Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện: Phần 2 được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Đo công suất – điện năng; đo góc pha – đo tần số; thiết bị, dụng cụ đo thông dụng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật đo lường điện: Phần 2 - Trường Đại học Thái Bình

CHƯƠNG 5 ĐO CÔNG SUẤT – ĐIỆN NĂNG Công suất và năng lượng là các đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng quá trình và hiện tượng vật lý. Vì vậy, việc xác định công suất và năng lượng là một phép đo rất phổ biến. Khoảng đo của công suất điện từ 10-20 W đến 1010 W.( Ví dụ: công suất tín hiệu 10- 10 W- công suất của cả đài phát thanh 1010 W). Công suất cũng cần được đo trong dải tần rộng từ 0 đến 109 Hz. - Công suất mạch 1 chiều: P = UI = I 2 R - Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều 1 pha: 1T 1T P =  pdt =  uidt T0 T0 Dạng sin: P = UI cos  (cos : hệ số công suất). Q = UI sin  (Q: công suất phản kháng) S = UI (S : công suất toàn phần) Trong đó P: đặc trưng cho sự tiêu tán năng lượng trong 1 đơn vị thời gian dưới dạng nhiệt năng toả ra trên mạch điện. Q: đặc trưng cho phần năng lượng điện từ trao đổi giữa nguồn phát và phụ tải. - Trong trường hợp chung nếu 1 quá trình có chu kỳ với dạng đường cong bất kỳ thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài:   Pk P =  Pk =  U k I k cos  k (cos  k = ) k =1 k =1 Sk - Trường hợp quá trình có dạng xung. Công suất xung là giá trị trung bình trong thời gian 1 xung . 1 Px =   uidt 0 Công suất tác dụng là công suất trung bình trong 1 chu kỳ lặp lại T của xung: 1  Px =  uidt = Px T0 T - Trong mạch 3 pha thì: P = PA + PB + PC Q = QA + QB + QC 5.1. Đo công suất tác dụng 5.1.1. Đo công suất một chiều DC Công suất trong mạch một chiều tiêu thụ trên một phụ tải được tính theo biểu thức: P = UI (5.1) Có thể dùng phương pháp gián tiếp, bằng cách đo điện áp đặt vào phụ tải U và dòng điện I đi qua phụ tải đó. Kết quả của phép đo là tích của hai đại lượng đó. 1. Phương pháp dùng Vônkế và Ampe kế -52-
Caùch maéc Volt keá tröôùc-Ampe keá sau: + A IL UA U=UA+UL V UL PL=ILUL=IL(U-UA) PL=UIL-RAIL2 (5.2) - Hình 5.1: Ño coâng suaát baèng caùch maéc V-A  Nhaän xeùt: theo caùch maéc naøy vieäc xaùc ñònh coâng suaát PL coù sai soá do ñieän trôû noäi cuûa ampe keá. Caùch maéc Ampe keá tröôùc-Volt keá sau: I=IV+IL + A IV IL PL=ILU=U(I –IV) (5.3) PL=UI-IVU UL V - Hình 5.2: Ño coâng suaát baèng caùch maéc A-V  Nhaän xeùt: theo caùch maéc naøy vieäc xaùc ñònh coâng suaát PL coù sai soá do ñieän trôû noäi cuûa volt keá. 2. Phương pháp dùng Woat kế Trong thực tế người ta đo trực tiếp công suất bằng Watmét điện động và sắt điện động. Những dụng cụ đo này có thể đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng như tần số siêu âm đến 15KHz. Ở Watmét điện động có thể đạt tới cấp chính xác 0,01  0, 1 với tần số dưới 200Hz và trong mạch một chiều. Còn ở tần số từ 200Hz  400Hz thì sai số đo là 0,1% và hơn nữa. Ở Watmét sắt điện động với tần số dưới 200Hz sai số đo là 0,10,5% còn với tần số từ 200Hz  400Hz sai số đo là 0,2% và hơn nữa. Để đo công suất tiêu thụ trên phụ tải RL ta mắc Watmét điện động như hình 5.3. Trong đó ở mạch nối tiếp cuộn tĩnh a được nối tiếp với phụ tải, ở mạch song song cuộn dây b được nối tiếp với một điện trở phụ Rp. Cuộn tĩnh và cuộn động được nối với nhau ở hai đầu có đánh dấu *. * b * RU a U RL RP Hình 5.3. Sơ đồ mắc Watmet -53-
