›
›

Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Đo thông số của mạnh điện - Nguyễn Thanh Hường

pptx 64 trang haiha333 07/01/2022 6570
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Đo thông số của mạnh điện - Nguyễn Thanh Hường", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptxbai_giang_ky_thuat_do_luong_chuong_6_do_thong_so_cua_manh_di.pptx

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 6: Đo thông số của mạnh điện - Nguyễn Thanh Hường

  1. Kỹ thuật Đo lường Nguyen Thanh Huong, PhD 2020
  2. Chương 6: Đo thông số của mạch điện ◼ Thông số của mạch điện bao gồm điện trở R, điện cảm L, điện dung C, góc tổn hao của tụ điện và hệ số phẩm chất của cuộn dây. ◼ Có 2 phương pháp đo thông số của mạch là đo trực tiếp và đo gián tiếp. + Đo gián tiếp là sử dụng ampe kế và vôn kế đo dòng và áp để từ các phương trình và định luật suy ra thông số cần đo. + Đo trực tiếp là dùng các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo như Ohmmet, Henrimet, Faramet 1/14/20221
  3. Các phương pháp đo điện trở (Đo gián tiếp) Sử dụng Ampe kế và Vôn kế U R = ◼ Dựa vào định luật Ohm ta xác định được I ◼ Có thể mắc Itheo một trong hai sơ đồ sau: A Ix + Ix + A U V U V Rx - - Rx UUU R ' =v = v = v UUUIR−−. x U R ' ==v A v A A IIIx A− v v x I A − IIAA Rv Do đó ta thấy phép đo đạt giá trị Rõ ràng để R’x tiến tới giỏ chính xác cao khi Rv càng lớn trị của Rx thỡ RA càng nhỏ càng tốt (Rv >> Rx). Sơ đồ này càng tốt (RA << Rx). Sơ đồ được dùng để đo điện trở có giá b thường dựng để đo điện trị nhỏ. trở Rx lớn 1/14/2022 2
  4. Các phương pháp đo điện trở (Đo gián tiếp) Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu U Io Ix + Ro Rx R0 Rx + U - - 1 2 Uo + + Ux V A Uo Ux = Io.Ro = Ix.Rx Ro Rx Ux Io Rx = .Ro Rx = .Ro Uo Ix 1/14/20223
  5. Các phương pháp đo điện trở (Đo trực tiếp) Đo điện trở trực tiếp bằng Ohmmet ◼ Ohmmet là dụng cụ đo có cơ cấu chỉ thị từ điện với nguồn cung cấp là pin và các điện trở chuẩn ◼ Dựa vào định luật Ohm ta có R=U/I,, nếu giữ U không đổi thì dòng điện I qua mạch đo sẽ thay đổi khi điện trở thay đổi (tức là kim sẽ lệch những góc khác nhau khi giá trị của điện trở thay đổi). ◼ Có hai loại Ohmmet là Ohmmet nối tiếp Ohmmet song song. 1/14/20224
  6. Ohmmet nối tiếp ◼ Đây là Ohmmet trong đó điện trở cần đo mắc nối tiếp với cơ cấu Rp chỉ thị. Uo + ◼ Ohmmet loại này thường để đo 1 giá trị điện trở Rx cỡ từ Ohm trở 2 lên. Rx ◼ Rp là điện trở phụ đảm bảo khi Rx = 0 dòng điện qua cơ cấu đo Uo là lớn nhất (hết thang chia độ) và Rx = 0 Ict max = để bảo vệ cơ cấu chỉ thị. Rct+ R p U ◼ Điện trở trong của Ohmmet Rx 0 I = o được xác định là ct RRR++ Uo ct p x R = Rct + Rp = Ict max R = x Ict = 0 Như vậy thang đo của Ohmmet song song có dạng nghịch 1/14/20225
  7. Ohmmet nối tiếp ◼ Ngoài ra số chỉ của Ohmmet còn Rp phụ thuộc vào nguồn pin cung R Rm cấp bên trong. Khi Uo giảm thì Uo + sai số khá lớn. Để điều chỉnh sai 1 số này (hay còn gọi là điều chỉnh 2 zero) người ta mắc thêm chiết Rx áp Rm như hình bên: ◼ Cách chỉnh zero: mỗi lần sử dụng Ohmmet ta ngắn mạch đầu vào (cho Rx = 0 bằng cách chập hai đầu que đo với nhau), vặn núm điều chỉnh của Rm để kim chỉ zero trên thang đo. ◼ Bằng cách làm như trên ta sẽ có kết quả đo chính xác hơn dù nguồn pin bị yếu đi. 1/14/20226
