Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 5: Đo công suất và năng lượng

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 5: Đo công suất và năng lượng

1. Kỹ thuật Đo lường Nguyen Thanh Huong, PhD 2020
2. Chương 5: Đo công suất và năng lượng ◼ Công suất là đại lượng cơ bản của các hiện tượng và quá trình vật lý nói chung và của các hệ thống điện tử nói riêng, do vậy việc xác định công suất là phép đo quan trọng và phổ biến. ◼ Trong thực tế, người ta phân công suất thành các loại như sau: Công suất thực (công suất hữu công): P Công suất phản kháng (công suất vô công): Q Công suất biểu kiến (công suất danh định): S ◼ Dải đo của công suất từ 10-20 W đến 1010 W và dải tần từ 0 tới 109 Hz 1/14/20221
3. Đo công suất và năng lượng * Đối với mạch điện một chiều công suất thực P được tính theo một trong các công thức sau đây: P = U.I P = I2.R P = U2 / R Trong đó: I là dòng trong mạch U là điện áp rơi trên phụ tải có điện trở R * Đối với mạch điện xoay chiều một pha 1 T 1 T P = . pdt = u.idt T T Trong đó: p, u, i0 là các giá0 trị tức thời của công suất, áp và dòng. T là chu kỳ 1/14/20222
4. Đo công suất và năng lượng Như vậy công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha được xác định như là một giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T Nếu dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất được tính theo công thức: P = U.I.cos Q = U.I.sin S = U.I Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng cos được gọi là hệ số công suất Năng lượng trong mạch TT W.== Pdt u idt 00 1/14/20223
5. 9.1. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha ◼ Từ công thức tính P ta có thể thấy ngay rằng để đo công suất của mạch một chiều trên phụ tải R thì có thể sử dụng các cặp dụng cụ như sau: + Ampe kế và Vôn kế Khi đó: P = U.I U và I là kết quả chỉ thị trên Vôn kế và Ampe kế 1/14/20224
6. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha Có các phương pháp đo cơ bản sau: ◼ Đo theo phương pháp cơ điện: Watmet điện động Watmet sắt điện động ◼ Đo theo phương pháp điện: Watmet chỉnh lưu điện tử Watmet dùng chuyển đổi Hall Watmet dùng phương pháp nhiệt điện Watmet dùng phương pháp điều chế Dùng ADC, Vi xử lý, 1/14/20225
7. Đo theo phương pháp cơ điện (Oat kế điện động) * ◼ Oat kế điện động (hoặc sắt điện động) là dụng B A * cụ cơ điện để đo công suất thực trong mạch Ru điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu Iu Ux R tạo chủ yếu của Oat kế điện động là cơ cấu Rp chỉ thị điện động ◼ Với mạch một chiều 1 dM = .I .I . 12 1 2 Cuén Cuén D d dßng dßng I1 = I U Nguån Cuén ¸p T¶i I = = K.U.I = K.P 2 Ru + Rp 1 dM12 dM K = . = const g / s : 12 = const D.(Ru + Rp) d d D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I1, I2: dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M12: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K được gọi là hệ số của Oat met với dòng một chiều 1/14/20226
