Tải bản đầy đủ (.pdf) (6 trang)

Tài liệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO CÔNG SUẤT VẠN NĂNG PMM100 pptx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (287.97 KB, 6 trang )




1

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
MÁY ĐO CÔNG SUẤT VẠN NĂNG PMM100

PGS.TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân,
KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Chu Ngọc Liêm
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá-Viện Công Nghệ Thông Tin
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
Fax: +84-04-8361485 Tex: +84-04-8363484 Email:

Tóm tắt: Hầu hết các thiết bị đo điện năng ở nước ta hiện nay là các thiết bị cơ, thời gian sử dụng đã lâu,
nên nhu cầu thay thế bằng các thiết bị đo kỹ thuật số với những tính năng vượt trội là một xu thế tất yếu. Tuy
nhiên, chủ yếu chúng ta vẫn nhập ngoại các thiết số bị này với giá thành rất cao. Do đó việc nghiên cứu, chế tạo
các thiết bị đo điện hiện đại trong nước là cần thiết, có ý nghĩ về cả mặt khoa học và kinh tế. Áp dụng những
công nghệ tiên tiến là IC đo điện năng chuyên dụng của Analog Device và họ vi xử lý PSoC của Cypress Micro
chúng tôi đã chế tạo thiết bị đo công suất vạn năng PMM100 với độ chính xác cao, giá thành thấp, phù hợp với
nhu cầu trong nước.



RESEARCH AND DEVELOPMENT OF
POWER MULTIMETER PMM100

Prof.DSc. Pham Thuong Cat, Eng. Phan Minh Tan,
Eng. Nguyen Xuan Hoang, Eng. Chu Ngoc Liem
Department for Automation Technology-Institute of Information Technology
Viet Nam Academy of Science and Technology


Fax: +84-04-8361485 Tex: +84-04-8363484 Email:

Abstracts: Nowadays, almost Watt-hour Meter in Viet Nam are mechanical devices, long service life,
therefore the need for new, digital, developed characteristics devices is indispendable trend. However, new
devices are generally imported with very high cost. With these reasons, the research and developement of
measuring devices made in Viet Nam are neccessary, and meaningfule in both science and economicwise. By
applying modern power multimeter IC of Analog device and chip PSoC of Cypress Micro, we have designed and
built power a multimeter PMM100 that is highly reliable, low cost, and suitable with local environment and
need.




1. ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT

Máy đo công suất vạn năng PMM100 giao
tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD
(2x16) và các phím bấm, cho phép đo được đầy đủ
8 đại lưọng điện năng: dòng điện (Irms), điện áp
(Urms), công suất hiệu dụng (Watt), công suất phản
kháng (VAR), công suất toàn phần (VA), hệ số
công suất (cosϕ), tần số (f), điện năng. Các đặc
trưng kỹ thuật của PMM100 như sau:

Thế Hiệu
Dải đo 15Vrms đến 500Vrms
Độ chính xác 0,25%
Chịu cực đại 5000Vrms
Dòng điện
Dải đo 200mA đến 20A

Độ chính xác 0,25%
Chịu cực đại 200Arms
Công suất Hiệu dụng
Dải đo 0 đến 10KW
Độ chính xác 0,5%
Công Suất Toàn phần
Dải đo 0 đến 10KVA
Độ chính xác 0,5%
Công Suất Phản
kháng

Dải đo 0 đến 10KVAR
Độ chính xác 0,5%
Hê Số Công suất
Dải đo 0,000 đến 1,000
Độ chính xác 0,5%
Tần số
Dải đo 45Hz đến 65Hz
Độ chính xác 0,1%
Công Suất tích luỹ
Dải đo 15 phút
Nguồn nuôi 220V/50Hz
Môi trường – 400
0
C đến +85
0
C




2
2. NGUYấN Lí V GII PHP THC HIN

Li in vi tn s f, cung cp cho ti hiu
in th tc thi u(t), dũng in tc thi chy qua
ti l i(t), tr pha so vi hiu in th cú th mụ t
nh sau:
)2sin(..U2)(
)2sin(..I2)(
rms
rms
+=
=
fttu
ftti

