay: M
q
= KΦ
u
Φ
i
sinφ
Ta phải chuyển M
q
= K.U.Icosφ
Muốn vậy:
Φ
0
= K

u
.U Φ = K
l
.I
cosφ = sinφ
Công tơ phải có nhiều hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng.
Momen quay M
q
lớn nên có thể kéo bộ đếm cơ khí ghi số trên công tơ.
Đĩa quay giữ chức năng là bộ tích phân nên:
N
x
= K.W
x
N
x
: Số vòng quay của điện công tơ
W
x
: Năng lượng truyền qua công tơ.
Cũng như đo U và I, có nhiều phương pháp ra đời dùng bộ phận nhân điện
và người ta chế ra transducer công suất, năng lượng
Các transducer vạn năng cho phép đo tất cả các đại lượng U, I, P, Q, S, W
a,
W
r,
T, cosφ được ra đời cùng với kỹ thuật ADC và µC.
II. PHƯƠNG HƯỚNG CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU TRANSDUCER
Người ta đã có transducer vạn năng và tranducer riêng biệt chỉ đo một đại
lượng xác định.

Thông thường transducer vạn năng thuận lợi hơn nhưng độ chính xác
thường kém hơn transducer chuyên dụng.
Nếu đảm bảo được sai số yêu cầu và giá thành vẫn giữ nguyên thì đứng về
phương diện công nghệ
việc vạn năng hóa transducer, tăng số lượng sản xuất
đạt thông số ở phần mền sẽ cho phép:
- Giảm giá thành lắp ráp chế tạo (phần cứng).
- Linh hoạt sử dụng (phần mềm).
9
Trong các transducer thông minh (Smart transmiter) người ta chế tạo phần
cứng rất giống nhau và dùng một hand held unit một communicator để đặt lại
thông số cho transmitter.
Vì vậy transducer thiết kế và chế tạo các yêu cầu sau:
1. Giảm tối thiểu phần cứng tức là phần cứng tối thiểu nhất về linh kiện các
IC, điện trở dung các công tắc đổi nối các đầu cắm
2. Thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá để dễ l
ắp đặt, dễ sử dụng.
3. Sử dụng tối đa khả năng phần mềm, linh hoạt hoá nhờ phần mềm.
4. Giảm giá thành chế tạo đến mức tối thiểu.
5. Đặc tính kỹ thuật nổi trội hơn các thiết bị từ trước đến nay.
6. Sử dụng các linh kiện hiện đại nhất để tăng các tính năng kể trên.
7. Vì như vậy: transducer U, I, P, Q, f, cosφ được chế tạo thống nhất phần
cứng khi cần đo sẽ dùng communication để đặt thông số.
Cũng vì như vậy mà ta chọn họ IC ADE 775X để thiết kế các transducer.
Vì bên ngoài chùng hoàn toàn giống nhau về cấu tạo. Khi cần biến đổi đại
lượng với yêu cầu khác nhau, ta có thể tác động vào phần mềm của IC để đáp
ứng các yêu cầu về đo lường.
Cấu trúc của transducer như hình vẽ 1.1.

SP1 RS485
SP1 4-20mA


Hình 1.1: Sơ đồ khối của transducer vạn năng
Transduer gồm vi mạch ADE 7753 của Analog devices là bộ biến đổi đa
năng có thể tác động vào trong mạch xử lý của nó.
V1 ADE
V2 7753

V2
V2
MCU

8052

D/A
10
Đầu vào là V
1
, V
2
(có nhiều cấp điện áp)
Thiết bị có khả năng:
- Lấy giá trị tức thời của V
1
,V
2
với tốc độ 894 ks/s.

- Tính được giá trị hiệu dụng của V
1rms
, U
2rms.

- Có thể làm phép nhân tức thời giữa V
1
và V
2
đưa ra kết quả tức thời.
- Có thể nhân, lấy tích phân để cho giá trị trung bình của tích ấy.
p(t) = V
1
(t).V
2
(t)
Tính P =
∑
=
N
ti
i
P
N
1

Tính P = V
1rms
, V
2rms.

