Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều khiển tự động hệ số công suất trong công nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ TIN HỌC TỰ ĐỘNG HÓA








BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ĐỀ TÀI NCKH&PTCN CẤP BỘ NĂM 2011



Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHIỆP










Cơ quan chủ trì: VIỆN NC ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HÓA

Chủ nhiệm đề tài: Ths. Mai Văn Tuệ










9174



HÀ NỘI - 12/2011
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC
1
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 3
Phần 1: MỞ ĐẦU 4
1.1 Hệ số công suất là gì? 4
1.2 Tại sao cần phải nâng cao hệ số công suất? 6
1.3 Làm thế nào để nâng cao hệ số công suất? 8
1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng: 8
Phần 2: Thiết kế phần cứng 14
2.1 Thiết kế hệ thống 14

2.1.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài. 14
2.1.2 Các đặc
điểm cơ bản của bộ HTC-PFC12. 16
2.1.2.1 Các thông số kĩ thuật 16
2.1.2.2 Các tính năng cơ bản 17
2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ HTC-PFC12 18
2.2.1 Module đo lường và điều khiển đầu ra Relay 18
2.2.1.1 Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự: 18
2.2.1.1.1 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi điện áp 18
2.2.1.1.2 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi dòng điện 21
2.2.1.2 Thiết kế bộ lọc anti-aliasing cho các đầu vào dòng điện và điện áp 23
2.2.1.2.1 Tại sao cần bộ lọc anti-aliasing? 23
2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào? 24
2.2.1.2.3 Thiết kế bộ lọc 26
2.2.1.3 Bộ biến đổi tương tự sang số 26
2.2.1.5 Bộ xử lí trung tâm 27
2.2.1.5 Bộ điều khiển đầu ra Relay 29
2.2.2 Module HMI 29
2.2.2.1 Màn hình hiển thị 29
2.2.2.2 Các LED hiển thị 31
2.2.2.3 Bàn phím 31
2.2.2.4 Khối truyền thông 31
2.2.3 Nguồn cấp 31
Phần 3: Thiế
t kế phần mềm 33
3.1 Thiết kế cấu trúc phần mềm nhúng 33
3.2.1 Giao tiếp bàn phím và GLCD 35
3.2.2 Truyền thông nội bộ PFC 36
3.2.3 Truyền thông PFC với máy tính và thiết bị khác 36
3.3 Chương trình phần mềm xử lí tính toán 37

3.3.1 Chương trình phân tích, xử lý tín hiệu tương tự 37
3.3.2 Chương trình tính toán các thông số điện 38
3.3.3 Chương trình điều khiển tụ bù 40
3.4 Phần mềm máy tính PFC-Monitor 44
Phần 4: THỬ NGHIỆM 49
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

2
4.1 Các chức năng cần thử 49
4.2 Phương pháp thử 49
4.3 Thực hiện và kết quả. 49
4.3.1 Trong phòng thí nghiệm 49
4.3.1.1 Chuẩn bị 49
4.3.1.2 Thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều 50
4.3.1.2.1 Sơ đồ đấu nối 50
4.3.1.2.2 Kết quả thử nghiệm 50
4.3.2 Thử nghiệm thực tế. 53
4.3.2.1 Chuẩn bị 53
4.3.2.2 Kết quả thử nghiệm 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO 67
PHỤ LỤC 68
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các loại công suất tải tiêu thụ 5
Hình 1.2: Giản đồ vector công suất 5
Hình 1.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ 7
Hình 1.4: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF 8
Hình 1.5: Model APFC336 của Selec 11

Hình 1.6: Model PFR serial của Mikro 12
Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12 15
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P 19
Hình 2.3: Sơ đồ đấu nối LV 20-P 20
Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714 21
Hình 2.5: Đặc tính vào ra của ACS714 22
Hình 2.6: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng 23
Hình 2.7: Bộ lọc thông th
ấp bậc 2 thụ động và tích cực 24
Hình 2.8: So sánh đáp ứng tần số của các bộ lọc 25
Hình 2.9: Biểu đồ Bode của bộ lọc Butterworth với các bậc khác nhau 25
Hình 2.10: Bộ lọc thông thấp chống chồng phổ 26
Hình 2.11: Sơ đồ chân LTC1865 27
Hình 2.12: Sơ đồ chân của DSPIC30F6014A 28
Hình 2.13: GLCD 128x64 được điều khiển bởi chip KS0108. 29
Hình 2.14: Khối truyền thông của PFC 31
Hình 3.1: Lưu đồ trạng thái chương trình của bộ PFC 34
Hình 3.2: Minh họa các menu cơ bản của bộ PFC 35
Hình 3.3: Định dạng bản tin khung truyền bên Master yêu cầu 36
Hình 3.4: Định dạng bản tin khung truyền bên Slave phản hồi 36
Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán quá trình xử lý tín hiệu tương tự 38
Hình 3.7: Thuật toán điều khiển đóng cắt tụ bù 42
Hình 3.8: Minh họa việc chọn lựa tổ hợp tụ 43
Hình 3.9: Minh họa ảnh hưởng của việc cài đặt hệ số C/k 44
Hình 3.11 : Tab “hài dòng áp” trong cửa sổ giao diện chính 46
Hình3.12 : Tab ” thông số tổng hợp” trong cửa sổ giao diện chính 47
Hình3.13 : Cửa sổ truy vấn số liệu đo 48
Hình 4.1: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm với máy phát nguồn xoay chiều. 50
Hình 4.2: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm đo lường thực tế tại trạm trộn Asphalt 54
Hình 4.3: Sơ đồ đấu nối thử nghiệm điều khiển thực tế tại trạm trộn Asphalt 57

Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

4
Phần 1: MỞ ĐẦU
Trong những năm qua, mặc dù được chú trọng đầu tư và phát triển nguồn và lưới
điện nhưng nước ta vẫn còn gặp nhiều khó khăn trong việc đảm bảo cung cấp điện. Đặc
biệt trong các tháng mùa khô, nhất là khi hạn hán kéo dài không đủ nước cho các nhà
máy thủy điện phát điện thì vấn đề đảm bảo cung cấp điện còn khó khăn hơn.
Chỉ thị số 171/CT-TTg của thủ
tướng chính phủ ban hành ngày 26 - 01- 2011 về
việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện đã chỉ rõ: Đối với các doanh nghiệp phải thực
hiện ngay các giải pháp tiết kiệm điện như xây dựng các giải pháp tiết kiệm điện hiệu
quả, sử dụng đúng công suất và biểu đồ phụ tải như trong đăng kí mua bán điện,…
Ngày nay khi mà các thiết bị
điện ngày càng được sử dụng nhiều trong công
nghiệp thì vấn đề tiết kiệm điện càng trở nên cấp thiết. Việc tiết kiệm điện không chỉ
mang lại hiệu quả kinh tế mà còn tối ưu hóa về mặt kĩ thuật. Một trong những phương
pháp đơn giản để tiết kiệm điện năng là nâng cao hệ số công suất.
1.1 Hệ số
công suất là gì?
Hầu hết các loại tải trong hệ thống phân phối và tiêu thụ điện có thể chia thành 3 loại
tải:
- Tải thuần
- Tải cảm
- Tải dung
Trong các hệ thống hiện đại, phần đa là các tải dạng cảm như máy biến áp, đèn huỳnh
quang, các động cơ cảm ứng, Một đặc điểm chung của các loại tải này là chúng sử
dụng
các cuộn dây để hoạt động. Các cuộn dây này tạo ra điện từ trường để các tải này làm
việc và nó đòi hỏi năng lượng nhất định để duy trì điện từ trường. Như vậy các tải cảm

này sử dụng hai loại công suất để làm việc:
- Công suất tác dụng (kW) – Công suất tiêu thụ thật (để sinh công) – Active Power.
- Công suất phản kháng (kVAR) – Dùng để duy trì điệ
n từ trường – Reactive Power
Tổng của hai loại công suất trên là công suất biểu kiến (kVA) – Apparent Power.
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

5

Hình 1.1: Các loại công suất tải tiêu thụ
Trong trường hợp là sóng sine thuần túy, tỉ lệ giữa công suất tác dụng và công suất
biểu kiến được gọi là hệ số công suất (power factor – PF) và nó chính là cosine của góc
lệch pha giữa dòng điện và điện áp sóng sine. Chính vì thế mà một số tài liệu người ta gọi
luôn hệ số công suất là
osc
ϕ
. Hệ số công suất không có đơn vị riêng, giá trị của nó được
thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả như một tỉ lệ phần trăm như
50%PF = . Công
thức tính:
(sin) (sin)
cos
*
RMS RMS
PP
PF
SV I
ϕ
===
(1 - 1)

Trong đó: P là công suất tiêu thụ.
S là công suất biểu kiến.

Hình 1.2: Giản đồ vector công suất
Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng
dòng hoặc áp không sine), chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng đặc biệt là
trong công nghiệp như các bộ biến tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, Chúng là các
nguồn phát các nhiễu hài bậc cao vào trong hệ thống điện. Như vậy, với sự phát triển
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

6
không ngừng của các ứng dụng điện tử công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần
tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng nguồn điện cung cấp. Kết quả là dạng điện áp
nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có
chứa hài bậc cao. Quan niệm truyền thống về hệ số công suấ
t áp dụng cho dạng dòng và
áp hình sine lúc này không hoàn toàn phù hợp. Trong trường hợp này người ta đưa ra
công thức mở rộng để tính hệ số công suất:
22
cos
11
PF
THDI THDV
ϕ
=
++
(1 - 2)
Trong đó: THDV và THDI là độ méo hài dòng tổng và áp tổng được tính theo công thức:
22
22

11
;
nn
nn
VI
THDV THDI
VI
∞∞
==
==
∑
∑
(1 - 3)
Với V
1
và I
1
là hài cơ bản của điện áp và dòng điện.
U
n
và I
n
là hài bậc n của của điện áp và dòng điện.
Trong trường hợp dòng điện là sóng sine thuần túy, dòng điện không chứa các hài
bậc cao tức U
n
= 0
n
I = và do đó osPF c
ϕ