)2(
)1(

Trong

ú, I
rms
v U
rms
l cỏc giỏ tr

hi

u d


ng c

a
dũng

i

n v hi

u

i

n th

.
Giỏ tr

hi

u d

ng V
rms
c

a m

t tớn hi


u tu

n
hon liờn t

c
v
(
t
) tớnh nh

sau


=
T
0
2
rms
)(.
T
1
V dttv (3)
V

i cỏc biờn

hi c


a v(t) ta cú th

tớnh V
rms
theo
cụng th

c:


=
=
N
1
2
rms
)(.
N
1
V
i
iv (4)
trong

ú T l chu k

c

a tớn hi


u v(t), v(i) l biờn


hi th

i c

a tớn hi

u v(t).
Cụng su

t tiờu th

t

c th

i p(t):

)().()( tutitp = (5)
Tuy nhiờn vi

c tớnh cụng su

t tiờu th

t

c th


i
p(t) khụng cú nhi

u ý ngh

a,

i l

ng c

n quan
tõm h

n chớnh cụng su

t hi

u d

ng, l giỏ tr

cụng
su

t trung bỡnh tớnh trong m

t chu k


T:


==
T
0
rmsrms
cos..IU)(.
T
1
P dttp (6)
Cụng su

t hi

u d

ng P

c tr

ng cho quỏ trỡnh bi

n

i

i

n n


ng sang cỏc d

ng n

ng l

ng khỏc nh


nhi

t n

ng, c

n

ng,

i l

ng cụng su

t ph

n khỏng Q

c tr


ng
cho quỏ trỡnh trao

i n

ng l

ng

i

n t

tr

ng:

= sin..IUQ
rmsrms
(7)
H

p c

a cụng su

t hi

u d


ng P v cụng su

t
ph

n khỏng Q cú cụng su

t ton ph

n S c

a thi

t b



22
rmsrms
QP.IUS +== (8)
Ba

i l

ng S, Q, R quan h

theo m

t tam
giỏc vuụng nh



Hỡnh 1
, g

i l tam giỏc cụng suõt.
P, Q, S cú cựng th

nguyờn nh

ng

phõn bi

t
ng

i ta dựng cỏc

n v

khỏc nhau.

n v

c

a P
l Watt,


n v

c

a Q l VAR,

n v

c

a S l VA.












i l

ng cos

c g

i l h


s

cụng su

t,

ỏnh giỏ hi

u su

t s

d

ng ngu

n

i

n. Nõng cao
h

s

cos s

t


ng

c hi

u su

t s

d

ng ngu

n,

ng th

i lm gi

m ti

t di

n dõy d

n truy

n t

i,
gi


m t

n hao

i

n n

ng. Vi

c xỏc

nh h

s

cos
c

ng r

t c

n thi

t.
D

a trờn ph


ng trỡnh (6)

thi

t k

thi

t b



o cụng su

t hi

u d

ng P,
Hỡnh 2
bi

u di

n quỏ
trỡnh x

lý tớn hi


u. Tớn hi

u liờn t

c c

a

i

n ỏp v
dũng

i

n

o

c

a tr

c ti

p qua m

t b

nhõn.

Tớn hi

u sau b

nhõn l tớn hi

u liờn t

c, tớn hi

u
ny

c x

lý b

ng m

t b

l

c thụng th

p (LPF)

cho k

t qu


l giỏ tr

cụng su

t trung bỡnh P.
Khi chuy

n sang k

thu

t s

, cỏc tớn hi

u
t

ng t



c l

y m

u thnh tớn hi

u r


i r

c. Tớn
hi

u sau khi r

i r

c húa qua b

chuy

n

i t

ng
t

/s

thnh tớn hi

u s

d

i d


ng mó nh

phõn hay
mó Hecxa. Quỏ trỡnh x

lý mụ t

trờn
Hỡnh 3
.

