Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 6 doc

Vì điện trở của cuộn thứ cấp rất nhỏ nên có thể coi điều kiện làm việc bình thường của máy biến dòng là chế độ ngắn mạch cuộn thứ cấp.. Cuộn sơ cấp của biến dòng cần phải được cách điện

cảm ứng I1 và I2 Tương tác giữa I1 , I2 và từ trường biến thiên làm phát sinh các lực từ F1 và F2 có phương và chiều chỉ ra trên hình vẽ

Hình 2-60 Cơ cấu đo cảm ứng 2 từ thông

Phân tích F1 và F2 ra 2 thành phần: song song và vuông góc với phương bán kính

⊥

+

F

⊥

+

F

Thành phần hướng theo phương bán kính F1// và F2// không tạo ra mô men quay Thành phần hướng theo phương vuông góc sẽ tạo ra các mô men quay M1 và

M2 ngược chiều nhau Mô men quay tổng cộng sẽ là:

M = M1 – M2 (2-62)

6.4.2 Công tơ cảm ứng một pha

a) Cấu tạo

Trên hình 2-61 là sơ đồ cấu tạo của công tơ cảm ứng một pha hay máy đếm điện năng Về hình thức có nhiều dạng khác nhau, tuy nhiên chúng đều có những chi tiết chính sau:

– Cuộn dây điện áp 1 và cuộn dây dòng

5

6

– Đĩa cảm ứng 3 và trục quay 4;

– Nam châm cản dịu 5;

– Cơ cấu đếm 6

Cuộn dây điện áp 1 còn gọi là cuộn thế

được mắc song song với phụ tải, có mạch từ

làm bằng thép lá kỹ thuật để tránh dòng xoáy

Số vòng dây thay đổi theo giá trị điện áp định

mức của công tơ Với loại 110 V, số vòng dây

từ 3000 ÷ 4000 vòng Với điện áp định mức

220V thì số vòng dây là 6000÷7000 vòng loại

dây đồng có Φ = 0,12÷0,14mm

Cuộn dòng điện 2 mắc nối tiếp với tải Hình 2-61 Công tơ 1 pha

Số vòng dây của cuộn dòng từ 20-30 vòng bằng dây đồng Φ = (1,4÷2,0)mm khi dòng định mức của công tơ là 5A Cỡ dây đảm bảo số ampe-vòng của cuộn dòng cỡ 90÷150Avg

b)Nguyên lý làm việc

Điện năng tiêu thụ trên phụ tải trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 được tính bằng công thức:

= ∫2 (2-63)

1

t

t

W

Máy đếm được thiết kế sao cho vận tốc quay của đĩa tỷ lệ với công suất tiêu thụ trong mạch đo

P = kn (2-64) Trong đó n – Vận tốc quay của điã;

k – Hệ số tỷ lệ, được gọi là hằng số của công tơ

Số vòng mà đĩa quay được trong khoảng thời gian từ t1 ÷ t2 là:

T t

t

t

t

k

Pdt k ndt

2

1

2

1

Công thức (2-65) cho thấy, điện năng mà phụ tải tiêu thụ trong khoảng thời gian t1 đến t2 tỷ lệ với số vòng quay của công tơ sau khoảng thời gian đó

Hệ số tỷ kệ k thường được chọn với các giá trị 600, 1200 và 2400 vòng/1kW

6.4.3 Đo điện năng trong mạch điện 3 pha

a) Dùng công tơ 1 pha

Để đo điện năng trong mạch 3 pha có thể sử dụng các công tơ 1 pha mắc trong mạch tải của mỗi pha Trên hình 2-62 là sơ đồ đo điện năng trong mạch 3 pha 4 dây bằng 3 công tơ 1 pha Điện năng tiêu thụ của phụ tải 3 pha bằng tổng số chỉ của cả 3 công tơ

Z

A

B

C

O

Hình 2-62 Đo điện năng trong mạch 3 pha 4 dây bằng 3 công tơ 1 pha

Cũng tương tự như phần đo công suất trong mạch 3 pha, với mạch điện 3 pha

3 dây có thể sử dụng 2 công tơ 1 pha và mắc theo sơ đồ hình 2-63 Lúc đó điện áp đặt vào cuộn thế của mỗi công tơ sẽ là điện áp dây Điện năng tiêu thụ trên phụ tải bằng tổng số đếm của cả 2 công tơ

