Máy đo điện năng kỹ thuật số hiệu suất cao: Giải pháp chống nhiễu cho hệ thống theo dõi 3 pha

I. Tổng quan​

Giải pháp này sử dụng chip điều khiển chính hiệu suất cao và kiến trúc hợp tác đa mô-đun để đạt được việc thu thập, xử lý, hiển thị và truyền tải từ xa các tham số lưới điện ba pha một cách chính xác, đáp ứng yêu cầu theo dõi thời gian thực của hệ thống điện. Trong khi đảm bảo độ chính xác đo lường, đồng hồ điện số này giải quyết hiệu quả vấn đề nhiễu thông qua nhiều cải tiến công nghệ và tối ưu hóa chi phí sản xuất.

​II. Cấu trúc tổng thể và chức năng của đồng hồ​

​Kiến trúc hệ thống​

Sử dụng mô hình kiến trúc "chip điều khiển chính là trung tâm, hợp tác đa mô-đun" để thực hiện các chức năng tích hợp như thu thập dữ liệu, xử lý, hiển thị và truyền tải.

​Chức năng của các mô-đun cốt lõi​

1. ​Mô-đun Chip Điều Khiển Chính​
• Thiết bị cốt lõi: Chip MSP430F5438A
• Chức năng tích hợp: Mạch chuyển đổi AD, mạch tinh thể dao động tần số cao, mạch tinh thể dao động tần số thấp
• Nhiệm vụ chính: Điều khiển các mô-đun hệ thống và xử lý tín hiệu dữ liệu
• Thiết kế đặc biệt: Mạch tinh thể dao động tần số thấp có tụ bù tích hợp; đầu vào tần số chính chỉ kết nối với tinh thể dao động tần số thấp 32768Hz.
2. ​Mô-đun Mạch Thu Tín Hiệu​
• Thu điện áp: Mạch chia điện áp giảm ba pha lưới điện
• Thu dòng điện: Biến áp dòng điện ba pha
• Điều chỉnh tín hiệu: Mạch khuếch đại (khuếch đại và chuyển mức)
• Cấu hình kênh: Kênh lấy mẫu tương tự điện áp, kênh lấy mẫu tương tự dòng điện
• Chức năng: Đạt được việc thu thập chính xác tín hiệu điện áp và dòng điện ba pha.
3. ​Mô-đun Chức Năng Phụ trợ​
• Đồng hồ thời gian thực (RTC): Cung cấp cơ sở thời gian chính xác, đảm bảo độ chính xác của dấu thời gian dữ liệu.
• Bộ nhớ thông tin nội bộ: Lưu trữ các tham số hoạt động của đồng hồ và dữ liệu đã thu, hỗ trợ sửa đổi nội dung.
• Mô-đun Điều Khiển Hiển Thị: Hiển thị các tham số lưới điện, được trang bị bảo vệ chống nhiễu.
• Giao diện truyền thông: Giao diện RS485, hỗ trợ kết nối với máy tính giám sát từ xa để tải dữ liệu thời gian thực.
• Mô-đun Nguồn Điện: Đầu ra nguồn điện đa cấp
• Đầu ra 5V: Cho mô-đun mạch thu tín hiệu.
• Đầu ra 3.3V: Cho chip điều khiển chính, RTC, bộ nhớ, mô-đun điều khiển hiển thị.
• Đầu ra 5V cách ly: Cho giao diện truyền thông.