8. Đo theo phương pháp cơ điện (Oat kế điện động) ◼ Với mạch xoay chiều 1 dM = .I.Iu. 12 cos D d U Iu = .cos Ru + Rp  = −  1 U.I = . .cos .cos( −  ) D Ru + Rp Nếu =  = K.U.I.cos = K.P nghĩa là số chỉ của Oatmet tỉ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải. 1/14/20227
9. Đo theo phương pháp điện Watmet dùng phương pháp điều chế Ui Uu MF f0 Utrb=K.P Ui 0 t ĐRX BĐX TP ĐRX 0 t MF f : máy phát xung tần số chuẩn f 0 0 Uu ĐRX: bộ điều chế độ rộng xung BĐX: bộ điều chế biên độ xung 0 t TP: bộ tích phân Utrb P 0 t S(t) = k2.Uu.ti = k1.k2.Uu.Ui = K.Uu.Ui 1/14/20228
10. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu Oatmet nhiệt điện ◼ Biến áp có điện áp thứ cấp tỉ lệ với điện áp U và tạo ra dòng iu tỉ lệ với U và biến dòng có dòng thứ cấp tỉ lệ với dòng điện I và tạo dòng ii tỉ lệ với dòng tải I. BiÕn dßng I Với sơ đồ như trên ta có dòng đốt nóng i i R1 là (ii + iu) và dòng đốt nóng R2 là i i BiÕn ¸p (ii – iu) i Theo công thức của cặp nhiệt điện ta có: u milivoltmet e = k.(i +i )2 và e = k.(i – i )2 Rt 1 i u 2 i u U Nguån e e (giả sử 2 cặp nhiệt điện có hệ số k như + 1 2 + - - nhau) R1 R2 Số chỉ của milivonmet khi đó là iu +ii iu - ii Era = e1 – e2 = 4kiuii Do bộ biến đổi nhiệt có quán tính nhiệt cao nên loại bỏ thành phần xoay chiều ta sẽ có: Era = K.U.I.cos = K.P 1/14/20229
11. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu Oatmet dùng chuyển đổi Hall ◼ Cho chuyển đổi vào khe hở của nam châm điện. Hướng của từ trường như hình vẽ (đường gạch – gạch). Dòng qua cuộn hút L chính là dòng qua phụ tải. Dòng qua 2 cực T – T tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải (load). Rmultiplier (điện trở phụ) để hạn chế dòng. ◼ Milivonke để xác định áp giữa hai cực áp X - X ◼ Khi đó thế điện động Hall được tính như sau: X T T ex = k.u.i = k.P X ◼ Trong đó: ex được xác định bởi milivon kế; k là hệ số tỉ lệ Do đó có thể suy ra giá trị của công suất P là: P = ex/ k 1/14/202210
12. Nhân bằng Logarithm và Anti- logarithm Log U1=LnUx U x + A-Log- U U U =LnU ra y Log 2 y Hai đại lượng Ux và Uy được đưa vào hai bộ loga: U1 = LnUX ; U2 = LnUY U1 ,U2 được cho vào bộ cộng: U3 = U1+U2 =Ln(Ux.Ux) Ura = antilog(Ln(UXUY)) = UXUy =k.UXIY 1/14/202211
13. Nhân bằng phần tử A/D và D/A UX đưa vào bộ A/D K1 K2 biến thành NX: K K U N =K U Ux 1 2 y X 1 X A/D D/A N NX lại đưa vào bộ x D/A được chế tạo U ~I đặc biệt có điện áp y x U =K K U U cung cấp nền UY ra 1 2 X Y Ura=K2NxUY =KUXIX ◼ Để đảm bảo bộ biến đổi được Công suất tức thời, thì thời gian biến đổi của A/D và D/A phải đủ nhanh (cỡ 100s) ◼ Người ta chế tạo D/A đặc biệt cho bộ nhân, bộ phân áp có điều khiển, bộ biến đổi mã dòng - điện. Ví dụ ADC 7107 thuộc họ Intel. 1/14/202212
14. Mạch nhân tức thời dùng vi xử lý Vi xử lý thực hiện việc nhân các giá trị tức thời ux(t) và uy(t) Chú ý: Giá trị ux(t) và uy(t) phải được lấy cùng thời điểm Ux S&H Uxt MUX Nx A/D P Uy S&H Ny U yt §K UX được bộ A/D biến thành NX = K1UX Uy được bộ A/D biến thành Ny = K2Uy Nz là giá trị NX và Ny được đưa vào bộ vi xử lý để tức thời của làm phép nhân p, có giá trị NZ=NXNY = K1K2UXUY khác nhau ở Nếu UX =KX.u ; u điện áp tức thời các thời Uy =Ky.i ; i dòng tức thời điểm khác nhau. 1/14/202213
