Nghiên cứu khả năng đo năng lượng điện bằng hệ thu thập dữ liệu 16 kênh DEWE 5000

~i ~
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

ĐỖ THANH TUẤN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ĐO NĂNG LƢỢNG ĐIỆN BẰNG
HỆ THU THẬP DỮ LIỆU 16 KÊNH DEWE – 5000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN- 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~ii ~

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Đỗ Thanh Tuấn
Học viên lớp cao học khóa K14 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóaTrƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại Học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề số 1- Bộ quốc phòng
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu nêu
trong luận văn là trung thực.Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc
ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ
nguồn gốc.
Ngƣời thực hiện

Đỗ Thanh Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~3 ~
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn
của
nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, các giảng viên
đã
tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Quân Nhu–
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hƣớng dẫn trong quá
trình thực hiện luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở phòng thí nghiệm
đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có
thể luận văn còn những thiếu sót.Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp
từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý
nghĩa ứng
dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
NGƢỜI THỰC HIỆN

Đỗ Thanh Tuấn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~4 ~
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỞ

ĐẦU

.....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................1
2. Mục tiêu của nghiên cứu:.....................................................................................1
3. Đối tƣợng nghiên cứu ..........................................................................................2
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài....................................................2
5. Nội dung thực hiện ..............................................................................................2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NĂNG LƢỢNG ĐIỆN ..................................3
1.1. Khái niệm chung về đo năng lƣợng điện .............................................................3
1.2. Đo năng lƣợng điện bằng công tơ cảm ứng một pha ...........................................3
1.3.
Đo
năng
lƣợng
điện
............................................................7

bằng

công

tơ

điện

tử

CHƢƠNG 2HỆ THU THẬP DỮ LIỆU DEWE-5000 .............................................15
2.1. Giới thiệu sơ lƣợc về hãng DEWETRON ......................................................15
2.2. Thiết bị DEWE – 5000 PC tại TT thí nghiệm- ĐHKT Công nghiệp TN.......17
2.2.1. Khái quát chung ..............................................................................................17
2.2.2. Các thông số kỹ thuật của hệ thống ................................................................19
2.2.4
Các
cổng
kết
...............................................................................................20

nối

2.2.5. Tổng quan về các loại module DAQ...............................................................21
2.2.6.
Giao
diện
......................................................................................28

thông

minh

2.2.7. Kết nối nguồn cung cấp...................................................................................29
2.2.8. Phần mềm DEWE (DEWESoft) ....................................................................36
2.2.9. Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-DE-x..........36
2.2.10. Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-NI-x-U ....38
2.3.Cách tạo hàm thời gian trên DEWE-5000 .......................................................39
2.4.
Xử lý
hiệutâm
..................................................................................................40
Số hóa
bởitín
Trung
Học liệu - ĐHTN
/>

~5 ~
2.5. Các bƣớc thực hiện: ........................................................................................41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

2.6. Hƣớng dẫn an toàn ..........................................................................................41
CHƢƠNG 3SỬ DỤNG HỆ THỐNG DEWE - 5000ĐO NĂNG LƢỢNG ĐIỆN ...45
3.1. Chức năng đo công suất một pha của DEWESoft ..........................................45
3.2. Cài đặt kênh đo...................................................................................................47
3.3. Phép đo công suất một số thiết bị điện...............................................................50
3.4. Cảm biến hiệu chỉnh...........................................................................................54
3.5. Đo năng lƣợng một pha và 3 pha....................................................................59

3.5.1. Đo năng lƣợng một pha...................................................................................59
3.5.2. Đo năng lƣợng ba pha. ....................................................................................60
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.........................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................66


