Thiết kế và thi công hệ thống đo đồ thị phụ tải công suất 3kva

Chöông 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1: Sơ đồ khối: Điện áp DC đánh giá dòng I của tải Điện lưới Mạch chỉnh lưu chính xác Biến dòng Mạch so sánh tạo xung vuông Xác định góc j Mạch chỉnh lưu chính xác Cầu phân áp Biến áp 1:1 Điện áp DC đánh giá áp của tải Khối điều khiển Maïch hieån thò PC Phụ tải Hình 3.1: Sơ đồ khối: 3.2 Chức năng từng khối: Như đã trình bày phần trên, hệ thống đo đồ thị phụ tải chức năng đo các đại lượng thành phần để tính ra được điện năng tiêu thụ và hiện thị các led. Do vậy muốn thực hiện được chức năng đó thì cần phải thiết kế từ nhiều bộ phận thành phần nhỏ, mỗi bộ phận có chức năng riêng và thống nhất với nhau sao cho đạt được yêu cầu chung của thiết bị. Để dễ dàng hơn trong việc trình bày, sơ đồ khối được được ra để giúp cho người đọc có cái nhìn bao quát về toàn thiết bị trước khi tìm hiểu sâu hơn các thiết bị bên trong. Sau đây là phần trình bày tóm tắt về chức năng của từng khối trong sơ đồ: 3.2.1 Khối đo điện áp: Nguồn áp được chia áp, với nguồn tín hiệu nhỏ được đưa qua biến áp 1:1, nguồn áp nhỏ này được chỉnh lưu chính xác cho một điện áp DC, điện áp này đánh giá áp của tải. Chức năng của khối đo điện áp là: nhằm chuyển điện áp trên tải từ điện áp xoay chiều mức cao sang điện áp một chiều mức thấp, để phù hợp với khâu chuyển đổi ADC phía sau. 3.2.2 Khối đo dòng điện: Dòng điện tải được mắc nối tiếp với biến dòng 50:5, ta thu được ở ngỏ ra biến dòng một dòng điện nhỏ, sau đó chuyển dòng điện thành áp và đưa vào mạch chỉnh lưu chính xác, tạo điện áp DC, điện áp này đánh dòng I của tải. Khối đo dòng điện có nhiệm vụ: nhằm chuyển đổi dòng điện tải tiêu thụ thành mức điện thế một chiều thích hợp cho thiết bị chuyển đổi tín hiệu ở phía sau. 3.2.3 Khối đo cosj: Có chức năng biến đổi hai xung áp, dòng thành xung vuông có trùng điểm không rồi so sánh và tìm được độ lệch pha rồi đưa vào PIC tính ra được hệ số công suất. 3.2.4 Khối xử lý vả giao tiếp PC: Khối xử lý và giao tiếp PC bao gồm vi điều khiển PIC nhiệm vụ xử lý hai kênh ADC từ mạch đo áp, mạch đo dòng, và tính cosj và tính ra công suất của tải cho hiển thị ra led 7 đoạn. Thông số công suất được truyền về máy tính bằng giao thức truyền qua cổng nối tiếp RS 232 và công suất của phụ tải được biểu diễn dưới dạng đồ thị trên màn hình Window. 