Đo điện năng từ xa qua mạng RS485

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 1
PHẦN I :
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ĐO LƯỜNG NĂNG
LƯNG TRONG CÔNG NGHIỆP
Chương 1 : Khái quát các phương pháp đo điện năng
Chương 2 : Giới thiệu IC đo điện năng AT73C540 (hãng Atmel)
Chương 3 : Giới thiệu IC đo điện năng AD7755 (hãng Analog Devices)
Chương 4 : Giới thiệu IC đo điện năng SA2002H (hãng Sames)
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 2
CHƯƠNG 1 :
KHÁI QUÁT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN NĂNG


LỜI GIỚI THIỆU
Những thay đổi quan trọng đã và đang xảy ra trong ngành công nghiệp đo
lường năng lượng. Việc bãi bỏ tính độc quyền cung cấp đã tạo ra một môi trường
cạnh tranh gay gắt hơn đối với những nhà cung cấp điện năng. Vì vậy nhu cầu
quản lý và đo lường điện năng đòi hỏi một mức độ cao hơn trước đây. Các nhà
cung cấp điện năng sẽ phải cung cấp những dòch vụ tiện ích cho người sử dụng
với chi phí thấp nhất có thể được. Và một trong những dòch vụ đó là lắp đặt đồng
hồ đo điện năng theo công nghệ mới hiện nay (công nghệ solid state).
Ngoài những lợi ích trước mắt như độ chính xác cao, gọn nhẹ đồng hồ này
còn cho phép khả năng linh hoạt hơn trong lắp đặt và sửa chữa, quản lý và cập
nhật thông tin nhanh và chính xác hơn thông qua mạng.

CẤU TẠO MỘT ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG
Một đồng hồ đo điện năng chủ yếu dựa trên một trong hai công nghệ chính
là xử lý tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số. Xử lý tín hiệu ở đây liên quan đến việc
nhân và lọc để tạo ra thông tin cần thiết (ví dụ như kWh…). Đồng hồ cơ đo điện

năng đang được sử dụng phổ biến hiện nay được xếp vào loại đồng hồ dạng này.

NHỮNG NHƯC ĐIỂM CỦA ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN NĂNG DẠNG
TƯƠNG TỰ
Xử lý tín hiệu tương tự là một kỹ thuật không linh hoạt. Một đồng hồ dạng
này không thể dễ dàng tái thiết lặp để phù hợp với một yêu cầu mới hoặc nhu
cầu nâng cấp lên sau khi đã sử dụng.
Đồng hồ dạng tương tự không có tính ổn đònh đối với những thay đổi lớn
của điều kiện môi trường và thời gian.
Đồng hồ dạng tương tự có cấu tạo phức tạp, chi phí sản xuất cũng như
chuẩn hoá cao hơn so với đồng hồ dạng số.
Đồng hồ dạng tương tự không có tính tích hợp cao (cốt lõi của việc giảm
chi phí).
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 3

ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN N ĂNG THEO CÔNG NGHỆ MỚI
Đồng hồ số làm việc dựa trên nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
tín hiệu số (ADC : Analog to Digital Converter). ADC lấy mẫu tại mỗi thời điểm
tín hiệu tương tự đưa vào và sau đó chuyển chúng về dạng số.


Một khi đã ở dạng tín hiệu số, các mạch xử lý tín hiệu số hoặc vi xử lý có
thể dễ dàng xử lý các tín hiệu này .

Chính vì cốt lõi của đồng hồ này là việc chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
tín hiệu số nên đòi hỏi ADC cần phải phù hợp với một số yêu cầu sau:
ü Độ phân giải cao, từ 16bit trở lên. Chính vì tầm hoạt đôïng rộng
(4%lb đến 400%lb) và yêu cầu độ chính xác cao (0.5%) nên độ phân giải của
ADC phải cao. Một trong những cách để đạt được điều này là sử dụng kỹ

thuật Oversampling và DSP.
ü Tốc độ lấy mẫu ít nhất phải từ 2 đến 4 kSPS (kilo Sample per
Second). Theo đònh luật Nyquist tần số lấy mâãu phải gấp hai lần tần số lớn
nhất của tín hiệu đo.
ü Chi phí thấp. Ngoài chi phí cho ADC còn phải lưu ý đến chi phí của
các linh kiện đi kèm với ADC.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 4
ü Công suất tiêu thụ thấp. Một trong những thử thách của việc thiết kế
đồng hồ la ø việc thiết kế bộ nguồn cung cấp (PSU : Power Supply Unit). Bộ
nguồn phải có chi phí thấp và độ tin cậy cao (khả năng hoạt động từ 15 đếùn
20 năm).