~vi ~
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha ........................................................ 3
Hình 1.2 Đồ thị véc tơ ............................................................................................... 4
Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử analog ......................................................... 8
Hình 1.4. Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử số .............................................................. 11
Hình1.5. Sơ đồ nguyên lý đo năng lƣợng tác dụng................................................... 12
Hình 1.6. Chu kỳ tích lũy năng lƣợng của ADE 7753 .............................................. 13
Hình 2.1. Các lĩnh vực ứng dụng của DEWETRON ................................................ 15
Hình 2.2. Tính năng, tác dụng của thiết bị hãng DEWETRON ................................ 16
Hình 2.3. Các quá trình kiểm tra chất lƣợng ............................................................. 17
Hình 2.4. Mô hình DEWE-5000 PC ............................................................... ......... 18
Hình 2.5. Kích thƣớc của DEWE-5000 ............................................................... ..... 20
Hình 2.6. Sơ đồ kết nối của DEWE-5000 ............................................................... .. 20
Hình 2.7. K nguồn và công tắc nguồn cung cấp cho thiết bị .................................... 30
Hình 2.8. Chân nối đất và nguồn cung cấp DC......................................................... 31
Hình 2.9. Nguồn kết nối 2 chân LEMO EGJ.2B.302 ............................................... 32
Hình 2.10. DEWE – 5000 với chức năng PS-BAT và nguồn ngoài ......................... 34
Hình 2.11: Bộ điều khiển pin thông minh................................................................. 34
Hình 2.12. Bộ pin nguồn ngoài ................................................................................. 35
Hình 2.13: một giao diện phần mềm DEWE Soft..................................................... 36
Hình 2.14. Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-DE-x.. 37
Hình 2.15.Khe cắm 16 kênh DEWE-MOTHERBOARD DAQ-MOTH-16-NI-x-U38
Hình 2.16. Cách tạo hàm thời gian trên DEWE – 5000............................................ 39

Hình 2.17. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu ......................................................................... 40
Hình 3.1. Giao diện đo công suất .............................................................................. 45
Hình 3.2. Khả năng phân tích phổ tần và xác định biên độ của các sóng hài ...........
46
Hình 3.3. Thực nghiệm đo công suất sử dụng DEWE - 5000 .................................. 47
Hình 3.4. Cài đặt kênh dòng điện và điện áp ............................................................ 48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~vii ~
Hình 3.5. Đo công suất của DEWE – 5000 .............................................................. 48
Hình 3.6. Cài đặt các thông số cho kênh dòng .......................................................... 49
Hình 3.7. Các đặt các thông số khác của đo công suất ............................................. 50
Hình 3.8. Giao diện tổng quan khi sử dụng tải máy sấy tóc hoạt động với một nửa
công suất.................................................................................................................... 51
Hình 3.9. Giao diện tổng quan khi sử dụng tải máy sấy tóc hoạt động đủ CS ......... 52
Hình 3.10. Giao diện tổng quan khi sử dụng tải bóng đèn 11W............................... 53
Hình 3. 11. Giao diện tổng quan khi sử dụng tải bóng đèn 40W.............................. 54
Hình 3.12. Lực chọn cảm biến và các thông số của cảm biến .................................. 55
Hình 3.13. Sự thay đổi về góc pha khi có cảm biến ................................................. 56
Hình 3.14. Cài đặt các thông số của cảm biến .......................................................... 57
Hình 3.15 . Hình ảnh tổng quan khi có cảm biến...................................................... 58
Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý đo năng lƣợng tác dụng bằng DEWE- 5000 ................ 59
Hình 3.17. Đo năng lƣợng một pha của DEWE - 5000 ............................................ 60
Hình 4.18. Cài đặt các kênh dòng, kênh áp 3 pha ..................................................... 61
Hình 3.19. Sơ đồ đo công suất 3 pha của DEWE – 5000 ......................................... 61
Hình 3.20. Đo năng lƣợng 3 pha của DEWE – 5000................................................ 62
Hình 3.21. Sơ đồ các khối khi năng lƣợng 3 pha ...................................................... 63
Hình 3.22. Hình ảnh sơ đồ đấu nối thiết bị đo năng lƣợng 3 pha tại TTTN ............ 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~viii ~
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DSP

Digital Signal Processing

CPU

Central Processing Unit

µP

Microprocessor

ADE

Analog Devices Energy

PLC

Power Line Communication GPS

Global Positioning System ARINC
Aeronautical Radio Incorporation SISO
Single input Single output