  8. Ohmmet song song ◼ Loại Ohmmet này có điện trở cần đo Rx mắc song song với cơ cấu chỉ thị như hình dưới đây ◼ Ohmmet loại này dùng để đo điện trở R khá nhỏ, nó có thang đo thuận chiều vì khi không có Rx (tức là Rx = ) dòng qua chỉ thị là lớn nhất còn khi Rx = 0 dòng qua chỉ thị xấp xỉ 0. Rp R U o Rm Ict = Uo + 11 Rx RRct 1++ p Rct Rx ◼ Như vậy thang đo của Ohmmet song song có dạng thuận 1/14/20227
  9. Ohmmet nhiều thang đo Việc mở rộng nhiều chØnh lÖch kh«ng thang đo cho Ohmmet sẽ tuân R2 R1 theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn R3 R4 R5 R6 đo này sang giới hạn đo khác bằng cách R7 R8 R9 R10 R11 thay đổi điện trở vào Rx1k Rx100 Rx10 của Ohmmet với một Rx10k Rx1 số lần nhất định sao + + cho khi Rx = 0 kim 9V 1.5V chỉ vẫn đảm bảo lệch c«ng t¾c hết thang đo tức là Rx dòng qua cơ cấu đo bằng giá trị định Ohmmet nhiÒu thang ®o mức đã chọn 1/14/20228
  10. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Wheatstone (cầu đơn) ◼ Để xác định điện trở Rx người ta R2 R3 điều chỉnh con chạy của R1 để chỉ + Uo thị chỉ 0, khi đó cầu ở trạng thái a b cân bằng, tức là Uab = 0 R1 Rx ◼ Theo công thức phân áp ta có: R R R 1 1 x CÇu Wheatstone VUao= . Va = Vb = RR12+ RRRR1++ 2 3 x R Đưa điện trở Rx vào x =RRRR1 3 2 x VUbo= . cầu và điều chỉnh con RRx + 3 chạy của R1 sao cho R3 =RR. kim chỉ thị chỉ 0, khi x 1 R R2 đó 3 RRx = . 1 R2 Hệ số R3 / R2 biết trước nên thang khắc độ có thể khắc trực tiếp giá trị của điện trở cần đo tuỳ thuộc vào vị trí con chạy của R1 1/14/20229
  11. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Wheatstone (cầu đơn) ◼ Thông thường để mở rộng thang đo R2 K 1 R3 người ta + x1 x10 2 x100 x1k Giữ nguyên R2 Uo a R3 được thay bởi R5 b một dãy các điện R1 Rx trở có giá trị hơn kém nhau 10 lần ◼ khi đó ta sẽ có hệ CÇu Wheatstone nhiÒu thang ®o số nhân là bội của R5 là chiết áp điều chỉnh độ nhạy của 10. chỉ thị. Cách điều chỉnh -Cho K ở vị trí 1 để chỉnh thô, bảo vệ quá dòng cho chỉ thị -Cho K ở vị trí 2 để chỉnh tinh sao cho cầu cân bằng hoàn toàn 1/14/202210
  12. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Kelvin (cầu kép) ◼ Đây là dụng cụ dùng để đo điện trở nhỏ và rất nhỏ mà cầu đơn ở trên không đo được hoặc có sai số quá lớn do điện trở dây nối và điện trở tiếp xúc. ◼ Dưới đây là mạch nguyên lý và sơ đồ thông thường của cầu kép: R1 I1 R2 I1 R3 R4 I Rx I2 R I2 Ro I + A Uo Rdc 1/14/202211
  13. Các phương pháp đo điện trở (Cầu đo điện trở) Cầu Kelvin (cầu kép) ◼ Khi cầu cân bằng ta có chỉ thị chỉ 0, dòng qua chỉ thị bằng 0 nên dòng qua R1, R2 là dòng I1, dòng qua R3 , R4 là dòng I2 Vòng 1 R1 I1 R2 I1 IRIRIR1. 1 =+ .x 2 . 3 IRIR.x = 1. 1 – I 2 .R3 Vòng 1 R3 R4 Vòng 2 R 3 I Rx I2 R I2 Ro I −IRRII.(.x = 1 1 2 ) R1 Vòng 2 + A IRIRIR1. 2 =+ .o 2 . 4 Uo Rdc R IRIR.o = 1. 2 – I 2 .R4 3 R R II12− . Neu 3 = 4 Rx RR11R R R4 =. 12 −IRRII.(.o = 2 1 2 ) R R RRo 2 4 R1 2 II12− . = R R . R xoR 2 2 12
  14. Cầu dòng xoay chiều (Đo C, L) ◼ Đây là dụng cụ dựa trên cầu đơn để đo điện cảm, điện dung, góc tổn hao và hệ số phẩm chất Q. ◼ Nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều tần số công nghiệp (50 – 60Hz), âm tần hoặc cao tần từ máy phát tần. ◼ Chỉ thị zero là dụng cụ xoay chiều như điện kế điện tử, máy hiện sóng ◼ Trong đó Z là tổng trở của các nhánh, Z = R +jX với R là phần thực Z1 Z2 và X là phần ảo. Uo ~ ◼ Điều kiện cân bằng của cầu là: Z4 Z3 Z1.Z3 = Z2.Z4 ◼ Điều kiện trên thoả mãn khi các điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng M¹ch cÇu dßng xoay chiªu pha được thoả mãn. 1/14/202213
