Hội liên hiệp KHKT Việt nam Liên hiệp hội kHKT công trình Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nớc Kc 03 Tự động hóa Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada phục vụ cho ngành năng lợng thay thế cho nhập ngoại M số kc 03.11 Chủ nhiệm: PGS Nguyễn trọng quế Phần 2 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị cơ bản xây dựng hệ scada mạng điện 6684-2 28/11/2007 Hà nội 2003 1 MỤC LỤC Chương I: Các khái niệm cơ bản, chọn phương án. I. Các khái niệm cơ bản. 1. Dòng hiệu dụng 2. Đo công suất và năng lượng II. Phương hướng của việc nghiên cứu transducer III. Vi hệ thống ADE 7753 IV. Phân tích những vần đề kỹ thuật áp dụng vào ADE 7753 Chương II. Thiết kế các transducer, đo các đại lượng trên cơ sở ADE 7753 I. Phương hướng cơ bả n II. Các cách truy cập vào ADE 7753 III. Tổ chức hệ thống Chương III. Xây dựng thiết bị. I. Sơ đồ lắp ráp II. Chương trình phần mềm 2 BÀI TÓM TẮT Đây là nội dung của 5 đề tài nhánh 3,4,5,6,7 của đề tài Nhà nước KC – 03- 11 ký kết ngày 6/11/2001 với chủ nhiệm chương trình khoa học và công nghệ trong diện Nhà nước KC – 03. Nội dung của đề tài nhánh như sau: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo các transducer đo các đại lượng sau: - Dòng và áp hiệu dụng - Công suất và năng lượng tác dụng - Công suất và năng lượng phản kháng - Công suất và năng lượng biểu ki ến - Chu kỳ lưới điện - Hệ số công suất cosφ. Cấp chính xác của tất cả các thang đo 0,5% FS. Đầu ra thống nhất hoá 4-20mA và ra nối tiếp kiểu số theo chuẩn RS 485 Có thể đặt được giá trị báo động. Hợp đồng ký kết 11/2001/HD – DTCT – KC03. Đây là những bộ biến đổi của các đại lượng điện cơ bản mà trong quản lý điện (SCADA) cầ n phải thu thập, có thể kết nối với các hệ thống đo lường và điều khiển trong hệ thống điện Việt Nam. Trong đề tài đã áp dụng những thành tựu mới nhất của vi hệ thống tức là các hệ thống ADE 775X của Analog devices ra đời năm 1999 và đến nay mới đi vào hoàn thiện. Tính năng của vi hệ thống này cao hơn hẳn các biển đổi lắp ghép bằng linh kiện rời từ trước nay vẫn dùng. 3 Vi hệ thống này lại cho phép sử dụng rất linh hoạt, vì vậy đề tài đã bố trí nghiên cứu thiết kế các transducer có dùng một kết cầu phần cứng. Phần mềm được thiết kế để đặt được các thông số đo các đại lượng như nói trên. Vì vậy, phần lập trình phải tổ chức theo kiểu menu. Khi cần đo đại lượng gì ta chỉ cần chọn menu bằng 4 phím trên mặt máy. Các s ản phẩm được sản xuất ra ở dạng chế tạo thử và hoạt động tin cậy. Ở đây có một ý nghĩa lớn là đã nghiên cứu một vi hệ thống hiện đại là cơ sở của những biến đổi lớn trong kỹ thuật đo lường các đại lượng điện và không điện. Ra được bộ biến đổi này cho ta có sổ cho các bộ biến đổ i khác phát triển các thiết bị đo ảo với giá thành rất rẻ. Các tác giả 4 CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Transducer điện là một bộ biến đổi đo lường, biến