PF

Hệ số công suất

Ccx

Cấp chính xác

LP

Lọc thông thấp

HP

Lọc thông cao

IOS

Cách ly

OP

Bảo vệ quá áp

BW

Băng thông

LP

Low pass

HP

High pass

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~1 ~
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong các loại năng lƣợng mà con ngƣời biết đến và đang sử dụng chúng thì
năng lƣợng điện là một trong những năng lƣợng đƣợc đƣợc sử dụng phổ biến và
tiện lợi nhất. Tất cả trong các lĩnh vực của đời sống con ngƣời hiện nay đều thấy sự
góp mặt của điện năng. Kết quả hiển thị trên công tơ đo năng lƣợng điện đƣợc dùng
để thanh toán trong các hợp đồng mua bán điện.Việc sử dụng các công tơ có độ
chính xác cao là yêu cấu thích đáng và cấp thiết cho cả bên có điện bán và bên mua
điện.
Tuỳ thuộc vào phạm vi, lĩnh vực sử dụng điện mà ngƣời ta sử dụng loại công
tơ cho phù hợp nhƣ công tơ một pha. ba pha, trực tiếp, gián tiếp, vô công, hữu công,
một biểu giá, nhiều biểu giá .v.v...
Công tơ kỹ thuật số(công tơ điện tử) bắt đầu xuất hiện từ những năm 1970 với
rất nhiều tính năng ƣu việt nhƣ: Có khả năng tạo ra sản phẩm nhỏ gọn, nhiều dải đo;
nâng cao độ chính xác và tin cậy; đo đƣợc nhiều đại lƣợng khác nhau; có thể thu
thập dữ liệu, lập trình cho công tơ từ xa; có thể đo đƣợc cả 4 góc ¼… nên ngày nay
việc sử dụng công tơ kỹ thuật số đã và đang đƣợc ứng dụng để dần thay thế công tơ
điện cơ.
Qua quá trình nghiên cứu hệ thu thập dữ liệu 16 kênh tôi thấy khả năng đo

năng lƣợng điện rất chính xác chính vì vậy, để đáp ứng thêm các yêu cầu về đo điện
năng chính các hơn nữa tôi quyết định nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng
đo năng lượng điện bằng hệ thu thập dữ liệu 16 kênh Dewe – 5000”, nhằm đƣa
ra phƣơng pháp đo năng lƣợng điện sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lƣờng 16 kênh
Dewe - 5000 do Áo chế tạo; đây là thiết bị hiện đại, có độ chính xác và khả năng
lƣu động cao và còn có thể phát triển hơn nữa trong việc kiểm định công tơ đo năng
lƣợng điện.
2. Mục tiêu của nghiên cứu:
Mục tiêu chung:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

~2 ~

Đề tài này, đặt mục tiêu chính là nghiên cứu khả năng đo năng lƣợng điện bằng
hệ thu thập dữ liệu 16 kênh Dewe - 5000, từ đó áp dụng trên thiết bị thực tế tại
Phòng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

thí nghiệm Cơ khí – Vật liệu – Động lực – Xây dựng và Phòng thí nghiệm Điện –
Điện tử thuộc Trung tâm thí nghiệm - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp.
Các mục tiêu cụ thể là:
* Về mặt lý thuyết
- Nghiên cứu tổng quan về đo năng lƣợng điện
- Nghiên cứu về quy trình đo năng lƣợng

- Nghiên cứu các chức năng của hệ thu thập dữ liệu đo lƣờng Dewe – 5000
* Về mặt thực tế
- Sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lƣờng Dewe - 5000 tại Trung tâm thí nghiệm
Trƣờng Đại học KTCN để đo năng lƣợng
điện
3. Đối tƣợng nghiên cứu
-

Đề tài sử dụng hệ thu thập dữ liệu đo lƣờng Dewe - 5000 tại phòng thí nghiệm
Cơ khí - Kỹ thuật vật liệu - Động lực- Xây dựng, mô hình bàn kiểm định công
tơ một pha 6 vị trí KEND -XDB35S, và một số sensor, thiết bị biến đổi trung
gian... tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử thuộc Trung tâm thí nghiệm.

-

Nghiên cứu quá trình thu thập dữ liệu và điều khiển trên công tơ kỹ thuật số
đang đƣợc sử dụng trên thị trƣờng.

