Nghiên cứu, thiết kế thiết bị giám sát điện áp, dòng điện đa năng

CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
42 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ GIÁM SÁT ĐIỆN ÁP, 
DÒNG ĐIỆN ĐA NĂNG 
RESEARCHING AND DESIGNING MULTI-FUNCTIONAL VOLTAGE AND 
CURRENT MONITORING DEVICE 
ĐOÀN HỮU KHÁNH* 
HOÀNG ĐỨC TUẤN, ĐINH ANH TUẤN 
Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
*Email liên hệ: khanhvima@gmail.com 
Tóm tắt 
Bài báo này trình bày việc nghiên cứu, thiết kế một thiết bị giám sát dòng điện và điện áp đa 
chức năng. Với thiết bị này, dòng điện và điện áp từ nguồn cấp đến phụ tải sẽ được giám 
sát và kiểm tra liên tục theo thời gian thực. Khi có sự cố xảy ra, chủ yếu các lỗi do chất lượng 
điện năng không đảm bảo như mất pha, điện áp cao, điện áp thấp, tần số cao, tần số thấp, 
thiết bị sẽ phát đi các tín hiệu báo động để báo cho người sử dụng biết. Điều này đảm bảo 
cho các thiết bị sẽ được làm việc với chất lượng điện năng tốt, hạn chế tối đa những ảnh 
hưởng mà chất lượng điện năng kém mang lại như các thiết bị sẽ làm việc với hiệu suất 
thấp, tuổi thọ của thiết bị giảm, 
Từ khóa: Thiết bị giám sát dòng điện và điện áp đa chức năng, chất lượng điện năng. 
Abstract 
This paper presents the research and design of a multi-functional current and voltage 
monitoring device. With this device, the current and voltage from the power supply to the 
loads will be monitored and checked continuously in real time. When problems occur, mainly 
errors due to power quality are not guaranteed such as phase loss, high voltage, low voltage, 
high frequency, low frequency,... the device will broadcast alarm signals to inform the users. 
This ensures that devices will be working with high power quality, minimize the effects that 
poor power quality brings as devices will work with low efficiency, longevity of equipment 
reduced,... 
Keywords: Multi-functional voltage and current monitoring device, power quality. 
1. Đặt vấn đề 
Hiện tượng mất pha, suy giảm điện áp, tần số, là những sự cố thường xuyên xảy ra trong 
công nghiệp cũng như trên tàu thủy. Khi các phụ tải đang hoạt động mà xảy ra sự cố thuộc về chất 
lượng nguồn điện này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc bình thường của thiết bị, giảm 
tuổi thọ,hơn nữa nó còn có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đến sản phẩm, hàng hóa và 
con người [2]. 
Hiện nay, trên thị trường có tương đối nhiều các thiết bị bảo vệ mất pha và cảnh báo điện áp 
thấp. Tuy nhiên, hầu hết các thiết bị này chỉ đơn thuần là các thiết bị bảo vệ mất pha hoặc cảnh báo 
điện áp thấp chứ không tích hợp chung vào một thiết bị duy nhất. Nếu có tích hợp vào một thiết bị 
duy nhất thì các tính năng chỉnh định, cài đặt hay báo động bảo vệ cũng rất hạn chế, khó đáp ứng 
được trong các trường hợp đòi hỏi cao. 
Với các nguyên nhân trên, việc nghiên cứu, thiết kế một thiết bị cảnh báo báo động điện áp 
và dòng điện đa chức năng có nhiều cài đặt và có khả năng tùy biến cao có ý nghĩa khoa học và 
thực tiễn. 
2. Giới thiệu chung về các thiết bị giám sát dòng điện và điện áp 
Hình 1, 2 là 2 rơle 
thông dụng điển hình 
trên thị trường hiện 
nay. Hình 3 là sơ đồ 
khối của chúng. 
 Hình 1. Rơle bảo vệ mất pha, quá áp 
600VPR của SELEC 
Hình 2. Rơle bảo vệ mất pha, 
mất cân bằng điện áp PMR-44 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 43 
Đầu vào của các thiết bị này là điện áp nguồn cần kiểm tra giám sát. Tín hiệu điện áp sẽ được 
đo và kiểm tra, khi xảy ra mất pha hay điện áp nguồn cao hoặc thấp hơn ngưỡng cài đặt thì sẽ có 
tín hiệu cảnh báo, báo động ra một đầu ra chung. 