Cỏc tớn hi

u sau khi s

hoỏ thnh mó nh

phõn

c x

lý d

dng v

i cỏc b

vi x


lý tớn hi

u
DSP, àP, àC

cho ra cỏc

i l

ng theo yờu c

u,
mụ t

trờn
Hỡnh 4
.

T

nh

ng c

s

trờn,
Hỡnh 5



a ra m

t c

u
trỳc chung cho m

t thi

t b



o

i

n n

ng. Thi

t b


g

m cú m

t sensor dũng


i

n v m

t sensor

i

n ỏp
k

t h

p v

i chuy

n

i ADC s

hoỏ tớn hi

u dũng

i

n v

i


n ỏp tr

c khi vo b

x

lý trung tõm,
x

lý k

t qu



o. S

li

u sau khi x



c l

u gi


trong EEPROM, hi


n th

k

t qu

ho

c truy

n ra
P
S
Q

Hình1 : Tam giác công suất
Hỡnh 2: X

lý tớn hi

u t

ng t



=
T
0

)(.
T
1
P tp
Hình
3
: Chuyển đổi tơng tự sang số


Hỡnh 4: X

lý tớn hi

u s





3
ngoài
để
giao ti
ế
p v

i thi
ế
t b


khác. Ngoài ra c

n
các b

ph

n qu

n lý ho

t
độ
ng c

a thi
ế
t b

, ngu

n
nuôi cho thi
ế
t b

.
V

i m


t s
ơ

đồ
c

u trúc nh
ư
trên, có nhi

u gi

i
pháp
để
ch

n l

a.

Hình 6
là gi

i pháp s

d

ng DSP có tích h


p
ADC. DSP x

lý s

li

u t

ADC, tính toán ra các
đạ
i l
ượ
ng
đ
o c

n thi
ế
t, cho phép giao ti
ế
p tr

c ti
ế
p
v

i vi x


lý (MCU) khác ho

c các ngo

i vi.

Hình 7
là c

u trúc dùng ADC có tích h

p
DSP, cho phép x

lý các tín hi

u
đ
o, tính toán các
đạ
i l
ượ
ng c

n thi
ế
t. Không giao ti
ế
p

đượ
c tr
ượ
c ti
ế
p
v

i ngo

i vi mà ph

i thông qua m

t vi x


(MCU). V

i c

u trúc này, các ADC
đượ
c ch
ế
t

o
chuyên bi


t nên
độ
chính xác cao, thu

n ti

n h
ơ
n
khi s

d

ng, cho phép h


đượ
c giá thành s

n ph

m
ch
ế
t

o.
V

i c


u trúc này ADC
đ
ã
đượ
c tích h

p các
ch

c n
ă
ng DSP trên m

t chip, cho
đầ
u ra là các
đạ
i
l
ượ
ng c

n
đ
o, ng
ườ
i dùng ch

c


n
đọ
c l
ư
u gi

b

ng
b

nh

,
đư
a ra hi

n th

hay truy

n thông theo yêu
c

u. Gi

i pháp này cho phép có nh

ng s


n ph

m
nh

g

n, v

i giá thành th

p.

3.
THI

T K



Thi
ế
t b


đ
o công su

t PMM100 s


d

ng
ph
ươ
ng án dùng m

t ADC tích h

p v

i DSP c

a
hãng Analog Device. Các s

li

u
đượ
c thu th

p b

i
m

t vi x


lý.
Thi
ế
t b

giao ti
ế
p v

i ng
ườ
i s

d

ng qua m

t
màn hình LCD và các phím ch

c n
ă
ng.
M

ch
đệ
m tr
ướ
c khi vào ADC là m


t Shunt
dòng
đ
o dòng
đ
i

n và m

t m

ch phân áp.
ADC
đượ
c s

d

ng là ADE7753 c

a hãng
Analog Device,
đ
ây là m

t IC
đ
o
đ

i

n chuyên d

ng
độ
chính xác cao, giao ti
ế
p
đơ
n gi

n v

i vi x


qua c

ng truy

n thông SPI và các thanh ghi truy

n
thông, không c

n cách ly
đ
i


n v

i ngu

n
đ
i

n
đ
o.
Vi x

lý s

d

ng là CY8C26443 c

a hãng
Cypress Micro.
Đ
ây là m

t h

vi x

lý PsoC
(Programmable System on Chip) có tính linh ho


t
cao, l

p trình
đơ
n gi

n, công c

phát tri

n giá thành
th

p.