của các đại lượng về điện trong lưới điện thành dòng điện một chiều thống nhất hoá 4-20mA hay biến thành đại lượng số được truyền đi bằng mã nối tiếp theo các chuẩn xác định (thông thường là RS 232 hay RS485) Các đại lượng là: Dòng và áp dụng hiệu dụng (I rms, U rms) Công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến (P,Q,S) Năng lượng tác dụng và phản kháng (W a, W r ) Chu kỳ lưới điện hay tần số, hệ số cosφ. 1. Dòng điện và điện áp hiệu dụng. Theo định nghĩa. I rms = dti T T ∫ 0 2 1 i: Là dòng điện tức thời T: Chu kỳ dòng điện. Trong trường hợp đo lượng bằng số với bộ biến đổi tương tự số tốc độ cao ta có: I rms = ∑ = N Ii i I N 2 1 I i: Dòng điện ở thời điểm thứ i Đối với dòng điện hình sin ta có: 5 I rms = dtSinatI T T m ∫ 0 22 )( 1 = 2 m I Trong công nghiệp, khi điện tử chưa phát triển người ta thường đo dòng điện bằng có cấu điện từ trong ấy momen quay M q = α d dL 2 I 2 α d dL : Biến thiên điện cảm cuộn dây tĩnh khi lõi thép quay I: Dòng điện hiệu dụng Cơ cấu điện từ này cho phép đo dòng hiệu dụng nhưng có những vấn đề sau: - Quan hệ với I không tuyến tính. - Độ nhạy không cao, độ chính xác thấp. Tuy thế, một thời gian dài nó được dùng chủ yếu do dòng điện xoay chiều công nghiệp. Cấp công suất tiêu thụ 1-2Watt chính xác 1,5 và 2,5. Để có độ chính xác cao hơn ng ười ta dùng cơ cấu điện động. Trong cơ cấu điện động ta có momen quay: M q = α d dM I 1 .I 2 Cơ cấu điện dộng này cho phép nhân giữa I 1 và I 2 vì vậy nó có thể dùng đo dòng điện, điện áp (I 1 = K 2 I 2 =KI) hoặc I 1 =K 2 I 2 = KV) M q = K α d dM 12 hoặc có thể dùng đo công suất. (I = K 1 I; I 2 = K v V) Loại cơ cấu điện động này chủ yếu dùng đẻ đo công suất hoặc đo U v khi cần có độ chính xác cao. Cấp chính xác cao nhất của dụng cụ này là 0,2% FS. Công suất tiêu thụ 2-5Watt. 6 Trong các vạn năng kế người ta đi dòng và áp mạch chỉnh lưu bán dẫn tức là đo dòng trung bình, sau đó suy ra dòng hiệu dụng bằng cách nhân với hệ số 1,11 là hệ số quan hệ giữa dòng hiệu dụng và dòng trung bình trong tín hiệu hình sin. Cơ cấu này có những khuyết điểm sau: - Các diot chỉnh lưu không phải là phân tử lý tưởng, quan hệ giữa U và I không tuyến tính. - Hệ số chỉnh lưu diot thay đỏi theo nhiệ t độ vì thế dụng cụ chỉnh lưu bằng diot thay đổi theo nhiệt độ. - Hệ số 1, 11chỉ đúng khi tín hiệu đo là hình sin Cấp chính xác cao nhất của các dụng cụ chỉnh lưu chỉ là cấp 1,5 Nhiều công trình từ năm 1970 đến nay đã cố gắng đo dòng xoay chiều chính xác cao. Luận án Tiến sỹ của NguyễnVăn Tách đã đưa trên 130 tài liệu nghiên cứu phương pháp đ o dòng xoay chiều chính xác. Với sự ra đời của nhiều linh kiện điện tử, nhiều sơ đồ đã được đưa ra để đo chính xác dòng xoay chiều; các bộ transducer điện tử ra đời biến I, U hiệu dụng thành dùng 0 – 10 mA; 0 – 20mA. Sau khi ra đời các ADC chính xác cao, tốc độ lớn và sự phối hợp với vi điều khiển giải quyết việc tính