=
.
1.2 Tại sao cần phải nâng cao hệ số công suất?
Hệ số công suất thấp đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng điện năng thấp. Việc nâng
cao hệ số công suất mang lại những hiệu quả về kinh tế và tối ưu hóa về kĩ thuật:
- Tiết kiệm tiền điện: Trong hoạt động sản xuất kinh doanh, theo qui định vi
ệc tiêu
thụ năng lượng phản kháng lớn hơn giá trị cho phép sẽ phải đóng tiền phạt. Việc nâng
cao hệ số công suất nhằm giảm công suất phản kháng tiêu thụ từ lưới.
- Tối ưu hóa về kĩ thuật:
+ Hệ số công suất lớn sẽ giảm tổn thất nhiệt trên máy biến áp, các thiết bị phân
phối và truyền tải điện, nâng cao tuổi th
ọ các thiết bị.
+ Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt
và đường cáp truyền tải nhỏ hơn.
+ Hệ số công suất cao giúp ổn định mức điện áp.
+ Hạn chế nhiễu lên các thiết bị truyền tin và viễn thông.
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

7
Hình chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và hệ số công suất. Xét trên hai hệ thống
truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn thì sẽ có
dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn hơn, tạo ra nhiều
thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng kích thướ
c dây điện
truyền dẫn. Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao hơn với cùng một công suất
thực được truyền tải.

Hình 1.3: Mối quan hệ giữa PF và tổng dòng tiêu thụ
Ví dụ, để có được 1kW công suất tiêu thụ thực trong điều kiện hệ số công suất là

tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có 1kVA công suất biểu kiến được truyền đi.
Nhưng trong điều kiện hệ số công suất thấp, ví dụ như 0.5, thì cần phải có 2kVA công
suất biểu kiến được truyề
n đi.
Tại sao phải quan tâm tới việc này? Mặc dù công suất phản kháng thật sự không
sinh ra công nhưng khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn. Vì phải cung cấp cả
công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công” nên nguồn điện (máy phát điện,
máy biến thế,…) cũng như hệ thống dây truyền tải tới phụ tải phải được thiết kế với kích
thước dây lớn hơn để có th
ể chịu được.
Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá
điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

8
cá nhân, nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ số công suất cao hơn. Nhà phân phối
điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản
kháng bằng các thiết bị đo chuyên dùng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm
gia tăng hệ số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp
hơn tiêu chuẩn.
1.3
Làm thế nào để nâng cao hệ số công suất?
Một trong những phương pháp đơn giản nhất là sử dụng tụ bù. Như chỉ ra ở hình
1.4, các tụ làm việc như một máy phát công suất phản kháng. Thay vì phải sử dụng công
suất phản kháng từ lưới, các thiết bị công nghiệp sẽ sử dụng công suất phản kháng lấy từ
tụ và do đó tổng công suất cung cấp cho các thiết bị sẽ
giảm.

Hình 1.4: Mắc thêm tụ bù nâng cao PF.
1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng:

Do các yêu cầu thực tế là các thiết bị điện ngày càng được sử dụng rộng rãi nên điện
đã trở thành một sản phẩm kinh doanh thương mại có giá trị lớn. Do đó các nhà cung cấp
điện cũng như hộ tiêu thụ điện ngày càng quan tâm đến việc nâng cao chất lượng điện
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

9
năng và tiết kiệm điện. Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm
và hiệu quả, đã được Thủ tướng chính phủ ký Quyết định số 79/2006/QĐ-TTg. Mục tiêu
của chương trình cụ thể là nhằm từng bước đạt được mục tiêu tiết kiệm 5-8% tổng mức
tiêu thụ năng lượng vào năm 2015, giảm một phần mứ
c đầu tư phát triển hệ thống cung
ứng năng lượng, mang lại lợi ích về kinh tế - xã hội; đồng thời góp phần bảo vệ môi
trường, khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, thực hiện phát triển kinh tế -
xã hội bền vững.
Trong lĩnh vực công nghiệp, chi phí cho tiền điện chiếm một phần không nhỏ trong
hoạt động sản xuất kinh doanh. Các doanh nghiệp ngoài việc phải chịu m
ức giá tiêu thụ
điện cao hơn mức bình thường thì việc tiêu thụ năng lượng phản kháng lớn hơn mức qui
định sẽ phải trả tiền theo giá hiện hành cũng là một vấn đề. Một trong những biện pháp
đơn giản mà hiệu quả tiết kiệm điện cũng rất lớn đó là giải pháp nâng cao hệ số công suất
phụ tải. Biện pháp này mang lại các hiệu quả nh
ư:
- Đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là giảm tiền điện.
- Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt
và cáp nhỏ hơn v.v… đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng
điện.
- Hệ số công suất cao cho phép t
ối ưu hoá các phần tử cung cấp điện. Khi ấy các
thiết bị điện không cần định mức dư thừa.
Như ta đã biết, công suất điện năng luôn được quan niệm như một đại lượng đã

