Thiết kế công tơ điện tử một pha

Bộ Giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
_______________________

luận văn thạc sĩ khoa học

thiết kế công tơ điện tử một pha

Nguyễn hữu bình

Hà nội 2005


Bộ Giáo dục và đào tạo
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
_______________________

Nguyễn hữu bình

thiết kế công tơ điện tử một pha

luận văn thạc sĩ khoa học
NGNH IU KHIN V T ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

HÀ NỘI - 2005


mở đầu

Cụng t in l mt thit b quan trng khơng thể thiếu được trong quy
trình cung cấp và mua bán điện năng của các công ty điện lực. Công tơ điện tử
hiện nay là một sản phẩm công nghệ hiện đại, để đáp ứng được nhu cầu về quản
lý và sử dụng điện năng một cách hợp lý, công tơ điện tử thường có những tính
năng như: Đo năng tác dụng, năng lượng phản kháng và năng lượng biểu kiến;
Đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến; Đo tần số
lưới điện, hệ số cơng suất, góc pha; Đo dịng và áp hiệu dụng; Công tơ nhiều giá;
Quản lý phụ tải hộ tiêu thụ, ghi lại thời điểm quá tải; Quản lý số lần mất điện,
thời gian mất điện; Quản lý quá dòng quá áp, sụt dịng sụt áp, ngược chiều cơng
suất; Tự động lập hoá đơn và lưu giữ trong bộ nhớ; Trao đổi thông tin với với
các thiết bị quản lý qua: RS232, RS485, cổng quang học, MODEM, với PC; Khả
năng truyền số liệu, nối mạng nhiều công tơ; Khả năng chống sét lan truyền;
...v.v.
Mục đích của đề tài là nghiên cứu thiết kế công tơ điện tử một pha. Luận
văn sẽ trình bày các bước nghiên cứu và thiết kế cơng tơ điện tử sử dụng vi mạch
tích hợp tính năng lượng loại ADE7753 của hãng ANALOG DEVICES với
những tính năng ưu việt kết hợp với bộ vi điều khiển và mạch thời gian thực để
tìm ra giải pháp về cơng tơ điện tử đa năng với độ tin cậy cao, đáp ứng được
những nhu cầu thực tế của các nhà cung cấp điện và khách hàng tiêu dùng điện.


KẾT LUẬN
Công tơ điện là một thiết bị quan trọng, thứ yếu trong q trình mua và
bán điện, địi hỏi có độ chính xác, tin cậy cao và đảm bảo vận hành an toàn trong
mọi điều kiện khắc nhiệt của mơi trường. Chính vì vậy việc nghiên cứu, thiết kế
chế tạo thử nghiệm công tơ điện tử một pha sử dụng vi mạch ADE 7753 là một
vấn đề khó khăn. Song với nỗ lực của bản thân, được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các Thầy Cơ giáo trong khoa và đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của Thầy giáo
hướng dẫn Tiến sỹ Nguyễn Quốc Cường luận văn tốt nghiệp đã đạt được một số
vấn đề cơ bản như sau:

Đưa ra mơ hình của cơng tơ điện tử sử dụng vi mạch ADE7753 làm phần
mạch đo, phần mạch điều khiển bao gồm bộ vi điều khiển, EEPROM, mạch thời
gian thực ( Real Time Clock), màn hình hiển thị LCD và đầu ra là cổng truyền
tin nối tiếp SPI; Nguyên lý của công tơ loại này là sử dụng vi mạch ADE 7753
để đưa tín hiệu về năng lượng tiêu thụ vào bộ vi điều khiển. Bộ vi điều khiển cập
nhật và sử lý thông tin, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên bộ nhớ EEPROM,
đồng hồ thời gian thực và hiển thị các dữ liệu cần thiết lên màn hình hiển thị.
Đưa ra tiêu chí thiết kế cơng tơ điện tử một pha sử dụng chip ADE7753 đa
năng đáp ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện. Kết hợp với một vi
mạch tích hợp ADC và bộ sử lý tín hiệu DSP cho phép tính các giá trị năng
lượng, công suất, giá trị hiệu dụng, chu kỳ và một số tính năng phát hiện sự cố
điện.


Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên cịn một số đại lượng chưa tính hết và
số các sự kiện cịn lưu giữ ít. Vì vậy hướng phát triển tiếp theo của đề tài là
nghiên cứu phát triển thêm về phần mền để khắc phục các thiếu sót trên.
Với các đề xuất và kiến nghị trên, Tôi hy vọng rằng sẽ nâng cao một bước
về nhận thức. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới các Thầy Cơ giáo trong
khoa đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm bổ ích trong học tập, nghiên
cứu khoa học và trong công tác, cuộc sống. Đặc biệt Tôi vô cùng biết ơn Thầy
giáo Tiến sỹ Nguyễn Quốc Cường đã tận tình chỉ bảo Tơi trong suốt q trình
xây dựng đề cương, thu thập số liệu và phương pháp nghiên cứu để hoàn thành
bản luận văn tốt nghiệp này.
Do kiến thức, kinh nghiệm và thời gian nghiên cứu có hạn nên nội dung, ý
nghĩa, tác dụng thực tế của bản luận văn này chắc chắn cịn nhiều thiếu sót, hạn
chế. Tơi rất mong được sự tham gia góp ý kiến của các Thày Cô giáo và được sự
cộng tác của các đồng nghiệp./.

- 1Chương 1 Tổng quan

Chương 1
Tổng quan
Công suất điện được định nghĩa như là tốc độ của dòng chảy năng
lượng từ nguồn tới tải.
Công suất trong mạch điện một chiÒu
P =U.I hay P = I2R, P= U2/R, P =kq
Trong đó:

I - dòng trong mạch
U - điện áp rơi trên tải với điện trở R

q- nhiệt lượng toả ra trên phụ tải trên một đơn vị thời gian
Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha được xác định như
là giá trị trung bình của công suất trong một chu kì T:
T

1
P = uidt
T0

(1.1)

Trong đó: u, i là các giá trị tức thời của điện áp và dòng dòng điện
Trong trường hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác
dụng được tính là:
P = UI cos

(1.2)

Hệ số cos được gọi là hệ số công suất.
Còn đại lượng S = UI gọi là công suất toàn phần hay còn gọi là công
suất biểu kiến, nó được coi là công suất tác dụng khi phụ tải là thuần trở tức
là, khi cos = 1.


- 2Chương 1 Tổng quan

Khi tính toán, để đánh giá hiệu quả của các thiết bị điện, người ta còn
sử dụng khái niệm công suất phản kháng. Đối với dòng và áp hình sin thì công
suất phản kháng được tÝnh theo:
Q = UI sin ϕ

(1.3)

Trong tr­êng hỵp chung nÕu một quá trình có chu kì với dạng đường
cong bất kì thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần
sóng hài.




k =0

k =0

P = Pk = ∑ U k I k cos ϕ

(1.4)

HÖ sè công suất được xác định như là tỉ số giữa công suất tác dụng với
công suất toàn phần kp = P/S và khi dòng, áp hình sin thì kp = cos
Trong trường hợp quá trình có dạng xung, thì có thể được đặc trưng bởi
công suất xung, được xác định như là giá trị trung bình trong thời gian một
xung.

Px =

1



T

uidt

(1.5)

0

Và thường công suất tác dụng trong trường hợp này được xác định bằng
cách đo công suất trung bình trong một chu kì lặp lại T của xung.

1
P = uidt = Px
T 0
T
T

(1.6)

Như vậy công tơ đo năng lượng điện phải bao gồm một bộ phận chuyển
đổi để đo công suất, một bộ tích phân cho phép cộng dồn công suất theo thời
gian.
Bộ chuyển đổi đo công suất được thực hiện theo nhiều phương pháp
khác nhau, đó lµ:


- 3Chương 1 Tổng quan

- Theo phương pháp điện: Phép nhân được dựa trên cơ cấu chỉ thị như
điện động, sắt điện động, tĩnh điện và cảm ứng, trong đo góc quay của phần
động là hàm của công suất cần đo.
- Phương pháp điện tử, phép nhân được thực hiện bởi các mạch nhân
tương tự cũng như nhân số điện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần
đo.
- Với phương pháp nhiệt điện thì dùng cách biến đổi thẳng công suất
điện thành nhiệt. Phương pháp này thường được ứng dụng khi cần đo công
suất và năng lượng trong mạch tần số cao cũng như nguồn laze.