3.2.5 Khối hiển thị: Khối hiển thị gồm 16 led 7 doạn hiển thị đầy đủ các thông số về dòng, áp, cosj, và công saut cua phụ tải. 3.3 Tính toán thiết kế từng khối: Yêu cầu thiết kế: ĐIỆN ÁP : Đo được điện áp xoay chiều có giá trị từ 0V-250V. Kết quả đo được hiển thị ra LED 7 đoạn. DÒNG ĐIỆN : Đo được dòng điện xoay chiều có giá trị từ 0A-12A. Kết quả đo được hiển thị ra LED 7 đoạn với hai số lẻ ( Ví dụ 3.46 ). COSj : Đo hệ số công suất ở tần số 50Hz. Kết quả đo được hiển thị ra LED 7 đoạn với hai số lẻ. CÔNG SUẤT : Đo được công suất tối đa là 3000W 3.3.1 Mạch chỉnh lưu chính xác: Các mạch chỉnh lưu chính xác nói chung được dùng trong các bộ nguồn cung cấp, trong các máy đo cũng như các bộ tách sóng. Và được dùng chủ yếu trong các máy đo. Có thể phân loại chỉnh lưu theo nhiều cách. Nếu phân loại theo nguyên tắc làm việc thì có hai loại là chỉnh lưu toàn sóng và chỉnh lưu nửa sóng. Mạch chỉnh lưu toàn sóng có hai sơ đồ: chỉnh lưu cân bằng và chỉnh lưu cầu. Trong máy đo, điều quan tâm truớc hết không phải là mạch chỉnh lưu làm việc như thế nào mà là gia trị điện áp chỉnh lưu tỉ lệ với trị trung bình , trị số học, giá trị đỉnh hoặc gia trị hiệu dụng của điện áp vào. Vì vậy, trong máy đo thường phân biệt : bộ chỉnh lưu giá trị đỉnh, bộ chỉnh lưu giá trị trung bình và bộ chỉnh lưu giá trị hiệu dụng .Mạch chỉnh lưu nửa sóng và toàn sóng có điện áp vào hình sin với biên độ lớn và không có điện dung tải là mạch chỉnh lưu trị trung bình, ngược lại, khi có điện dung tải trị số đủ lớn thì mạch chỉnh lưu này là chỉnh lưu gia trị đỉnh. Sau đây là mạch chỉnh lưu chính xác có thể chỉnh lưu đuợc các điện áp cỡ mV. Mạch chỉnh lưu chính xác có thể phân nhiều loại khác nhau: mạch chỉnh lưu nửa sóng, mạch chỉnh lưu toàn sóng dùng sơ đồ cầu, mạch chỉnh lưu trị hiệu dụng, mạch chỉnh lưu toàn sóng có mạch nôí đất mạch chỉnh lưu giá trị hiệu dụng, mạch đổi dấu.Trong đề tài này, em sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác có tải nối đất . Sơ đồ mạch: Hình 3.2: Sơ đồ mạch chỉnh lưu chính xác Nguyên tắc hoạt động của mạch: Mạch chỉnh lưu toàn sóng có tải mối đất gồm một mạch chỉnh lưu nửa sóng và một mạch cộng đảo. Khi Uv0 Thì Ua =- Uv, điện áp này tạo nên ở đầu ra thành phần Ur1= -Uv. Trên đầu ra có thành phần Ur2=-Uv. Do điệ n áp được dẩn trực tiếp qua điện trở 2R1 để đến đầu bộ khuếch đại A2. Do vậy điện áp ra trên nửa chu kỳ dương được xác định theo biểu thức: Ur = Ur1 + Ur2 = Uv( - ) = Uv Điện áp ra có công thức tổng quát là: Ur = |Uv|. Để điện áp ngõ ra được bằng phẳng, ta mắc thêm tụ C song song với R2. Đây cũng chính là mạch tạo ra trị số tuyệt đối 3.3.2 Thiết kế mạch đo áp: Cách đo: Áp cần đo được hạ áp xuống mức điện áp tối đa là 5V sau đó được chỉnh lưu. Áp DC sau chỉnh lưu được đưa tới PIC để được chuyển sang dạng số cho bộ vi xử lý tính toán thành giá trị áp AC cần đo. Sau đó giá trị đo được hiển thị bằng LED 7 đoạn Cầu phân áp Mạch chỉnh lưu chính xác Biến áp 1:1 Kênh AN1 của PIC Áp tải AC Hiển thị Hình 3.3: Sơ đồ khối mạch đo áp Sơ đồ mạch đo áp: Hình 3.4: Sơ đồ mạch đo áp Đầu vào mạch đo là mạch khuếch đại không đảo có nhiệm vụ khuếch đại áp . Hệ số