được đo và sử dụng rộng rãi để đánh giá khả năng phát ra năng lượng của nguồn điện hay
mức độ tiêu thụ n
ăng lượng điện của tải với giả thiết điện áp và dòng điện có dạng hình
sine. Tuy nhiên, ngày nay với sự tham gia ngày càng nhiều của các tải phi tuyến (dạng
dòng hoặc áp không sine), chúng chiếm một vị trí đáng kể trong dân dụng đặc biệt là
trong công nghiệp. Chúng ta có thể thấy các thiết bị này rất quen thuộc như các bộ biến
tần, các bộ chỉnh lưu công suất lớn, Chúng là các nguồn phát các nhiễ
u hài bậc cao vào
trong hệ thống điện. Như vậy, với sự phát triển không ngừng của các ứng dụng điện tử
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

10
công suất với tần suất đóng ngắt rất cao và gần tức thời, đã ảnh hưởng xấu tới chất lượng
nguồn điện cung cấp. Kết quả là dạng điện áp nguồn cung cấp và dòng tiêu thụ không
còn duy trì được dạng hài cơ bản hình sine và có chứa hài bậc cao. Quan niệm truyền
thống về hệ số công suất áp dụng cho dạng dòng và áp hình sine lúc này không còn phù
hợp để đánh giá, đặc biệt trong các ứng dụng phát triển các hệ thống bù công suất, thiết bị
lọc giảm thiểu nhiễu hài. Vì vậy việc chế tạo bộ tự động điều chỉnh hệ số công suất trên
cơ sở phân tích các hài dòng điện và hài điện áp (để từ đó có thể tính toán được hệ số
công suất chính xác hơn cho quá trình điều chỉnh hệ số công suất) trở nên cấ
p thiết.
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ở nước ngoài
Nắm bắt được xu thế đã nêu ở trên, nhiều hãng sản xuất trên thế giới đã nghiên cứu
chế tạo các bộ điều chỉnh hệ số công suất có tính đến ảnh hưởng của các hài bậc cao. Với
sự phát triển mạnh mẽ của công cụ xử lí số tín hiệu, cùng sự hỗ trợ của các chip DSP đ
ã
giúp cho các nhà sản xuất thực hiện được điều đó. Một số hãng có thể kể đến như Ducati
của Italy, Mikro của Malaysia, Shizuki của Nhật… Nhìn chung các sản phẩm của các
hãng có tính năng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đo hệ số công suất từ
đó làm có sở cho việc điều khiển đóng ngắt các tụ điện để đạt được hệ số

công suất mong
muốn.
Trên hình 1.5 và 1.6 mô tả tính năng của bộ PFC của Mikro và của Selec. Cũng
giống như hầu hết sản phẩm của các hãng khác, các bộ PFC này sử dụng 3 Led 7 thanh
kết hợp các phím bấm chức năng phục vụ việc hiển thị và cài đặt các thông số như hệ số
công suất, chế độ làm việc, các cảnh báo,…
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

11

Hình 1.5: Model APFC336 của Selec
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

12

Hình 1.6: Model PFR serial của Mikro
1.4.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước
Trong thời gian vừa qua, ở nước ta cũng đã có những đơn vị, cá nhân có các công
trình nghiên cứu về các giải pháp tiết kiệm năng lượng và được đăng trên các tạp chí
khoa học công nghệ. Chẳng hạn tác giả Nguyễn Kim Ánh với nội dung nghiên cứu “Thiết
kế bộ lọc tích cực cho việc giảm hài dòng điện và bù công suất phản kháng cho nguồn lò
nấu thép cả
m ứng” được đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 4(trang 33), 2009.
Tác giả đã chỉ ra khả năng nâng cao hệ số công suất lên đến gần 1 nhờ các bộ lọc tích
cực. Tuy nhiên ứng dụng của việc bù này chỉ mang tính cục bộ, ứng với loại tải là cụ thể
và mới chỉ dừng ở tính toán và mô phỏng trên Matlab. Công ty cổ phần chế tạo biến thế
và vật liệu đi
ện Hà Nội cũng đã có đề tài:”Nghiên cứu thiết kế chế tạo tủ bù hệ số công
suất cho phụ tải điện năng” (2009). Tuy nhiên đề tài này theo quan niệm coi dòng điện,
điện áp là sine thuần túy. Quan niệm này không còn phù hợp đối với các phụ tải phi tuyến

ngày càng được ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Về vấn đề đo phân tích các thông số
về điện, năm 2010 Viện Nghiên cứu
Điện tử Tin học và Tự động hóa đã thực hiện xong
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