1.1 Đo công suất trong mạng điện xoay chiều một pha
1.1.1 Đo công suất bằng Wattmet điện động:
Sơ đồ mắc Wattmet như sau:

Hình 1.1 Đo công suất sử dụng Wattmet điện động
Để đo những Công suất nhỏ ta dùng cơ cấu sắt điện động tức là Cơ cấu
điện động nhưng có mạch từ bằng vật liệu sắt từ.
Cuộn dây dòng điện
giữ vai trò như một Ampemet , còn cuộn dây điện áp thì như một Voltmet

- 4Ch­¬ng 1 – Tỉng quan

Wattmet cã tÝnh cùc tÝnh. Nghĩa là khi ta đảo pha cuộn dây dòng hay
cuộn dây áp, Wattmet quay ngược. Vì vậy để xác định được chiều truyền
Công suất ta phải đánh dấu đầu và cuối của cuộn dây áp và dòng
1.1.2 Đo công suất bằng Wattmet dùng bộ nhân điện tử:
1.1.2.1 Cảm biến Hall đo Công suất:
Cảm biến này là một phần tử nhân, bao gồm một mạch bán dẫn có dòng
diện chạy qua. Khi có từ trường tác dụng lên mặt của mảnh bán dẫn đó xuất
hiện sức điện động Hall
EH = KHBI sin
Trong đó:

- góc giữa B và I

Nếu ta để cho

I tỷ lệ với điện áp.
B tỷ lệ với dòng điện I và B,I vuông góc với nhau thì

EH = KU.I
EH sẽ là một bộ nhân giá trị tức thời của u và i:
EH=Kp
Với p là Công suất tiêu thụ tức thời trên tải, nếu u và i là những hàm
hình sin thì công suất tức thời gồm thành phần cố định và thành phần biến
thiên.
Nếu dụng cụ ở đầu ra có quán tính nhỏ (đầu rung của giao động ký,
thiết bị điện tử) ta có công suất tức thời biến thiên theo thời gian.

Nếu đầu ra của cảm biến Hall mắc vào cơ cấu cơ điện có quán tính lớn
hay một khâu tích phân thì nó sẽ chỉ công suất trung bình:
P = UIcos
Ưu điểm của loại Watmet này là không có quán tính, có cấu tạo đơn
giản, cho phép công suất xoay chiều với tần số đến hàng trăm MHz.
Nhược điểm: sai số do nhiệt độ lớn.


- 5Chương 1 Tổng quan

iL

Vra~iB

R
VL
V~VL

Tải
iL

Tấm bán
dẫn

Từ
trường B

Hình 1.2 Đo công suất sử dụng cảm biến Hall
1.1.2.2 Đo công suất dùng bộ nhân bằng phần tử Logarithm và antilogarithm:
Sơ đồ khối của bộ nhân như sau

Hình 1.3 Đo công suất sử dụng bộ nhân tương tự
Hai đại lượng Ux và Uy được đưa vào hai bộ loga
U1 = ln(UX );

U2 = ln(UY)


- 6Chương 1 Tổng quan

Và U1 ,U2 được cho vào bộ cộng:
U3 = U1+U2 =ln(Ux.Uy)
Lấy antiloga ta được :
Ura = exp(ln(UXUY)) = UxUY
víi kü tht hiƯn nay ng­êi ta đà chế tạo được các bộ nhân trong giải tần số
1Hz..100Hz.
1.1.2.3 Bộ nhân bằng các phần tử bình phương:
Tín hiệu Ux và Uy được đưa qua một bộ Cộng và Trừ
U1=Ux +Uy
U2=Ux - Uy
U1 và U2 đi qua một bộ bình phương thành
U3= (Ux +Uy)2 + (Ux - Uy)2 = 4UX.Uy
Phân tử bình phương có thể tạo bởi các
mạch tạo hàm .
Lý tưởng nhất là một bộ biến đổi nhiệt ngẫu
Như sơ đồ hình vẽ
Sức điện động nhiệt ngẫu :
Trong ®ã:

ET = KTI2

ET søc ®iÖn ®éng nhiÖt ngÉu
KT HÖ sè biến đổi của cặp nhiệt ngẫu
I - Dòng điện chạy qua dây đất nóng của bộ biến đổi
Era = ET1-ET2
Era = KT(IU +II)2 – KT(IU - II)2 = 4KTIUII


