Bài giảng Kỹ thuật đo lường (Trương Thị Bích Thanh) - Chương 9 Đo công suất & năng lượng

W Để đo công suất điện năng, ta dùng Wattmeter.. Để đo năng lượng điện năng, ta dùng công tơ... Đo công suất phản kháng Tổng công suất của 2 wattmet trong trường hợp này là.

CHƯƠNG 9: ĐO CÔNG SUẤT & NĂNG LƯỢNG

Nội dung

• Tổng quan

• Đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều 1 pha

• Đo năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• Đo công suất mạch 3 pha

• Đo năng lượng mạch 3 pha

• Đo công suất phản kháng

• Đo công suất và năng lượng trong mạch phản kháng

Tổng quan

• Đo công suất là phép đo rất quan trọng trong kĩ thuật điện

• Dải đo công suất rất rộng, từ 10-20W đến 10+10W

• Trong mạch DC, công suất được tính

• Trong mạch xoay chiều 1 pha, công suất tác dụng

RI

P

0 0

11

Tổng quan

• Khi dòng và áp có dạng hình sin : P = U.I.cosφ

• Công suất toàn phần : S = U.I

• Công suất phản kháng : P = U.I.sinφ

cos

k

k k

k k

P

Tổng quan

• Trong mạch xoay chiều 3 pha:

C C

C B

B B A

A A C

B A

C C

C B

B B A

A A C

B A

I U I

U I

U Q

Q Q

Q

I U I

U I

U P

P P

sin

cos cos

W

Để đo công suất điện năng, ta dùng Wattmeter

Để đo năng lượng điện năng, ta dùng công tơ

cos

t t

2 1

2 1

2 1

2

1

coscos

Đo công suất trong mạch 1 chiều & xoay chiều 1 pha theo phương pháp cơ điện

• Dùng vôn kế và ampe kế

• Công suất đo : Pđo = U.I (U, I : số chỉ vôn kế và ampe kế)

• Theo sơ đồ a : Pthực = U.I – U2/Rv

• Theo sơ đồ b : Pthực = U.I – RA.I2

• Sai số phép đo = tổng sai số 2 phép đo trực tiếp

Bài tập

• Dùng phương pháp Von-Ampe để đo công suất của 1 lò điện

• Vonmet có Rv=10kΩ, khi đo Vonmet chỉ 220V, ampemet có Ra=10

Ω, khi đo ampemet chỉ 15A

• Hãy chọn cách mắc thiết bị đo ? Vẽ sơ đồ?

Đo công suất theo phương pháp cơ điện

• Wattmet điện động

• Cuộn tĩnh (cuộn dòng): cho dòng phụ tải chạy qua, như ampe kế

• Cuộn động (cuộn áp): đặt trực tiếp lên điện áp phụ tải, như vôn kế

• Cuộn tĩnh và cuộn động được nối với nhau ở 2 đầu có đánh dấu *

• Nếu cho 2 dòng I1 , I2 vào 2 cuộn dây thì phần

động sẽ lệch góc α = K.I 1 I 2 cosψψ

• Với mạch 1 chiều:

 α tỉ lệ bậc nhất với công suất tiêu thụ trên tải

Đo công suất theo phương pháp cơ điện

• Với mạch xoay chiều

u=Um.sin(ωt)t)

i = Im sin(ωt)t-φ) = i1

i2 = Ium sin(ωt)t-φu)

• Góc lệch của cuộn động

• Sai số của wattmet là

 Sai số wattmet phụ thuộc cấu trúc wattmet (φu) và tính chất phụ tải (tg φ)