Có thể tích luỹ lấy năng lượng
W=
∫
pdt

Với chức năng ấy cộng thêm có thể tác động vào để hiệu chỉnh các giá trị
hàng ADE 7753, việc ứng dụng ADE 7753 vào các lĩnh vực khác nhau sẽ rất đa
dạng không những trong các transducer về điện và ở nhiều lĩnh vực khác nữa.
Đứng về đặc tính kỹ thuật mà xét. ADE 7753 cho phép biến đổi tích V
1
, V
2

với sai số tổng là 0,1% là một kết quả không một nhà chế tạo tự lắp ráp từ các IC
rời có trong thị trường đạt kết quả đó.
Kết quả được đưa ra với tốc độ cao (47 kH
Z
) với tốc độ phân giải 24 bit là một
kết quả hết sức tốt cho việc sử lý các quá trình nhanh.
III. VI HỆ THỐNG ADE 7753.
Họ ADE 775X thực chất là một vi hệ thống vì có phần biến đổi đặc biệt đầu
vào, có bộ biến đổi tương tự số, có phần sử lý số liệu, có phần truyền tin nối tiếp
SPI.
ADE 7753 cơ bản vẫn là thuộc họ 775X nhưng có nh
ững đặc điểm sau:
Có đầy đủ tất cả các xử lý cần thiết để đảm bảo chất lượng kỹ thuật của bộ
biến đổi, có thể tác dụng vào các khâu khác nhau trong vi hệ thống.
Sơ đồ chức năng của ADE 7753 được giới thiệu ở hình 1.2.
11

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng của ADE7753

Có thể giải thích cách làm việc của ADE 7753 như sau:
Điện áp và 2 kênh V
1
và V
2
. Điện áp vào V
1
, V
2
có thể vi sai, có thể so đất.
Điện áp V
1
được truyền qua khuyếch đại vi sai PGA có thể thay đổi hệ số
khuyếch, có thể thay đổi 1, 2, 4, 8, 16. Điện áp cao nhất 0,5V. Thấp nhất
0,00781V, hệ số khuyếch đại có thể điều khiển được phần mềm.
Sau khi khuyếch đại tín hiệu được đưa vào ADC kiểu
∑
,
∆ 16 bit tần số lấy

mẫu là 894kS/s. Tín hiệu biến thành số được qua bộ lọc thông cao để loại trừ
offset ở đầu ADC. Sau đó qua bộ phân tích cũng là kiểu số. Bộ tích phân cho phép
đo từ cảm ứng ở cuộn dây đầu vào. Bộ tích phân này có thể xen vào có thể tách ra
khi cần thiết.
Tín hiệu sau tích phân chia làm 2 đường, đường thứ nhất đi vào bộ nhân với
tín hiệu lấy từ V
2
sang. Tín hiệu V
2
được điều chỉnh góc pha bù cho góc pha của
một trong 2 tín hiệu bị lệch pha trong V
1
, hoặc V
2.
Sau khi nhân xong số liệu đầu ra tỷ lệ với tích V
1
, V
2.
Số liệu này qua bộ lọc thông thấp để loại trừ những giao động tần số cao.
12
Sau đó chúng được công với nhau theo công thức tính toán
∑
11
1
IU
N
tức là
số liệu của P (công suất tác dụng). Số liệu công suất tác dụng được đưa vào bộ
register về công suất tác dụng (24 bit) số liệu này có thể chuyển ra ngoài thêo
cổng SPI.