4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Việc đo năng lƣợng điện tuy có nhiều các thiết bị đã đƣợc sử dụng, tuy nhiên
để đo một các chính xác và mô phỏng đƣợc thì không phải thiết bị nào cũng thực
hiện đƣợc, nên việc sử dụng hệ thu thập dự liệu 16 kênh để đo năng lƣợng có ý
nghĩa thiết thực trong khoa học kỹ thuật điện, có thể áp dụng và thực tiễn.
5. Nội dung thực hiện
Chƣơng 1: Tổng quan về đo năng lƣợng điện
Chƣơng 2: Nghiên cứu các chức năng của hệ thu thập dữ liệu đo lƣờng Dewe –
5000
Chƣơng 3: Thực nghiệm trên mô hình DEWE 5000 tại Trung tâm thí nghiệm –
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp để đo năng lƣợng điện

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO NĂNG LƢỢNG ĐIỆN
1.1. Khái niệm chung về đo năng lƣợng điện
Năng lƣợng là một trong những đại lƣợng vật lý quan trọng trong bất cứ lĩnh
vực khoa học nào, đặc biệt là trong kỹ thuật điện.Quá trình trao đổi năng lƣợng dẫn
tới các nghiên cứu về lƣới điện nhìn từ quan điểm vật lý và cho phép chúng ta hiểu
biết hơn về thế giới năng lƣợng điện và điện từ.Năng lƣợng đƣợc định nghĩa về mặt
toán học là tích phân hữu hạn của công suất trong một khoảng thời gian định trƣớc
nào đó. Năng lƣợng điện trong một khoảng thời gian ΔT đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
t0

WE

T

T

P t dt
t0

Do đó, phép đo năng lƣợng là một phép đo động, có nghĩa là kết quả của
phép đo thay đổi theo thời gian. Năng lƣợng điện có đơn vị là wh hoặc kwh.
Thiết bị đo năng lƣợng đƣợc gọi là công tơ, cũng tƣơng tự nhƣ oát kế, vì phải
sử dụng hai tín hiệu dòng và áp nên công tơ cũng có hai đầu vào dòng và hai đầu vào
áp.
1.2. Đo năng lƣợng điện bằng công tơ cảm ứng một pha
Có rất nhiều cách đo năng lƣợng, song công tơ cảm ứng một pha đƣợc ứng
dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật vì mô men quay lớn, độ làm việc tin cậy, sai số
nằm trong phạm vi cho phép.
1.2.1. Cấu tạo

Cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng, cụ thể
nhƣ hình 1.1.
u~

B

iU

M

ub

+
N

.

L
up

S

.

Tải
I

A

i

up

i


Hình 1.1 Cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha


Trong công tơ có:
- Nam châm điện A gọi là cuộn dòng, thƣờng đƣợc quấn bằng dây có kích
thƣớc lớn, ít vòng và cho dòng phụ tải trực tiếp chạy qua (hoặc nối với thứ cấp của
máy biến dòng điện).
- Nam châm điện B đƣợc gọi là cuộn áp, thƣờng đƣợc quấn bằng dây có kích
thƣớc nhỏ, rất nhiều vòng, đặt trực tiếp lên điện áp lƣới hoặc nối với thứ cấp của
biến điện áp đo lƣờng.
- Đĩa nhôm L đƣợc kẹp cứng trên trục, nam châm vĩnh cửu M và cơ cấu đếm.
1.2.2. Nguyên lý làm việc
Khi cuộn dòng có dòng điện chạy qua, xuất hiện từ thông

xuyên qua đĩa

i

nhôm, khi đặt điện áp xoay chiều u lên cuộn áp sẽ tạo ra dòng điện i u chậm pha hơn
0

so với điện áp một góc 90 . Dòng iu sinh ra từ thông

u.

Ta đã có mômen quay của cơ cấu cảm ứng là:
Mq = kf
Với

1 2sin

= kf

i usin

là góc lệch pha giữa hai từ thông

Mà

i

= k iI

u

= kuIu = k u

i

và

u.

U

zu

U là điện áp đặt lên cuộn áp
zu là tổng trở cuộn áp
U

ki, ku hệ số tỉ lệ

I

Do cuộn áp có điện trở thuần nhỏ so với điện kháng
nên có thể coi:
zu

Xu

I
I

2 fL u

Lu là điện cảm của cuộn áp, f là tần số.

U
k
=
u
u
zu

k uU
2 fL u

k u'

U
;
f

Iu

β

L
u

I
L

u

Hình 1.2 Đồ thị véc tơ


k 'u

ku
2 Lu

Vậy: Mq = kf

= kk i

i usin

'

k u UI sin

KUI sin
Với K

kk i k u ,

là góc lệch pha giữa

'

i và

u.