KỸ THUẬT OVERSAMPLING
Một trong những cách đáp ứng được yêu cầu đạt được độ phân giải cao cho
ADC là sử dụng lý thuyết lượng tử hoá tăng độ phân giải ADC trong băng thông
mong muốn. Điều này có thể thực hiện được bằng kỹ thuật Oversampling, ví dụ
như việc lấy mẫu tại tần số cao hơn tần số Nyquist. Giả sử ta sử dụng một IC
ADC 12bit và lấy mẫu với tốc đôï 100kSPS tín hiệu có tần số tối đa 2kHz thì độ
phân giải đạt được có thể được tính theo công thức.






++=
kHz
kHz
logdB.bitsx.SNR

4
100
1076112026
10

SNR = 87.98dB = 14.3bits
Với kỹ thuật trên, độ phân giải của ADC đã tăng lên 14.3bit so với 12 bit.
Tóm lại độ phân giải sẽ tăng ½ LSB khi tăng gấp đôi tốc độ lấy mẫu.

CẤU TRÚC ADC
ADC hiện nay dựa trên 5 công nghệ chuyển đổi chính:
ü SAR (Successive Approximation)
ü Flash (Parallel) và Half Flash
ü Integrating (Dual Slope)
ü V/F (Voltage to Frequency)
ü Σ-∆ (Sigma – Delta)

SAR (SUCCESSIVE APPROXIMATION) ADC
ADC dựa trên kỹ thuật xấp xỉ liên tiếp được sử dụng rất phổ biến. Kỹ thuật
này dựa trên việc so sánh liên tục tín hiệu lấy mẫu, sau đó chuyển điêïn áp này
thành giá trò nhò phân thích hợp.
Ưu điểm
ü Tốc đôï cao, có thể đạt được tốc độ 1 triệu mẫu/1 giây.
ü Tiêu thụ năng lượng khá thấp so với các loại ADC khác.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 5
ü Chi phí tương đối thấp đối với ADC có độ phân giải thấp (nhỏ hơn
12bit).
Nhược điểm
ü Chi phí cao khi độ phân giải đòi hỏi cao (lớn hơn 14bit).

ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được
xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên.

FLASH (PARALLEL) VÀ HALF FLASH ADC
Kỹ thuật Flash chuyển tín hiệu lấy mẫu thành giá trò nhò phân theo một
bước hoặc hai bước (đối với loại Half Flash). Vì vậy thời gian chuyển đổi rất
ngắn. Cấu trúc này thường được dùng cho ADC có độ phân giải thấp (8bit đến
10bit) nhưng lại có tốc độ lấy mẫu cao (từ 20 đến 50 MSPS).
Ưu điểm
ü Tốc độ chuyển đổi rất cao.
Nhược điểm
ü Độ phân giải thấp.
ü Tiêu thụ công suất lớn.
ü Chi phí tương đối cao.
ü Tín hiệu ngõ ra các bộ biến đổi (biến áp hoặc biến dòng) phải được
xử lý trước khi đưa đến ADC, điều này khiến cho chi phí tăng lên.

INTEGRATING (DUAL SCOPE) ADC
Công nghệ này thường được sử dụng trong việc đo lường có tốc độ chậm
nhưng đòi hỏi độ chính xác cao như trong các đồng hồ số đa năng. Nó có thể đạt
được độ phân giải tối đa 22bit và có khả năng nén, hạn chế nhiễu cao.
Ưu điểm
ü Độ chính xác cao.
ü Công suất tiêu thụ khá thấp.
ü Chi phí tương đối thấp.
Nhược điểm
ü Tốc đôï chuyển đổi bò hạn chế. Độ chính xác giảm đi khi tốc độ lấy
mẫu tăng.