Ngoài ra Analog devices còn bố trí một biến đổi số thành tần số (DFC) để
có tần số lấy ra CF dùng cho việc khắc độ thiết bị.
Đường thứ 2 được đưa đến bộ bình phương sau đó bộ lọc thông thấ
p. Bộ
cộng (lấy trung bình) và bộ căn để cho ra số liệu về điện áp hiệu dụng của U
1
và
U
2.
Số liệu này cũng được lấy ra ngoài qua cổng SPI.
Các giá trị hiệu dụng của cả 2 kênh được đưa vào nhân với nhau để cho ra
số liệu tỷ lệ với công suất biểu kiến.
Các số liệu tức thời cũng có thể lấy ra ngoài theo cổng SPI.
Ngoài ra trong ADE 7753 còn bố trí mạch phát hiện qua điểm zero, dùng để
cho số liệu về chu kỳ hay tần số.
Số liệu về cosφ
được tính quan P và S cosφ =
S
P

Tóm tắt đặc tính kỹ thuật của ADE 7753:
1. Đầu vào 2 điện áp xoay chiều có thang đo lớn nhất 500mV, thang bé
nhất 7,81mV phân giải 24 bit.
Chọn thang ADC
Tín hiệu vào
Max
0,5V 0,15V 0,12V
0,5V Gain = 1
0,25V Gain = 2 Gain = 1
0,125V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1

0,0625V Gain = 8 Gain = 4 Gain = 2
0,0313V Gain = 16 Gain = 8 Gain = 4
13
0,0156V Gain = 16 Gain = 8
0,00781V Gain = 16

2. Tín hiệu xoay chiều này có thể lấy ra giá trị tức thời và tần số 14KH
Z

(CLK/256) và 28KH
Z
(CLK/128)
3. Chọn được giá trị hiệu dụng của V
1rms
,V
2rms

4. Kênh

V
1
có một tích phân số, cjo phép đo được các đại lượng từ, các
thông số động lực học của thiết bị.
5. Chọn được tính tức thời của V
1
, V
2
cho phép ghi lại tình trạng công
suất khi có sự cố trong hệ thống điện (thay cho đầu rung công suất ở các
máy kiểm tra khi có sự số hiện nay) phân giải 24 bit.

6. Cho phép lấy trung bình của tích V
1
, V
2
để có công suất tác dụng
thông qua thiết bị.
7. Cho phép nhân V
1rms
với V
2rms
để có công suất biểu kiến
8. Tích luỹ năng lượng trong khoảng thời gian 10 giây
9. Cho phép phát hiện kiểm tra zero của lưới điện để làm mốc khởi đầu
cho các phép tích luỹ, cho phép đo tần số lưới điện với độ phân giải
cao.
10. Cho phép tính hệ số công suất cosφ .
11. Sai số tổng bé hơn 0,1% là sai số rất thấp so với các thiết bị đã có. Để

đảm bảo sai số ấy cần rất nhiều phep gia công như trong sơ đồ chức
năng.
12. Cho phép tác động và các nơi cần thiết của ADE 7753 để hiệu chỉnh
thay đổi thông số đảm bảo cho transducer rất chính xác yêu cầu đồng
thời rất linh hoạt trong sử dụng.


14
III. PHÂN TÍCH NHỮNG VẤN ĐỀ KỸ THUẬT ÁP DỤNG VÀO ADE
7753.
Một vấn đề cực kỳ quan trọng là các biện pháp kỹ thuật và công nghệ mà
Analog devices đã áp dụng để đảm bảo đặc tính kỹ thuật của ADE 775X

Để phân tích, ta sử dụng 2 sơ đồ ADE 7753 ADE 7754 dùng ở mạch điện một
pha và 3 pha.
I . Phân tích ở khía cạnh sai số và tổ chức xử lý.
Các bộ biến đổi IC ADE 775X hầu h
ết có độ chính xác rất cao sai số tổng
số đến 0,1% trên giải thang đo 500: 1 hoặc 1000: 1.
ADE 775X gồm 4 khâu:
1. Mạch khuếch đại vi sai đầu vào.
2. ADC tốc độ nhanh, 16 bit.
3. Xử lý lọc, nhân, tích phân, biến đổi tạo tần số từ số liệu số.
a. Tính toán sai số từng thành phần.
Theo sơ đồ chức năng của ADE 7753, ta có thể phân tích các hệ số biến
đổi như sau:
f
CF
= K
1
.G
1
.K
ADC
.K
U
.G
U
.K
ADC.
.G
φ
1

.K
φ
U
.K
φ
VA
.K
DFC
.F
0
.U. I
sai số:

CFI
γ
=
KI
γ
+
GI
γ
+2
γ
ADC
+
KU
γ
+
GU
γ

+
1
φ
γ
1
φ
γ
+
φ
γ
U
+
φ
γ
VA
+
AEC
γ
+
10
γ

K
1
: Hệ số biến đổi của biến dòng;
1K
γ
: sai số của biến dòng.
G: hệ số khuếch đại của mạch dòngđiện;
GI

γ
: Sai số của mạch khuếch V
1
.
K
ADC
: Hệ số biến đổi của ADC;
γ
ADC
: Sai số của ADC
K
0
: Hệ số phân áp của điện áp;
0k
γ
: Sai số của phân áp.
G
0
: Hệ số khuếch của mạch khuếch V
2

GU
γ
:

Hệ số khuếch của mạch
khuếch V
2
.
1

φ
γ
: Sai số gây nên do bộ lệch kênh I.
15
K
ФU
: Hệ số lọc thông cao của mạch U; γ
ФU
: Sai số gây ra cho bộ lọc kênh
U
K
ФVA
: Hệ số lọc thông thấp sau bộ nhân công suất trung bình.
φ
γ
VA
: Sai số gây nên do bộ lọc thông thấp VA.
K
DFC
: Hệ số biến đổi của mạch biến đổi số tần số.
φ
γ
DFC
: Sai số của bộ biến đổi số - tần số.
f
0
: Tần số chuẩn (Clock) của bộ IC.
10
γ
: Sai số tần số chuẩn.

Như vậy:
Các phép biến đổi từ U, I đến tần số ở đầu ra CF phải qua
nhiều khâu biến đổi nối tiếp và 1 phép nhân. Nếu chia đều các sai số trong
trong chuỗi biến đổi ấy thì mỗi thành phần sẽ phải đảm bảo một sai số:
10
yc
γ

(
yc
γ
: sai số yêu cầu )
Tức If sai số thành phần là 0,01% để đảm bảo sai số tổng là 0.1%.
Đây là một sai số rất nhỏ vượt qua những sai số hiện có lâu nay của các
thiết bị đo vì vậy phải có biện pháp thực hiện đã được Analog devices áp
dụng vào các IC ADE 775X một cách có hiệu quả.
b. Sai số của biến dòng:
Biến dòng ở đây không dùng ở chế độ hoàn toàn ngắn mạch mà có một
ph
ụ tải.
Đối với biến dòng thông thường, thứ cấp phải cung cấp cho cuộn dây
ampemet điện từ, tiêu thụ vào khoảng 1W, cuộn dây của Wattmet vá công tơ
tiêu thụ cỡ 2W. Vì thế sai số của các biến dòng công nghiệp không thể vượt
qua 0,2%.
Đối với bộ biến đổi ADE 7753 công suất tiêu thụ trong các mạch đo
p =
R
U
2

16
P =
000.400
5,0.5,0
= 0.6.10
6−
W
Công suất tiêu thụ mạch V
1
, V
2
không đáng kể.
Hệ số biến đổi của biến dòng được tính như sau:
Khi biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch thứ cấp ta có:

2
1
I
I
=
2
1
W
W

2
1
I
I
: Hệ số biến dòng điện.

W
2
: Số vòng thứ cấp.
W
1
: Số vòng sơ cấp (thường là 1).
W
2
= 1.
A
A
01,0
5
= 500 vòng.
Ví dụ:

I
1
= 5A
Ta muốn I
2
= 10mA.
Dòng thứ cấp là 10mA.
Để 1 điện áp 500mV.
R
s
sẽ phải là: 50Ω .
Công suất tiêu thụ trong mạch này sẽ là:
P = RI
2

= 50.(0,01)
2
= 0,005 W. Hình 2.3
P = 5mW.
Công suất này rất nhỏ nhưng dẫu sao cũng gây sai số do góc pha giữa
dòng sơ cấp và dòng thứ cấp.
Góc lệch pha này rất nhỏ (0,1
0
- 0,3
0
) nhưng nó gây ra sai số vượt 0,01% cho
nên phải được bù trừ.
Mạch bù pha bằng số trong AD 7753 được thực hiện một phép trễ - 34,7µs
tương ứng với góc 0,6
0
C.
Phazomet