Ta có góc lệch của kim chỉ của Watmét được tính theo biểu thức sau: 1 UI dM 12 = . . (5.4) D Ru + R p d dM 12 Để cho thang đo của Watmét đều, nhất thiết phải không đổi. Điều này phụ d dM 12 thuộc vào hình dáng, kích thước và vị trí ban đầu của cuộn dây. Nếu = const thì  d = SUI = S.P. dM 12 1 Ở đây S = . là độ nhạy của Watmét theo dòng một chiều. d D ( Ru + RP ) 5.1.2. Đo công suất xoay chiều 1 pha AC 1. Phương pháp dùng Vônkế và Ampekế A S1 A R B ~ V C D ZL S2 Hình 5.4: Ño coâng suaát xoay chieàu moät pha baèng Volt keá vaø Ampe keá. Khi khoùa S1, S2 ôû vò trí A vaø C thì volt keá cho giaù trò UR. Khi khoùa S1, S2 ôû vò trí B vaø D thì volt keá cho giaù trò UZL, ñieän aùp naøy leäch pha vôùi doøng ñieän taûi moät goùc  . Khi khoùa S1, S2 ôû vò trí A vaø D thì volt keá cho giaù trò UZ, ñieän aùp naøy leäch pha so vôùi doøng ñieän laø . 1 Theo giaûn ñoà vector, ta coù: U Z L = U Z + U R − 2U RU Z cos 1 2 2 2 U ZL UZ U Z L cos = U Z cos1 − U R U Z cos 1 − U R cos  =   U ZL 1 Hình 5.5: Giaûn ñoà vector Coâng suaát cuûa taûi ñöôïc xaùc ñònh bôûi: (U Z + U R − U Z L ) − 2U R 2 2 2 2 PL = U Z L I [U Z ] 2U RU Z U Z L (5.5) U Z − U ZL − U R 2 2 2 PL = I 2U R -54-
2. Phương pháp dùng Woat kế U * I b IU * RU a   I U RL RP  Hình 5.6. Sơ đồ mắc Watmet và biểu đồ vectơ Trong trường hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng được tính là: P = UI.cos  Hệ số cos  được gọi là hệ số công suất. 1 dM12 Ta có: = I .I u cos  (5.6) D d Ở đây theo biểu đồ véctơ hình 4.1b ta thấy góc lệch pha giữa dòng điện I trong mạch nối tiếp và dòng Iu trong mạch song song là  =  -  . ( - góc lệch pha giữa U và Iu). Dòng điện trong mạch song song sẽ là: U Iu = cos  Ru + R p dM 12 Nếu = const thì: d  = S.U.I cos ( - ).cos  (5.7) Từ biểu thức trên đây ta thấy số chỉ của Watmét tỉ lệ với công suất, khi mà  = 0 hay  = . Điều kiện thứ nhất  = 0 có thể đạt được bằng cách tạo ra cộng hưởng điện áp trong mạch song song. Ví dụ bằng cách mắc tụ C song song với điện trở Rp. Nhưng cộng hưởng chỉ giữ được khi tần số không đổi, còn nếu tần số thay đổi thì điều kiện  = 0 bị phá vỡ. Khi   0 thì Watmét đo công suất với một sai số  gọi là sai số góc. Điều kiện thứ hai là  =  không thực hiện được vì dòng trong cuộn áp Iu không bao giờ trùng pha với dòng I trong cuộn dòng. Sai số của phép đo còn do sự tiêu thụ công suất trên các cuộn dây của Watmét. * Chú ý: 1. Trên Watmét bao giờ cũng có những ký hiệu ngôi sao (*) ở đầu các cuộn dây, gọi là đầu phát, khi mắc Watmét ta phải chú ý nối các đầu có ký hiệu dấu * với nhau. 2. Watmét điện động thường có nhiều thang đo theo dòng và áp. Theo dòng thường có hai giới hạn đo là 5A và 10A và theo áp có ba giới hạn đo là 30V; 150V; 300V. Những giá trị này là dòng và áp định mức, IN và UN. Để đọc được số chỉ của Watmét trước tiên ta tính hằng số Watmet C: -55-
UN IN C= (5.8 ) m Trong đó: m – là giá trị cực đại của độ chia trên thang đo của Watmét. Sau khi tính được C ta chỉ việc nhân số chỉ  của Watmét thì biết được giá trị của công suất cần đo. 3. Dùng phối hợp biến dòng, biến áp với Woat kế điện động Trường hợp công suất của tải có điện áp thấp, khi đo dòng tải có trị số lớn, cần phải dùng biến dòng để cho dòng điện đi qua cuộn dòng không được vượt quá giới hạn của Watmét như hình vẽ 5.7 Kết quả là công suất của tải được xác định bằng cách nhân trị số đọc được của Watmét với tỉ số biến dòng. i1 Tải i2 * A W V * Hình 5.7 Dùng Biến dòng với Watmét * Dùng biến dòng và biến áp phối hợp với Watmét i1 Tải i2 * x X A W V * a A Hình 5.8. Dùng biến dòng và biến áp phối hợp với Watmét Dùng biến dòng và biến áp phối hợp với Watmét mắc mạch như hình 5.8. Công suất của tải bằng trị số đọc bởi Watmét nhân với tỉ số biến áp và biến dòng. 5.1.3. Đo công suất tải 3 pha * a) Đo công suất bằng một Watmét - Mạch 3 pha có phụ tải hình sao đối xứng, A * PA ta chỉ cần đo công suất ở một pha của phụ tải sau đó nhân ba ta nhận được công suất tổng (H.5.9). B ZA P = 3PA (5.9) N ZB C ZC Hình 5.9 -56-