  15. Cầu xoay chiều đo điện dung ◼ Tụ điện lý tưởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không qua tụ) nhưng trong thực tế vẫn có thành phần dòng rò đi qua lớp điện môi vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Để đặc trưng cho sự tổn hao này người ta sử dụng thông số góc tổn hao tg Với tụ có tổn hao nhỏ tg= R   C Với tụ có tổn hao lớn tg=1 ( R   C) ◼ Trong đó R, C là hai thành phần đại diện cho phần thuần trở và phần thuần dung của tụ điện. 1/14/202214
  16. a. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ ◼ Tụ điện có tổn hao nhỏ được biểu Cx diễn bởi một tụ điện lý tưởng Rx R1 mắc nối tiếp với một điện trở. Khi Uo ~ đó người ta mắc cầu như hình R2 bên Rm Cm Cx, Rx là nhánh tụ điện cần đo Cm, Rm là nhánh tụ mẫu điều chỉnh CÇu ®o tô ®iÖn cã tæn hao nhá Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ: Zx.Z2 = Z1.Zm 11 1 (RRRR+ ). = ( + ) ZR=+ xm21 xx j Cxm j C jC x R 1 1 RRxm= . ZRmm=+ RRRR = R jC 21xm 2 m RCRCR//= ZRZR==, 2xm 1 CC= 2 . 1 1 2 2 xm R1 1/14/202215
  17. b. Cầu đo tụ điện tổn hao lớn ◼ Cầu cân bằng ta có điều kiện: Cx Zx.Z2=Z1.Zm 1 R1 R . x jC 1 Rx Z ==x Uo ~ x 1 1/ R+ j C Rx + xx Rm R2 jC x 1 R . Cm m jC 1 Z ==m m 1 CÇu ®o tô ®iÖn cã tæn hao lín 1/ Rmm+ j C Rm + jCm ZRZR1 == 1 2 2 R1 RR12 Rx= . Rm RR12 = R2 = Rx Rm R2 1/Rm++ j Cm 1/ Rx j Cx R1. Cx= R 2. Cm Cx= . Cm R1 R1(1/ Rx + j Cx ) = R 2.(1/ Rm + j Cm ) 1/14/202216
  18. Cầu đo điện cảm ◼ Cuộn cảm lý tưởng là cuộn dây chỉ có thành phân điện kháng là (XL = L) hoặc chỉ thuần khiết là điện cảm L, nhưng trong thực tế các cuộn dây bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất của cuộn dây càng kém. Q là thông số đặc trưng cho phẩm chất của cuộn dây, nó được tính bằng: X Q = L RL ◼ Để đo các thông số của cuộn dây người ta thường dùng mạch cầu xoay chiều. 1/14/202217
  19. Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Lx Rx R1 Zx.Z2 = Z1.Zm Uo ~ Lm R2 Zx =+ R x j L x Rm Zm =+ R m j L m ZRZR == , 1 1 2 2 CÇu ®o ®iÖn c¶m (Rx + j Lx ). R 2 = ( Rm + j Lm ). R 1 R1 Rx= . Rm w Lx w Lm Rx. R 2= Rm . R 1 R2 Q = = x Lx. R 2= Lm . R 1) R 1 Rx Rm Lx= . Lm R2 1/14/202218
  20. Cầu điện cảm Maxwell ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Lx Rx Zx.Zm = Z1.Z2 R1 Z =+ R j L Uo ~ x x x Rm 1 Z = R2 m Cm 1Rmm + j C ZRZR1 == 1 , 2 2 CÇu ®iÖn c¶m Maxwell 1 (Rxx + j L ). = R12 . R RR. 1/ R+ j C 12 mm Rx = R 1 m R+ j L = R.() R + j C x x12 m LRRCxm= 12 Rm .Lx QCRx== m m Rx 1/14/202219
  21. Cầu điện cảm Hay ◼ Khi cầu cân bằng ta có: Rx Zx.Zm = Z1.Z2 Lx R1 Rxx  j L Z x = Uo ~ Rxx + j L 1 R2 Cm Rm ZRmm =+ jC m Cầu điện cảm Hay ZRZR1 == 1 , 2 2 LRRCxm= 12 Rxx. j L 1 ().RRRm + =12 RR. R = 12 Rx+ j L x j C m x Rm .Lx QCRx== m m Rx 1/14/202220
  22. Chương 7: Đo tần số và góc pha ◼ Tần số và góc pha là các đại lượng đặc trưng cho các quá trình dao động có chu kỳ. ◼ Phép đo tần số sử dụng tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao nhất so với các phép đo khác (10-13 – 10-12) + Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó U(t) = U(t + T) + Tần số f(Hz) được xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong một đơn vị thời gian. + Tần số góc của tín hiệu được xác định bởi biểu thức  = 2 f Tần số, góc pha và chu kỳ liên quan với nhau theo biểu thức:  = .2 Với  là khoảng thời gian chênh lệch T giữa hai tín hiệu 1/14/202221