I
1

17
Để chỉnh pha analog devices đã thực hiện 1 phép trễ
±
34,7 µs thực hiện bằng
một register điều khiển 6 bit
[
]

5,0
tức là tương ứng 1, 12 µs một LSB tức là 1 LSB
bù góc pha tương ứng với 4 nhịp clock hay 0
0
, 024.
Để chỉnh pha ta gọi PHCA (Phase calibration) ở địa chỉ 10h trên Memory
map.
Khi lắp đặt, ta bố trí một fazo met điện tử để đo góc pha giữa I
1
và I
2
trong
biến dòng. Từ đây ta tính giá trị trễ phải đặt trong mạch bù góc pha.
Nếu trong các phazomet có thang chỉ tφ.
Ví dụ
: tµ= + 12µs.
Ta phải đặt:
12,1
12
= 10,71 LSB.
Lấy chẵn là: 11 LSB.
Con số phải đặt trong register.
Theo hình vẽ sẽ là 22 – 1 = 21
Tức:

Vì thế để kiểm tra một biến dòng
có thể hoạt động với ADE 7753
hay không ta phải bố trí đo góc pha
giữa I
1

và I
2
. Nếu góc pha vượt
quá 0,6
0
hay thời gian quá ± 34,7 µs ta
phải có biện pháp giải quyết.
Hình 2.4: Điều chỉnh góc lệch pha trong ADE7753.
Nếu góc pha nằm trong sai số 0,6
0
hay
±
34,7 µs thì có thể dùng hiệu
chỉnh bằng phần mềm.
Khả năng hiệu chỉnh của phần mềm có thể giảm đến mức sai số đo góc
pha giảm xuống
± 1,12µs tức là với sai số 0,0056% ứng với tần số 50Hz.
0 1 0 1 0 1
18


0,0056% < 0,01% đảm bảo sai số bù pha cho bộ liên đới ADE 775X.
c. Sai số của phần áp.
Phân áp thực hiện bằng 2 điện trở được tính:
2
1
U
U
=
21

2
RR
R
+

Nếu R
1
, R
2
cùng làm bằng 1 vật liệu ở điều kiện như sau thì có thể
1
1
R
R
∆
=
2
2
R
R
∆
bù trừ cho nhau.
Điều này có thể thực hiện được khi dùng điện trở là mang máng với công
nghệ quang khác hay màng mỏng với công nghệ bốc hơi.
Bây giờ ta tính toán sai số của phần áp: Nguyên nhân sai số của phân áp chủ
yếu do nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi, do hệ số nhiệt độ của các điện trở khác
nhau sai số do nhiệt độ của áp được tính.
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
2
1
1
R
R
γ
=
)1(
1
11
tR
tR
α
α
+
-
)1(
2
22
tR
tR
α
α
+
=

)1)(1(
22
21
tt
tt
αα
αα
++
−

Tính gần đúng

γ
t.R1/R2
(
)
21
α
α
−
t.
Nếu hai điện trở được chế tạo cùng vật liệu
21
,
α
α
chỉ sai khác có 1 vài phần triệu
(2ppm); nhiệt độ làm việc giao động độ 10-20
0
C.

2
1
R
R
γ
= 20(
)
21
α
α
−
= 40-50 ppm
Tức sai số = 0.005%.
Nằm trong phạm vi cho phép.
Chú ý các điện trở phải có hệ số nhiệt độ như sau. Nếu không đảm bảo điều
này phải có công thức bù nhiệt độ ở phần mềm. Vì thế Analog devicer có bố trí
một cảm biến đo nhiệt độ trong mạch của IC.

19
d. Sai số của khuếch đại.
Điện áp V
1
, V
2
được đưa vào bộ khuếch đại mà hệ số khuếch đại biến thiên
được với các giá trị 1, 2, 4, 8, 16.
Bố trí mạch khuếch đại ADC và xử lý tín hiệu ADE 7753 cho ở hình 2.5.