- Mạch 3 pha có phụ tải là tam giác đối xứng, chỉ cần đo công suất ở một nhánh của phụ A tải sau đó nhân 3 kết quả ta nhận được công suất tổng (H.5.10). * B ZAC ZAB * C ZBC Hình 4.10 * ru - Trường hợp phụ tải nối theo hình tam A giác đối xứng mà ta muốn đo ở ngoài nhánh phụ * tải thì ta phải tạo ra một điểm trung tính giả bằng B IAC IAB cách nối với hai pha khác hai điện trở bằng đúng điện trở cuộn áp Ru của Watmét. Đo công suất ZAC ZAB trên một pha kết quả công suất tổng bằng 3 lần C ZBC công suất trên pha đo (H. 5.11) RC RB IBC Ở hình 5.12 là biểu đồ véctơ của các dòng và áp của mạch 3 pha phụ tải hình tam giác. Từ biểu đồ véctơ này ta có: Hình: 5.11 IA = IAB + IAC Công suất chỉ của Watmét là: PA = UAN.IAcos (UAN,IA) = UAN.IAcos UNB Ta biết rằng: UAB UAN U U AN = AB ; I A = I AB 3 IA 3  UNC Thay vào ta có: UCB U  UBC PA =  AB  I AB 3. cos  IC N UBN  3  UCN UNC = UAB.IAB.cos  UNA Vậy công suất tổng của cả mạch sẽ là: UBA IB P = 3PA = 3UAB.IAB.cos  Hình:5.12 (5.10) Nghĩa là với điểm trung tính giả ta có kết quả đo cũng giống như ta đo ở từng nhánh một. Đối với cách mắc hình sao ta cũng có thể thực hiện cách làm này để đo công suất A tổng. b) Đo công suất bằng hai Watmét Đối với mạch 3 pha 3 dây tải bất kỳ ZA như hình vẽ 5.13 không có dây trung tính. N Các điện áp uAb, uBC, uCA là các giá B ZB trị tức thời của điện áp dây; uAN, uBN ; uCN là ZC các giá trị tức thời của các điện áp pha. C Các dòng điện iA; iB; iC: là các giá trị tức thời của dòng điện pha. N -57- Hình 5.13
Ta có thể viết các phương trình sau: iA + iB + iC = 0 P = uAN.iA + uBN.iB + uCN.iC Thay iC = - (iA + iB) vào, ta có: P = uAN.iA + uBN.iB - uCN.iA – uCN.iB = iA(uAN – uCN) + iB( uBN – uCN) P = iA.uAC + iB.uBC (5.11) Dựa vào kết quả này ta có thể viết công suất của mạch 3 pha 3 dây có thể tính theo một trong ba công thức sau đây: P = UAC.iA + UBC.iB P = UAB.iA + UCB.iC P = UBA.iB + UCA.iC Như vậy trong mạch 3 pha 3 dây ta có thể sử dụng hai Watmét là đủ và dụng cụ để đo công suất trong mạch 3 pha 3 dây gọi là Watmét 3 pha 2 phân tử, trong đó có phần động chung, mômen quay tác động lên phần động bằng tổng các mômen thành phần. Có thể đo công suất tổng bằng 2 Watmét theo một trong ba cách như ở hình 5.14. Theo cách thứ nhất ta lấy pha C làm pha chung, cách thứ hai là pha B, còn cách thứ ba là pha A. * * A * * * B * * Phụ tải bất C * * * kỳ * * Hình 5.14. Đo công suất bằng hai Watmét c) Đo công suất bằng ba Watmét Để đo công suất trong mạch 3 pha 4 dây (có dây trung tính) tải không đối xứng ta phải sử dụng 3 Watmét, công suất tổng bằng tổng công suất của cả 3 Watmét. Cách mắc các Watmét như hình 5.15. Cuộn áp của Watmét được mắc vào điện áp pha UAN, UBN, UCN còn cuộn dòng là các dòng điện pha IA, IB, IC. Dây trung tính N -N là dây chung cho các pha. Công suất tổng sẽ là: P = PA + PB + PC * A * ZA * N B * ZB * ZC C * N Hình 5.15. Đo công suất bằng ba Watmét -58-
Trong thực tế người ta sử dụng loại Watmét có 2 (hoặc 3) phần tử. Tức là trong một dụng cụ đo có 2 (hoặc 3) phần tĩnh, còn phần động chung. Mômen quay tác động lên phần động bằng tổng các mômen thành phần. 5.1.4. Đo công suất phản kháng tải 1 pha và 3 pha Công suất phản kháng là loại công suất không gây ra công, không truyền năng lượng qua một đơn vị thời gian. Tuy nhiên, việc đo nó có một ý nghĩa lớn trong kinh tế. Vì có công suất phản kháng mà dẫn đến việc mất mát năng lượng điện trong dây truyền tải điện, trong các biến áp và các máy phát. Công suất phản kháng được tính theo biểu thức sau: Q = UI sin 1. Đo công suất phản kháng trong mạch một pha. Các Watmét điện động và sắt điện động có thể sử dụng để đo công suất phản kháng (H 5.16a). Khác với công suất tác dụng ở đây công suất phản kháng tỷ lệ với sin . Muốn  tạo được sin  ta phải làm sao tạo được góc lệch  = giữa véctơ dòng và áp của cuộn 2 áp trong Watmét (H 5.16b) U R1 I a * I1 IU * I b I2 L2 L2 U ZT Uab I2 R2 I2 R2  I1 I2 0 a)  IU b) = 2 Hình 5.16. Đo công suất phản kháng trong mạch một pha và biểu đồ vectơ Cuộn áp của Watmét được mắc song song một điện trở R1 (ở 2 điểm a và b) và mắc nối tiếp với cuộn cảm L2 và điện trở R2. Với cách đó ta tạo ra sự lệch pha giữa điện áp U  và dòng IU trong cuộn động của Watmét là  = , bằng cách lựa chọn các thông số của 2 mạch thích hợp. Khi đó góc lệch  của Watmét sẽ là:   U  = kIuI cos  −  = k I .sin  = S .Q (5.12) 2  ZT k S= - là độ nhạy của Watmét khi đo công suất phản kháng Q. Như vậy trong ZT mạch một pha muốn đo công suất phản kháng bằng Watmét thường ta phải mắc thêm một số phần tử điện cảm và điện trở mới thực hiện được. 2. Đo công suất phản kháng trong mạch 3 pha. Công suất phản kháng trong mạch 3 pha có thể coi là tổng các công suất phản kháng của từng pha: Q = UAIA sinA + UBIB sinB + UCIC sinC -59-