V/F (VOLTAGE TO FREQUENCY) ADC

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 6
Công nghệ V/F chuyển đổi tín hiệu lấy mẫu thành giá trò nhò phân tương
ứng theo hai bước : thứ nhất chuyển tín hiệu vào sang tần số rồi sử dụng một bộ
đếm để chuyển tần số này sang giá trò nhò phân. Vì vậy, theo lý thuyết thì độ
phân giải đạt được có thể tăng lên đáng kể.
Ưu điểm
ü Độ chính xác cao.
ü Công suất tiêu thụ thấp.
ü Chi phí tương đối thấp.
Nhược điểm
ü Giống như loại Integrating ADC, loại này bò giới hạn bởi tốc độ lấy
mẫu. Độ chính xác của nó tỉ lệ nghòch với tốc độ lấy mẫu.
ü Cần một bộ đếm ngoài (vi xử lý hoặc IC số) để chuyển đổi giá trò.

Σ-∆ (SIGMA – DELTA) ADC
Trong những năm gần đây, công nghệ Sigma – Delta đã trở nên phổ biến
trong việc chế tạo ADC. Một trong những ưu điểm lớn nhất của loại này là có thể
tích hợp chúng với DSP (Digital Signal Processing) hoặc VLSI (Very Large Scale
Integration).
Về cơ bản thì Sigma – Delta có thể chuyển đổi một tín hiệu tương tự với
độ phân giải cực thấp (1bit) với tốc độ cực kỳ cao. Bằng cách sử dụng kỹ thuật
Oversampling và loại nhiễu, nó có thể đạt đựơc độ phân giải cao.
Ưu điểm
ü Độ phân giải cao, có thể đạt được 22bit.
ü Tốc độ chuyển đổi tương đối cao so với hai loại Integrating ADC và
V/F ADC.
ü Có thể tích hợp với IC khác tạo nên một IC đơn có nhiều tính năng
với chi phí thấp.
ü Chính vì sử dụng kỹ thuật Oversampling nên không đòi hỏi việc xử

lý tín hiệu đầu vào.
Nhược điểm
ü Cần có bộ điều chế cao hơn một khi đòi hỏi tốc độ chuyển đổi cao.
ü Công suất tiêu thụ tương đối cao co với loại SAR và Integrating
ADC.

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 7
XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ ĐÃ ĐƯC CHUYỂN ĐỔI
Một khi đã được chuyển đổi sang giá trò số, các giá trò điện áp và dòng
điện sẽ được nhân với nhau, lọc và xử lý để đưa ra các dữ liệu yêu cầu. Các bộ
biến đổi dòng và áp (voltage and current transducers) có nhiệm vụ chuyển tín
hiệu điện lưới thành tín hiệu có biên độ nhỏ hơn phù hợp với ADC. Sau khi được
lấy mẫu và chuyển đổi, các tín hiệu này được xử lý bằng các mạch số để đưa ra
các dữ liệu cần thiết như: công suất thực, công suất phản kháng, công suất biểu
kiến… Ngoài ra đồng hồ còn có các tính năng khác như bộ nhớ để lưu các giá trò
hoặc các thông số chuẩn hoá, bộ nguồn cung cấp và thiết bò hiển thò (LED hoặc
LCD) để hiển thò giá trò đã đo được. Thêm vào đó các tính năng như AMR
(Automatic Meter Reading) có thể mở rộng việc giao tiếp và quản lý của đồng
hồ.

Dựa vào sơ đồ khối trên, người ta có thể phân loại đồng hồ đo điện năng
thành hai loại
Đồng hồ dựa trên một DSP chuyên dụng

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 8
Đồng hồ dựa trên ADC và một DSP thông thường

ĐỘ TIN CẬY CỦA THIẾT BỊ
Trong những năm qua những đồng hồ cơ đo điêïn năng đang sử dụng rất
đựơc người sử dụng tin cậy mặc dù độ chính xác của chúng chỉ đạt được 2% và
tuổi thọ không thể vượt quá 30 năm. Chính vì thế, để đồng hồ theo công nghệ
mới có thể thay thế được thế hệ đồng hồ cũ thì chúng phải đạt được độ tin cậy
qua các cuộc kiểm tra.