Hình 2.5: Mạch PGA, ADC, xử lý tín hiệu và các tín hiệu ở kênh 1

Mạch khuếch đại phải có hệ số khuếch 1, 2,4, 8, 16 sai số khuếch đại gây ra
không quá 0,01% là một mạch rất khó thực hiện .
Khi thiết kế mạ
ch khuếch đại thuật toán ta có:
Tuỳ theo cách mắc của khuếch đại đảo đầu hay không đảo đầu:
G =
1
2
R
R
(có đảo dấu hay bù dòng điện ).
G = 1 +
1
2
R
R
( không đảo dấu hay bù điện áp).
Sai số khuếch đại gây nền gồm 2 thành phần sai số nhân tính và sai số công tính.
Sai số nhân tính do hệ số khuếch G thay đổi.
G
γ

=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
K
Gd
K
G
K
dK
1.
β
β

20
K: Hệ số biến đổi thuận của khuếch thuật toán (K rất lớn)
dk = K
max
-K
byr

G: Hệ số khuếch của mạch khuếch đại: G =
1
2
R
R

β
: Hệ sô phản hồi:
R
dR
R
dR
d
21
==
β
β

Hệ số này chủ yếu là do
1
2
R
R
và nó cũng được tính như sai số phân
áp.
- Sai số cộng tính chủ yếu là do nhiễu, do các nguyên nhân sau:
Nhiễu, trễ, trôi, lệch zero (drift, offset)
Trong tài liệu các khuyếch đại thuật toán đều có giá trị này và vì chúng độc lập
với nhau.

222
+∆+∆+∆=∆
offsetdriftn
a

a∆
: Sai số công tính tuyệt đối

n
∆
: Sai số do nhiễu chủ yếu nhiệt nhiễu thay đổi theo độ và tần số của
nguồn nhiễu.

drift
∆
: Trôi chủ yếu do nhiệt độ (trôi điểm công tác)


offset
∆
: Lệch điểm công tác hay lệch điểm zero ban đầu

n
a
a
X
∆
=
γ

a
γ
: Sai số cộng tính tương đối

a
∆
: Sai số cộng tính tuyệt đối

n
X
: Giá trị định mức đầu vào khuyếch đại
Đối với ADE 7753 có 3 định mức vào 0,5V; 0,25V và 0,125V
Như vậy
∆ a phải : ∆ a =
≤
V
mV
µ
5,12
000.10
125
=

21

Khoảng làm việc là
±
15
0
C so với 20
0
C vì vậy. Nhiễu phải không quá
0,5µV/
0

C và trôi cũng không quá giá trị đó.
Điều này phải được giải quyết bằng công nghệ và Analog device, với kinh
nghiệm hơn 30 năm sản xuất mạch tương tự mới có thể thực hiện được.
Về phần bù offset thì tuỳ theo thang đo của bộ biến đổi, offset có thể bù
± 20mV hoặc ± 50mV.
Bù offset có thể điều khiển được bằng register 8 bit, trong ấy 6 bit
[
]
50
−
bit
thứ; 6 không dùng, bit 7 dù để đóng mạch tích phân.
Hình 2.6 Chỉ cách điều hệ số khuyếch đại PGA và bù offset.
Hình 2.7 Chỉ cách bố trí điều khiển trong gain register của hệ số khuyếch
đại kênh 1 và kênh 2

22
Bảng 1: Ghi cách bố trí các thang đo của ADE 7753
Với cách bù offset như trên không giải quyết được vấn đề dư.
Offset người ta bố trí thân phần lọc số thông cao (HPF) để loại trừ ảnh
hưởng của offset dư.
Max signal
Chanel 1
ADC Input Range Selection
0,5V 0,25V 0,125V
0,5V Gain = 1 - -
0,25V Gain = 2 Gain = 1 -
0,125V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1
0,0625V Gain = 8 Gain = 4 Gain = 2
0,0313V Gain = 16 Gain = 8 Gain = 4
0,0156V - Gain = 16 Gain = 8
0,00781V - - Gain = 16