Các thiết bị này có các ưu điểm như sau: 
- Kích thước gọn nhẹ, đơn giản; 
- Làm việc ổn định, tin cậy; 
- Giá thành không quá cao. 
Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là: 
- Các thông số chỉ báo, báo động còn ít; 
- Khả năng cài đặt, tinh chỉnh hạn chế. 
Để giải quyết được các nhược điểm nêu trên, đề tài đề xuất thiết kế một thiết bị có cấu trúc 
chung như Hình 4. 
Hình 3. Cấu trúc chung của các thiết bị trên thị 
trường hiện nay 
Hình 4. Cấu trúc chung của thiết bị đề xuất 
Với cấu trúc hệ thống mới đề xuất, ngoài các tính năng như cảnh báo điện áp thấp hoặc cao, 
tần số thấp hoặc cao, báo động mất pha, hệ thống có khả năng đưa ra các cảnh báo như cảnh báo 
mất cân bằng trong các pha, điện áp giữa các pha không đối xứng, Điều này giúp nâng cao chất 
lượng trong việc giám sát, điều khiển các hệ thống trong công nghiệp cũng như dưới tàu thủy. 
3. Xây dựng, thiết kế thiết bị giám sát dòng điện và điện áp đa chức năng 
3.1. Xây dựng cấu trúc của hệ thống 
Hình 5. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống 
Hình 5 trên là sơ đồ cầu trúc của hệ thống đề xuất bao gồm các khối chính có chức năng như sau: 
- Nguồn cần giám sát: cấp tín hiệu điện áp nguồn đưa tới tủ điều khiển; 
- Khối biến dòng: lấy tín hiệu dòng điện tải ở các pha đưa về tủ điều khiển [3]; 
Đo và kiểm tra 
điện áp nguồn 
Cảnh báo, 
báo động điện 
áp thấp 
Cảnh báo, 
báo động điện 
áp cao 
Báo động mất 
pha 
UR 
US 
UT 
Đo và kiểm tra 
dòng điện, 
điện áp 
Cảnh báo, 
báo động điện 
áp thấp 
Cảnh báo, 
báo động điện 
áp cao 
Báo động mất 
pha 
UR 
IS 
IT 
US 
UT 
IR 
Cảnh báo các 
pha mất cân 
bằng 
Cảnh báo 
điện áp các 
pha không đối 
xứng 
Nguồn cần 
giám sát 
Khối biến 
dòng 
Mạch 
nguồn 
Đồng hồ 
đa năng 
PLC Khối rơle 
trung gian MODBUS 
RTU 
Các tín hiệu 
cảnh báo, 
báo động, 
bảo vệ 
TỦ ĐIỀU KHIỂN 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
44 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 
- Đồng hồ đa năng: thiết bị này có đầu vào là điện áp và dòng điện 3 pha (hỗ trợ cả hệ thống 
3 pha 3 dây hoặc 3 pha 4 dây). Thiết bị này có một màn hình led hiển thị các thông số giúp người 
dùng có thể quan sát được dòng, áp trong các pha và các thông số khác như hệ số cos phi, tần số. 
Ngoài ra đồng hồ đa năng còn có 1 cổng RS485 hỗ trợ truyền thông MODBUS RTU để kết nối với 
các thiết bị khác trong công nghiệp như PLC, PC,[4] 
- PLC: vi xử lý trung tâm PLC truyền thông với đồng hồ đa năng qua cáp RS485. Từ đây PLC 
sẽ lấy các tín hiệu dòng điện và điện áp pha về để xử lý. Theo chương trình được lập trình sẽ đưa 
ra những cảnh báo, báo động tác động vào các rơle tương ứng để gửi ra đầu ra [1]. 
- Khối rơ le trung gian: được điều khiển bởi đầu ra của PLC. Tiếp điểm của các rơle sẽ được 
gửi đi cảnh báo, báo động ra mạch ngoài [3]. 
- Mạch nguồn: có tác dụng biến đổi nguồn xoay chiều 3 pha thành nguồn 1 chiều 24VDC. Bất 
kể trong trường hợp mất 1 trong 3 pha thì bộ nguồn này vẫn phải đảm bảo cấp nguồn 24VDC cho 
các thiết bị khác bên trong tủ. 
Sau khi xây dựng được sơ đồ cấu trúc cho hệ thống, nhóm tác giả tiến hành thiết kế tủ điều 
khiển trung tâm và tủ thử chức năng để thử hệ thống. 