W1

1

W2

4 2

A C

Hình 2-63 Đo điện năng trong mạch 3 pha 3 dây bằng 2 công tơ 1 pha

b) Dùng công tơ 3 pha

Trong thực tế để tiện dụng người ta chế tạo các công tơ cảm ứng 3 pha với các

cơ cấu 1 đĩa (hình 64) , 2 đĩa (hình 65, hình 66) và cơ cấu 3 đĩa cảm ứng (hình 2-66)

Hình 2-64 Công tơ 3 pha với cơ cấu 1 đĩa

A C

Hình 2-65 Công tơ 3 pha với cơ cấu 2 đĩa

C

Z

A B

Hình 2-66 Cấu tạo công tơ 3 pha với cơ cấu 2 đĩa cảm ứng

4 3 2

C

Z

A B O

Hình 2-67 Công tơ 3 pha với cơ cấu 3 đĩa cảm ứng

6.5 Biến dòng và biến áp đo lường

6.5.1 Khái niệm chung

Trong mạch điện xoay chiều, để mở rộng giới bạn đo của các dụng cụ người

ta sử dụng các biến áp đo lường Nhiệm vụ của các biến áp và biến dòng là chuyển các giá trị điện áp và dòng điện lớn về các giá trị nhỏ hơn để phù hợp với mạch đo

Các biến dòng và biến áp đo lường còn có tác dụng cách ly mạch điện cao áp với dụng cụ đo để bảo đảm an toàn cho người sử dụng

Về nguyên lý cấu tạo, các biến dòng và biến áp đo lường giống như các biến áp động lực

6.5.2 Biến dòng TI

Biến dòng TI được áp dụng để mở rộng giới hạn đo dòng cho các dụng cụ đo

Sơ đồ nguyên lý của biến dòng TI và cách mắc trong mạch đo như hình vẽ 2-68

Cuộn sơ cấp W1 của TI mắc nối tiếp với tải Z Cuộn thứ cấp W2 được khép kín bằng ampemét hoặc cuộn dòng của wattmét điện động, hoặc cuộn dòng của công tơ điện

Vì điện trở của cuộn thứ cấp rất nhỏ

nên có thể coi điều kiện làm việc bình

thường của máy biến dòng là chế độ ngắn

mạch cuộn thứ cấp

Cuộn sơ cấp của biến dòng cần phải

được cách điện tốt với cuộn thứ và với vỏ

máy Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng

người ta nối đất vỏ máy và một đầu cuộn thứ cấp

Hình 2-68

Điện áp thứ cấp của biến dòng thường từ 1-6V Dòng sơ cấp thay đổi theo tải, còn dòng thứ cấp của mọi máy biến dòng

được thiết lập ở chế độ định mức là 5 A

hoặc 1A

Thông số cơ bản của biến dòng là hệ số biến dòng định mức:

n

n I

I

I k

2

1

với I 1n và I 2n là trị số định mức của dòng sơ cấp và dòng thứ cấp của TI

Hệ số biến dòng định mức k I khác với hệ số biến áp k 21 = W 2 /W 1 một lượng không đáng kể, và trong thực tế với độ chính xác cho phép thường lấy k = k 21

Khi đo, dụng cụ đo được mắc vào cuộn

thứ cấp của TI Giá trị của dòng cần đo sẽ bằng

số chỉ của dụng cụ nhân với hệ số biến dòng định

mức ghi trên dụng cụ

Máy biến dòng cấu tạo theo nhiều dạng

khác nhau, như loại cố định, loại xách tay Để

tiện lợi khi sử dụng người ta thiết kế tổ hợp biến

dòng với dụng cụ đo trong cùng một dụng cụ đo

hợp bộ như ampemét kìm Trên hình 2-69 là hình

dáng của ampemét kìm Ц-91

–Chú ý Chế độ làm việc định mức của máy biến

dòng TI là chế độ ngắn mạch cuộn thứ cấp Do

đó nếu tháo gỡ ampemét ra khỏi biến dòng TI

cần nối tắt 2 đầu dây cuộn thứ, tránh ảnh hưởng

của dòng từ hóa I0 làm tổn hao từ đốt nóng TI

Hình 2-69 Ampemét kìm Ц-91

6.5.3 Biến áp đo lường TU

Biến áp đo lường được dùng để mở rộng thang đo cho các dụng cụ khi làm việc với lưới điện cao thế