  23. Đo tần số và góc pha ◼ Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng bao gồm các loại sau: Tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện động). Loại tần số kế này dùng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz – 2,5kHz với cấp chính xác không cao (0,2; 0,5; 1,5 và 2,5) và tiêu thụ điện năng khá lớn Tần số kế điện dung tương tự để đo tần số trong dải từ 10Hz – 500kHz Tần số kế chỉ thị số có thể đo khá chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz – 50GHz. Ngoài ra nó còn được sử dụng để đo tỉ số giữa các tần số, chu kỳ, độ dài xung và khoảng thời gian. 1/14/202222
  24. Đo tần số và góc pha ◼ Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm: Tần số kế trộn tần dùng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu điều chế biên độ trong khoảng 100kHz – 20GHz Tần số kế cộng hưởng để đo tần số trong dải tần 50kHz – 10GHz Cầu xoay chiều phụ thuộc vào tần số để đo tần số trong khoảng 20Hz – 20kHz Máy hiện sóng (oscilloscope) để so sánh tần số cần đo với tần số của máy phát chuẩn, dải tần đo có thể từ 10Hz – 100MHz (loại hiện đại nhất hiện nay có thể lên tới 500MHz) 1/14/202223
  25. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng Tần số kế cộng hưởng điện từ ◼ Cấu tạo Nam châm điện Thanh rung bằng các lá thép có tần số cộng hưởng riêng. Một đầu của thanh rung bị gắn chặt còn một đầu dao động tự do. Tần số dao động riêng của mỗi thanh bằng 2 lần tần số cần đo. Thang đo khắc độ theo tần số, có thể dạng đĩa hoặc dạng thanh 1/14/202224
  26. Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng Tần số kế cộng hưởng điện từ ◼ Dưới tác động của từ trường tạo ra bởi nam châm điện các thanh rung bị hút vào nam châm 2 lần trong một chu kỳ của dòng đưa vào nam châm, do đó tạo nên dao động với tần số gấp 2 lần tần số của dòng đưa vào nam châm. Khi thanh rung có tần số dao động riêng bằng 2 lần tần số cần đo thì nó sẽ dao động với biên độ lớn nhất (hiện tượng cộng hưởng xảy ra) và qua đó xác định được tần số cần đo 1/14/202225
  27. Chương 8: 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 1/14/202226
  28. 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 0 T 0 Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng. T là chu kỳ 1/14/202227
  29. 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 1/14/202228
  30. 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 1/14/202229
  31. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha Có các phương pháp đo cơ bản sau: ◼ Đo theo phương pháp cơ điện: Wattmet điện động Wattmet sắt điện động ◼ Đo theo phương pháp điện: Wattmet chỉnh lưu điện tử Wattmet dùng chuyển đổi Hall Wattmet dùng phương pháp nhiệt điện Wattmet dùng phương pháp điều chế Dùng ADC, Vi xử lý, 1/14/202230
  32. Đo theo phương pháp cơ điện (Wattmet điện động) * ◼ Wattmet điện động (hoặc sắt điện động) là B A * dụng cụ cơ điện để đo công suất thực trong Ru mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một Iu Ux R pha. Cấu tạo chủ yếu của Wattmet điện động Rp là cơ cấu 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 1/14/202231
  33. 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. 1/14/202232