- 7Chương 1 Tổng quan

Do biến đổi nhiệt ngẫu có quán tính nhiệt cao nên thành phần xoay chiều bị
loại ra
Era = KUI cos = KP
Người ta chế tạo được Wattmet loại này với sai số cơ bản là 1%, thang điện áp
và dòng điện 10mV..300mV; 100 àA-3mA.Cos = 0.1 ..1 tần số 20 Hz100Hz.
1.1.2.4 Bộ nhân bằng A/D và D/A
Sơ đồ biến đổi Công suất thành điện áp như hình vẽ

Hình 1.4 Đo công suất sử dụng bộ nhân A/D và D/A
UX đưa vào Bộ A/D biến thành NX:
NX=K1UX
NX lại đưa vào bộ D/A nhưng bộ D/A này được chế tạo đặc biệt. Điện áp cung
cấp nền cho bộ D/A này là điện áp UY:
Ura= K2 NxUY
Thay vào ta có :
Ura =K1K2UXUY
Để đảm bảo bộ biến đổi được Công suất tức thời, thì thời gian biến đổi
của A/D và D/A phải đủ nhanh (cỡ 100àV)

- 8Chương 1 Tổng quan

1.1.2.5 Bộ nhân bằng số đo công suất tức thời:
Ux

S&H

Uxt

MUX
Uy

S&H

Uyt

Nx

A/D

Ny

àP

ĐK

Hình 1.5 Đo công suất sử dụng vi xử lý
UX được bộ A/D biến thành NX = K1UX
Uy được bộ A/D biến thành Ny = K2Uy
NX và Ny được đưa vào bộ vi xử lý để làm phép nhân: NZ=NXUY = K1K2UXUY

Nếu UX =KXu ; Với u điện áp tức thời
Uy =Kyi ;

i dòng tức thời

Nz là giá trị tức thời của p, nó có giá trị khác nhau ở các thời điểm khác nhau.
Để xét sự biến thiên của p theo thời gian NZ được lưu giữ lại thành một
bảng số liệu về giá trị tức thời ở các thời điểm khác nhau và cũng có thể vẽ
trên màn hình ở giá trị biến thiên theo t, hoặc in ra.
Để đo công suất tức thời p=ui, giá trị tức thời của u và i phải được lấy
cùng thời gian vì vậy phải dùng bộ lấy mẫu S &H, dùng để ghim giữ giá trị
của u và i vào cùng một thời điểm. Lúc ấy lại cũng có thể được sử dụng một
A/D cùng cho cả hai biến u và i.
Để giảm sai số lượng tử hoá của p, số lần lấy mẫu cho một chu kỳ phải
đủ lớn, chu kỳ lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến thiên của A/D phải đủ cao. Tốc độ
tính toán của bộ xử lý phải đủ cao để có thể tính toán theo thời gian thực.
Khi ta có công thøc tøc thêi p, ta cã thĨ dïng c«ng thøc để tính toán công suất
trung bình, hay ta có thể tính năng lượng truyền cho tải


- 9Ch­¬ng 1 – Tỉng quan

T

t

1
P = ∫ uidt
T0

1.2

W = uidt

(1.7)

0

Đo năng lượng trong mạch điện xoay chiều một pha:
t

W = uidt

(1.8)

0

W- năng lượng tiêu thụ trong tải
P- Công suất trung bình trong khoảng thời gian t.
Từ lâu người ta sử dụng cơ cấu cảm ứng làm công tơ đếm năng lượng vì những
lý do sau:
- Mômen quay cã thĨ bè trÝ tû lƯ víi c«ng st
Mq =kφuφIsinϕ
- §Üa nh«m cã thĨ bè trÝ nèi víi bé quay liên tục, tạo ra một phân tử
tích phân
- Momen quay lớn để có thể gắn vào bộ đếm số vòng quay suy ra
năng lượng tiêu thụ

3
A: Cuộn dây dòng điện

B: Cuộn dây áp
1: Đĩa nhôm
2: Nam châm tạo ra momen
cản
3: Bộ số cơ học
4: Lõi từ của cuộn dây điện
áp