​III. Cải tiến kỹ thuật cốt lõi và lợi thế​

1. ​Giải pháp cho nhiễu đường dây trung tính​
• ​Vấn đề truyền thống​
• Đường dây trung tính cần đi qua 4 điện trở với tổng điện trở là 1.496MΩ.
• Dây dẫn đường dây trung tính dễ bị nhiễu khi nổi.
• Hiển thị điện áp ba pha bất thường khi không có điện áp được áp dụng.
• Dữ liệu không ổn định, ảnh hưởng đến độ chính xác lấy mẫu và đo lường.
• ​Thiết kế cải tiến​
• Đường dây trung tính của kênh lấy mẫu tương tự điện áp được kết nối trực tiếp với đất hệ thống.
• ​Lợi thế kỹ thuật​
• Toàn bộ giải quyết vấn đề nhiễu đường dây trung tính.
• Loại bỏ 4 điện trở đường dây trung tính, đơn giản hóa thiết kế mạch.
• Giảm độ khó sản xuất và chi phí.
2. ​Thiết kế chống nhiễu EFT​
• ​Giải pháp thiết kế​
• Một mô-đun chống EFT được đặt giữa mô-đun điều khiển hiển thị và chip điều khiển chính.
• Mô-đun gồm 4 tụ điện (C1-C4), tương ứng một đối một với các đường tín hiệu truyền thông.
• Thông số tụ điện: C1, C3, C4 là 10000pF; C2 là 3300pF.
• Một đầu của tụ điện được kết nối với đường tín hiệu, đầu kia được nối đất.
• ​Lợi thế kỹ thuật​
• Cung cấp bảo vệ hiệu quả cho mỗi đường tín hiệu truyền thông.
• Đạt tiêu chuẩn thử nghiệm miễn nhiễm EFT 4kV.
• Có khả năng chống EFT mạnh mẽ.
3. ​Chống xả tĩnh điện và tối ưu hóa độ ổn định của đồng hồ​
• ​Cấu hình tinh thể dao động​
• Đầu vào tần số chính của chip điều khiển chính chỉ kết nối với tinh thể dao động tần số thấp 32768Hz.
• Mạch dao động tần số thấp nội bộ của chip có tụ bù tích hợp.
• ​Ba lợi ích​
• Hiệu suất ESD: Đạt tiêu chuẩn thử nghiệm ESD phóng điện không khí 15kV, hoạt động ổn định.
• Độ chính xác đồng hồ: Tạo đồng hồ giây thông qua phân chia tần số, đảm bảo độ ổn định của đồng hồ lấy mẫu ADC.
• Đơn giản hóa mạch: Loại bỏ mạch chuyển đổi AD ngoại vi và 2 tụ bù tinh thể dao động.

​IV. Hiệu quả kỹ thuật tổng thể​

• ​Thực hiện chức năng​
• Hoàn thành ổn định việc thu thập và xử lý tín hiệu điện áp và dòng điện ba pha lưới điện.
• Chức năng hiển thị dữ liệu thời gian thực.
• Tải dữ liệu thời gian thực lên máy tính giám sát thông qua giao diện RS485.
• Đáp ứng nhu cầu theo dõi thời gian thực của ngành điện.
• ​Cải thiện hiệu suất​
• Giải quyết hiệu quả ba vấn đề cốt lõi: nhiễu đường dây trung tính, nhiễu tĩnh điện và nhiễu EFT.
• Nâng cao đáng kể độ chính xác thu thập và đo lường dữ liệu.
• Tăng cường đáng kể độ ổn định hoạt động của thiết bị.
• ​Tối ưu hóa chi phí​
• Loại bỏ nhiều điện trở, tụ điện và mạch chuyển đổi AD ngoại vi.
• Đơn giản hóa quy trình sản xuất, giảm độ khó sản xuất.
• Giảm chi phí sản xuất, có giá trị ứng dụng kỹ thuật cao.

​V. Giá trị ứng dụng​

Giải pháp đồng hồ điện số này, thông qua thiết kế mạch sáng tạo và công nghệ chống nhiễu, đạt được việc theo dõi tham số điện hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Đồng thời, nó tối ưu hóa cấu trúc chi phí sản phẩm, cung cấp một sản phẩm kỹ thuật cạnh tranh cho lĩnh vực theo dõi hệ thống điện, phù hợp với nhiều kịch bản theo dõi điện công nghiệp khác nhau.