SAI SÓT TRONG QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT
Hư hỏng loại này có thể chia làm hai loại: hư hỏng bên trong và hư hỏng
bên ngoài. Hư hỏng bên trong như hư hỏng linh kiện, sai sót do quá trình sản
xuất. Hư hỏng bên ngoài phần lớn do quá trình vân chuyển vầ đóng gói gây nên.
Để hạn chế hai loại hư hỏng này người ta thường tiến hành hai cuộc kiểm
tra.

KIỂM TRA THIẾT BỊ Ở NHIỆT ĐỘ CAO
Những cuộc kiểm tra dạng này được gọi là kiểm tra độ bền của thiết bò.
Chính trong những điều kiện khắc nghiệt của cuộc kiểm tra mới đánh giá đựơc
mức độ hoàn hảo của thiết bò. Tỉ lệ hư hỏng bên trong có thể nhận biết được qua
các phản ứng hoá học theo công thức Arrhenius:
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 9






−
=
kT

Ea
exp.Ar

Qua công thức trên, các nhà sản xuất có thể tính được tỉ lệ hư hỏng trong
một thời gian xác đònh.

KIỂM TRA TÍNH CHỊU ĐỰNG CỦA THIẾT BỊ ĐỐI VỚI CÁC TÁC
ĐỘNG BÊN NGOÀI
Chủ yếu trong cuộc kiểm tra này, nhà sản xuất sẽ kiểm tra độ tin cậy của
thiết bò khi chòu các tác động về cơ khí như bò rớt, va chạm mạnh… Điều này rất
quan trọng ví như thiết bò có thể hư sau vài giờ ở nhiệt độ cao nhưng có thể sẽ bò
hư hỏng ngay lập tức khi bò va chạm mạnh.

HƯ HỎNG DO SHOCK ĐIỆN
Hư hỏng do shock điện phần lớn do sử dụng thiết bò ở phạm vi quá tầm
hoạt động tối đa được đề cập trong tài liệu đính kèm. Để hạn chế sai sót này, nhà
sản xuất thường tích hợp các mạch bảo vệ chống tónh điện trong IC như tăng khả
năng chòu ESD (Eletrostatic Discharge)... Việc kiểm tra này bảo đảm rằng các IC
vẫn hoạt động tốt sau khi bò shock điện trong một thời gian ngắn.

KẾT LUẬN
Qua các điều đã trình bày ở trên cho thấy các công nghệ mới đã làm giảm
chi phí một cách đáng kể trong việc đo lường và quản lý điện năng. Các IC tích
hợp chuyên dụng được sản xuất ngày càng nhiều làm giảm thời gian thiết kế và
tăng tính linh hoạt cho các thiết bò đo. Chính điều này đã thúc đẩy các nhà sản
xuất IC không ngừng mở rộng và phát triển ngành công nghiệp đo lường.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 10

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo

Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 11
CHƯƠNG 2 :
IC ĐO ĐIỆN NĂNG AT73C540 (HÃNG ATMEL)


GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT
ü Điện áp nguồn cung cấp thấp (nguồn 3V), công suất tiêu thụ thấp.
ü Điện áp so sánh nội bên trong IC.
ü Độ chính xác cao: <0.2% trong phạm vi hoạt động.
ü Ngõ ra phát xung hỗ trợ nhiều tốc độ: từ 10 đến 1.000.000 imp/kWh.
ü Ngõ vào dòng điện có bộ khuếch đại độ lợi lập trình được (PGA:
Programmable Gain Amplifier).
ü Cho phép sử dụng bộ biến dòng hoặc điện trở shunt.
ü Phát hiện công suất tiêu thụ âm và giảm áp lưới.
ü Chi phí thấp.