) cos(

cos

p u

u

R R

I U

Đo công suất trong mạch 1 chiều & xoay chiều 1 pha

• Thang chia độ trên wattmet : khắc độ theo hằng số

: giá trị cực đại của độ chia trên thang đo của wattmet

 Khi đó, công suất đo được tính

P = Cwk α

• Đo công suất mạch điện ở tần số thấp hoặc dải tần nhất định

nk nk w

n

U I C

a

=

Đo công suất trong mạch 1 chiều & xoay chiều 1 pha theo phương pháp điện

• Wattmet nhiệt điện : đo công suất ở tần số cao và dải tần rộng

• r : các điện trở rất nhỏ

• i : dòng phụ tải

• pa , pb : công suất tiêu thụ trên các nhiệt điện trở

 Sức điện động sinh ra trên các cặp nhiệt ngẫu Ea = K.pa ; Eb =K.pb

Số chỉ vôn kế : E v = E a – E b = C.P

Đo công suất bằng phương pháp điện

• Wattmet chuyển đổi Hall

• T-T: 2 cực dòng nối với nguồn xoay chiều

• X-X: 2 cực áp

• Thế điện động Hall trên 2 cực X-X

Ex = kx.B.ix

• Tạo wattmet : Đặt chuyển đổi Hall vào khe

hở nam châm điện có từ trường B

 Dòng qua cuộn hút L = dòng qua ZL

dòng qua 2 cực T-T tỉ lệ với điện áp trên ZL

Khi đó, thế điện động Hall :

Ex = k.u.i = k.P : đọc trên milivonmet

• Ứng dụng : đo công suất xoay chiều có tần số đến MHz

Rp : để hạn chế dòng

Đo công suất bằng phương pháp điện

• Wattmet điều chế:

• Đo công suất bằng điều chế tín hiệu

• Các tín hiệu tương tự uu và ui được biến đổi thành tần số, chu kì, biên độ, độ rộng của tín hiệu xung, sau đó lấy tích phân

• Điều chế độ rộng xung với biên độ xung (ĐRX – BĐX)

• Điều chế độ rộng xung với tần số xung (ĐRX - TSX)

• Điều chế tần số xung với biên độ xung (TSX - BĐX)

Đo công suất bằng phương pháp điện

• Xét sơ đồ cấu trúc của wattmet dùng phương pháp ĐRX - BĐX

• Ở đầu ra của điều chế ĐRX, các xung có độ rộng : ti = k.ui

• Ở đầu ra của bộ điều chế BĐX : S(t) = uu.ti = k.uu.ui

• Điện áp ra của bộ tích phân tỉ lệ với công suất trung bình P

Đo năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• Năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• P = U.I.cosφ : công suất tác dụng trên tải

• T = t2 – t1 : thời gian tiêu thụ

• Công tơ 1 pha

• Cấu tạo

• Nam châm điện A: cuộn dòng

• Nam châm điện B: cuộn áp

• Đĩa nhôm Đ

• Nam châm M: tạo momen hãm

• Nguyên lý làm việc

U Pdt

Đo năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• Công tơ 1 pha

• Momen quay của cơ cấu cảm ứng

Mq = k.U.I.sinψ

Nếu đảm bảo θ = β – αI = π/2 thì ψ = π/2 – φ

 Mq = k.U.I.cosφ = k.P

• Hằng số công tơ :

N: số vòng quay của đĩa trong thời gian t

W: năng lượng tiêu thụ của phụ tải trong thời gian t

• Sai số công tơ :

Đo năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• Kiểm tra công tơ điện 1 pha