toán xử lý số liệu người ta mới đi đế n phương pháp rời rạc hoá xoay chiều, thu nhập và tính toán theo đúng công thức như đã định nghĩa ở trên. Liên tiếp các transducer vạn năng ra đời, vừa đo I, U, P, Q, S, W a , W t với độ chính xác 0,5. Sơ đồ chung của các transducer này là ADC tốc độ cao phối hợp với vi xử lý hoặc ADC phối hợp với DSP. 7 2. Đo công suất và năng lượng Theo định nghĩa: P= ui Công suất P = ∫∫ = N ii T IU N uidt T 1 0 11 Năng lượng W a = tpdtp T T . 1 0 = ∫ P: Công suất tức thời và tích của u và i i, u: Dòng điện và điện áp tức thời U i , I i: Dòng điện và điện áp tức thời tại thời điểm i. P: Công suất trung bình. W a : Năng lượng tác dụng. Q: Công suất phản kháng. Trước kia người ta đo công suất bằng cơ cấu điện động. M q = =ui d dM α 12 Kw.ui M q = Kw.U m sin .t ω I m sin ( ϕ ω + t ) M wl = Kw ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ++ + )1cos(2 2 U cos 2 m ϕωϕ mmm IIU n .t ω I m sin ( ϕ ω + t ) M q : Gồm 2 thành phần 1 thành phần không biến đổi và một thành phần hình sin theo thời gian có tần số góc 2 ω . Cơ cấu điện động có quán tính rất lớn (tần số riêng <1 Hz) do đó không theo kịp, không theo kịp sự biến biên của momen động; cuối cùng momen trung bình. M th = Kw = 2 . 2 mm IU cosφ M th = Kw =U.Icosφ = Kwφ Đối với đo năng lượng ta dùng cơ cấu cảm ứng. 8 Momen quay: M q = KΦ u Φ i sinφ Ta phải chuyển M q = K.U.Icosφ Muốn vậy: Φ 0 = K u .U Φ = K l .I cosφ = sinφ Công tơ phải có nhiều hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng. Momen quay M q lớn nên có thể kéo bộ đếm cơ khí ghi số trên công tơ. Đĩa quay giữ chức năng là bộ tích phân nên: N x = K.W x N x : Số vòng quay của điện công tơ W x : Năng lượng truyền qua công tơ. Cũng như đo U và I, có nhiều phương pháp ra đời dùng bộ phận nhân điện và người ta chế ra transducer công suất, năng lượng Các transducer vạn năng cho phép đo tất cả các đại lượng U, I, P, Q, S, W a, W r, T, cosφ được ra đời cùng với kỹ thuật ADC và µC. II. PHƯƠNG HƯỚNG CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU TRANSDUCER Người ta đã có transducer vạn năng và tranducer riêng biệt chỉ đo một đại lượng xác định. Thông thường transducer vạn năng thuận lợi hơn nhưng độ chính xác thường kém hơn transducer chuyên dụng. Nếu đảm bảo được sai số yêu cầu và giá thành vẫn giữ nguyên thì đứng về phương diện công nghệ việc vạn năng hóa transducer, tăng số lượng sản xuất đạt thông số ở phần mền sẽ cho phép: - Giảm giá thành lắp ráp chế tạo (phần cứng). - Linh hoạt sử dụng (phần mềm). 9 Trong các transducer thông minh (Smart transmiter) người ta chế tạo phần cứng rất giống nhau và dùng một hand held unit một communicator để đặt lại thông số cho transmitter. Vì vậy transducer thiết kế và chế tạo các yêu cầu sau: 1. Giảm tối thiểu phần cứng tức là phần cứng tối thiểu nhất về linh kiện các IC, điện trở dung các công tắc đổi nối các đầu cắm 2. Thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá để dễ l ắp đặt, dễ sử dụng. 3. Sử dụng tối đa khả năng phần mềm, linh hoạt hoá nhờ phần mềm. 4. Giảm giá thành chế tạo đến mức tối thiểu. 