Khi tải đối xứng thì ta có: Q = 3U f .I f = 3U d .I d . sin  (5.13) Để đo được công suất phản kháng của mạch 3 pha tải đối xứng ta có thể sử dụng Watmét thường nhưng mắc sơ đồ theo hình 5.17a. Nếu cuộn dòng của Watmét mắc vào pha A thì cuộn áp sẽ được mắc vào 2 pha B và C còn lại. Trong trường hợp này công suất đo được sẽ là: PA = UBC.IA cos (UBC, IA) = Ud.Id cos (90o- ) = Ud.Id sin = QA Theo sơ đồ véc tơ (H.5.17b) góc (UBC.IA) = 90o -  UNB A * IA A IA UAB UAN ZA  IB N 90− B * ZB UCN UBC ZC UBN C IC B C UAC a) b) Hình 5.17. Dùng 1 Watmét đo công suất phản kháng Để xác định công suất phản kháng trong toàn mạch 3 pha ta nhân với 3 . Tức là: Q = 3 QA = 3 Ud.Idsin (5.14) Như vậy trong mạch đối xứng ta chỉ cần một Watmét có thể đo được công suất phản kháng trong toàn mạch 3 pha. Tuy nhiên mạch này có nhược điểm là chỉ cần một sự không đối xứng nhỏ thôi cũng mắc phải sai số lớn, cho nên trong thực tế ít sử dụng phương pháp này. Nếu sử dụng phương pháp 2 Watmét ta có thể mắc mạch như hình 5.18 (cuộn áp không chung pha với cuộn dòng). Từ đây ta có thể viết tổng công suất của 2 Watmét như sau: P1 + P2 = UBC.IA cos1 + UAB.IC cos2 (5.15) * A IA A * ZA IB N B ZB ZC C IC B * C * Hình 5.18. Phương pháp 2 Watmét đo công suất phản kháng Phân tích hoạt động của mạch có phụ tải không đối xứng khá phức tạp, vì vậy chúng ta giới hạn trong khuôn khổ một trường hợp riêng. -60-
Ta giả thiết rằng các góc lệch pha như nhau. Tức là: 1 = 2 = 90o -  Từ đó suy ra: P1 + P2 = 2Ud.Id sin Để nhận được giá trị thực của công suất phản kháng trong toàn mạch ta chỉ cần 3 nhận kết quả này với hệ số . 2 3 Thực vậy: Q = (P1 + P2) = 3 Ud.Idsin (5.16) 2 Cũng tương tự khi phụ tải của mạch nối theo hình tam giác ta cũng có kết quả như vậy. Đối với mạch 3 pha phụ tải không đối xứng 3 dây hay 4 dây ta có thể sử dụng phương pháp 3 Watmét. Cách mắc các Watmét như ở hình 5.19. Kết quả tổng công suất của 3 Watmét được tính như sau: P1 + P2 + P3 = UBC.IA cos1 + UCA.IB cos2 + UAB.IC cos3 UAB * UAN IA A * IA A 1 ZA IC 3 1 UBC 3 IB N 2 B * UCN 2 ZB UBN ZC * IC C B IB * C UCA * Hình 5.19. Cách mắc ba Watmét đo công suất phản kháng và biểu đồ vectơ Theo biểu đồ véc tơ (H.3-28b) ta có: 1 = 90o - 1 ; 2 = 90o - 2 ; 3 = 90o - 3 Nếu UAB = UBC = UCA = Ud thì: P1 + P2 + P3 = Ud(IA sin1 + IB sin2 + IC sin3) Công suất tổng sẽ là: P + P2 + P3 U d Q = 1 = (IA sin1 + IB sin2 + IC sin3) (5.17) 3 3 5.2. Đo điện năng Điện năng là sản phẩm chính của ngành điện, nên việc đo điện năng có một ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Người ta phải thực hiện đo điện năng ở khắp mọi nơi: từ nhà máy điện, các trạm phân phối, các lộ đường dây, đến từng hộ tiêu thụ. Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha được tính theo biểu thức: t2 t2 W =  Pdt =  UI cos  .dt t1 t1 trong đó: P = UIcos là công suất tiêu thụ trên phụ tải. t = t2 − t1 là khoảng thời gian tiêu thụ. -61-
Dụng cụ chính để đo điện năng là máy đếm điện năng, thường gọi là máy đếm hoặc công tơ điện. Hiện nay, trong kỹ thuật còn dùng hết sức rộng rãi loại máy đếm kiểu cảm ứng. 5.2.1. Điện năng kế một pha 1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của công tơ 1 pha cảm ứng a) Cấu tạo: Phần tĩnh của cơ cấu gồm hai cuộn dây có lõi thép. Cuộn dòng điện có tiết diện lớn, số vòng ít nối tiếp với mạch điện cần đo, cuộn điện áp có số vòng nhiều và tiết diện bé nối song song với mạch cần đo. (hình 5.20). Phần động của cơ cấu là đĩa nhôm gắn với trục. L L  U iu U    M I i   Iu i  u i Hình 5.20. Công tơ 1 pha Hình 5.21. Đồ thị véctơ b) Nguyên lý làm việc: Cho dòng điện i vào cuộn dòng điện tạo nên từ thông i trùng pha với dòng điện, từ thông i xuyên qua đĩa nhôm ở hai chỗ. Nếu đặt điện áp vào cuộn