2
B

1
A

Hình 1.6 Công tơ cơ điện


- 10Chương 1 Tổng quan

Cấu tạo
Dựa trên những tính năng trên , ta phải giải quyết những vấn đề sau:
1/ Để cho Mq =KP ta phải bố trí u tØ lƯ víi U1φi tØ lƯ víi I vµ sinϕ=cosϕ
Mn vậy trong mạch cuộn dây áp ta dùng một mạch từ có lõi thép lớn để
thành phần điện cảm lớn hơn điện trở rất nhiều. u tỉ lệ với Iu và vuông góc với
U. Tuy nhiên để có thể thay ®ỉi gãc ϕ ®¶m b¶o ®iỊu kiƯn sinϕ=cosϕ , ta bố trí
trong mạch từ của u và i những khâu hiệu chỉnh góc pha
2/ Momen cản được tạo nên bởi nam châm vĩnh cửu mạnh mà từ trường
xuyên qua đĩa nhôm. Khi đĩa nhôm quay, từ trường của nam châm vĩnh cửu
này cảm ứng lên đĩa nhôm một dòng xoáy tạo ra momen phản kháng
Mc =Kc0n

n- tố độ quay của đĩa nhôm
3/ Vấn đề thứ ba là chống ma sát hay nói cách khác là bù ma sát của
phần quay công tơ tức là của trục quay và bộ đếm cơ học của Công tơ, ma sát
này khá lớn vì vậy phải bù ma sát nếu không khi dùng Công suất thấp công tơ
không quay. Momen bù ma sát được tạo ra bằng cách gây ra một từ thông lệch
trong không gian và trong thời gian với u bằng một lá sắt từ đặt trong mạch từ
của một cuộn dây điện áp. Momen bù Mk =Kuisin k. Để thay đổi momen
bù này ta thay đổi vị trí của lá sắt từ (bằng một vít chỉnh vị trí mà ta đánh dấu
là chỉnh tự quay)
Mk được chỉnh thế nào cho lớn hơn momen ma sát một ít tức là chỉnh thế nào
cho đĩa nhôm tự quay nhưng với tốc độ rất chậm.
Để khỏi gây thắc mắc đến với người tiêu dùng, ng­êi ta bè trÝ mét mÈu vËt
liƯu s¾t tõ ë trên đĩa quay và mẩu ở phần tĩnh. Khi 2 mẫu ấy đối diện nhau
chúng sẽ hút nhau và đĩa quay đứng yên. Nếu có một lực quay rất nhỏ, đĩa
quay lệch ra khỏi vị trí cân bằng và momen bù ma sát làm cho đĩa quay hết 1
vòng trở về vị trí mà 2 mẩu đối đầu với nhau.


- 11Chương 1 Tổng quan

4/ Để công tơ quay đúng giá trị năng lượng điện tiêu thụ, hằng số công
tơ phải được điều chỉnh cho hằng số thực của Công tơ hoạt động đúng giá trị
ghi ở trên công tơ.
Muốn điều chỉnh hằng số công tơ ta có thể thay đổi vị trí, hoặc từ thông
của nam châm vĩnh cửu dùng để tạo ra momen cản.


-1-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

Chương 2 – ĐÔI NÉT VỀ CÁC DẠNG CÔNG TƠ
ĐIỆN TỬ

2.1

Một số tính năng của cơng tơ điện tử

Cơng tơ điện tử hiện nay là một sản phẩm công nghệ hiện đại, để đáp
ứng được nhu cầu về quản lý và sử dụng điện năng một cách hợp lý, cơng tơ
điện tử thường có những tính năng sau:
- Đo năng tác dụng, năng lượng phản kháng và năng lượng biểu kiến
- Đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến
- Đo tần số lưới điện, hệ số cơng suất, góc pha.
- Đo dịng và áp hiệu dụng
- Công tơ nhiều giá
- Quản lý phụ tải hộ tiêu thụ, ghi lại thời điểm quá tải.
- Quản lý số lần mất điện, thời gian mất điện
- Quản lý quá dòng quá áp, sụt dòng sụt áp, ngược chiều cơng suất
- Tự động lập hố đơn và lưu giữ trong bộ nhớ
- Trao đổi thông tin với với các thiết bị quản lý qua: RS232, RS485,
cổng quang học, MODEM, với PC
- Khả năng truyền số liệu, nối mạng nhiều công tơ.
- Khả năng chống sét lan truyền.