khuếch đại của mạch: Ku = 1+ Hình 3.5 : Mạch khuếch đại không đảo 3.3.3 Thiết kế mạch đo dòng: Cách đo: Việc đo dòng thực chất là thông qua đo áp do đó dòng điện cần đo được chuyển thành áp rồi tiến hành như đo áp ở phần 3.3.2 của chương này. Tuy nhiên, dòng điện cần đo có giá trị theo yêu cầu có thể đạt đến 12A nên cần dùng biến dòng để hạ dòng xuống giá trị phù hợp. Hiển thị Kênh AN2 của PIC Mạch chỉnh lưu chính xác Biến dòng Dòng tải AC Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch đo dòng BIẾN DÒNG : Hình 3.7 : Biến dòng Theo nguyên lý hoạt động của biến dòng thì cần có sự cân bằng về lực từ động giữa phần sơ và phần thứ cấp : n1i1 = n2i2 n1,i1 :số vòng dây và dòng của cuộn sơ cấp. n2, i2 : số vòng dây và dòng cuộn thứ cấp Ta chọn biến dòng có hệ số biến dòng là 10 ứng với việc dòng vào tối đa là 50A thì dòng ra tối đa là 5A. 3.3.4 Thiết kế mạch đo j: Cách đo: Để đo hệ số công suất cosj, ta cần đo độ lệch pha giữa tín hiệu áp và dòng trên tải. Tín hiệu áp và dòng tải được đưa qua mạch so sánh để ta có được tín hiệu xung vuông.Tín hiệu xunng dòng được đưa qua cổng logic XOR cùng với tín hiệu xung áp, khi đó ngõ ra ta sẽ có tín hiệu xung lệch pha.Tín hiệu xung lệch pha được đưa đến chân RB0 với mức logic phù hợp, vi xử lí sẽ đo độ xung lệch pha (Phi(µs)) và tính ra cosj. Tính toán góc lệch pha: Tần số điện chúng ta sử dụng có tần số 50Hz do vậy chu kỳ T = 20ms và độ lệch pha được xác định là : Góc lệch pha chỉ lệch trong khoảng T/2=10000 µs, toàn chu kỳ ta có T ứng với góc 2. Do vậy góc lệch pha được tính như sau: Þ j = (rad) Hình 3.8: Sự lệch pha của U,I Xác định góc j (bằng cổng XOR) Mạch so sánh tạo xung vuông Chân RB0 của PIC Hiển thị Dòng tải Áp tải Hình 3.9: Sơ đồ khối mạch đo j Mạch so sánh tạo xung vuông: Để chuyển sóng sin sang sóng vuông ta dùng mạch so sánh dạng: Hình 3.10: Mạch so sánh tạo xung vuông Mạch này hoạt động như sau: Chọn R = R1 = 4.7K. Op-amp loại LM339 có cực thu hở nên khi sử dụng thì ngõ ra phải được kéo lên nguồn thông qua điện trở R6= 10K. Ở bán kỳ dương thì ngõ vào không đảo lớn hơn ngõ vào đảo nên ngõ ra bão hòa dương. Ở bán kỳ âm thì ngõ vào không đảo nhỏ hơn ngõ vào đảo nên ngõ ra bão hoà âm. Cổng XOR tạo xung lệch pha: Hình 3.11 Cổng XOR Tín hiệu X1 và X2 là tín hiệu dòng và áp đã qua mạch so sánh. Ngõ ra Y là xung vuông chính là độ lệch pha của U và I. Hình 3.12: Sơ đồ mạch đo j Hình 3.13: Sơ đồ mạch đo U, I,và j 3.3.5 Thiết kế mạch điều khiển: Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A, chọn thạch anh dao động 20Mhz, có nhiệm vụ xử lý ADC dòng I, áp U, nhờ có bộ ADC đã được tích hợp bên trong, tính cosj, suy ra công suất P bằng công thức: P = U.I.cosj. Và hiển thị các thông số trên led 7 đoạn. Mạch điều khiển có phần giao