Hình 7: ADC tích h

p DSP
Hình 5:C

u trúc m

t thi
ế
t b



đ
o công su

t
Hình 6: DSP tích h

p ADC



Hình 8: Cấu trúc thiết bị PMM100




4
Vi

c ch

n l

a ph

n c

ng cho phép phát tri

n
m


t dòng s

n ph

m n

i
đị
a v

i giá thành th

p v

i
tính n
ă
ng,
độ
chính xác không thua kém các s

n
ph

m nh

p ngo

i.























ADE7753

Hình 9 mô t

s
ơ

đồ

kh

i ch

c n
ă
ng c

a m

t
IC chuyên d

ng ADE7753.


Chức năng
IC ADE7753 có
độ
chính xác cao, tuân theo
tiêu chu

n IEC61036 và IEC1268.
Tích h

p b

tích phân s

n


i tr

c ti
ế
p
đượ
c
v

i các sensor dòng
đầ
u ra t

l

v

i
di/dt
.
Tính các giá tr

công su

t tiêu th

, công ph

n

kháng, công su

t bi

u ki
ế
n, giá tr

hi

u d

ng c

a
dòng
đ
i

n,
đ
i

n áp, Sampled Waveform, v

i
độ

chính xác nh


h
ơ
n 0,1%.
Ch
ế

độ
ch

tích lu

n
ă
ng l
ượ
ng d
ươ
ng.
Cho phép ng
ườ
i dùng
đặ
t m

m ng
ưỡ
ng s

t
áp, quá

đ
i

n áp, có kh

i qu

n lý ngu

n nuôi.
Cho phép ch

nh
đị
nh pha và
độ
l

ch
đầ
u vào.
Có Sensor
đ
o nhi

t
độ
trên chip (±3
0
C).

Ch
ế

độ
truy

n thông n

i ti
ế
p SPI.
Chân yêu c

u ng

t và thanh ghi tr

ng thái
ng

t.
Có 2 ADC c

u trúc sigma-delta và DSP cho
d

li

u v


i
độ
chính xác cao trong
đ
i

u ki

n môi
tr
ườ
ng và th

i gian bi
ế
n
độ
ng m

nh.
Đ
i

n áp chu

n 2,4V, cho
đư
a t

ngoài.

Ngu

n nuôi 5V, công su

t th

p (25mW).

Mô tả hoạt động của ADE7753
Giá trị dòng điện hiệu dụng (I
RMS
)
đượ
c x


lý và l
ư
u trong thanh ghi s

nguyên d
ươ
ng 12 bit
(IRMS). V

i tín hi

u
đủ
thang 0,5V ADC cho ra


đầ
u ra x

p x

63% c

a giá tr


đủ
thang. Giá tr


tín hi

u AC
đủ
thang là 1868467d (1C82B3h).
Tuy
ế
n tính trong kho

ng FS
đế
n FS/100.
Giá trị điện áp hiệu dụng (V
RMS
)


đượ
c x


và l
ư
u trong thanh ghi VRMS, 24 bit, s

nguyên
d
ươ
ng. V

i tín hi

u
đủ
thang
đầ
u vào, thang ghi
VRMS có giá tr

t
ươ
ng
đươ
ng 1561400(17D338h).
Tuy
ế

n tính trong kho

ng FS
đế
n FS/20.





