2.2 Công tơ điện tử thông thường
Để chế tạo công tơ điện tử một pha người ta biến đổi dòng điện I thành
điện áp U1 tỉ lệ với nó: U1=k1I

-2-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử
Một điện áp khác tỉ lệ với điện áp vào U:
U2=k2U
Qua bộ nhân điện tử ta nhận được điện áp U3 tỉ lệ với công suất P:
U3=k3P
Điện áp này sau khi qua bộ biến đổi điện áp tần số hoặc bộ biến đổi
A/D, tiếp theo vào bộ đếm và ra chỉ thị số. Số chỉ thị của cơ cấu chỉ thị tỉ lệ
với năng lượng N=CW trong khoảng thời gian cần đo năng lượng đó.

Hình 2.1: Cơng tơ điện tử thông thường
Tất cả các bộ biến đổi trên đây đều thực hiện bằng mạch điện tử.
Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0.5 đến 1%
Thời gian qua, hãng ANALOG DEVICES đã đưa ra thị trường vi mạch
tích hợp tính năng lượng, họ AD775X với những tính năng ưu việt ngày càng
được nâng cao kết hợp với bộ vi điều khiển và mạch thời gian thực cho ta giải
pháp về công tơ điện tử đa năng với độ tin cậy cao và độ chính xác cao, đáp
ứng được những nhu cầu của nhà sản xuất và người tiêu dùng điện.


-3-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử

2.3

Cơng tơ điện tử sử dụng ADE77xx

Như đã nói ở trên, hãng ANALOG DEVICES đã đưa ra thị trường

mạch tích hợp ADE77XX cho ứng dụng làm cơng tơ điện tử một pha và ba
pha.
Về mơ hình nói chung các cơng tơ điện tử thường có 3 phần, phần
mạch đo sử dụng vi mạch ADE77XX và phần mạch điều khiển bao gồm bộ vi
điều khiển , EEPROM, mạch thời gian thực ( Real Time Clock), ngoài ra tuỳ
thuộc vào ứng dụng cụ thể có thể dùng thêm RAM, phần hiển thị gồm có màn
hiển thị LCD hoặc truyền trực tiếp lên máy tính.
Ngun lý chung của các cơng tơ này là: ADE77XX đưa tín hiệu về
năng lượng tiêu thụ vào bộ vi điều khiển. Bộ vi điều khiển cập nhật và xử lí
thơng tin, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên bộ nhớ EEPROM, đồng hồ
thời gian thực và hiển thị các dữ liệu cần thiết lên màn hình hiển thị
Các dạng công tơ sử dụng vi mạch này ở đây được phân loại theo
nguyên lý hoạt động của vi mạch tích hợp ADE77XX. Vì vậy ta có thể phân
ra hai loại như sau:
- Loại thứ nhất sử dụng các chip ADE7751, 55 sử dụng cho công tơ
một pha và ADE7752 cho công tơ 3 pha. Ðầu vào là dòng và áp của tải, đầu
ra là xung tỉ lệ với công suất đo.
- Loại thứ hai sử dụng các chip ADE77753, 56,59 cho công tơ một pha
và ADE7754 , ADE7758 cho công tơ 3 pha. Đầu vào cũng là dòng và áp của
tải, qua bộ xử lý, đầu ra là cổng truyền tin nối tiếp SPI
Ngồi ra cịn có một số chip như ADE7757 có thể dùng để chế tạo cơng
tơ giá rẻ vì nguồn đơn giản và có mạch dao động thạch anh bên trong.
ADE7760 tích hợp ADC và DSP bên trong, đầu ra cũng là dạng xung
tần số nhưng chip này cịn có khả năng phát hiện sự cố điện.


-4-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử
ADE7768 cùng cho công tơ một pha, đầu ra là xung tần số nhưng có ưu

điểm là tích hợp mạch dao động bên trong và có chế độ chỉ chứa công suất
dương.

2.4

Phương hướng của việc nghiên cứu công tơ điện tử một pha

Với tiêu chí thiết kế cơng tơ điện tử một pha đa năng đáp ứng được
những nhu cầu về quản lý và sử dụng điện, công tơ điện tử trong đồ án này sử
dụng chip ADE7753, một vi mạch tích hợp ADC và bộ xử lý tín hiệu DSP
cho phép tính các giá trị năng lượng, cơng suất, giá trị hiệu dụng, chu kì và
một số tính năng phát hiện các sự cố điện.