L2

L1

• Điều chỉnh tự quay của công tơ : đặt điện áp vào cuộn áp wattmet & công

tơ U=UN , chỉnh L1 sao cho dòng qua cuộn dòng của wattmet và công tơ =

0  công tơ phải đứng yên

• Điều chỉnh góc θ = β – αI = π/2

• Kiểm tra hằng số công tơ

Bài tập

• Đo công suất 1 fa của 1 lưới có áp làm việc 400 V dòng tải làm việc

50 A Người ta dùng 1 Wattmet 1 fa có điện áp 220V , dòng 10A cho cosφ =0,97 biết dòng chạy qua Wattmet là 4,2A

• Xác định chỉ số wattmet và công suất phụ tải

Đo năng lượng trong mạch xoay chiều 1 pha

• Công tơ điện tử

• Chế tạo công tơ điện tử

• biến đổi dòng điện thành điện áp tỉ lệ với nó U1 = k1.I

• U2 = k2.U

• Qua bộ nhân U3 = k3.P

• Số chỉ trên cơ cấu chỉ thị N = C.W

Đo công suất mạch 3 pha

• Nguyên lý chung

• Phụ tải: mắc sao hoặc tam giác, đối xứng hoặc không đối xứng

• uAB , uBC , uAC : giá trị tức thời điện áp dây

• uAN , uBN , uCN : giá trị tức thời của điện áp pha

• iA , iB , iC : giá trị tức thời của dòng điện pha

 iA + iB + iC = 0

P∑ = uAN.iA + uBN.iB + uCN.iC

Công suất mạch 3 pha được tính

P∑ = iA .uAC+ iB.uBC = iB.uBA + iC.uCA = iA.uAB + iC.uCB

Đo công suất mạch 3 pha

• Đo công suất bằng 1 wattmet

• Mạch 3 pha có phụ tải hình sao đối xứng

Đo công suất mạch 3 pha

• Đo công suất bằng 1 wattmet

• Mạch 3 pha có phụ tải tam giác đối xứng

Đo công suất mạch 3 pha

• Đo công suất bằng 1 wattmet

• Mạch 3 pha có phụ tải tam giác đối xứng

• Đo điện áp ở ngoài nhánh phụ tải

Đo công suất mạch 3 pha

• Tính toán công suất theo ud và uf

• Theo đại lượng pha

PΣ = 3.PA = 3Uf.If.cosφ

• Theo đại lượng dây

•

Đo công suất mạch 3 pha

• Đo công suất bằng 2 wattmet

• P∑ = iA .uAC + iB.uBC (pha C làm pha chung) hoặc P∑ = iB.uBA + iC.uCA (pha A làm pha chung) hoặc P∑ = iA.uAB + iC.uCB (pha B làm pha chung)

Đo công suất mạch 3 pha

• Đo công suất bằng 3 wattmet

• Mạch 3 pha có tải hình sao, có dây trung tính  mạch có phụ tải không đối xứng

• Cuộn áp của wattmet được mắc vào điện áp pha UAN , UBN , UCN

• Cuộn dòng là các dòng điện pha IA , IB , IC

• Công suất tổng: P∑ = PA + PB + PC

Đo năng lượng trong mạch 3 pha

• Đo năng lượng bằng công tơ 1 pha

• Đo năng lượng bằng 1 công tơ

• Đo năng lượng bằng 2 công tơ

• Đo năng lượng bằng 3 công tơ

• Đo năng lượng bằng công tơ 3 pha

• Công tơ 3 pha 2 phần tử

• Công tơ 3 pha 3 phần tử

Đo năng lượng trong mạch 3 pha

• Công tơ 3 pha 2 phần tử

• Phần động : 2 đĩa nhôm quay quanh cùng 1 trục

• Phần tĩnh : 2 cuộn dòng nối tiếp phụ tải, 2 cuộn áp có pha chung mắc song song với phụ tải

• Nam châm vĩnh cửu

• Năng lượng đo = năng lượng tổng của mạch 3 pha

Đo công suất phản kháng

• Công suất phản kháng

• Q = U.I.sinφ

• Không gây ra công, không truyền năng lượng

• Gây mất mát năng lượng trên dây truyền tải điện

• Đo công suất phản kháng trong mạch 1 pha

• Có thể dùng các wattmet điện động và sắt điện động

• Cần tạo góc lệch γ = π/2 giữa vectơ dòng và áp của cuộn áp trong wattmet

• Cuộn áp của wattmet mắc song song với R1 và mắc nối tiếp với L2 và R2

Đo công suất phản kháng

Q S

I Z

U k I

Đo công suất phản kháng

• Công suất phản kháng trong mạch 3 pha

• Q∑ = UφA IφA sinφA + UφB IφB sinφB + UφC IφC sinφC

• Khi tải đối xứng : Q∑ = 3.UΦ.IΦ.sinφ = √3 Ud.Id.sinφ

Trong trường hợp này công suất đo được sẽ là

PA = UBC.IA.cos(90 – φ) = Ud.Id.sinφ = QA

Công suất phản kháng tổng sẽ là

Q∑ = QA = Ud.Id.sinφ

Đo công suất phản kháng

Tổng công suất của 2 wattmet trong trường hợp này là

Đo công suất phản kháng

• Tổng công suất trên 3 wattmet sẽ là

P1 + P2 + P3 = UBC.IA.cosγ1 + UCA.IB.cosγ2 + UAB.IC.cosγ3

γ1 = 90o – φ1

• Nếu UAB = UBC = UCA thì

P1 + P2 + P3 = Ud (IA.sinφ1 + IB.sinφ2 + IC.sinφ3)

• Công suất phản kháng tổng sẽ là :

Đo công suất và năng lượng trong mạch cao áp

• Sử dụng biến áp và biến dòng đo lường.