13
đề tài cấp bộ: ”Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị phân tích điện năng trong hệ thống
điện”, với một số kết quả làm cơ sở cho việc kế thừa và phát triển của đề tài 2011.
Trong lĩnh vực ứng dụng, một phần do yêu cầu của nhà cung cấp điện, một phần
nhằm tiết kiệm điện năng, giả
m chi phí sản xuất nên các doanh nghiệp trong nước sử
dụng các bộ bù công suất tự động ngày càng nhiều. Tuy nhiên, chưa có sản phẩm nào có
tính năng tương tự như sản phẩm đề tài đã đăng kí được thương mại hóa. Các sản phẩm
ứng dụng trong nước được nhập ngoại. Một số hãng như: Ducati và Enerlux của Italia,
Shizuki của Nhật Bản, Selec của Ấn độ, Mikro của Malaysia, Nhìn chung sản phẩm của
các hãng có tính n
ăng tương đương nhau và chủ yếu tập trung vào việc đóng cắt các tụ
điện để đạt được hệ số công suất mong muốn.
Trên cơ sở kế thừa và bổ sung thêm các tính năng còn thiếu của các sản phẩm đang có
trên thị trường, nhóm thực hiện đã quyết định chọn đề tài:” Nghiên cứu thiết kế chế tạo
bộ điều chỉnh tự
động hệ số công suất trong công nghiệp”. Ngoài các tính năng tương
đồng với các sản phẩm có sẵn trên thị trường, sản phẩm của đề tài hướng tới các tính
năng nổi bật:
- Khả năng đo và hiển thị hệ số công suất có tính đến các hài bậc cao.
- Khả năng đo và hiển thị thành phần điện áp cơ bản và hài bậc cao.
- Khả nă
ng đo và hiển thị thành phần dòng điện cơ bản và hài bậc cao.
- Khả năng đo và hiển thị công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất
biểu kiến.

- Cho phép truyền số liệu về máy tính với phần mềm quản lý trên máy tính.
Như vậy việc tích hợp thêm tính năng phân tích các thông số điện tiêu thụ giúp người
sử dụng thống kê, đánh giá kết quả để
từ đó làm cơ sở cho việc nâng cao hiệu quả sử
dụng hệ thống điện là một việc làm cần thiết phù hợp với xu thế phát triển chung, đặc biệt
khi yêu cầu kiểm toán điện tiêu thụ nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng điện, tránh lãng phí
điện năng đang là vấn đề cấp thiết của nước ta cũng như thế giới nói chung .
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

14
Phần 2: Thiết kế phần cứng
2.1 Thiết kế hệ thống
2.1.1 Thiết kế tổng thể sản phẩm đề tài.
Một bộ PFC bao gồm hai phần cơ bản là phân tích chất lượng điện năng và phần
điều khiển. Phân tích chất lượng điện là quá trình thu thập, phân tích, xử lí tín hiệu thô
thành các thông tin có ích. Quá trình thu thập dữ liệu được thực hiện bằng cách đo lường
liên tục điện áp và dòng đi
ện. Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực xử lí tín hiệu số, quá
trình phân tích và xử lí tín hiệu được thực hiện nhờ các chip chuyên dụng với khả năng
tính toán nhanh. Một vấn đề cần quan tâm trong khi thiết kế bộ PFC là liên quan đến hài
cao nhất có thể phân tích được. Theo các chuyên gia, thì ngay cả máy phân tích chất
lượng điện năng cũng chỉ cần đến hài bậc 15 là có thể phân tích các vấn đề về điện nă
ng.
Khi đó theo định luật Nyquist thì yêu cầu tần số lấy mẫu ít nhất phải 1500 mẫu/giây, nói
cách khác trong một chu kì lưới điện cần phải lấy tối thiểu 30 mẫu. Việc lấy mẫu với tần
số càng cao càng phản ánh chính xác dạng sóng. Tín hiệu sau khi được xử lí sẽ là cơ sở
cho việc điều khiển và hiển thị.
Xu hướng chung của các hãng sản xuất là ứng dụng các công nghệ
mới nhất trong
lĩnh vực điện tử, công nghệ để tạo ra các sản phẩm có nhiều tính năng hơn, thân thiện với

người dùng hơn. Trên cơ sở kế thừa các sản phẩm có sẵn của các hãng trên thế giới đồng
thời mở rộng thêm các tính năng mới, nhóm thực hiện đề tài thiết kế bộ PFC có sơ đồ
khối thiết bị được thể hi
ện trên hình 2.1. Sản phẩm của đề tài bao gồm bộ PFC (với tên
HTC-PFC12) và một phần mềm giám sát trên máy tính (với tên PFC-Monitor). Bộ HTC-
PFC12 bao gồm hai Module cơ bản sau:
Module xử lí tín hiệu và điều khiển bao gồm các thành phần:
- Khối xử lí đầu vào: Bao gồm bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự và bộ lọc
tương tự chống chồng phổ.
o Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự
: Làm nhiệm vụ cách li phần
điện áp cao với mạch điện tử, đồng thời định mức điện áp phù hợp cho
các khối xử lí phía sau như bộ lọc chống trùng phổ và bộ biến đổi ADC.
o Bộ lọc tương tự chống chồng phổ: Các bộ lọc thông thấp được sử dụng
để tránh sai số lấy mẫu do trùng phổ.
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

15
- Bộ biến đổi tương tự sang số: Tạo ra các tín hiệu dạng số từ tín hiệu tương tự
để đưa vào bộ xử lí trung tâm.
- Bộ xử lí trung tâm: Xây dựng trên chip có cấu hình mạnh để thực hiện các
thuật toán phân tích và xử lí tín hiệu số.
- Bộ điều khiển đóng cắt các tụ bù.