điện áp, dòng điện iu qua cuộn dây sẽ tỷ lệ với điện áp u. Vì điện cảm của cuộn dây điện áp lớn nên góc lệch pha giữa dòng iu và điện áp u gần bằng /2. Từ thông u của cuộn điện áp chia làm hai phần L khép mạch qua lõi không xuyên qua đĩa nhôm và u xuyên qua đĩa nhôm và khép mạch qua gông từ. Đồ thị véctơ của các từ thông và dòng điện cho trên hình 5.21. Mômen quay tác dụng lên đĩa nhôm do lực tác dụng tương hỗ giữa các dòng điện cảm ứng trong đĩa và các từ thông u và i . Mômen quay được tính theo biểu thức: M q = C. f .ui . sin = K P .UI cos  = K P .P (5.18) Vì từ thông u tỷ lệ với điện áp U và i tỷ lệ với dòng diện tải I, mặt khác vì 0  = 90 −  nên ta có mômen quay tỷ lệ với công suất P tải tiêu thụ. Khi đĩa nhôm quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu sẽ sinh ra mômen cản tỷ lệ với tốc độ quay: M C = K C .n Khi Mq = MC đĩa nhôm quay với tốc độ đều. K P .P = K C .n Tích phân hai vế phương trình trên trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 ta có: t2 t2  K P .P.dt = K P .P.t =  K C .n.dt = K C .N t1 t1 -62-
KC hay là: P.t = A = .N (5.19) KP trong đó: A là điện năng tiêu thụ. N là số vòng quay của đĩa trong khoảng thời gian từ t1 đến t2. KC là hằng số của dụng cụ. KP Bằng cách kết cấu của hệ thống đếm số, máy đếm sẽ chỉ ngay số điện năng đã qua máy đếm. Để tính được điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian từ t 1 đến t2, ta lấy số chỉ của máy đếm ở thời điểm t2 trừ đi số chỉ của nó ở thời điểm t1. 2. Đo điện năng 1 pha kWh * * 1 2 3 4 Nguồn Phụ tải Hình 5.22. Sơ đồ nối dây công tơ 1 pha . Cũng như Watmét, máy đếm có cực tính, nên người ta đánh dấu các đầu cuộn dây đấu tới nguồn bằng dấu sao (*). Khi mắc dây, cần chú ý đấu đúng cực tính (hình 5.22). Máy đếm cảm ứng có mômen quay lớn, cấu tạo chắc chắn, nhưng có sai số từ trễ, do bão hòa, do ma sát, do nhiệt độ làm thay đổi điện trở đĩa nhôm, do tần số ... nên độ chính xác thấp, thường chỉ đạt cấp 1, 0 đến 2,5. 5.2.2. Đo điện năng tải 3 pha Điện năng trong mạch ba pha ba dây đo bằng máy đếm ba pha hai phần tử. Mỗi phần tử gồm một cuộn cường độ, một cuộn điện áp, tác động lên một đĩa nhôm riêng, hoặc cả hai phần tử tác động lên cùng một đĩa nhôm. Hình 5.23 là sơ đồ đấu dây của máy đếm ba pha hai phần tử có một đĩa nhôm. Ở đây, phần tử thứ nhất đấu vào dòng điện i A và điện áp uAB , còn phần tử thứ hai đấu vào dòng điện iC và điện áp uCB. kWh * * * * A B Phụ tải C Hình 5.23. Sơ đồ nối dây công tơ ba pha 2 phần tử -63-
Điện năng mạch ba pha bốn dây được đo bằng máy đếm ba pha ba phần tử. Máy đếm ba pha ba phần tử gồm ba hệ thống từ, mỗi hệ thống gồm một cuộn cường độ, một cuộn điện áp giống như máy đếm một pha tác động lên ba đĩa nhôm gắn trên cùng một trục quay. Trục quay phần động sẽ quay theo mômen tổng của ba phần tử, tức tỷ lệ với công suất ba pha. Đôi khi người ta chế tạo ba phần tử có hai đĩa nhôm. 5.3. Công tơ điện tử Để chế tạo công tơ điện tử, người ta biến đổi dòng điện I thành điện áp U 1 tỉ lệ với nó qua bộ chuyển đổi CĐ1. U1 = k1 I. Một điện áp khác U2 tỷ lệ với điện áp đặt vào U. U2 = k2 U. Qua bộ nhân (X) điện tử (nhân analog) ta nhận được điện áp U3 tỷ lệ với công suất P. U3 = k3 P. (5.20) Trong đó: k1, k2, k3 là các hệ số tỷ lệ. Điện áp này sau khi qua bộ CĐ U/f chuyển đổi điện áp − tần số (hoặc bộ biến đổi A /D). Tiếp theo vào bộ đếm và ra chỉ thị số (H 5.24). Số chỉ của cơ cấu chỉ thị số sẽ tỷ lệ với năng lượng cần đo trong khoảng thời gian đó. I U2 = k 2 U CĐ X 1 U1=k1I U3 = k 3 P CĐ Đếm U/f Hình 5.24. Công tơ điện tử Tất cả các bộ biến đổi trên đây đều thực hiện bằng mạch điện tử. Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0,5. -64-