5. Đặc tính kỹ thuật nổi trội hơn các thiết bị từ trước đến nay. 6. Sử dụng các linh kiện hiện đại nhất để tăng các tính năng kể trên. 7. Vì như vậy: transducer U, I, P, Q, f, cosφ được chế tạo thống nhất phần cứng khi cần đo sẽ dùng communication để đặt thông số. Cũng vì như vậy mà ta chọn họ IC ADE 775X để thiết kế các transducer. Vì bên ngoài chùng hoàn toàn giống nhau về cấu tạo. Khi cần biến đổi đại lượng với yêu cầu khác nhau, ta có thể tác động vào phần mềm của IC để đáp ứng các yêu cầu về đo lường. Cấu trúc của transducer như hình vẽ 1.1. SP1 RS485 SP1 4-20mA Hình 1.1: Sơ đồ khối của transducer vạn năng Transduer gồm vi mạch ADE 7753 của Analog devices là bộ biến đổi đa năng có thể tác động vào trong mạch xử lý của nó. V1 ADE V2 7753 V2 V2 MCU 8052 D/A [...]... V1, V2 để có công suất tác dụng thông qua thiết bị 7 Cho phép nhân V1rms với V2rms để có công suất biểu kiến 8 Tích luỹ năng lượng trong khoảng thời gian 10 giây 9 Cho phép phát hiện kiểm tra zero của lưới điện để làm mốc khởi đầu cho các phép tích luỹ, cho phép đo tần số lưới điện với độ phân giải cao 10 Cho phép tính hệ số công suất cosφ 11 Sai số tổng bé hơn 0 ,1% là sai số rất thấp so với các thiết. .. , FFFFh * 1, 12 µs CCCCDh =6000s =10 0phút F,FFFF,FFF,F,FFFFh: Dung lượng bộ đếm 52 bit(hexa) C C C C D: Công suất định mức của bộ biến đổi 1, 12 µs : Chu kỳ lấy mẫu Như vậy để đếm dây bộ ghim giữ năng lượng mất 10 0 phút Có một cách tích luỹ năng lương khác là tích luỹ năng lượng theo chu kỳ của lưới điện gây ra Cách tích luỹ chu kỳ lưới điện mô tả ở hình 2 .13 Hình 2 .13 : Sơ đồ tích luỹ năng lượng theo... trong các mạch đo 2 p= U R 15 P = 0,5.0,5 = 0.6 .10 −6 W 400.000 Công suất tiêu thụ mạch V1, V2 không đáng kể Hệ số biến đổi của biến dòng được tính như sau: Khi biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch thứ cấp ta có: I 1 = W1 W2 I2 I1 : Hệ số biến dòng điện I2 W2: Số vòng thứ cấp W1: Số vòng sơ cấp (thường là 1) W2 = 1 5 A = 500 vòng Phazomet 0,01A Ví dụ: I1= 5A I1 Ta muốn I2 = 10 mA Dòng thứ cấp là 10 mA... được khi dùng điện trở là mang máng với công nghệ quang khác hay màng mỏng với công nghệ bốc hơi Bây giờ ta tính toán sai số của phần áp: Nguyên nhân sai số của phân áp chủ yếu do nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, do hệ số nhiệt độ của các điện trở khác nhau sai số do nhiệt độ của áp được tính γ ⎛R ⎞ ⎜ ⎟ 1 1 ⎟ ⎝ R2 ⎠ = R1α 1t α 1t − α 2 t - R 2α 2 t = R1 (1 + αt ) R2 (1 + αt ) (1 + α 2 t ) (1 + α 2 t )... và tần số 14 KHZ (CLK/256) và 28KHZ (CLK /12 8) 3 Chọn được giá trị hiệu dụng của V1rms,V2rms 4 Kênh V1 có một tích phân số, cjo phép đo được các đại lượng từ, các thông số động lực học của thiết