15. Mạch nhân tức thời dùng vi xử lý (2) ◼ Để xét sự biến thiên của p theo thời gian NZ được lưu giữ lại thành một bảng số liệu về giá trị tức thời ở các thời điểm khác nhau và cũng có thể vẽ trên màn hình ở giá trị biến thiên theo t, hoặc in ra. ◼ Để công suất tức thời p=ui, giá trị tức thời của u và i phải được lấy cùng thời gian. Bộ lấy mẫu S&H được dùng để ghim giữ giá trị của u và i vào cùng một thời điểm. Cũng có thể sử dụng một A/D cùng cho cả hai biến u và i. ◼ Để giảm sai số lượng tử hoá của p, số lần lấy mẫu cho một chu kỳ phải đủ lớn, chu kỳ lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến thiên của A/D phải đủ lớn. Tốc độ tính toán của bộ xử lý phải đủ nhanh để có thể tính toán theo thời gian thực. 1/14/202214
16. Mạch nhân tức thời dùng vi xử lý (3) ◼ Từ công thức tính công suất tức thời p, công suất trung bình hay năng lượng truyền cho tải: 1 T t P = uidt W = uidt T 0 0 ◼ Có thể tính năng lượng giờ cao điểm và thấp điểm, tính hệ số cos =P/UI ở thời điểm khác nhau → Bằng cách này công ty ARDETEM Pháp đã chế tạo bộ biến đổi (P,U,I) số PECA-2000 trong đó dùng bộ biến đổi tương tự số 12 bit tốc độ lớn để băm tín hiệu điện, điện áp thành 300 điểm rời rạc hoá trong một chu kỳ. Vi xử lý dùng để xử lý thuật toán là bộ vi xử lý 32 bit tốc độ nhanh 1/14/202215
17. Một số dòng IC ◼ Biến đổi dùng để chế tạo công tơ 1 pha gồm các IC: AD7750, AD7751, AD7755, ADE 7757 ◼ Biến đổi vạn năng 1 pha gồm các IC: ADE7753, ADE7756, ADE7759, v.v Ở các loại IC này cho phép giao tiếp với vi xử lý MCU thông qua các đầu: IRQ, SPI và DIN, DOUT; cho phép lấy ra các số liệu sau: Điện áp hiệu dụng Urms, dòng điện hiệu dụng Irms, điện áp tức thời ut, dòng điện tức thời it, công suất tức thời p, công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S, năng lượng tác dụng Ea, năng lượng phản kháng Er, tần số f, hệ số công suất cosφ và góc lệch pha φ. 1/14/202216
18. Giới thiệu ADE7753 ◼ Sơ đồ khối chức năng của ADE 7753 1/14/202217
19. Giới thiệu ADE7753 1/14/202218
20. Giới thiệu ADE7753 ◼ Mô hình chế tạo thiết bị V1P LCD din V1N dout sclk ADE7753 AT irq MEGA Tr.Tin cs 48 V2P PhÝm R bÊm V2N RAM eeprom 62256 2864 1/14/202219
21. Biến điện áp ◼ Biến điện áp hay biến áp đo lường được dùng trong các hệ thống điện biến điện áp cao áp ở các cấp khác nhau thành điện áp thống nhất ở thứ cấp. Đó là một biến áp công suất nhỏ như những biến áp điện lực. Sơ cấp được nối vào lưới điện cao áp, thứ cấp nối với các Volmet để đo điện áp ◼ Theo nguyên lý các Volmet có điện trở vào rất lớn nên thứ cấp của biến điện áp coi là hở mạch UWW1 1 1 = →UUKU1 = 2 = u 2 UWW2 2 2 Ku Hệ số biến điện áp 1/14/202220