Từ đồ thị véc tơ hình 1.2 ta thấy:
I

Nếu thực tế

/2

I

/2

Thì
Vậy ta có: Mq

KUI
sin

KUI cos

KP

Từ đó ta thấy mômen quay tỉ lệ với công suất tiêu thụ.
Để có thể thực hiện đƣợc
chỉnh

u

/ 2 ngƣời ta điều chỉnh góc β , tức là điều

I

bằng cách thay đổi vị trí sun từ của cuộn áp hoặc điều chỉnh góc

là thay đổi từ thông

I

I

nghĩa

bằng cách thêm hoặc bớt vòng ngắn mạch của cuộn dòng.

Mômen quay làm quay đĩa nhôm, khi đĩa nhôm quay trong từ trƣờng của nam
châm vĩnh cửu, nó bị cản lại bởi mômen cản MC do từ trƣờng của nam châm khi
xuyên qua đĩa nhôm tạo nên.
MC
M

k1

MI M

là từ thông do nam châm sinh ra

I M là dòng điện xoáy sinh ra trong đĩa nhôm

Trong đó I M

k2

Mn 0

n0 là tốc độ quay đều của đĩa nhôm khi mômen quay bằng mômen cản. Nên ta
có:

MC

k 1k 2

2
Mn 0

k3

2
Mn0 ;

k1, k2, k3 là các hằng số.

Khi cân bằng giữa mômen quay và mômen cản ta có: M
q

KP

k3

MC

2
Mn 0

Trong khoảng thời gian t = t1 - t2 đĩa nhôm quay đƣợc N vòng, vì vậy:


n0

N

t

Do đó: KP

k3

2
Mn 0

k3

CP là hằng số công tơ, C P

2
M

N
w

N
t
vßng/kWh đó là số vòng của công tơ khi

tiêu hao công suất là 1kW trong 1 giờ.Số chỉ này đƣợc thực hiện ở hộp số trên mặt
công tơ.
Cấp chính xác của công tơ thƣờng là 0,5; 1; 1,5; 2.
Cơ cấu đếm gồm hệ thống bánh vít, trục vít, các con lăn và các bánh răng chỉ thị
số.
1.2.3. Đặc điểm
 u điểm:

Ƣ
- Là loại công tơ thông dụng rễ chế tạo và nguyên lý hoạt động đơn giản nên
rễ sử dụng và lắp đặt.
-

Giá thành rẻ, rễ hiệu chỉnh.

Nhƣợc điểm:
- Độ chính xác không cao và phụ thuộc nhiều vào môi trƣờng làm việc( nhiệt
độ , từ trƣờng bên ngoài..) và kỹ thuật chỉnh định (khe từ, vòng ngắn mạch, vị trí
nam châm vĩnh cửu, trở kháng mạch điện áp...) nên không đảm bảo độ tin cậy cao
cho ngƣời sử dụng.
- Đọc chỉ số phải đọc tại chỗ chỉ số tăng dần. Do đó, cơ cấu chỉ thị của công
tơ cần số lƣợng con số ngày càng nhiều, nghiệp vụ ghi phức tạp, nhiều trục trặc.
- Số đo ghi không thể thực hiện đồng loạt tại tất cả các điểm đo và do đó,
không đáp ứng yêu cầu đánh giá chế độ làm việc, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của
hệ thống điện, một yêu cầu ngày càng trở nên quan trọng.
- Ngƣời sử dụng dễ dàng đƣa ra các giải pháp tác động đến chỉ số công tơ
có thể làm thay đổi chỉ số của công tơ, cả về điện và về cơ, thông qua rất nhiều
cách thực hiện.


- Nhƣợc điểm thứ tƣ là chỉ đo duy nhất một giá trị, đó là đếm số điện năng đã
đi qua công tơ. Do đó, không cho phép thực hiện thu thập dữ liệu đƣa vào hệ
SCADA để phân tích, đánh giá. Công tơ điện-cơ cũng không cho phép áp dụng giá
điện nhiều phƣơng thức tính (cao - thấp điểm, công suất đỉnh, …).
Nhận xét:
- Công tơ điện cơ đã có nhiều hạn chế trong quá trình hoạt động các hạn chế
về độ chính xác, tính ổn định và ảnh hƣởng của yếu tố bên ngoài. Ảnh hƣởng nay
càng gây trở ngại trong thời kỳ phát triển công nghiệp, kỹ thuật nhƣ hiện nay không