Công Suất tiêu thụ
đượ
c tích lu


liên t

c
b

ng m

t thanh ghi n
ă
ng l
ượ
ng 48 bit, 24 bit cao
c

a thanh ghi này là thanh ghi AENERGY[23:0].
Công suất phản kháng

đượ
c tích lu

theo
m

t s

nguyên n

a chu k

, l

ư
u trong thanh ghi
LVARENEGY.
Công suất toàn phần
tích lu

b

ng m

t
thanh ghi n
ă
ng l
ượ
ng toàn ph

n
VAENERGY[23:0].
Chuẩn định thiết bị

đ
o tu

thu

c vào
đ
ai
l

ượ
ng c

n
đ
o c

a thi
ế
t b

. V

i thi
ế
t b


đ
o công su

t
v

n n
ă
ng nh
ư
yêu c


u thi
ế
t k

, ph

i ti
ế
n hành chu

n
đị
nh 8
đạ
i l
ượ
ng
đ
o. ADE7753 cung c

p các thanh
ghi
đủ

để
ti
ế
n hành chu

n

đị
nh b

ng ph

n m

m,
thông qua c

ng truy

n thông SPI, các h

s


đươ
c
MCU tính toàn và truy

n xu

ng cho ADE7753.
Chế độ chuyển thông nối tiếp của ADE7753
ADE7753 giao ti
ế
p v

i ngo


i vi thông qua
c

ng truy

n thông SPI v

i b

n dây tín hi

u DIN,
DOUT, SCLK, CS. Vi

c giao ti
ế
p, truy su

t d

li

u
đượ
c
đ
i

u khi


n b

ng m

t thanh ghi truyên thông 8
bit.
CY8C26443

Hình 9
là s
ơ

đồ
kh

i ch

c n
ă
ng c

a IC h


PsoC. PsoS là h

vi x

lý t


c
độ
cao, 8-bit, ki
ế
n
trúc Harvard. Vi

c phân chia bus d

li

u và bus
đị
a
ch

cho phép
đẩ
y t

c
độ
x

lý lên cao. PsoS có th


đạ
t t


c
độ
x


đế
n 24MHz, tuy nhiên có th


đặ
t
t

c
độ
th

y h
ơ
n
để
phù h

p v

i các

ng d


ng khác
nhau. H

vi x

lý này phân chia c

u trúc c

ng
thành các kh

i ngo

i vi s

và kh

i ngo

i vi t
ươ
ng t


khác nhau v

i m

t CPU t


c
độ
cao, b

nh

ch
ươ
ng
trình (Flash program memory), b

nh

d

li

u
(SRAM data). Các kh

i này cho phép ng
ườ
i dùng
thi
ế
t l

p thành nhi


u d

ng thi
ế
t b

v

i các ch

c

Hình 9: S
ơ

đồ
kh

i ch

c n
ă
ng c

a ADE7753

ADC
ADC
+
-

+
-
TEMP
SENSOR
2.4V
REFERENCE
HPF
dt
LPF1
Φ
PHCAL[5:0]

INTEGRATOR MULTIPLIER LPF2
WGAIN[11:0]
× ×
APOS[15:0]
2
x

VRMSOS[11:0]
2
x

IRMSOS[11:0]
× ×
VAGAIN[11:0]
DFC
÷
÷ ÷
VADIV[7:0] WADIV[7:0]