22. Biến dòng điện Khi cần đo dòng điện lớn hoặc đo dòng điện ở điện áp cao, người ta sử dụng biến dòng điện. Biến dòng điện TI là một loại biến áp nhỏ có cuộn dây sơ cấp rất ít vòng W1 cho dòng điện cần đo Ix chạy qua. Cuộn dây thứ cấp W2 nhiều vòng nối trực tiếp vào Ampemet điện từ Ampemet có điện trở rất nhỏ, biến dòng điện (TI) là biến áp làm việc ở chế độ ngắn mạch thứ cấp nên ta có IWW1 2 2 =→ I12 =I IWW2 1 1 1/14/202221
23. Biến dòng điện ◼ Biến dòng điện là một lõi hình xuyến có số vòng W2 lớn còn W1 chỉ là một vòng ứng với dây dẫn xuyên qua lõi thép nên W1=1 Thứ cấp ngắn mạch phải đặt một điện trở Sun biến dòng thứ cấp thành điện áp US=I2RS. RS còn có nhiệm vụ đảm bảo là biến dòng làm việc ở chế độ thứ cấp ngắn mạch (tức RS<<RW2). 1/14/202222
24. Biến dòng điện ◼ Để tiện lợi cho việc đo, người ta chế tạo các biến dòng, có cuộn dây thứ cấp có nhiều vòng ứng với các hệ số biến dòng điện hay hệ số biến đổi dòng – áp khác nhau. ◼ Để phục vụ cho việc đo dòng điện trên đường dây đang hoạt động, người ta chế tạo ra các biến dòng lõi thép có thể mở ra – đóng lại để có thể cặp lên đường dây. Ta gọi là Ampemet kìm. 1/14/202223
25. Đo năng lượng trong mạch xoay chiều một pha ◼ Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha đươc tính: TT W.== Pdt u idt 00 ◼ Dụng cụ đo để đo năng lượng là công tơ. Công tơ được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng 1/14/202224
26. Công tơ một pha Cấu tạo: Cuộn dây 1 (tạo nên nam châm điện 1): gọi là cuộn áp được mắc song song với phụ tải. Cuộn này có số vòng dây nhiều, tiết diện dây nhỏ để chịu được điện áp cao. Cuộn dây 2 (tạo nên nam châm điện 2): gọi là cuộn dòng được mắc nối tiếp với phụ tải. Cuộn này dây to, số vòng ít, chịu được dòng lớn. Đĩa nhôm 3: được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do 5 giữa hai cuộn dây 1, 2. Hộp số cơ khí 5: gắn với trục 1 của đĩa nhôm. 4 Nam châm vĩnh cửu 4: có từ trường của nó xuyên qua đĩa 3 2 6 nhôm để tạo ra mômen hãm 1/14/202225
27. Công tơ một pha Nguyên lý làm việc ◼ khi có dòng điện I chạy trong phụ tải, qua cuộn dòng tạo ra từ thông ΦI cắt đĩa nhôm hai lần. ◼ Đồng thời điện áp U được đặt vào cuộn áp sinh ra dòng Iu, dòng này chạy trong cuộn áp tạo từ thông ΦU : U I=k i I; u = k u I = k u Zu kI , kU: là hệ số tỉ lệ về dòng và áp; Zu: là tổng trở của cuộn áp 1/14/202226
28. Công tơ một pha ◼ Vì cuộn áp có điện trở thuần nhỏ so với điệnu kháng của nó cho nên i UU I Zu X u =2  fL u u = k u = k u 2 fLu f  ◼ Mômen quay của cơ cấu chỉ thị cảm ứng  được tính: U MCfq= I  Usin  = CkkUI u u sin  = kUI sin  =  − − ◼ Để thực hiện điều kiện  −= ta có thể điều chỉnh 2 góc β, tức là điều chỉnh Φu bằng cách thay đổi vị trí sun từ của cuộn áp hoặc điều chỉnh góc α bằng cách thêm hoặc bớt vòng ngắn mạch của cuộn dòng 1/14/202227
29. Công tơ một pha ◼ Mômen quay tỉ lệ với công suất. Mq = k  U  I cos = k  P ◼ Mômen hãm sinh ra do từ thông của nam châm vĩnh cửu ΦM và dòng điện xoáy sinh ra ở trong đĩa nhôm IM MC = k1.ΦM.IM ◼ khi cân bằng có: 2 Mq= M C k . P = k30 .  M . n ◼ Sau một thời gian t đĩa quay được N vòng tức làn0 = N/ t 2 Nk k. P= k3 . M . N = 2  Pt tk 3M 1/14/202228