Cấu tạo và cách mắc biến áp vào mạch đo như trên hình 2-70 Cuộn sơ cấp

W1 mắc vào lưới điện cần đo, còn cuộn thứ cấp W2 được mắc với đồng hồ đo vôn kế

Giá trị điện áp định mức đối với cuộn sơ

cấp của TU theo ГОСТ từ 380 V ÷ 500kV Với

các điện áp định mức nhỏ hơn 3kV áp dụng chất

cách điện khô, còn khi điện áp cao hơn 3kV phải

sử dụng chất cách điện là dầu Khi điện áp định

mức cuộn sơ là 35kV dùng máy biến áp một cấp,

với các điện áp 110kV và cao hơn phải sử dụng

các máy biến áp từ 2 cấp trở lên

Giá trị điện áp thứ cấp U2 định mức với các biến áp TU là 100V hoặc 3

100 V Bình thường TU làm việc ở chế độ gần như hở mạch vì điện trở của vôn kế vô cùng lớn Điều kiện làm việc bình thường của

TU rất khác với TI Đối với TI dòng sơ cấp I1 có

thể biến thiên trong phạm vi khá rộng, tùy theo

phụ tải Còn với TU thông thường làm việc với điện áp bên sơ cấp biến đổi không nhiều

Hình 2-70 Biến điện áp TU

Thông số cơ bản của TU là hệ số biến áp định mức:

n

n U

U

U k

2

1

=

Trong thực tế các máy biến áp đo lường TU được sản suất với các cấp chính xác 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 và 3

CHƯƠNG III: QUAN SÁT VÀ GHI DẠNG TÍN HIỆU

1 DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ

Trong kỹ thuật đo lường điện và vô tuyến điện, một trong những yêu cầu cơ bản để xác định tín hiệu là quan sát dạng và đo các tham số của tín hiệu Các tín hiệu điện và vô tuyến điện là những hàm biến thiên theo thời gian Do vậy, nếu thực hiện được một thiết bị để vẽ trực tiếp đồ thị biến thiên của tín hiệu theo thời gian thì có thể quan sát được hình dạng và đo lường được các thông số đặc tính của nó

Thiết bị cho phép quan sát và đo đạc các tham số của tín hiệu là máy hiện sóng hay dao động ký điện tử (oscilloscope) Dao động ký điện tử là thiết bị đo thực hiện vẽ dao động đồ và hiện hình dạng sóng tín hiệu nhờ ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) Dao động ký điện tử có thể đo hàng loạt các thông số của tín hiệu: trị đỉnh, trị tức thời của điện áp, dòng điện; đo thời hạn xung, tần số, đo di pha,

đo hệ số điều chế biên độ, vẽ đặc tuyến các linh kiện

Nhờ trở kháng lối vào rất lớn nên phép đo có ưu điểm không làm ảnh hưởng tới chế độ công tác của mạch

Nhờ độ nhạy cao dao động ký điện tử cho phép khảo sát các quá trình rất yếu cả tuần hoàn lẫn quá trình xung với khả năng phân biệt cao

Các dao động ký điện tử được phân loại theo các dấu hiệu khác nhau:

– Phân loại theo dãi tần: tần cao, tần thấp;

– Phân loại theo kênh đo: 1 kênh, 2 kênh, nhiều kênh;

– Phân loại theo số tia điện tử: 1 tia hay nhiều tia;

– Loại có nhớ hay không có nhớ

Nhờ các đặc tính quý báu như trên nên dao động ký điện tử là thiết bị đo cơ bản và quan trọng không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm điện tử

Sơ đồ khối chức năng của dao động ký điện tử 1 chùm tia chỉ ra trên hình 3-1

Khuếch đại kênh Y

đồng bộ

Đồng bộ

ngoài Khuếch đại Tạo chuẩn

thời gian

Đồng bộ trong Đồng bộ lưới 50Hz

Quét đợi Quét liên tục Khuếch đạikênh X Đầu vào Y

Đầu vào X

Y

Y

Lưới M

HV

Hình 3-1 Dao động ký điện tư.û

§ 2 TẦNG KHUẾCH ĐẠI KÊNH Y

Sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại kênh Y như hình 3-2

Hình 3-2 Tầng khuếch đại kênh Y

Điện áp cần khảo sát qua mạch lối vào (DC hoặc AC), sau đó qua bộ suy giảm và đưa vào tầng khuếch đại vi sai trên các transistor Q2,,Q3 Các transistor Q1 và Q4 là các mạch gánh emiter để tạo trở kháng vào lớn