tiếp máy tính qua RS-232, để truyền thông số công suất P được lấy mẫu trong 1 đơn vị thời gian lên máy tính. Và biểu diễn sự thay đổi này dưới dạng đồ thị. Trong mạch điều khiển có 8 điện trở mắc vào PORT D, các giá trị điện trở được tính như sau: Đây là các điện trở hạn dòng cho led, và ta dùng phương pháp quét nên: dòng quét I ≥ 3.Iled . Chọn Iled =10 mA Þ I ≥ 30mA, chọn I = 30mA. Áp thuận rơi trên các Led khoảng 1.8 – 2V Þ điện trở hạn dòng cho led có giá trị: R = Vậy chọn R = 150W Mạch RESET: Hình 3.14: Mạch RESET: Mạch có tác dụng reset lại toàn bộ hệ thống khi bật nguồn hay nhấn nút Reset. Khi nhấn reset ngõ vào pin 1 của PIC tác động mức thấp và hệ thống sẽ được reset. Chọn R21=10K, C3 =10µF. Hình 3.15: Sơ đồ mạch điều khiển 6 led hiển thị công suất 3.3.6 Thiết kế mạch hiển thị: 4 led hiển thị dòng điện IC giải mã 4 sang 16 Pin RC0 đến RC3 3 led hiển thị áp 3 led hiển thị cosj Mạch hiển thị gồm 16 led 7 đoạn để hiển thị, 6 led hiển thị công suất độ lớn tối đa là 3000W (từ led1 đến led 6), 4 led (từ led7 đến led 10) hiển thị dòng điện với 2 số lẻ, 3 led (từ led11 đến led 13)hiển thị áp, và 3 led (từ led14 đến led 16) hiển thị cosj với 2 số lẻ. Led 7 đoạn sử dụng là led Anode chung, được điều khiển sáng tắt bằng các Transistor A1015. Để điều khiển 16 Transistor đóng ngắt và tiết kiệm được số chân của vi điều khiển, trong đề tài dùng IC giải mã 4 sang 16: 74154. Bốn ngõ vào của IC 74154 được nốivới các pin RC0 đến RC3 của PIC (sơ đồ chân cua 74154 và bảng sự thật được nêu cụ thể ở phần phụ lục). Các điện trở R25 đến R40 được tính như sau: khi 74154 cho phép giải mã thì các ngõ ra từ Y0 đến Y15 lần lượt được tác động ở mức cao. Các R trên có vai trò phân cực cho transistor dẫn. Transistor chọn có số hiệu là A1015 có các thông số sau: Icmax=150mA hfe120 Dòng qua BJT cực đại là: Icmax= 8.ILed = 8. 10 =80mA ÞIB = R25=6.45KW Chọn R25=4.7 KW, các R còn lai có giá trị được chọn bằng R25 = 4.7 KW. Hình 3.16: Sơ đồ mạch hiển thị 3.4 Lưu đồ giải thuật và chương trình: 3.4.1 Lưu đồ chương trình chính: START KHỞI TẠO CÁC GIÁ TRỊ BAN ĐẦU TIMER, INTERRUPT… TIMER TRÀN SAU 1 S NẾU CÓ NGẮT THÌ NHẢY ĐẾN NGẮT NGẮT NGOÀI NGẮT TIMER1 TÍNH CÔNG SUẤT P, LƯU VÀO Ô NHỚ, HIÊN THỊ LẤY MẪU 1S TRUYỀN VỀ MÁY TÍNH 3.4.2 Lưu đồ chương trình ngắt ngoài (tính j): START NẠP GIÁ TRỊ CHO BIẾN ĐẾM, CHO PHÉP NGẮT. ĐẾM THỜI GIAN TỒN TẠI XUNG PHI =0 N Y TÍNH j, LƯU VÀO BIẾN END 3.4.3 Lưu đồ chương trình ngắt timer1(đọc ADC): START Cnt =0 Tăng Cnt Cnt =100; N Y SET ADC KÊNH 1 (ÁP), SET ADC KÊNH 2 (DÒNG) ĐỌC ADC, ĐỔI SANG MÃ LED 7 ĐOẠN END 3.4.4 Lưu đồ chương trình con đổi sang mã 7 đoạn: START END ĐỒI U, I, P SANG 7 ĐOẠN 3.4.5 Lưu đồ chương trình con quét led: START END TẮT CÁC LED XUẤT DATA, CHO PHEP MỞ TRANSISTOR