30. Công tơ một pha ◼ Sau một thời gian t đĩa quay được N vòng suy ra: N = Cp P.t = Cp.W Cp là hằng số công tơ NN C == P W Pt Cp là số vòng của công tơ khi tiêu hao công suất là 1kW trong 1 giờ , hằng số này không đổi và ghi trên mặt công tơ Sai số của công tơ được tính như sau : WWN−− doCC N do w (%) =  100% =  100% WdoC do WN, CPN: là năng lượng và hằng số công tơ định mức. Wđo, CPđo: là năng lượng và hằng số công tơ đo được. Cấp chính xác của công tơ thường là: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 1/14/202229
31. Kiểm tra công tơ ▪ Kiểm tra công tơ với ý nghĩa ®¶m b¶o mômen bù ma sát lớn hơn mômen ma sát một ít. ▪ Điều chỉnh tự quay của công tơ: ▪ Chỉnh hằng số công tơ. ▪ Xác định sai số tương đối quy đổi với các tải khác nhau và cos khác nhau. 1/14/202230
32. Kiểm tra công tơ Điều chỉnh tự quay của công tơ: ◼ Chỉ L2 sao cho U = UN; chỉ L1 sao cho I=0 -> công tơ đứng yên, nếu công tơ quay là hiện tượng tự quay, chỉnh mô men hãm  −= Điều chỉnh góc 2 ◼ Chỉnh L2 sao cho U=U , I=I , điều chỉnh góc lệch pha = N N 2 ◼ Lúc này watmet chỉ 0, công tơ lúc này phải đứng yên, nếu  − công tơ quay điều đó có nghĩa là 2và công tơ không tỉ lệ với công suất ta điều chỉnh từ thông Φu bằng cách điều chỉnh bộ phận phân nhánh từ của cuộn áp 1/14/202231
33. Kiểm tra công tơ Kiểm tra hằng số công tơ ◼ Chỉnh L2 sao cho U=U , I=I , điều chỉnh góc lệch pha N N = 0 Đo thời gian quay của công tơ bằng đồng hồ bấm giây t. Đếm số vòng N mà công tơ quay được trong khoảng thời gian t. Từ đó ta tính được hằng số công tơ: NN C == P W U I t vòng /kWh ◼ Sai số ◼ Trong thực tế đôi khi người ta sử dụng một đại lượng nghịch đảo với hằng số Cp đó là hằng số k: 1/14/202232
34. Bài tập Trong sơ đồ đó công tơ có các thông số sau: 5A -220V; hằng số công tơ 1100 vòng/kWh. Voltmet có khoảng đo 0-250V 100 vạch Ampemet có khoảng đo 0-5A 100vạch chia Wattmet có khoảng đo 0-1500W 150 vạch chia ◼ Tính toán các giá trị I,U,P trong bảng kết quả thí nghiệm sau? Uv¹ch 88 88 88 88 88 Iv¹ch 20 40 60 80 100 Pv¹ch 22 44 66 88 110 Nvßng 5 5 10 10 10 t gi©y 68,1 34 45,2 34 27,2 ◼ Tính sai số ở các giá trị khác nhau của P? ◼ Lập quan hệ bằng đồ thị?  = fp( ) 1/14/202233
35. Bài tập Sau một tháng công tơ của một trạm biến thế quay 125.000 vòng, với hằng số công tơ 600vòng/kWh. Công tơ được nối qua biến điện áp có: ku= 15.000/100 và biến dòng ki=100/5 Tính số tiền phải trả, biết giá điện năng là 1300đ/kWh Công tơ phản kháng quay 100.000vòng . Tính hệ số cos . Tính tiền điện phải trả với giá điện sau: cos >0.8 Giá điện 400đ/kWh 0.7 <cos <0.8 Giá điện 500đ/kWh 0.5 < cos < 0.7 Giá điện 1000đ/kWh 1/14/202234