Khi thế lối vào Vi = 0, ta có VB1 = 0 Điều chỉnh biến trở R10 sao cho VB4 = 0 Lúc đó 2 nửa vi sai cân bằng, IC2 = IC3 Sụt áp trên R3 và R6 cho ta các điện áp trên collector của Q1 và Q2 tương ứng bằng nhau Do đó VC2 – VC3 = 0V

Khi có tín hiệu vào theo chiều dương, làm thế đáy VB2 tăng, IC2 tăng dẫn đến

IC3 giảm Dòng IC2 tăng khiến VC2 giảm dưới mức đất, trái lại, dòng IC3 giảm khiến

VC3 tăng trên mức đất Nếu ∆VC2 = –1V thì ∆VC3 = +1V, nghĩa là có 2 điện áp ngược chiều nhau đặt trên collector của Q2 và Q3 Hiệu điện thế này sẽ đặt lên 2 phiến lệch đứng YY của ống tia điện tử

Chiết áp R10 làm nhiệm vụ điều chỉnh mức DC Khi tiếp điểm động của R10 ở giữa, VB4 = 0 (ở mức thế đất) Khi tiếp điểm động của R10 dịch chuyển lên phía trên,

VB4 > 0 , VB3 tăng theo chiều dương làm IC3 tăng, nên IC2 giảm, VC3 giảm và VC2 tăng

Thế này đặt vào phiến lái tia làm chùm electron lệch lên trên tâm màn hình, kết quả toàn bộ hình vẽ nâng lên trên mức DC bình thường Ngược lại, khi tiếp điểm động của R10 dịch xuống phía dưới làm mức DC và toàn bộ hình vẽ dịch xuống dưới

§ 3 HIỆN HÌNH DẠNG SÓNG

Nguyên tắc vẽ dao động đồ của dao động ký điện tử có thể minh họa trên hình 3-3

3.1 Khi chưa có tín hiệu đặt vào các phiến lái tia XX và YY thì chùm tia điện tử sẽ đập vào giữa tâm màn hình Trên màn có 1 vết sáng tròn (hình 3-3,a);

3.2 Khi đặt một điện áp quét dạng răng cưa Ux vào phiến lệch ngang XX, chùm tia điện tử sẽ di chuyển theo phương ngang và vẽ nên một vệt sáng nằm ngang trên màn hình Đây là chế độ quét đợi thường trực của máy hiện sóng (hình 3-3,b)

3.3 Khi chỉ có điện áp xoay chiều hình sin Uy đặt vào phiến lệch đứng YY, chùm tia điện tử sẽ di chuyển theo phương thẳng đứng với tần số của điện áp hình sin Trên màn hình sẽ có 1 vệt sáng thẳng đứng (hình 3-3,c)

3.4 Nếu trên phiến XX tác động điện áp quét Ux, trên phiến lệch đứng YY đặt điện áp xoay chiều hình sin Uy Khi có sự đồng bộ giữa Ux và Uy thì trên màn hình ta sẽ quan sát được dạng sóng của điện áp hình sin (hình 3-3,d) Tùy thuộc vào tỷ số tần số giữa điện áp quét Ux và điện áp hình sin Uy mà trên màn hình ta sẽ quan sát được số chu kỳ của điện áp Uy

–Ví dụ Một sóng tam giác 500 Hz với biên độ đỉnh 50V được đưa vào phiến lệch

đứng YY của ống tia điện tử CRT Trên các tấm lệch ngang XX đặt vào điện áp quét răng cưa tần số 250Hz, biên độ đỉnh 50V CRT có độ nhạy lái tia đứng Sy

= 0,1 cm/V; độ nhạy lái tia ngang Sx = 0,08 cm/V Giả sử hai tín hiệu được đồng bộ hóa Hãy xác định và vẽ dạng sóng trên màn hình

Ta có: Chu kỳ của sóng quét răng cưa (hình 3-4,a) là:

T x = 1/f x = 1/ 250 Hz = 4 ms Với sóng tam giác (hình 3-4,b): Ty= 1/f y = 1/500 Hz = 2 ms;

+ 5 0 V

0

- 1 2 , 5

- 2 5

- 3 7 , 5

- 5 0 V

+ 4 0 V

- 4 0 V

0

m s

1

2

3

4

5

6

7

8

9

a )

b )

c )

y

x 0

Hình 3-4 Nguyên tắc hiện hình dạng sóng

Chùm tia điện tử sẽ dịch chuyển theo sự điều khiển của điện áp đặt vào các phiến lệch đứng và lệch ngang Gọi tọa độ của điểm sáng trên màn hình theo các trục tọa độ Oxy tương ứng Ta hãy xét các thời điểm sau:

– Tại thời điểm t = 0 , điện áp đặt vào các phiến lệch đứng và lệch ngang tương ứng là:

Vy = 0V; Vx = -50V

Như vậy, độ lệch đứng của tia điện tử y = 0, còn độ lệch ngang là:

x = Vx Sx = -50 V 0,08 cm/V = -4 cm

Vị trí của điểm sáng trên màn hình (điểm 1) có tọa độ (-4, 0)

– Khi t = 0,5ms:

Vx = -37,5V; Vy = 40V

Toạ độ của chùm tia điện tử bây giờ sẽ là:

x = Vx Sx = -37,5 0,08 = -3 cm;

y = Vy Sy = 40 0,1 = 4 cm

Điểm 2 trên màn hình có tọa độ (-3, 4)

– Tại t = 1 ms (điểm 3); Vx = -25V, Vy = 0V, x= -25 0,08 = -2cm, y = 0; ứng với tọa độ (-2, 0)

– Tại t = 1,5 ms (điểm 4) ; x = -12,5 0,08 = -1cm; y=-40 0,1 = -4cm

– Tại t = 2 ms (điểm 5); x = 0; y = 0 v.v…

– cho đến thời điểm t = 4 ms (điểm 9), khi đó điểm sáng trên màn hình sẽ có tọa độ tương ứng với (x=4cm, y=0) Trên bảng 3-1 chỉ ra các tham số tương ứng với những tính toán nói trên

Bảng 3-1 Thời điểm

Điện áp Vxx

Điện áp Vyy

Độ lệch ngang

Độ lệch đứng

Đồ thị dạng sóng hiện hình trên dao động ký điện tử chỉ ra trên hình 3-4, c cho thấy sau một chu kỳ của điện áp quét răng cưa Vx trên màn hình ta nhận được 2 chu kỳ của điện áp sóng tam giác Vy

§ 4 BỘ TẠO GỐC THỜI GIAN

4.1 Bộ tạo dao động quét răng cưa

Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo dao động răng cưa chỉ ra trên hình 3-5 Mạch gồm 2 khối chức năng chính là: bộ tạo sóng quét răng cưa và trigger Schmitt không đảo Điện áp lối ra của mạch tạo sóng quét răng cưa V1 được đưa vào lối vào của trigger Schmitt Do độ lợi của mạch khuếch đại thuật toán rất lớn ( ∼20.000) nên mỗi thay đổi nhỏ giữa 2 lối vào của trigger cũng làm cho lối ra của nó ở mức bão hòa

–Nguyên tắc hoạt động Mạch tạo sóng quét răng cưa hoạt động trên cơ sở nạp và

phóng của tụ điện Transistor Q1 và các điện trở thiên áp cho nó tạo nên nguồn dòng

ổn I1 để nạp cho tụ C1 Transistor Q2 đóng vai trò khóa xả cho tụ C1 và được điều khiển bởi xung lối ra của trigger schmitt

Ở trạng thái ban đầu thế lối ra của trigger ở mức bão hòa âm, Q2 khóa, C1 được nạp bằng dòng I1 Thế trên tụ tăng tuyến tính theo quy luật:

1

1 1

C

t I

V =

Khi thế trên tụ đạt mức ngưỡng của trigger schmitt :

5

6

R

R V

V

Trigger chuyển trạng thái lối ra lên bão hòa dương Thế bão hòa này làm cho transistor Q2 nhanh chóng dẫn thông bão hòa, mở đường cho tụ C1 xả nhanh qua Q2 Khi thế trên tụ C1 giảm xuống mức ngưỡng dưới kích trigger chuyển trạng thái lối ra sang bão hòa âm, cấm Q2 và tụ C1 lại được nạp lại Cứ như thế lối ra trên collector Q1

ta có dạng sóng răng cưa với mặt trước tăng tuyến tính, mặt sau gần như dốc đứng

Để thay đổi chu kỳ sóng quét răng cưa, ta có thể thay đổi nguồn dòng I1 bằng cách điều chỉnh biến trở R3, hoặc thay đổi thời hằng của mạch nạp nhờ chuyển mạch tụ C1 ( núm chuyển mạch TIME/DIV trên mặt máy – xem hình 3-5)

Mức ngưỡng dưới Mức ngưỡng trên