3.2. Thiết kế tủ điều khiển trung tâm và tủ thử chức năng 
Để thử các chức năng của tủ điều khiển trung tâm, ngoài xây dựng 01 tủ điều khiển trung tâm, 
nhóm tác giả còn xây dựng 01 tủ thử chức năng để thử 02 chức năng chính của hệ thống đó là tính 
năng báo động mất pha và cảnh báo điện áp thấp. 
Tủ điều khiển trung tâm được định hướng thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp tàu thủy. Các 
thiết bị được chọn lựa để sử dụng trong tủ đều là các thiết bị chuẩn công nghiệp đã được áp dụng 
phổ biến dưới tàu thủy. 
3.2.1. Lựa chọn các thiết bị phần cứng 
Bảng 3.1. Tủ điều khiển trung tâm Bảng 3.2. Tủ thử chức năng 
STT Tên thiết bị SL 
1 Đồng hồ đa năng MF384 1c 
2 PLC Delta DVP-SS2 1c 
3 Bộ AC-DC Converter 5A 1c 
4 Cầu chì 2c 
5 Máy biến áp 380-220V 100VA 2c 
6 Rơle trung gian 4c 
7 Các thiết bị khác: cầu đấu, dây, 
8 Tủ điều khiển 330x260mm 1c 
STT Tên thiết bị SL 
1 Điện trở công suất 47 Ohm 3c 
2 Điện trở công suất 140 Ohm 3c 
3 Quạt làm mát 1c 
4 Máy biến áp 380V-220V 30VA 1c 
5 Công tắc xoay 20A 2c 
6 Công tắc xoay 5A 3c 
7 Các thiết bị khác: cầu đấu, dây, 
8 Tủ thử kích thước 600x400mm 1c 
3.2.2. Thiết kế tủ điều khiển trung tâm và tủ thử chức năng 
Hình 6. Bố trí thiết bị bên trong tủ điều khiển chức năng 
330.0
SS2
BA1
BA2
85.0
70.0
R1 R2 R3 R4
TB1
MFM381-RC
260.0
S24
F1 F2
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 45 
Hình 7. Bố trí thiết bị bên ngoài và trong tủ thử chức năng 
3.2.3. Xây dựng sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống 
Hình 8. Sơ đồ nối dây ngoài 
Hình 9. Sơ đồ nguyên lý tủ điều khiển trung tâm 
600.0
800.0
V 1 V 2
S1
S2
S3
TEST
BY-PASS
SW1
OFF
ON
SW2
R1
47 Ohm
R2
47 Ohm
R3
47 Ohm
R4
140 Ohm
R1
140 Ohm
R1
140 Ohm
Tñ T¹O SôT ¸P Vµ T¶I 3 PHA
Tñ ®iÒu
khiÓn
Tñ thö chøc n¨ng
R
S
T
TB2
TB2
4
5
6
1
2
3
Khèi t¹o
sôt ¸p
T¶i 3 pha
Nguån
BA1
D2
D1 S24
AC - DC
converterL
N
220VAC -
24VDC
SS2
DVP14SS2
R1
R2
R3
P
N
N
P
C0
Y0
Y1
Y2
C1
Y3
Y4
Y5
R4
+
-
POWER
SUPPLY
MFM381-RC
L
N
RS 485
D+
D-
RS 485
D+ D-
F1
F2
TB1
R1 R2 R3
4 5 6 7 8 9 10
TB2
4
5
6
BA2
B¸o
mÊt
pha
B¸o
sôt
¸p
C¾t
MCCC
®iÖn bê
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
46 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý tủ thử chức năng 
3.2.4. Đấu nối tủ điều khiển trung tâm và tủ thử chức năng 
Hình 11. Bên ngoài tủ thử chức năng Hình 12. Bên trong tủ thử chức năng 
Hình 13. Bên trong tủ điều khiển trung tâm Hình 14. Tủ biến dòng 
Sau khi thiết kế xong sơ đồ nguyên lý, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đấu nối tủ điều khiển 
trung tâm và tủ thử chức năng. Hình 11 và 12 là hình ảnh bên ngoài và bên trong của tủ thử chức 
năng sau khi đã xây dựng. Hình 13 và 14 là bên trong tủ điều khiển và tủ biến dòng để lấy tín hiệu 
dòng điện của tải. 