36. 9.2. Đo công suất mạch ba pha ◼ Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là : P =++ PA PB PC =UAAABBBCC I  cos + U  I  cos  + U  I  Ccos  Q =++ QA QB QC = UAAABBBCCC I  sin + U  I  sin  + U  I  sin  , với: UΦ IΦ: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng ϕ: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng. ◼ Tính theo công suất tức thời ta có: 1TTT 1 1 P= u i dt + u i dt + u i dt AABBCC TTT000 1/14/202235
37. Đo công xuất mạch ba pha ◼ Trong mạch điện 3 pha, phụ tải thường được mắc theo hai cách: phụ tải mắc hình sao hoặc phụ tải mắc hình tam giác. ◼ Đối với phụ tải hình sao có thể không có dây trung tính (nghĩa là mạch chỉ có 3 dây) hoặc có dây trung tính (tức là mạch có 4 dây) 1/14/202236
38. Đo công xuất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng một watmet Nếu như mạch 3 pha có phụ tải hình sao đối xứng hoặc mắc tam giác đối xứng : chỉ cần đo công suất ở một pha của phụ tải sau đó nhân 3 ta nhận được công suất tổng 1/14/202237
39. Đo công xuất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng hai watmet + . PΣ = uACiA + uBCiB ; PΣ = uAB iA+ uCBiC ; PΣ = uBAiB uCAiC Không phụ thuộc vào phụ tải (đối xứng hay không đối xứng, tam giác hay hình sao không có dây trung tính) đều có thể đo công suất tổng bằng hai watmet theo một trong 3 cách mắc như sau: 1/14/202238
40. Đo công xuất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng ba watmet: Trong trường hợp mạch 3 pha có tải hình sao có dây trung tính: nghĩa là mạch 3 pha 4 dây phụ tải không đối xứng. Để đo được công suất tổng ta phải sử dụng 3 watmet, công suất tổng bằng tổng công suất của cả 3 watmet PΣ = PA + PB +PC 1/14/202239
41. Đo năng lượng trong mạch 3 pha Cũng giống như trường hợp đo công suất, đo năng lượng trong mạch 3 pha ta cũng sử dụng phương pháp 1 công tơ, 2 công tơ, hay 3 công tơ một pha: ◼ Trường hợp sử dụng phương pháp 1 công tơ khi mà phụ tải hoàn toàn đối xứng: năng lượng tổng bằng 3 lần năng lượng của một pha. ◼ Trường hợp sử dụng phương pháp 2 công tơ khi phụ tải bất kỳ, và mạch chỉ có 3 dây: năng lượng tổng bằng tổng năng lượng của hai công tơ. ◼ Trường hợp sử dụng phương pháp 3 công tơ khi mạch có 4 dây (nghĩa là tải hình sao có dây trung tính) và đặc tính của phụ tải có thể đối xứng hay không đối xứng: năng lượng tổng bằng tổng năng lượng của ba công tơ. 1/14/202240
42. IC Biến đổi vạn năng 3 pha của Analog Devices ◼ Analog device đưa ra thị trường các bộ biến đổi vạn năng 3 pha AD7752 ADE7754 và ADE7758. ◼ Các bộ biến đổi này cho phép thu thập các số liệu sau: Điện áp hiệu dụng 3 pha Ua,Ub, Uc; dòng điện hiệu dụng 3 pha Ia, Ib, Ic; công suất tác dụng 3 pha P3 pha; công suất phản kháng Q3 pha; công suất biểu kiến S; năng lượng tác dụng Ea; năng lượng phản kháng Er; tần số f; cosφ. ◼ Như vậy là với bộ các IC biến đổi của Analog device cho phép ứng dụng để đo tất cả các đại lượng điện trong công nghiệp với độ chính xác theo yêu cầu của công nghệ phát điện truyền tải và sử dụng điện năng. ◼ Các công tơ 3 pha nhiều chức năng hiện nay đều được xây dựng trên cơ sở các IC này. 1/14/202241
43. IC Biến đổi vạn năng 3 pha của Analog Devices 1/14/202242