CÂU HỎI 1.Vẽ sơ đồ mắc Watmet điện động và biểu đồ vectơ cho trường hợp đo công suất trong mạch điện xoay chiều một pha. Khi mắc mạch đo cần lưu ý gì? 2.Trường hợp mạch 3 pha có phụ tải là tam giác đối xứng, có mấy cách đo công suất ba pha. Trình bày các phương pháp đo? 3. Đo công suất bằng hai Watmét trong trường hợp nào. Nêu phương pháp đo? 4. Đo công suất bằng ba Watmét trong trường hợp nào. Nêu phương pháp đo? 5.Nêu cấu tạo và nguyên lý của máy đếm điện năng bằng cơ cấu cảm ứng? Vẽ sơ đồ nối dây công tơ 1 pha ? 6.Vẽ sơ đồ khối và nêu nguyên lý của công tơ điện tử đo điện năng trong mạch một pha? 7. Đo điện năng ba pha bằng công tơ ba pha 2 phần tử trong trường hợp nào? Vẽ sơ đồ nối dây? 8. Đo điện năng ba pha bằng công tơ ba pha 3 phần tử trong trường hợp nào? Vẽ sơ đồ nối dây? BÀI TẬP: 1. Dùng hai Watmét đo công suất mạch ba pha đối xứng, thấy số chỉ hai Watmét là P1 = 1500W; P2 = 500W. Tính P3f , Q3f và góc lệch pha  của mạch. 2. Watmét có hai cỡ đo dòng điện 5A và 10A, ba cỡ đo điện áp 110V, 220V và 440V, dùng để đo công suất của hộ tiêu thụ, điện áp 220V, dòng điện 6A . Hãy chọn cỡ đo và tính hằng số Watmét . Giả sử khi đo kim chỉ 500 vạch thì công suất hộ tiêu thụ là bao nhiêu biết mặt số có 1100 vạch chia. 3. Trong mạch ba pha 3 dây, công suất được đo theo sơ đồ hai Watmét tải đối xứng: Ud = 120V Id = 5A Công suất toàn phần được đo bằng Watmét 3 pha 2 phần tử có giá trị: P = 807W. Xác định công suất trên từng Watmét vẽ sơ đồ mạch đo? 4. Watmét kiểu ACT -D có giới hạn đo dòng điện là 5A điện áp là 150V, mặt số có 150 vạch. Tính hằng số máy đếm và công suất cần đo nếu kim chỉ  = 60 vạch? 5. Khi đo công suất mạch ba pha đối xứng bằng hai Watmét, số chỉ các Watmét lần lượt là 976W và 2000W. Tìm góc lệch pha và hệ số công suất của mạch? 6. Máy đếm trên mặt có ghi 4000V/kWh. Đem kiểm tra bằng Watmet mẫu dược kết quả như sau: Watmet chỉ 1500W thì trong 10s, đĩa nhôm quay 17 vòng. Xác định sai số máy đếm? 7. Trên mặt công tơ có ghi 100Wh – 400vòng. Xác định công suất tiêu thụ của 1 hộ gia đình nếu đĩa công tơ quay trong 30s được 10 vòng? -65-
CHƯƠNG 6 ĐO GÓC PHA – ĐO TẦN SỐ 6.1. Khái niệm chung Góc pha cùng với tần số và biên độ là một thông số cơ bản của quá trình dao động: x(t) = Xmcos (t + ) trong đó Xm là biên độ của dao động, : tần số góc của dao động và (t + ) là pha của dao động, trong đó  : góc lệch pha ban đầu là đại lượng không đổi, còn t là đại lượng thay đổi. Thông thường người ta đo góc lệch pha giữa hai dao động x 1 và x2 có tần số như nhau: x1 = X1m cos (t + 1) x2 = X2m cos (t + 2) Trong trường hợp này góc lệch pha sẽ bằng hiệu giữa hai thành phần pha ban đầu không đổi của hai tín hiệu.  = 1 - 2 Nó không phụ thuộc vào mốc tính thời gian. Nếu như hai tần số 1 và 2 là bội số của nhau thì góc lệch pha sẽ được tính từ một trong hai công thức sau đây: 1 1 = 1 − 2 (6.1) 2 2 Hoặc:  = − 2 + 1 (6.2) W1 Đối với tín hiệu đa hài thì góc lệch pha  được coi như là góc lệch giữa các sóng hài bậc một. Đối với tín hiệu phức tạp hơn; ví dụ: Tín hiệu xung chẳng hạn thì người ta không nói đến góc lệch pha mà đưa ra khái niệm về độ lệch thời gian – là khoảng thời gian giữa các thời điểm khi mà tín hiệu vượt qua một mức nhất định nào đó (ví dụ mức không chẳng hạn). Thông thường góc lệch pha được đo bởi gradian hay độ. Còn độ lệch thời gian được đo bằng giây (s). Thông thường ta gặp đo góc lệch pha giữa hai tín hiệu có cùng tần số trong khoảng từ 0  360o. Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha như phương pháp biến đổi thẳng và biến đổi bù. Trong hệ thống điện một thông số rất được quan tâm đó là hệ số công suất cos . Để đo cos  ta có nhiều phương pháp. Có thể đo góc  rồi suy ra hệ số cos  và ngược lại. Có thể đo cos  bằng phương pháp gián tiếp, sử dụng ba dụng cụ Watmét, Vônmét và P Ampemét, sau đó tính ra cos  = . Phương pháp này độ chính xác thấp vì sai số phép UI đo bằng tổng sai số của cả ba dụng cụ đo. Sau đây ta xét một phương pháp đo trực tiếp, tức là đo góc lệch pha bằng phương pháp biến đổi thẳng dùng Fazômét điện động. 6.2. Đo góc pha bằng cơ cấu điện động (Fazômét điện động) Fazômét là dụng cụ để đo góc pha và hệ số cos . Thông thường nhất là dụng cụ sử dụng cơ cấu chỉ thị Lôgômét điện động (H.6.1a). Điện áp U và dòng I qua phụ tải lệch pha với nhau một góc  cần phải đo. -66-