AT73C540 là một IC đơn đo điện năng tiêu thụ một pha của hãng Atmel
có khả năng đo công suất tiêu thụ giống như một điện năng kế một pha (công tơ
mét). AT73C540 bao gồm hai bộ ADC theo công nghệ Sigma – Delta và khối xử
lý tín hiệu.

SƠ ĐỒ KHỐI


GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 12
SƠ ĐỒCHÂN IC


Chân Chức năng chân

VDA, VSA Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu tương tự trong IC. VDA nối
với nguồn ổn đònh +3V và VSA nối với mass.
VDD, VSS Cấp nguồn cho mạch xử lý tín hiệu số trong IC. VDD nối vơi
nguồn +3V và VSS nối mass.

XI, XO
Ngõ vào và ra dao động. Giá trò thạch anh mặc đònh là
7.3728MHz. Trong trường hợp dùng nguồn dao động ngoài,
chân XO được bỏ trống và dao động được đưa vào chân XI.
XRES Chân reset của IC (tích cực mức thấp).
VIN Ngõ vào điện áp, tầm đo có thể thay đổi từ –1V đến +1V so
với điện áp chân VREF.
IINN, IINP Ngõ vào dòng điện. Điện áp tối đa sau bộ biến dòng là 1V
giữa hai ngõ vào.
VREF Ngõ vào điện áp so sánh.
EP Ngõ ra xung đếm điện năng. Mối liên hệ giữa công suất tiêu
thụ và tần số xung có thể thay đổi được.
NEG Ngõ ra phát hiện công suất tiêu thụ âm (tích cực mức cao).
VOL Ngõ ra phát hiện sụt điện áp lưới quá ngưỡng cho phép.
ZC Tích cực mức cao ít nhất 0.25mS khi áp lưới qua zero.
GC Ngõ vào điều khiển độ lợi dòng điện (tích cực mức thấp).


GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 13
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Ngõ ra xung EP cho phép tính toán được điện năng tiêu thụ theo công thức:
( )

























=
h
s
3600
kWh
imp
xMCkWP
)Hz(f

Trong đó, P là công suất thực (kW), MC là hằng số đo (số xung/kWh).

HẰNG SỐ ĐO
Tần số xung trên ngõ ra EP tỉ lệ với công suất tiêu thụ qua hằng số đo.
Hằng số đo càng lớn, số xung/kWh càng lớn.
Hằng số đo MC phụ thuộc vào tần số xung clock, điện áp đo cực đại, dòng
đo cực đại, và hệ số tỷ lệ nội theo công thức :
MAXMAX
CLK
xIxU55
xEPRATExf2
MC =
với EPRATE là hệ số tỷ lệ nội được mô tả trong phần dưới

THAY ĐỔI HỆ SỐ TỶ LỆ NỘI
Trong thời gian khởi động IC , các ngõ ra NEG, ZC và VOL được xem như
ngõ vào. Nếu một chân nối với điện trở kéo lên, chân đó xem như ở trạng thái
tích cực (logic 1). Một chân bò bỏ trống (NC : not connected) hoặc nối với tải
(LED …), sẽ được coi là đang ở trạng thái thấp (logic 0). Trạng thái này quyết
đònh giá trò hệ số tỷ lệ nội được đề cập ở công thức trên.


GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 14
Bằng cách kết hợp các tần số xung clock và trạng thái ba chân NEG, VOL
và ZC, người sử dụng có thể chọn lựa tần số xung phát, độ chính xác cũng như
cấu hình phù hợp với nguồn tải tiêu thu.ï

TRẠNG THÁI CÔNG SUẤT
Ngõ ra NEG cho người sử dụng biết trạng thái của công suất. Nếu ngõ ra

NEG ở mức cao, công suất tiêu thụ hiện tại là âm. Tuy nhiên IC vẫn tính toán
công suất chính xác bất kể trạng thái công suất.