ADE7753 REGISTERS &
SERIAL INTERFACE
CFNUM[11:0]
CFNUM[11:0]
4kΩ
AGND
REF
IN/OUT

CLKIN CLKOUT DIN DOUT SCLK CS IRQ
V1P
V1N
V2N
V2P
AVDD RESET
DVDD DGND
CF
ZX
SAG
PGA
PGA
Π
2
×



5
n
ă

ng khác nhau. V

i m
ườ
i hai kh

i ngo

i vi t
ươ
ng
t

và tám kh

i ngo

i vi s

, có th

c

u trúc thành
các b


đế
m th


i gian, các b

UART, b

phát CRC,
b


đ
i

u ch
ế

độ
r

ng xung PWM, các b

ADC,
DAC, cùng nhi

u các modul cao c

p h
ơ
n nh
ư

modem,

đ
i

n ki

n
độ
ng c
ơ
, sensor,... M

t h

l

nh
phong phú r

t hi

u cho phép dùng các ngôn ng

l

p
trình b

c th

p, ngoài ra còn h


tr

c

ngôn ng

l

p
trình b

c cao (ngôn ng

l

p trình C). Nh

ng
đ
i

u
th

hi

n kh

n

ă
ng m

m d

o d
ườ
ng nh
ư
không gi

i
h

n tích h

p trên m

t h

th

ng vi x

lý PSoC có th


t

o ra mà khó có h


vi x

lý nào
đạ
t
đượ
c.
Bộ vi xử lý kiến trúc Harvard nhân và tích
luỹ nhanh
- T

c
độ
x


đế
n 24MHz
- Ch
ế

độ

đị
a ch

m

m d


o
- 8x8 multiply, 32-bit accumulate
- Register speed memory transfers
- Bit manipulation on I/O and memory
Bộ nhớ trên chip linh hoạt
- B

nh

ch
ươ
ng trình t

4K
đế
n 16K
- 100000 chu k

xoá/ghi
- 256 byte SRAM
- In-System Serial Programming
- Ch
ế

độ
b

o v


linh ho

t
- EEPROM
đế
n 2304 byte
Khối chức năng khả trình
- Ng
ườ
i dùng có th

c

u trúc các kh

i ch

c
n
ă
ng
để
dùng riêng r

hay k
ế
t h

p
- 12 kh


i t
ươ
ng t

cung c

p
-

ADC Delta-Sigma
đế
n 11 bit
-

ADC x

p x

liên t

c
đế
n 8 bit
-

ADC Incremental
đế
n 12 bit
-


DAC
đế
n 10 bit
-

B

khu
ế
ch
đạ
i kh

trình
-

B

l

c kh

trình
-

B

so sánh vi sai
- 8 kh


i ch

c n
ă
ng s

cung c

p:
-

Các ch

c n
ă
ng v

th

i gian: s

ki

n, th

i
gian th

c,

đ
i

u ch
ế

độ
r

ng xung (PWM).
-

Module CRC
-

Truy

n thông UART
-

Truy

n thông SPI
-

Ngu

n t

n s


cho các kh

i t
ươ
ng t



Thay đổi được cấu trúc chân
- Các chân I/O ki

u TTL
- M

c logic ra 25mA v

i pull-up trong ho

c

đ
i

n tr

pull-up, High Z, strong driver
- Thay
đổ
i chân ng


t
- Vào t
ươ
ng t

b

i 40mA
Lập trình chu kì, tần số
- Dao
độ
ng trong 24/48MHz
- Dao
độ
ng tinh th

ngoài 32.768Hz
- Dao
độ
ng th

p cho Watchdog và Sleep
Ngoại vi chuyên dụng
- Watchdog, Sleep timer
- Nh

n bi
ế
t m


c s

t
đ
i

n áp
-
Đ
i

n áp chu

n
Với công nghệ Flash
- Công su

t th

p v

i t

c
độ
cao
-
Đ
i


n áp ho

t
độ
ng t

3,0
đế
n 5,25 V
-
Đ
i

n áp ho

t
độ
ng xu

ng
đế
n 1,0V trong ch
ế


độ
b
ơ
m

đ
i

n áp trên chip
- D

i nhi

t
độ
ho

t
độ
ng: -400C
đế
n +850C

Các phần cứng khác
LCD Display 2x16 : HD44780 c

a Hitachi
Shunt dòng : BVO-M-R0002-5.0 c

a hãng
RHOPOINT

Phối ghép CY8C26443 với ADE7753





Hình 10: S
ơ

đồ
kh

i ch

c n
ă
ng CY8C26443
Hình 11: L
ư
u
đồ
ch
ươ
ng trình

×