Hình 2.1: Sơ đồ khố bộ HTC-PFC12
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

16
Module HMI bao gồm các thành phần:
- Hiển thị các thông số lên màn hình LCD: dòng điện, điện áp, các hài dòng

điện, hài điện áp, độ méo hài tổng, tần số, công suất, hệ số công suất,…
- Cài đặt các thông số.
- Cảnh báo lỗi, thông báo trạng thái làm việc,…
- Thực hiện chức năng truyền thông.
Nguyên lí hoạt động của bộ PFC: Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào của bộ

PFC được đưa qua các bộ biến đổi điện áp và biến đổi dòng điện sau đó đưa tới bộ điều
chỉnh tín hiệu và biến đổi tương tự sang số (ADC). Các ADC thực hiện việc biến đổi tín
hiệu tương tự đầu vào thành các tín hiệu số đầu ra trước khi được đưa tới khối xử lí trung
tâm (DSP). Các DSP sẽ thực hiện phân tích và xử lí tín hiệu số (s
ử dụng thuật toán DFT
để phân tích tín hiệu). Số liệu sau khi được phân tích sẽ được lưu trữ, tính toán các thông
số phục vụ cho các mục đích điều khiển và hiển thị.
2.1.2 Các đặc điểm cơ bản của bộ HTC-PFC12.
2.1.2.1 Các thông số kĩ thuật.
- Đầu vào điện áp:
o Số lượng đầu vào: 1 đầu vào đo điện áp giữa 2 pha.
o D
ải đo: Tới 500V.
- Đầu vào dòng điện:
o Số lượng đầu vào: 1 đầu vào.
o Dòng điện đầu vào: +/- 5A.
- Dải tần số: 50Hz+/-5%
- Nguồn nuôi
o Mức điện áp +5VDC cho CPU, Relay, Led,…
o Mức điện áp
5VDC± cho các bộ chuyển đổi dòng điện, ADC,…
o Mức điện áp
12VDC±
cho khuếch đại thuật toán.

- Hiển thị: Màn hình LCD 128x64
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

17
- Bàn phím: 4 phím
- Đầu ra relay:
o 12 đầu ra lập trình
o 1 đầu ra alarm
o 1 đầu ra fan
Mỗi đầu ra có dải làm việc:
o Dòng làm việc liên tục lớn nhất: 7A
o Điện áp lớn nhất: 250VAC
2.1.2.2 Các tính năng cơ bản
- Khả năng đo và hiển thị:
o Công suất tác dụng (kW)
o Công suất phản kháng (kVAR)
o Công suất biểu kiến (kVA)
o
Điện áp (V): Từ hài cơ bản đến hài 20
o Dòng điện (A): Từ hài cơ bản đến hài 20
o Tổng méo hài điện áp: THD V(%)
o Tổng méo hài dòng điện: THD I(%)
o Tần số (Hz)
o Hệ số công suất
o Tổng điện năng tiêu thụ
- Khả năng giám sát và điều khiển:
o Số bước bù từ
012
÷
bước

o Cảnh báo theo các ngưỡng điện áp/dòng điện quá thấp hoặc quá cao,
quá bù trên hoặc bù dưới, độ méo hài cao,
- Cho phép truyền số liệu về máy tính
- Cài đặt các tham số:
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

18
o Hệ số C/k
o Chế độ đóng cắt tụ
o Số bước bù và giá trị bước nhỏ nhất
o Thời gian trễ đóng/mở tụ
2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý bộ HTC-PFC12
Môi trường công nghiệp là môi trường nhiều nhiễu điện từ có ảnh hưởng không tốt
đến các thiết bị được sử dụng và vận hành trong nó. Việc thiế
t kế, chế tạo các sản phẩm
ứng dụng trong công nghiệp phải đảm bảo sao cho các nhiễu ngoài không ảnh hưởng đến
quá trình làm việc của thiết bị. Đối với các bộ PFC, các nguyên nhân ảnh hưởng đến hoạt
động của nó bao gồm:
- Các hoạt động đóng cắt, chuyển mạch gây ra các xung áp cao trên đường dây, tác
động đến tín hiệu vào của bộ PFC.
- Các nguyên nhân bên ngoài như sét đánh, nhiễu radio,…
Do đó khi thiết k
ế cũng như lựa chọn các linh kiện cho bộ PFC phải đảm bảo rằng nó
có tính tương thích với môi trường.
2.2.1 Module đo lường và điều khiển đầu ra Relay.
2.2.1.1 Bộ cách li và chia tỉ lệ tín hiệu tương tự:
2.2.1.1.1 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi điện áp.
Để đo điện áp lưới ta có thể dùng máy biến áp để giảm mức đ
iện áp xuống dải đo
được của mạch đo đồng thời đảm bảo cách li điện giữa phần cao áp và mạch điện tử.