a) b) U I 1 2 I A I2 I1 U I2 R2 L1 I1 ZT   B Hình 6.1. Fazômét điện động và biểu đồ vectơ Ở mạch song song cuộn động 1 được mắc nối tiếp một điện cảm L1, dòng đi qua cuộn này là I1 (H.4.14a), cuộn động 2 được mắc nối tiếp một điện tử R2 (thuần trở) nên dòng I2 trùng pha với điện áp U. Theo công thức của cơ cấu chỉ thị lôgômét điện động ta có:  I cos( I , I 1 )  f ( ) = F  1   I 2 cos( I , I 2 )  Theo hình 4.14b ta có:  I cos(  −  )   I cos( −  )  f ( ) = F  1  = F 1  (6.3)  I 2 cos    I 2 cos   Nếu như ở mạch song song ta làm sao cho I1 = I2;  =  thì từ biểu thức trên ta suy ra: = (6.4) Như vậy độ lệch góc  của cơ cấu chỉ thị được xác định bởi góc . Bảng khắc độ được khắc theo đơn vị của góc  hay hệ số cos . Nhược điểm của loại Fazômét này là nó chỉ tính được cho một cấp điện áp. Nếu thay đổi điện áp thì phải thay đổi điện trở R2 và điện cảm L1 do đó mà dẫn đến thay đổi góc . Ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào tần số vì trong mạch có cuộn cảm. Để khắc phục sai số do tần số gây ra ta chia một cuộn động thành 2 cuộn nối song song với nhau. Một cuộn nối với điện dung C, còn cuộn kia nối với điện cảm L (H.6.2). 1 Ta có: L = C Khi tần số tăng, ở nhánh 1 điện kháng XL tăng lên, còn điện kháng XC ở nhánh 1’ sẽ giảm kết quả điện kháng trên toàn mạch coi như không đổi. Để sử dụng với nhiều cấp điện áp, người ta dùng biến áp tự ngẫu với các đầu vào là 110V; 127V; 220V, đầu ra có thể biến thiên từ 0  250V. I 110V 1 1’ 127V R L C 220V Hình 6.2: Fazômét điện động với nhiều cấp điện áp -67-
Để mở rộng thang đo về dòng người ta có thể phân cuộn tĩnh ra làm nhiều phần khác nhau mắc nối tiếp hoặc song song ta sẽ được các cấp dòng điện khác nhau. Ví dụ: Trong công nghiệp loại Fazômét Д5000 của Nga, cấp chính xác 0,2, tần số 50  60Hz có thang đo  = 0  360o ; cos  = 0  1. 6.3. Đo hệ số công suất 6.3.1. Đo hệ số công suất Cos bằng phương pháp gián tiếp (Dùng V-A-W) 6.3.2. Đo trực tiếp Cos bằng cơ cấu điện động Đối với cos mét ba pha, người ta dùng sơ đồ hình 6.4. Do các điện áp UAB và UAC đã lệch nhau một góc 600 , nên người ta không cần dùng cuộn cảm để tạo ra góc lệch pha giữa I1 và I2 mà dùng điện trở phụ. Nhờ vậy, tránh được sai số do tần số đến số chỉ của cosmét. Đó là ưu điểm của loại này so với cos mét một pha. 0 0 * Điện cảm Điện dung * A B Tải C Hình 6.4 : Sơ đồ cosmét ba pha 6.4. Đo tần số Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình dao động có chu kỳ. Tần số được xác định bởi số các chu kỳ lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong một đơn vị thời gian. Chu kỳ là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn và chiều biến thiên. Tức là thỏa mãn phương trình: u (t) = u ( t + T). Tần số góc tức thời được xác định như là vi phân theo thời gian của pha của điện áp tín hiệu, tức là (t) = d/dt. Vì pha của tín hiệu đa hài sẽ tăng theo thời gian theo quy luật tuyến tính, cho nên tần số f là một đại lượng không đổi. Nghĩa là: 1 d  f = . = (6.5) 2 dt 2 Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: Vô tuyến điện tử, tự động hóa, vật lý thực nghiệm, thông tin liên lạc.v.v...từ một phần Hz đến hàng nghìn GHz. Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng đo, theo độ chính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần số cần đo và một số yếu tố khác. Để đo tần số của tín hiệu điện ta cũng có hai phương pháp đó là phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh. Tần số mét là dụng cụ để đo tần số. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng được tiến hành bằng các loại tần số mét cộng hưởng, tần số mét cơ điện, tần số mét tụ điện, tần số mét chỉ thị số, còn đo tần số bằng phương pháp so sánh được thực hiện nhờ ôsilôscốp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số mét đổi tần, tần số mét cộng hưởng.v.v... -68-