Hình ... Sơ đồ khối cơng tơ điện tử sử dụng ADE7753
Các tính năng của ADE7753 sẽ được trình bày trong chương sau để thấy rõ
được ưu điểm nổi trội của họ IC này.
Hoạt động:
Tín hiệu dịng và áp từ điện lưới được đưa qua các bộ chuyển đổi dịng,
áp để được tín hiệu phù hợp đưa vào vi mạch tích hợp chuyên dụng đo cơng
suất ADE7753. ADE7753 xử lý các tín hiệu và ghi kết quả vào các thanh ghi
chức năng. Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ cập nhật thơng tin từ ADE7753


-5-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử
thông qua cổng truyền tin nối tiếp SPI, điều khiển việc truy cập dữ liệu trên
đồng hồ thời gian thực, bộ nhớ EEPROM theo chuẩn I2C, trao đổi thông tin
với máy tính thơng qua mạch cách ly quang theo chuẩn RS232, điều khiển
việc hiển thị thông tin về thời gian, cơng suất và năng lượng lên màn hình

LCD. Mạch RTC phục vụ cho việc xác định thời điểm tính cước, thời điểm
xảy ra sự cố, ngồi ra có thể được dùng để lưu lại giá trị các thông số liên
quan khi xảy ra sự cố điện.
Các phím chức năng được thêm vào để thực hiện các menu chức năng
của công tơ.

2.5 Xu hướng phát triển cho công tơ điện tử
Việc mở rộng các tính năng của cơng tơ điện tử giúp nhà phân phối
kiểm soát được nguồn năng lượng tốt hơn và nâng cao độ tin cậy của khách
hàng, Một ưu điểm chính của việc sử dụng cơng tơ điện tử là cho phép nhà
phân phối sử dụng chế độ cung cấp nhiều giá điện theo mùa, theo giờ sử dụng
trong ngày. Điều này có tác dụng rất lớn trong điều hành lưới điện, cho phép
ổn định biểu đồ phụ tải.
Với đặc thù phân phối điện là phạm vi rất rộng, để giảm thờI gian và
chi phí, hiện đại hóa hệ thống quản lý điện ngườI ta lắp đặt hệ thống công tơ
điện tử điều khiển và thu thập số liệu từ xa. Số liệu được truyền trên chính
đường dây tải điện. Theo thời điểm đặt trước, công tơ tự động phát các bản tin
về trung tâm xử lý. Ở đây, người ta tiến hành lập hoá đơn thanh tốn. Việc cài
đặt thơng số cho cơng tơ có thể tiến hành từ xa qua thiết bị thu phát quang
học.
Xu hướng mới cho công việc quản lý điện năng tiêu thụ là dùng cơng
tơ thẻ, phương thức thanh tốn cũng gần giống như điện thoại thẻ hiện nay.
Đây là xu hướng đầy triển vọng vì nó tạo ra cuộc cách mạng thực sự trong
việc quản lý và sử dụng điện năng.
Như vậy có rất nhiều xu hướng phát triển cho việc hiện đại hoá việc
quản lý và tiêu thụ điện năng mà trước hết với thực tế đất nước, cần phải
nghiên cứu triển khai lắp đặt hệ thống công tơ điện tử làm nền tảng cho những


-6-

Chương 2 – Đôi nét về các dạng công tơ điện tử
phát triển hiện đại hoá sau này. Đặc biệt, tình hình sử dụng điện năng ở nước
ta tạo ra một nhu cầu rất bức thiết của ngành điện là cần có hệ thống cơng tơ
đo nhiều mức giá để giảm chi phí vận hành, chống lãng phí và giảm tổn hao
điện năng đồng thời cung cấp cho người sử dụng một nguồn điện năng có
chất lượng tốt với giá cả hợp lý hơn, tránh tình trạng giá điện bậc thang như
hiện nay.


-1Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

Chương 3
GIỚI THIỆU VI MẠCH ADE 7753
ADE7753 là một vi mạch tích hợp dùng để đo năng lượng của tảI
1 pha vói giao diện nốI tiếp SPI vớI các thiết bị khác.