Nhưng việc sử dụng máy biến áp cũng có hạn chế như: cồng kềnh và có hệ số chuyển đổi
không đồng nhất theo tần số nên gây méo với các hài bậc cao vì vậy giải pháp này không
phù hợp với bộ PFC. Để đảm bả
o dạng điện áp lưới không đổi khi vào đến mạch đo,
chúng tôi lựa chọn bộ chuyển đổi điện áp LV 20-P của LEM. Đây là bộ chuyển đổi sử
dụng hiệu ứng Hall cho việc đo điện áp AC/DC với cách li điện áp sơ cấp và thứ cấp là
2.5kV, hệ số chuyển đổi dòng là 2500:1000. Hình 2.3 minh họa cho sơ đồ kết nối của LV
20P.
Các thông số của LV - 20P:
-
Dòng danh định sơ cấp: 10
PN
I
mA
=

Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

19
- Dải đo dòng sơ cấp: 014
P
I
mA=÷±
- Dòng danh định thứ cấp:
25mA
S
I
=

- Điện trở đo: Với nguồn cung cấp

12V
±
thì
min
30R
=
Ω,
ax
100
m
R
=
Ω .
- Hệ số biến đổi
2500 :1000
N
K =
- Điện áp hiệu dụng cách li:
is
2.5
o
VkV
=

- Thời gian đáp ứng:
40
r
tS
µ
=

- Độ chính xác:
1.1%
G
X =±
- Nhiệt độ làm việc
0
070
A
TC=÷

Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng của LV 20-P
Sơ đồ đấu nối mạch đo sử dụng LV20-P được thể hiện trên hình 2.3. Dòng thứ cấp
Is được tạo ra tỉ lệ với dòng đầu vào Ip. Bỏ qua điện áp giữa 2 lối vào của mạch LV20-P
ta có công thức tính điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:
1
*****
M
out M S M N P N P
R
VRIRKIKV
R
== =
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

20
Để đảm bảo dòng đầu vào nằm trong dải cho phép: 014
P
I
mA
=

÷± , kết hợp với dải
đo điện áp đầu vào cần đạt, giá trị R
1
và R
M
phù hợp là:
1
50 @ 4
R
kW
=
Ω , 100
M
R =Ω. Khi
đó:
100
2.5* *
50 200
P
out P
V
VV
k
==

Điện áp đầu ra lớn nhất:
ax
max
380* 2
2.687

200 200
Pm
out
V
VV== =

Điện áp đầu ra nhỏ nhất:
min
min
380* 2
2.687
200 200
P
out
V
VV
−
== =−

Như vậy điện áp đầu ra là xoay chiều có thành phần âm nên không phù hợp với
đầu vào của ADC. Để đảm bảo tín hiệu vào ADC nằm trong dải
05V÷ thì tín hiệu sau
LV 20-P cần đưa qua một mạch khuếch đại và mạch cộng áp (có sơ đồ trong phụ lục thiết
kế).
R1
RM
L1
L2
HT+
1

V+
4
HT-
2
V-
5
M
3
LV 20-P
IC4
Vp
VCC
VSS
Vout
Ip
Is

Hình 2.3: Sơ đồ đấu nối LV 20-P
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

21
2.2.1.1.2 Lựa chọn và thiết kế bộ biến đổi dòng điện.
Đối với đầu vào dòng điện, ngoài việc phải đảm bảo cách li giữa phần cao áp và
mạch điện tử, cần thiết kế thêm bộ chuyển đổi tín hiệu dòng điện sang điện áp và mạch
chia tỉ lệ sao cho điện áp trước khi đưa vào ADC nằm trong dải 05V÷ . Dựa trên những
yêu cầu trên, chúng tôi chọn cảm biến dòng ACS714LLCTR-5B-T của Allegro. Đây là
loại cảm biến dòng hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall có đầu ra điện áp tỉ lệ tuyến tính với
đầu vào dòng điện, điện áp cách li giữa mạch sơ cấp và thứ cấp là 2.1kV. Hình 2.4 minh
họa sơ đồ khối chức năng của ACS714 và hình 2.5 minh họa đặc tính của điện áp đầu ra
với dòng

đầu vào của IC này.

Hình 2.4: Sơ đồ khối chức năng của ACS714

Các thông số kĩ thuật và tính năng của ACS714:
- Nguồn cung cấp:
5
cc
VV=
- Điện áp đầu ra tỉ lệ với dòng đầu vào với độ nhạy: 185mV/A
- Điện áp ra với dòng đầu vào
0
P
I
=
là *0.5
cc
V
- Dải dòng điện vào:
55
A
A−÷
- Khử nhiễu tốt
- Đầu ra cực kì ổn định với điện áp offset
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

22
- Thời gian đáp ứng với sự thay đổi dòng đầu vào: 5
r
tS

µ
=

- Tổng sai số đầu ra:
1.5%
G
X =± ở
0
25
A
TC=

- Điện áp cách li:
is
2.1
o
VkV=
- Nhiệt độ làm việc:
0
40 80
A
TC=− ÷

Hình 2.5: Đặc tính vào ra của ACS714
Với dòng lớn nhất cho phép là 5A, khi đó đầu ra điện áp lớn nhất sau ACS714 là :
max
2.5 0.185*5 3.425
IOUT
VV
=