VEV.PrC 01/20
đ, Sai số của ADC
ADC ở đây là ADC chính xác cao, tốc độ cao.
Analog devices sử dụng ADC dựa trên nguyên lý
∑
∆.
cho hình vẽ 2.8
Tín hiệu đầu vào đi qua bộ lọc thông thấp tương tự trên cơ sở RC dùng để
lọc các nhiễu cao tần do can nhiễu vào mạch biến dòng hay mạch phân áp.

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của ADC
∑
∆−

23
Tìm hiểu qua bộ 1 bộ cong (
∑
). Sau khi được cong 1 bit (hay 1 LSB) tín
hiệu được tích phân và vào bộ so sánh có lưu giữ, đầu ra bộ so sánh đi vào một
DAC 1 bit. Đầu ra tăng hay giảm 1LSB tuỳ theo dấu ra của comparator, việc so
sánh này theo nhịp và cứ như thế sau 1 nhịp đầu ra của comparator có lưu số liệu
tăng lên 1 bit. Sau một số nhịp đầu ra của bộ
∑
lớn hơn đại lượng vào, bộ so
sánh đổi dấu.
DAC thay đổi 1 bit đổi dấu giảam xuống, để cho thấp hơn tín hiệu vào.
Đầu ra bộ biến đổi thay đổi theo từng bit được qua bộ lọc thông thấp đưa ra
kết quả. Bộ biến đổi tương tự số của Analog devices ở đây là bộ ADC
∑
-
∆
24
bit tốc độ 894KHz (Clock/4).
ADC này được để thiết kế để làm việc ở tần số 40 Hz – 2kHz.
Bây giờ ta tính toán xem các tính năng của ADC này như thế nào và
Làm thế nào thực hiện được.
ADC trong mạch ADE 7753 có độ phân giải 24 bit tức là sai số lượng từ

của ADC là
24
2
1
= 6.10
-7
.
Phương trình biến đổi của ADC được viết dạng:
U
X
= N
X
.LSB
1LSB = K
pa
./U
ref
.
K
pa
: Hệ số phân áp của DAC.
U
X
= N
X
.K
pa
.U
ref
.

Sai số
Nx
1
UREÌ
X
1
γγ
++=
pa
pa
x
U
K
dK
N

Nx
1
: Sai số do lượng tử tính ra là rất nhỏ.
24

pa
pa
K
dK
: Sai số do mạng lưới phân áp trong của ADC. Sai số này do công
nghệ phân áp và đối nối quyết định. Trong trường hợp dùng công nhgeej vi điện tử
trên 1 điện tích nhỏ, sự biến động nhiệt độ rất nhỏ
pa
pa

K
dK
< 10
-6
ref
γ
: Sai số của áp chuẩn.
Trong ADE 7753 người ta bố trí U
ref
có 3 giá trị: 2,42V, 1,21V và 0,6V
Phân tích sai số của U
ref
có 2 vấn đề:
Thứ nhất là tính ổn định theo nhiệt độ giao động 20
0
C tức là 0,04%
Trong khi đòi hỏi ADC phải có độ chính xác hay sai số bé hơn 0,01%, do đó phải
bố trí bù sai số nhiệt độ. Phân bù nhiệt đó này đã được đặt trong phần mềm của
DSP.
Thứ hai là giá trị thực tế của U
ref
, U
ref
ở trong ADE 7753 giao động 8% tức
là mỗi ADC phải có một bộ phận chỉnh U
ref
. Bộ phận chỉnh kết quả trược tiếp ra
sau từng ADC không thực hiện mà chỉ chỉnh ở giá trị U.

Hình ảnh và giá trị tức thời U và I lấy ra ở kênh 1 và kênh 2 cho ở Hình 2.9

Hình 2.9: Dạng sóng, giá trị của dòng và áp tức thời lấy ra ở các điểm khác
nhau trong kênh 1 và kênh 2.