đáp ứng đƣợc yêu cầu
1.3. Đo năng lƣợng điện bằng công tơ điện tử
Sự phát triển của các mạch nhân điện tử cho phép chúng ta sử dụng chúng
trong chế trạo công tơ điện tử. Mạch nhân điện tử sử dụng các phần tử analog nhƣ
các mạch khuếch đại thuật toán, điện trở và điện dụng …, trong khi một số các thiết
bị gần đây sử dụng các phần tử số và các phần tử lập trình đƣợc. Các tín hiệu dòng
điện và điện áp đƣợc xử lý để tạo thành một tín hiệu tỷ lệ với công suất thực, sau đó
đƣợc tích phân trong một khoảng thời gian để tính ra năng lƣợng cần đo.Các công
tơ làm việc dựa trên nguyên lý trên đƣợc gọi là công tơ điện tử hay công tơ tĩnh (vì
nó không có phần quay, phần chuyển động). Do các thành phần điện tử có dải tần số
từ một chiều đến tần số cao, do vậy các công tơ tĩnh có thể áp dụng để đo năng
lƣợng của nguồn một chiều, xoay chiều hoặc nguồn không sin.
Có một số công tơ điện tử khác nhau, thứ nhất có thể kể đến là công tơ sử
dụng mạch nhân analog, dạng công tơ này đáp ứng cho các phép đo năng lƣợng
với độ chính xác cao, cấp chính xác có thể đạt đƣợc tới là 0,5 đến 0,2. Thứ hai là
công tơ số cao cấp, công tơ này sử dụng các mạch xử lý số DSP, cá công cụ tính
toán số đủ mạnh và các bộ chuyển đổi tƣơng tụ số để tối ƣu hóa quá trình tính
toán năng lƣợng.
1.3.1. Công tơ điện tử Analog
Cấu trúc của công tơ điện tử analog nhƣ hình 1.3


i(t)

CT

VT

Digital data bus

CS
VD
A

C

D

SM

MC

III
X

A

I

V/f

IV
Digital data bus

II
SH

A/D

mP

M/D

Hình 1.3.Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử analog
Trong đó
-

CT là biến dòng điện

-

VT là biến điện áp

-

CS là điện trở shunt

-

VD là bộ chia áp

-

A là khối xử lý tín hiệu analog

-

E là bộ nhân

-

V/f là bộ chuyển đổi điện áp sang tần số

-

SM là motor bƣớc

-

MC là bộ đếm bằng cơ khí

-

C là bộ đếm điện tử

-

D là bộ hiển thị số

-

SH là khâu lấy mẫu và giữ mẫu

Tất cả các tín hiệu dòng điện và điện áp sau một số khâu chuyển đổi cả hai
đƣợc chuyển thành tín hiệu áp sau đó đƣa tới khâu xử lý tín hiệu analog. Biên độ
cực đại của các tín hiệu này thƣờng cho phép trong khoảng từ 5V đến 15V


Với cấu trúc này, công tơ có thể sử dụng đƣợc trong mạch một chiều và xoay
chiều, tuy nhiên có những yêu cầu khác nhau cho mỗi trƣờng hợp.

+ Đối với mạch một chiều: Tín hiệu điện áp đƣợc lấy qua bộ chia điện áp, tín hiệu
dòng đƣợc lấy qua điện trở shunt, sau đó cho qua khâu xử lý tín hiệu A, thông
thƣờng là mạch khuếch đại, trƣớc khi vào mạch nhân. Khuếch đại trƣớc khi đƣa vào
mạch nhân rất quan trọng vì:
-

Mức điện áp rơi trên điện trở shunt rất nhỏ, toàn thang cỡ 1V

-

Các tín hiệu dòng phải đảm bảo chịu đƣợc khả năng quá tải, do đó cần
sử dụng mạch khuếch đại có hệ số điều chỉnh đƣợc

-

Có thể đóng vai trò là một bộ lọc tích cực cho tín hiệu trƣớc khi đƣa
tới mạch nhân