4.1.1. Tần số kế loại tỷ số kế (Logomet) a)Tần số kế dùng Logomet điện động và sắt điện động Cơ cấu chỉ thị Lôgômét điện động và sắt điện động có thể sử dụng để chế tạo tần số mét. Về cấu tạo, Lôgômét điện động có cuộn tĩnh A được mắc nối tiếp với cuộn động B2 và nối tiếp với các phần tử R2, L2, C2; còn cuộn động B1 mắc nối tiếp với C1 (H.6.5a). Góc lệch giữa Ux và I1 là 90o (H.6.5b). Ufx B1 B2 I2 = I A I2 = I I1 R2  Ufx 2 -2 C1 L2 1 C2 I1 2 = 0 a) b) Hình 6.5. Tần số kế dùng lôgômet điện động Các thông số của cuộn tĩnh A (R2, L2, C2) và cuộn động nối tiếp B2 được chọn sao cho tạo được cộng hưởng điện áp trong mạch này có tần số fxo bằng giá trị trung bình của khoảng tần số cần đo. 1 f xo = (6.6) 2 L2 C 2 Góc lệch  của cơ cấu chỉ thị Lôgômét điện động được tính theo biểu thức:  I cos 1   = F 1  (6.7)  I 2 cos 2  Ở đây 1 và 2 là góc lệch pha giữa dòng I trong cuộn tĩnh và các dòng I1, I2 trong cuộn động. Từ sơ đồ véc tơ hình 4.1b ta có: 2 = 0 từ đó cos 2 = 1 ; I = I2; cos 1 = cos (90 – 2) = sin 2 X2 Nhưng ở đây sin 2 = (6.8) Z2 X2, Z2 – là điện kháng và tổng trở của mạch dòng I2. I1 Z 2 Mặc khác = . (6.9) I 2 Z1 Z1 là tổng trở trong mạch dòng I1. Thay vào biểu thức của góc lệch , ta có: I  Z X  X   = F  1 cos 1  = F  2 . 2  = F  2  I2   Z1 Z 2   X1  Cho rằng Z1  X1 và chỉ có điện dung C1 trong mạch dòng I1 vậy: X   = F 2  (6.10)  X1  1 1 Vì X 1 = X2 = xL2 - và x = 2π fx  x C1  xC2 -69-
Như thế:  1   2f x L2 − 2f C   (4 2 f x2 L2 C 2 − 1)C1   = F x 2  = F   1   C2   2f x C1    Vậy:  = (f2x) (6.11) Tức là góc lệch  của Lôgômét điện động là một hàm của tần số f2x và thang đo sẽ được khắc độ theo tần số. Ví dụ: Tần số mét Lôgômét điện động kiểu Д506M (của Nga) để đo tần số 45  55Hz, cấp chính xác  1,5%. Loại này có thể chế tạo tần số mét đo tần số cao hơn đến 2500Hz. b) Tần số mét dùng Lôgômét điện từ Về cấu tạo Lôgômét điện từ có hai cuộn dây. Cuộn thứ nhất được nối với điện trở R1 và điện cảm L1. Cuộn thứ hai được nối với điện trở R2, L2, C2. Tức là hai cuộn dây có đặc tính tải khác nhau (H.6.6).  Ufx Khi tần số cần đo của tín hiệu thay đổi các dòng điện I1 và I2 sẽ thay đổi không giống R nhau vì đặc tính điện trở của chúng khác nhau. I2 R2 L2 C2 Giả sử khi fx tăng thì dòng I1 giảm còn I2 lại tăng như vậy tỉ số giữa hai dòng (I2/I1) sẽ tăng và do đó mà góc lệch  tỉ lệ với tần số. I1 R1 L1 Hình 6.6. Tần số mét dùng Lôgômét điện từ Ví dụ: Loại tần số mét Э394 có thang đo 450  550Hz là tần số mét dùng Lôgômét điện từ. 4.1.2. Tần số kế cộng hưởng Để đo tần số của lưới điện công nghiệp, người ta thường sử dụng tần số mét cộng hưởng kiểu điện từ. Cấu tạo của tần số mét điện từ bao gồm một nam châm điện NC (H.6.7). Các thanh thép B được gắn chặt một đầu vào thanh A cố định 2 đầu vào giá G, còn đầu kia của các thanh thép dao động tự do. Các thanh thép có tần số riêng khác nhau. Tần số riêng của mỗi thanh bằng hai lần tần số của nguồn điện cần đo. Dưới tác dụng của từ trường nam châm điện các thanh kim loại hai lần trong một chu kỳ được hút vào nam châm và do đó mà dao động. Thanh nào có biên độ dao động lớn nhất thì thanh đó có tần số riêng bằng hai lần tần số cần đo. Trên mặt dụng cụ đo (H.6.7b) ta thấy biến độ dao động của thanh kim loại lớn nhất ứng với tần số đã khắc độ trên bề mặt. -70-
G NCĐ A G 45 50 55 B a) b) Hình 6.7. Tần số mét cộng hưởng điện từ a. Cấu tạo; b. Mặt chỉ thị Ưu điểm của phương pháp này là cấu tạo đơn giản, bền. Nhược điểm: - Giới hạn đo hẹp (45  55Hz) hay (450  550Hz) sai số của phép đo thường là  (1,5  2,5)%. Không sử dụng được ở nơi có độ rung lớn và thiết bị di chuyển. CÂU HỎI 1. Trình bày nguyên lý làm việc của Tần số mét cộng hưởng kiểu điện từ. Ưu nhược điểm? 2. Nêu nguyên lý làm việc của Tần số mét dùng lôgômet điện động. Cho ví dụ? 3. Trình bày nguyên lý làm việc của Tần số mét dùng Lôgômét điện từ. Cho ví dụ? 4. Fazômét là dụng cụ để đo góc pha và hệ số cos . Trình bày nguyên lý làm việc của Fazômét điện động đo góc pha? Ưu nhược điểm và cách khắc phục? 5. Vẽ sơ đồ cosmét ba pha và trình bày nguyên lý làm việc của nó? -71-