Hình 3.1 : Sơ đồ chân linh kiện

3.1 Mô tả chung
ADE7753 là một IC đo năng lượng tích hợp ADC và DSP cho độ
chính xác cao và ổn định với sự biến đổi khắc nghiệt của môi trường, sử
dụng giao diện nối tiếp SPI với 5 dây (DIN, DOUT, SCLKIN, CS , IRQ
) và một xung đầu ra (CF) tỉ lệ với cơng suất đo được.
Trong ADE7753 có một bộ tích phân số, mạch điện áp chuẩn,
sensor đo nhiệt độ và bộ xử lý tín hiệu phục vụ cho việc đo năng lượng
tác dụng, năng lượng phản kháng, năng lượng biểu kiến, đo chu kì điện
áp và tính tốn giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện

-2Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

Bộ tích phân số có thể giao tiếp trực tiếp với sensor dịng như
cuộn Rơgowski coil, cho kết quả chính xác về sự cân xứng về góc pha
giữa kênh dịng và kênh áp
ADE7753 có khả năng tính tốn và điều chỉnh các thơng số như:
điều chỉnh offset các kênh, tính góc pha, tính cơng suất bảo đảm độ
chính xác cao. Đồng thời có khả năng phát hiện sụt áp hoặc quá áp.
ADE7753 có chế độ chỉ lưu giữ giá trị dương cho phép chỉ lưu giữ
năng lượng khi công suất tiêu thụ là dương. Ngưỡng không tải bên trong
bảo đảm rằng không có dịng dị khi khơngcó tải tiêu thụ. Đầu ra phát
hiện qua 0 (ZX) phát ra xung đồng bộ với điểm qua 0 của tín hiệu điện
áp. Tín hiệu này được dùng trong chế độ lưu giữ năng lượng tác dụng
và năng lượng biểu kiến theo chu kì điện lưới cho phép chỉnh định nhanh
hơn.
Thanh ghi trạng thái ngắt định nghĩa nguồn ngắt, thanh ghi cho
phép ngắt điều khiển sự kiện ngắt và phát ra chân ngắt IRQ

3.2

Nguyên lý hoạt động của ADE7753

Hình 3.2 Cấu trúc các phần chức năng bên trong của ADE7753


-3Chương 3 – Giới thiệu vi mạch ADE 7753

ADE7753 là một IC chuyên dụng dùng để đo năng lượng điện một
pha. Tín hiệu điện áp được đưa vào 2 kênh, điện áp V1 vào chân V1P
của kênh 1 (kênh dòng ) và V2 vào chân V2P của kênh 2 (kênh áp).

Tín hiệu điện áp V1 sẽ được đưa qua bộ khuếch đại vi sai PGA (Programable Gain Amplifier), tại đây có thể thay đổi hệ số khuếch đại
là 1, 2, 4, 8, 16. Hệ số khuếch đại có thể điều khiển được bằng phần
mềm. Điện áp cao nhất là 0.5V.
Sau khi khuếch đại tín hiệu được đưa vào ADC với tần số lấy mẫu
(CLKIN/4) để biến thành tín hiệu số và đưa qua bộ lọc thông cao để loại
trừ offset ở đầu ADC , sau đó qua bộ tích phân số ( bộ tích phân này có
thể có thể dùng trong mạch hoặc có thể tách ra khi cần thiết)
Tín hiệu V1 sau tích phân được tách ra 2 đường, đường thứ nhất đi
vào bộ nhân để nhân với tín hiệu điện áp lấy từ V2. Sau khi nhân, số liệu
đầu ra tỉ lệ với tích V1.V2. Số liệu này qua bộ lọc thông thấp để loại trừ
dao động tần số cao.Tất các các tín hiệu cần thiết được cất vào các thanh
ghi có chức năng đặc biệt. Các dữ liệu cất trong thanh ghi sẽ giao tiếp
với các thiết bị khác thơng qua giao diện nối tíêp SPI. Ngồi ra
ADE7753 cịn có một bộ biến đổi số thành tấn số để lấy ra tần số CF
dùng cho việc khắc độ thiết bị.
Đường thứ 2 của tín hiệu V1 sau khi qua bộ tích phân được đưa
đến bộ bình phương, sau đó bộ lọc thơng thấp. Bộ cộng và bộ căn để cho
ra số liệu về điện áp hiệu dụng của U1 và U2. Số liệu này cũng được lấy
ra ngồi thơng qua cổng SPI.
Các giá trị hiệu dụng của 2 kênh được nhận với nhau để cho số
liệu tỉ lệ với công suất biểu kiến.
Các số liệu tức thời cũng có thể lấy qua SPI.
S ố liệu về cos ϕ được tính qua P và S: cos ϕ =

P
S

Ngồi ra trong ADE7753 có mạch phát hiện qua 0 dùng cho để
tính tốn chu kỳ và tần số.