Cấu hình đồng hồ đo với tốc độ 1000 xung/1kWh



Cấu hình đồng hồ đo với tốc độ 10.000 xung/1kWh


GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 15



GIÁM SÁT ĐIỆN ÁP LƯỚI
Ngõ ra VOL cho phép người sử dụng giám sát nguồn điện lưới đang sử
dụng. Nếu nguồn điện lưới rớt xuống quá một giá trò ngưỡng đã đònh, IC sẽ báo
động thông qua ngõ ra VOL. Ngõng giới hạn có giá trò 40% tầm áp hoạt động,
tần số lấy mẫu bằng 1/150.000 tần số xung clock.







GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 16
CHƯƠNG 3 :

GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG AD7755
(HÃNG ANALOG DEVICES)


GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT
ü Độ chính xác cao, hỗ trợ tần số 50 / 60 Hz.
ü Sai số < 0,3%.
ü Điều khiển trực tiếp bộ đếm cơ và mô tơ bước hai pha trên một số
ngõ ra (F1 và F2).
ü Ngõ vào dòng điện có bộ khuếch đại độ lợi lập trình được (PGA :
Programmable Gain Amplifier) cho phép sử dụng điện trở Shunt có giá trò
nhỏ.
ü Nguồn cung cấp đơn 5 V, công suất thấp (15mW).

AD7755 là một IC đo điện năng có độ chính xác cao. AD7755 chỉ xử lý tín
hiệu tương tự trong bộ ADC và mạch so sánh điện áp, tất cả các quá trình xử lý
tín hiệu khác (nhân, lọc tín hiệu …) đều được thực hiện bằng tín hiệu số. Chính
điều này đã tạo tính ổn đònh và độ chính xác cao trong những điều kiện môi
trường khắc nghiệt và trong cả thời gian dài.

SƠ ĐỒ KHỐI

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 17
SƠ ĐỒCHÂN

Chân Chức năng chân

DVDD
Chân cấp nguồn cho phần mạch số trong AD7755. Điện áp

cung cấp cần phải được giữ ở mức 5V ± 5%. Chân này nên
được nối với DGND qua một tụ 10uF song song với một tụ
gốm 100nF.
AC/DC Ngõ vào cho phép khả năng lọc tần số cao (nằm ngoài tầm
45Hz – 65Hz) trên ngõ vào dòng điện.

AVDD
Chân cấp nguồn cho phần mạch tương tự trong AD7755. Điện
áp cung cấp cần phải được giữ ở mức 5V ± 5%. Chân này nên
được nối với AGND qua một tụ 10uF song song với một tụ
gốm 100nF.

V1P, V1N
Ngõ vào vi sai dòng điện. Mức điện áp tối đa là ±1V so với
AGND. Cả hai ngõ vào đều được bảo vệ chống tónh điêïn ESD
cho phép một điện áp ±6V có thể duy trì một thời gian mà
không gây hư hỏng IC.

V2N, V2P
Ngõ vào điện áp. Tương tự như ngõ vào dòng điện, cả hai ngõ
vào này đều được bảo vệ chống tónh điện ESD và có mức tín
hiệu tối đa ±1V so với AGND.
RESET Chân reset của IC (tích cực mức thấp).
REF
IN/OUT
Ngõ vào điện áp so sánh cho ADC. Chân này được cấp điện
áp 2.5V ± 8% và cần phải nối với AGND qua một tụ gốm 1uF
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 18
AGND Chân mass cho phần mạch tương tự trong AD7755. Để hạn chế

nhiễu nên nối chân này với chân DGND.
SCF Ngõ vào cho phép chọn lựa tần số chuẩn hoá.
S1, S0 Cùng với SCF, 2 ngõ vào này cho phép người sử lựa chọn tần
số chuẩn hoá.
G1, G0 Ngõ vào chọn độ khuếch đại tín hiệu của ngõ vào dòng điện.
Độ khuếch đại là 1, 2, 8 và 16.
CLKIN Ngõ vào xung clock cho IC. Tần số của thạch anh là 3.58 MHz
CLKOUT Ngõ ra xung clock của IC. Ngõ ra này có thể cấp xung clock
cho 1 IC CMOS khác khi có xung clock vào tại CLKIN.