Tñ ®iÒu
khiÓn
S1 R1
47 Ohm
SW1
R2
47 Ohm
SW1
S2
R3
47 Ohm
SW1
S3
3 4
1 2
65
SW2 R4
140 Ohm
R2
140 Ohm
SW2
R3
140 Ohm
SW2
V2
1 2
3 4
5 6
FAN
TB2
BA3
380V-220V
4
5
6
TB2
1
2
3
V1
R
S
T
Nguån cÇn
gi¸m s¸t
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 47 
4. Xây dựng thuật toán và phần mềm điều khiển 
4.1. Xây dựng thuật toán điều khiển 
Hình 15. Thuật toán cảnh báo, báo động 
khi gặp các lỗi về dòng điện 
Hình 16. Thuật toán cảnh báo, báo động 
khi gặp các lỗi về điện áp 
Có 2 thuật toán chính được xây dựng với tủ điều khiển trung tâm. Các tín hiệu dòng điện và 
điện áp được đọc về khối xử lý tâm PLC từ đồng hồ đa năng. Từ đây, các tín hiệu dòng điện, điện 
áp này sẽ được so sánh với nhau và so sánh với các tín hiệu chuẩn. Khi có các vấn đề bất thường 
với điện áp, dòng điện, hay lỗi pha, sẽ được lập trình gửi tín hiệu ra đầu ra rơle của PLC để gửi 
đi báo động ra mạch ngoài. 
Sau khi đã xây được thuật toán điều khiển. Nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng phần mềm 
điều khiển trên phần mềm WPLsoft 2.41 của hãng Delta. 
4.2. Thử nghiệm hệ thống 
Sau khi xây dựng xong phần mềm cho tủ điều 
khiển trung tâm. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành dùng tủ 
thử chức năng để thử nghiệm 02 chức năng chính của 
tủ điều khiển trung tâm đó là tính năng cảnh báo điện 
áp nguồn thấp và tính năng báo động mất pha. (Tủ thử 
chức năng chỉ xây dựng để thử 02 tính năng chính này). 
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động 
tốt ở cả 2 trường hợp đó là điện áp thấp và mất một pha 
bất kỳ, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. 
Hình 17. Thử nghiệm hoạt động 
của hệ thống 
Bắt đầu 
Thiết lập các thông 
số truyền thông 
giữa PLC và đồng 
hồ đa năng 
PLC lấy các tín hiệu 
dòng điện các pha 
đo bởi đồng hồ đa 
năng (Modbus) 
Ir, Is hoặc It=0; 
Dòng điện các pha 
không cân bằng 
Đưa báo động mất 
pha hoặc cảnh báo 
mất cân bằng pha 
tương ứng 
 Kết thúc 
Sai 
Đúng 
Bắt đầu 
Thiết lập các thông 
số truyền thông 
giữa PLC và đồng 
hồ đa năng 
PLC lấy các tín hiệu 
điện áp các pha đo 
bởi đồng hồ đa 
năng (Modbus) 
Ur, Us hoặc Ut=0; 
Ur, Us hoặc Ut quá 
thấp hoặc quá cao 
Đưa ra cảnh báo, 
báo động tương 
ứng 
 Kết thúc 
Đúng 
Sai 
CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/2019 
48 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 58 - 04/2019 
5. Kết luận 
Với việc đề xuất và thiết kế thành công tủ báo động nhiều chức năng sẽ là cơ sở để đưa thiết 
bị áp dụng rộng rãi trong tương lai. 
Tủ điều khiển được thử nghiệm hoạt động tốt với tất cả các tính năng so với các yêu cầu đặt 
ra. Các thông số giám sát, báo động vô cùng đa đạng so với các thiết bị khác hiện có trên thị trường 
hiện nay. 
Trong thời gian tới nhóm nghiên cứu sẽ thử tất cả các tính năng khác của tủ điều khiển để 
làm cơ sở để thương mại hóa sản phẩm, áp dụng trong công nghiệp hoặc dưới tàu thủy. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Đinh Anh Tuấn, Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA, NXB Hàng hải, 2017. 
[2] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bạch Quốc Khánh, Hoàng Hữu Thận, 
Phùng Anh Tuấn, Đinh Thành Việt, Sách tra cứu về chất lượng điện năng, NXB Bách khoa 
Hà Nội, 2013. 
[3] Nguyễn Tiến Tôn, Phạm Văn Chới, Bùi Hữu Tín, Khí cụ điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 
2004. 
[4] Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa, Nguyễn Thị Vấn, Kỹ thuật đo lường 
các đại lượng vật lý, NXB Giáo dục, 2004. 
Ngày nhận bài: 04/03/2019 
Ngày nhận bản sửa: 21/03/2019 
Ngày duyệt đăng: 26/03/2019