+=
Điện áp nhỏ nhất:
min
2.5 0.185*5 1.575
IOUT
VV
=
−=
Để điện áp đưa vào ADC nằm trong dải
05V
÷
, tín hiệu điện áp này cần khuếch đại lên
1.3 lần theo sơ đồ hình 2.6:
Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

23
10k
R7
30k
R5
AVSS
AVCC
1
4
5
2
3
6
7
8

U?
OP-07
10k
R6
AVCC
Viout

Hình 2.6: Mạch khuếch đại tín hiệu dòng

2.2.1.2 Thiết kế bộ lọc anti-aliasing cho các đầu vào dòng điện và điện áp
2.2.1.2.1 Tại sao cần bộ lọc anti-aliasing?
Tín hiệu sau khi được cách li và định mức điện áp có thể đưa trực tiếp đến ADC
để thực hiện việc số hóa. Tuy nhiên trước đó nó cần qua bộ lọc thông thấp chống trùng
phổ. Vậy tại sao lại cần b
ộ lọc này? Để trả lời câu hỏi này ta xét quá trình lấy mẫu của
ADC. Một quá trình lấy mẫu được mô tả bởi quan hệ:
() ( )
a
x
nxnT
≡

Với x(n) là tín hiệu rời rạc có được bằng cách lấy mẫu tín hiệu tương tự x
a
(t) vào
các thời điểm cách nhau T giây. Khoảng thời gian T được gọi là chu kì lấy mẫu và F
s
=
1/T là tốc độ lấy mẫu.
Theo định lý lấy mẫu Nyquist, với một tín hiệu liên tục có tần số lớn nhất F

max
thì
tín hiệu được lấy mẫu với tần số F
s
>=2F
max
có thể khôi phục chính xác với các mẫu rời
rạc x(nT). Với tần số lấy mẫu F
s
<=2F
max
thì sẽ xảy ra sai số lấy mẫu do trùng phổ
(aliasing). Hay nói một cách khác với tần số lấy mẫu cố định là F
s
thì tần số cao nhất của
tín hiệu lấy mẫu là F
max
= F
s
/2. Để hiểu rõ hơn ta xét một ví dụ:
Cho hai tín hiệu liên tục hình sin có tần số là 50Hz và 10Hz.
1
( ) os2 (10)
x
tc t
π
= và
2
( ) os2 (50)
x

tc t
π
=

Báo cáo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh tự động hệ số công suất trong công nghiệp”

24
Lấy mẫu hai tín hiệu này với tần số lấy mẫu F
s
=40Hz ta thu được hai tín hiệu rời
rạc:
1
10
() os2( ) os
40 2
x
nc nc n
π
π
==

2
50 5 1
( ) os2 ( ) os os 2 os
40 2 2 2
x
n c nc nc nc n
π
π
πππ

⎛⎞
===+=
⎜⎟
⎝⎠

Rõ ràng ta thấy
12
() ()
x
nxn= và hai tín hiệu rời rạc này không phân biệt được với
nhau.
Để khắc phục hiện tượng trùng phổ, trước khi lấy mẫu tín hiệu ta cho nó đi qua bộ
lọc lọc bỏ các tần số lớn hơn F
s
/2. Bộ lọc này được gọi là bộ lọc chống chồng phổ (anti-
aliasing).
2.2.1.2.2 Chọn bộ lọc nào?
Theo định nghĩa, bộ lọc là một thiết bị cho phép tín hiệu điện ở tần số nhất định
hoặc dải tần số qua nó trong khi ngăn những tần số khác [1]. Bộ lọc được sử dụng rộng
rãi trong các ứng dụng. Trong truyền thông, lọc dải thông đượ
c dùng cho xử lí tiếng nói
với dải tần sóng âm (0 – 20kHz). Hệ thống thu thập dữ liệu đòi hỏi có bộ lọc anti-aliasing
low-pass trong giai đoạn tiền xử lí tín hiệu,…
Ở tần số cao (>1MHz), gần như tất cả các bộ lọc đều sử dụng các phần tử thụ động
như cuộn cảm (L), điện trở (R) và tụ điện (C) và do đó người ta gọi là bộ lọ
c LRC. Tuy
nhiên ở dải tần thấp hơn (1Hz – 1MHz), giá trị của các cuộn cảm trở nên rất lớn và khá
cồng kềnh thì các mạch lọc tích cực lại trở lên thông dụng. Các mạch này sử dụng phần
tử tích cực (các phần tử khuếch đại thuật toán) kết hợp với một vài điện trở và tụ điện để
tạo mạch lọc gần giống bộ l

ọc LRC nhưng ở tần số thấp.
L R
C
VoVi
Vo
Vi
8
1
4
3
2
1
A
R R
C
C

Hình 2.7: Bộ lọc thông thấp bậc 2 thụ động và tích cực