bị 5 Chọn được tính tức thời của V1, V2 cho phép ghi lại tình trạng công suất khi có sự cố trong hệ thống điện (thay cho đầu rung công suất ở các máy kiểm tra khi có sự số hiện nay) phân giải 24 bit 6 Cho phép... bằng phần mềm Khả năng hiệu chỉnh của phần mềm có thể giảm đến mức sai số đo góc pha giảm xuống ± 1, 12µs tức là với sai số 0,0056% ứng với tần số 50Hz 17 0,0056% < 0, 01% đảm bảo sai số bù pha cho bộ liên đới ADE 775X c Sai số của phần áp Phân áp thực hiện bằng 2 điện trở được tính: U 1 = R2 U2 R1 + R2 Nếu R1, R2 cùng làm bằng 1 vật liệu ở điều kiện như sau thì có thể ∆R1 ∆R2 = bù trừ cho nhau R1 R2... sau: Có đầy đủ tất cả các xử lý cần thiết để đảm bảo chất lượng kỹ thuật của bộ biến đổi, có thể tác dụng vào các khâu khác nhau trong vi hệ thống Sơ đồ chức năng của ADE 7753 được giới thiệu ở hình 1. 2 10 Hình 1. 2: Sơ đồ chức năng của ADE7753 Có thể giải thích cách làm việc của ADE 7753 như sau: Điện áp và 2 kênh V1và V2 Điện áp vào V1, V2 có thể vi sai, có thể so đất Điện áp V1 được truyền qua khuyếch... ) Tính gần đúng γt.R1/R2 ( 1 − α 2 ) t Nếu hai điện trở được chế tạo cùng vật liệu α 1 , α 2 chỉ sai khác có 1 vài phần triệu (2ppm); nhiệt độ làm việc giao động độ 10 -200C γR 1 R2 = 20( α 1 − α 2 ) = 40-50 ppm Tức sai số = 0.005% Nằm trong phạm vi cho phép Chú ý các điện trở phải có hệ số nhiệt độ như sau Nếu không đảm bảo điều này phải có công thức bù nhiệt độ ở phần mềm Vì thế Analog devicer có... tích các hệ số biến đổi như sau: fCF = K1.G1.KADC.KU.GU.KADC G φ 1. K φ U.K φ VA.KDFC.F0.U I sai số: γ ICF = γ KI + γ GI +2 γ ADC + γ KU + γ GU + γ φ γ φ + γ φ U+ γ φ VA+ γ AEC + γ 10 1 1 K1: Hệ số biến đổi của biến dòng; γ K1 : sai số của biến dòng G: hệ số khuếch đại của mạch dòngđiện; γ GI : Sai số của mạch khuếch V1 KADC: Hệ số biến đổi của ADC; γ ADC : Sai số của ADC K0: Hệ số phân áp của điện. .. tắt đặc tính kỹ thuật của ADE 7753: 1 Đầu vào 2 điện áp xoay chiều có thang đo lớn nhất 500mV, thang bé nhất 7,81mV phân giải 24 bit Chọn thang ADC Tín hiệu vào Max 0,5V 0,5V Gain = 1 0,25V Gain = 2 Gain = 1 0 ,12 5V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1 0,0625V Gain = 8 Gain = 4 Gain = 2 0,0 313 V Gain = 16 Gain = 8 Gain = 4 0 ,15 V 12 0 ,12 V 0, 015 6V Gain = 16 0,00781V Gain = 8 Gain = 16 2 Tín hiệu xoay chiều này có thể . Phần 2 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị cơ bản xây dựng hệ scada mạng điện 6684-2 28/11/2007 Hà nội 2003 1 MỤC LỤC Chương I: Các khái niệm cơ bản, . trình Báo cáo tổng kết đề tài trọng điểm cấp nhà nớc Kc 03 Tự động hóa Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các scada phục vụ cho ngành năng lợng thay thế cho nhập ngoại M số kc 03.11 . Chương II. Thiết kế các transducer, đo các đại lượng trên cơ sở ADE 7753 I. Phương hướng cơ bả n II. Các cách truy cập vào ADE 7753 III. Tổ chức hệ thống Chương III. Xây dựng thiết bị. I. Sơ