  34. Đo theo phương pháp điện Wattmet 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 1/14/202233
  35. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu Wattmet 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 1/14/202234
  36. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu Wattmet 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. ◼ Milivoltmeter 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 1/14/202235
  37. 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 1/14/202236
  38. 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. 1/14/202237
  39. 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 U S&H Uxt x MUX N A/D x P U S&H N y U y 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. 1/14/202238
  40. 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. 1/14/202239
  41. 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 1/14/202240
  42. 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. 1/14/202241
  43. Giới thiệu ADE7753 ◼ Sơ đồ khối chức năng của ADE 7753 1/14/202242
  44. Giới thiệu ADE7753 1/14/202243
  45. 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 1/14/202244
  46. 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 1/14/202245
  47. Công tơ một pha Cấu tạo: Cuộn dây 1 (tạo nên nam châm điện 1): còn 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): còn 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 5 tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn dây 1, 2. 1 Hộp số cơ khí 5: gắn với trục 4 của đĩa nhôm. 3 Nam châm vĩnh cửu 4: có từ 2 6 trường của nó xuyên qua đĩa nhôm để tạo ra mômen hãm 1/14/202246
  48. 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 1/14/202247
  49. 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 1/14/202248
  50. 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 1/14/202249
  51. 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 1/14/202250
  52. 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. 1/14/202251
  53. 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 1/14/202252
  54. 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: 1/14/202253
  55. 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? U (v¹ch) 88 88 88 88 88 I (v¹ch) 20 40 60 80 100 P (v¹ch) 22 44 66 88 110 N (vßng) 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  = fp( ) bằng đồ thị? 1/14/202254
  56. 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 1/14/202255
  57. 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 1/14/202256
  58. Đo công suất 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) 1/14/202257
  59. Đo công suất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng một Wattmet 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 1/14/202258
  60. Đo công suất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng hai Wattmet + . 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 Wattmet theo một trong 3 cách mắc như sau: 1/14/202259
  61. Đo công suất mạch ba pha ◼ Đo công suất bằng ba Wattmet : 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 Wattmet, công suất tổng bằng tổng công suất của cả 3 watmet PΣ = PA + PB +PC 1/14/202260
  62. 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. 1/14/202261
  63. 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. 1/14/202262
  64. IC Biến đổi vạn năng 3 pha của Analog Devices 1/14/202263