+ Đối với mạch xoay chiều: Sử dụng biến dòng điện và biến điện áp để lấy
tín hiệu dòng và tín hiệu áp. Các biến dòng và biến điện áp phải đƣợc chế tạo hợp lý
sao cho các tín hiệu dòng điện và điện áp phía thứ cấp phản ánh trung thực nhất
biên độ và góc pha của dòng điện và điện áp phía sơ cấp. Sau quá trình chuyển đổi
đó các tín hiệu dòng áp đƣợc đƣa tới khâu xử lý tín hiệu analog A, khâu xử lý tín
hiệu này có thể đẩy toàn bộ tín hiệu dòng và áp xoay chiều về cùng dấu.Sau đó các
tín hiệu này đƣợc đƣa tới mạch nhân giống nhƣ trong trƣờng hợp mạch một chiều.
Tín hiệu đầu ra của mạch nhân analog sẽ tỷ lệ với công suất tác dụng tức thời
của phụ tải. Để tính toán năng lƣợng ta cần phải thực hiện quá trình cộng dồn theo
thời gian (bản chất là quá trình tích phân). Quá trình này có thể thực hiện theo hai
cách:
Cách 1: Tín hiệu đầu ra của mạch nhân tỷ lệ với công suất tức thời đƣợc đƣa

tới bộ chuyển đổi từ điện áp sang tần số, qua đó thông tin về công suất thể hiện qua
mức điện áp sẽ đƣợc chuyển thành chuỗi xung có số lƣợng xung tƣơng ứng, và quá
trình đếm số xung sẽ thực hiện quá trình tích phân của công suất theo thời gian, do
đó ta sẽ nhận đƣợc kết quả là năng lƣợng cần đo. Để thực hiện kết quả này ta có thể


dùng bộ đếm điện tử ( khóa đóng vào các vị trí I, III) sau đó hiển thị số hoặc sử
dụng motor bƣớc (khóa đóng vào các vị trí I, IV), lƣợng góc quay của rotor là cố


định cho một xung. Vị trí của rotor đƣợc chỉ thị bởi một cơ cấu đếm bằng cơ khí (sử
dụng bánh răng nhƣ công tơ cảm ứng) hiển thị tổng số vòng quay của rotor hay
chính là năng lƣợng cần đo. Cách này thƣờng đƣợc sử dụng hơn cách hiển thị dùng
bộ đếm điện tử bởi vì nó cho phép ghi lại liên tục thông tin về năng lƣợng.
Cách 2: Tín hiệu đầu ra liên tục của mạch nhân tỷ lệ với công suất tức thời
đƣợc đƣa tới bộ lấy và giữ mẫu ( khóa đóng vào vị trí II), sau đó đƣa tới bộ chuyển
đổi tƣơng tự-số. Bộ chuyển đổi tƣơng tự số thực hiện quá trình lấy mẫu đồng bộ
dƣới giả thiết thỏa mãn yêu cầu của định lý lấy mẫu shannon, tổng của các tín giá trị
lấy mẫy tỷ lệ với tích phân công suất của tín hiệu, hay chính là năng lƣợng cần
xác định. Quá trình tính tổng đƣợc thực hiện bởi CPU và kết quả đƣợc gửi tới bộ
nhớ để lƣu trữ và hiển thị.Các kết quả đó cũng có thể đƣợc sử dụng để quản lý
một số quá trình tự động dựa trên năng lƣợng. Các kết quả luôn đƣợc truyền trên
bus dữ liệu (nối tiếp hoặc song song) cho phép kết nối với hệ thống đo lƣờng
hoặc các thiết bị khác.
1.3.2. Công tơ điện tử số
Giải pháp đo năng lƣợng cao cấp nhất hiện nay đó là sử dụng công tơ đo
năng lƣợng hoàn toàn số, trong đó điểm khác nhau cơ bản so với công tơ điện tử
analog là các tín hiệu dòng và áp đƣợc lấy mẫu và chuyển đổi sang tín hiệu số trƣớc
khi đƣa tới mạch tính toán năng lƣợng. Cấu trúc cơ bản của công tơ số nhƣ hình 1.4.
Trên bus dữ liệu luôn có dữ liệu đồng bộ của các tín hiệu dòng và áp tại các

thời điểm trích mẫu, do đó cho phép tính toán nhanh các đại lƣợng công suất tại các
thời điểm trích mẫu cũng nhƣ cộng dồn để xác định năng lƣợng. Tần số lấy mẫu của
công tơ cần độ chính xác cao có thể lên tới 12,8ks/s đối với đo năng lƣợng tác dụng
6,4ks/s đối với đo năng lƣợng phản kháng.