REVP
Ngõ ra này tích cực mức cao khi phát hiện thấy công suất tiêu
thụ là âm (ví dụ khi điện áp và dòng điện lệch pha nhau 180
o
).
Tín hiệu này không được chốt và sẽ được reset khi công suất
tiêu thụ dương trở lại.
DGND Chân mass của phần mạch số trong AD7755. Để hạn chế
nhiễu, chân này nên được nối với AGND.
CF Ngõ ra tần số chuẩn hoá. Ngõ ra này còn cung cấp thông tin
về công suất thực tức thời, ngoài ra nó còn có mục đích chuẩn
hoá.

F2, F1
Ngõ ra tần số cung cấp thông tin về công suất trung bình tức
thời. Hai ngõ ra này có thể trực tiếp điều khiển bộ đếm cơ
hoặc mô tơ bước hai pha.


THÔNG SỐ KỸ THUẬT

NGÕ VÀO DÒNG ĐIỆN
Điện áp từ bộ biến dòng được nối thẳng trực tiếp đến hai ngõ vào dòng
điện của AD7755. Tín hiệu điện áp cực đại trên hai ngõ vào này không được quá
±500 mV. Ngoài ra, hai ngõ vào này có một bôï khuếch đại độ lợi lập trình được
(PGA) với 4 lựa chọn :1, 2, 8 và 16.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 19


NGÕ VÀO ĐIỆN ÁP
Cũng như ngõ vào dòng điện, tín hiệu điện áp sau khi qua bộ biến áp có
thể được nối trực tiếp đến hai ngõ vào này nếu điện áp cực đậi không vượt quá
±500 mV


SƠ ĐỒ KẾT NỐI TIÊU BIỂU
Hình dưới đây cho thấy sơ đồ kết nối tín hiệu dòng điện sau khi đã qua bộ
biến dòng với AD7755. Sử dụng bộ biến dòng và biến trở Rb cho phép đạt được
điện áp tối đa ±500 mV.


GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 20
Hình bên dưới cho thấy hai sơ đồ kết nối tiêu biểu : sử dụng bộ biến áp và
dùng bộ chia trở. Sử dụng biến áp có thể cách ly hoàn toàn điện áp lưới và điện
áp mạch hoạt động. Đối với sơ đồ sử dụng bộ chia trở, điều chỉnh Ra và Rb cho
phép điều chỉnh độ lợi của thiết bò đo.

CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI
AD7755 tính toán công suất thực dựa trên hai tín hiệu điện áp ở các ngõ
vào dòng điện và điện áp. Sau đó giá trò công suất này được chuyển đổi thành tần
số. F1 và F2 là hai ngõõ ra cho phép tính được công suất thực trung bình dựa trên
tần số và số xung mà hai ngõ ra này cung cấp. Tần số được tính theo công thức :

2
REF
4121
V
xGAINxFxVxV06.8
Freq
−
=


CHUẨN HOÁ TẦN SỐ
Ngõ ra xung CF được sử dụng vào mục đích chuẩn hoá. Tín hiệu xung tại
ngõ ra này có thể gấp 128 lần tần số tại hai ngõ ra F1 và F2. Tần số này cho phép
tính được công suất thực tức thời. Đó là trường hợp hai tín hiệu tại F1 và F2 vừa
được nhân với nhau xong. Tuy nhiên vì tần số này khá cao nên giá trò công suất
này chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn.
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 21



Phương pháp dễ dàng nhất để tính được giá trò công suất tiêu thụ do
AD7755 xử lý được là sử dụng ngõ ra CF nối với ngõ vào bộ đếm của vi điều
khiển.

Để cho việc chuẩn hoá đựơc chính xác, nên chọn khoảng thời gian từ 10
đến 20 giây để xác đònh được công suất tiêu thụ/1 xung. Tuy nhiên khi thực hiện
đo lường việc tính toán nên xử lý trong khoảng thời gian > 1 phút nhằm tránh bò
nhiễu (gợn sóng) tại ngõ ra CF mặc dù tải hoạt động ổn đònh. Vì vậy sai số đo có
thể thay đổi từ 1/5570 đến 1/21,76 tuỳ thuộc vào tần số ngõ ra CF.



GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 22
CHƯƠNG 4 :
GIỚI THIỆU IC ĐO ĐIỆN NĂNG SA2002H
(HÃNG SAMES)


GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT :
ü Bảo vệ chống tónh điện ESD.
ü Công suất tiêu thụ thấp <25mW.
ü Phù hợp với nhiều loại biến dòng khác nhau
ü Điện áp so sánh chính xác trên IC
ü Dao động chính xác trên IC
ü Hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng.

Chip SA2002H là một mạch tích hợp đo công suất và năng lượng bằng
xung có tần số tỷ lệ với công suất tiêu thụ. Phương pháp đo là cộng dồn các giá
trò công suất. Năng lượng có thể được tính bằng cách tích phân công suất theo
thời gian.

SƠ ĐỒ KHỐI

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 23
SƠ ĐỒCHÂN

Chức năng Mô tả
GND Chân mass cho tín hiệu tương tự. Điện áp cho chân này nên
nằm trong khoảng giữa V
DD
và V
SS


V
DD

Chân cấp nguồn dương cho IC. Điện áp cung cấp cho chân
này có giá trò điển hình là +2.5V, nếu sử dụng điện trở shunt
để biến dòng thì có thể cung cấp điện áp lên đến +5V.

V
SS

Chân cấp nguồn âm cho IC. Giá trò điển hình là –2.5V. Nếu
có sử dụng điện trở shunt thì có thể sử dụng nối mass chân
này.
IVP Ngõ vào điện ápï.
IIN,IIP Ngõ vào dòng điện.
VREF Cung cấp điêïn áp so sánh. Trạng thái tối ưu có thể đạt được
bằng cách nối chân này với VSS qua một điện trở 25KΩ.

FOUT Ngõ ra tần số.
DIR Ngõ ra trạng thái công suất.
FMO Ngõ ra FMO tích cực mỗi khi điêïn áp lưới qua điểm Zero và
bắt đầu cạnh dương.
TP1
TP2
TP3
TP4

Để trống các chân này
GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo
Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 24
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT
Trong hình bên dưới, điện áp rơi trên điện trở shunt có giá trò trong khoảng
0 đến 16mV hiệu dụng (biến đổi từ dòng lưới 0 đến 80 A qua điện trở shunt
200Ω). Điện áp này được chuyển đổi sang dòng điện từ 0 đến 16uA hiệu dụng
bằng điện trở R1 và R2. Ngõ vào dòng điện bão hoà ở giá trò 25µA biên độ.



Đối với ngõ vào điện áp, điện áp lưới (230VAC) được chia áp bởi các điện
trở (R3,R4 và P1) xuống còn khoảng 14V hiệu dụng. Dòng điện tại bộ biến đổi
A/D được hạn chế trong tầm 14µA hiệu dụng tại giá trò điện áp lưới thông dụng
bằng điện trở R5 (1MΩ). Biến trở P1 còn được dùng để chuẩn hóa.
Trong cấu hình này, với điện áp lưới khoảng 230V và dòng điện khoảng
80A, tần số ngõ ra sẽ có giá trò là 1360Hz. Do đó, 1 xung ra tại ngõ ra FOUT
tương ứng với 1 công suất tiêu thụ theo tỷ số (230V x 80A)/1360Hz = 13.53Ws.

GVHD: Ts. Nguyễn Đức Thành SVTH: Lê Hoàng Bảo

Đề tài : Đo điện năng từ xa qua mạng RS485 Trang 25
CẤU HÌNH CHO TÍN HIỆU VÀO TƯƠNG TỰ
Các mạch ngõ vào điện áp và dòng điện được trình bày như hình dưới.
Những ngõ vào này được bảo vệ chống tónh điện ESD bằng các các diode kẹp.
Nhánh hồi tiếp từ ngõ ra của 2 tầng khuếch đại A
I
và A
V
tạo ra các xung ngắn
trên các tín hiệu đầu vào. Vì vậy giá trò nhân đôi chính xác của tín hiệu dòng điện
ngõ vào được đưa vào mạch xử lý tín hiệu tương tự.