i(t)

CT

VT

Digital data bus

CS
VD
A

F

SH

µP

A/D

M
DSP

A

F

SH

DMA

A/D

D
Digital data bus

Hình 1.4.Sơ đồ cấu trúc công tơ điện tử số
Theo thuật toán tính công suất và năng lƣợng khác nhau mà việc huy động khả
năng của µP cũng nhƣ DSP khác nhau.DSP thƣờng dùng trong các trƣờng hợp cần
tính toán các phép tính phức tạp thỏa mãn tính thời gian thực. Ngoài ra trong công
tơ số còn tích hợp các thuật toán tự kiểm tra phần cứng và phần mềm, các thuật toán
truyền thông kết quả tới thiết bị khác nhau trong hệ thống đo lƣờng.
Việc quản lý dữ liệu đƣợc thực hiện nhƣ sau: Dữ liệu về dòng điện và điện
áp tại các thời điểm trích mẫu đƣợc gửi trực tiếp cho µP hay DSP để thực hiện quá
trình tính toán hoặc truy suất bộ nhớ một cách trực tiếp DMA, trƣớc hết chuỗi dữ
liệu cho một khoảng thời gian xác định đƣợc lƣu trữ sau đó đƣợc sử dụng để tính
toán năng lƣợng và các tham số khác. Kết quả của quá trình tính toán đƣợc đƣa lên
bus dữ liệu để hiển thị và gửi các thiết bị khác có liên quan.
1.3.3 Cách tạo hàm thời gian trong công tơ điện tử (Loại công tơ điện tử sử
dụng chíp dòng ADE775x)
Năng lƣợng điện đƣợc định nghĩa
WE

Trong đó,

P t dt

Lim
t

0

p nT
n 1

T


-

WE là năng lƣợng,

-

P là công suất

-

N là số điểm lấy mẫu

-

Ts=1,1µs(4/CLKIN) là chu kỳ lấy mẫu.

ADE775x thực hiện tích phân công suất p theo thời gian và chứa kết quả vào
1 thanh ghi năng lƣợng 49 bit.Trong đó thanh ghi năng lƣợng tiêu thụ (AENERGY
[23:0]) là 24 bit cao.

Hình1.5. Sơ đồ nguyên lý đo năng lượng tác dụng

Tuy nhiên do công suất tác dụng P sử dụng phƣơng pháp lọc thông thấp nên
tại đầu ra của LPF2 công suất tác dụng có dạng nhƣ sau
P U RMS .I

U RMS .I RMS
2

RMS

1

cos 4 f Lt

2fL
8, 9

Với fL là tần số tín hiệu dòng và áp
Và năng lƣợng tiêu thụ đƣợc tính theo công thức sau:


P U RMS .I RMS
.t

U RMS .I RMS

sin 4 f Lt

2

2fL
8, 9

4 fL 1

Ta thấy giá trị năng lƣợng tiêu thụ có thành phần dao động nhỏ do thành
phần sin(2ω). Để loại bỏ thành phần điều hòa tần số 2ω chíp ADE775x có chế độ
tích lũy năng lƣợng theo chu kỳ tín hiệu.
Khi đó thành phần dao động E(t)=0

nT

WE

p t dt U RMS .I RMS .nT
0

U RMS .I RMS
.nT

U RMS .I RMS
1

2fL
8, 9

2

nT

cos 4 f Lt
0

0 U RMS .I RMS .nT

Với T là chu kỳ tín hiệu dòng điện và điện áp, n là số nguyên.
Để tính năng lƣợng trong chế độ này, set bit 7(CYCMODE=1) trong thanh
ghi MODE. Chíp ADE775x tích lũy năng lƣợng và chứa kết quả trong thanh ghi
LAENERGY trong n chu kỳ tín hiệu. Số lƣợng nửa chu kỳ đƣợc đặt trong thanh ghi
16 bít LINECYC. Khi kết thúc quá trình tích lũy cờ CYCEND của thanh ghi trạng
thái ngắt bằng 1.

Hình 1.6. Chu kỳ tích lũy năng lượng của ADE 7753