nghiên cứu, thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất phản kháng chỉ thị kim dùng ic mcp3905

Áp dụng những công nghệ tiên tiến là IC đo điện năng chuyên dụng của Analog Device chúng em đã thực hiện đề tài nghiên cứu‘‘ Nghiên cứu, thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY ĐO CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD : TS TRƯƠNG VIỆT ANH

CNĐT : NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH - 05102067

TP HỒ CHÍ MINH – 04/2010

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh Page i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM -o0o -

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Họ và tên sinh viên: AN VĂN HÀ MSSV: 05102031

NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH MSSV: 05102067

Lớp : 051022C Ngành: Điện Công Nghiệp

1 Tên Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học:

“ Nghiên Cứu, Thiết Kế Máy Đo Công Suất Tác Dụng Và Công Suất Phản Kháng Dùng

IC MCP3905 Chỉ Thị Kim”

2 Nội dung phần lý thuyết

 Tính cần thiết của đề tài

 Các phương pháp đo công suất tác dụng và công suất phản kháng

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của IC MCP3905

 Ứng dụng phương pháp vòng khóa pha vào đề tài

 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch đơn ổn dùng LM331

3 Nội dung phần thực hành :

 Thiết kế lại sơ đồ nguyên lý mạch đo công suất P dùng IC MCP3905

 Vẽ sơ đồ mạch in và thi công mạch

 Tiến hành thí nghiệm và đối chứng với đồng hồ đo trên phòng thực tập

4 Ngày hoàn thành đề tài: 30/05/2010

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh Page ii



Hầu hết các thiết bị đo điện năng ở nước ta hiện nay là các thiết bị cơ, thời

gian sử dụng đã lâu, nên nhu cầu thay thế bằng các thiết bị đo kỹ thuật số với

những tính năng vượt trội là một xu thế tất yếu Tuy nhiên, chủ yếu chúng ta

vẫn nhập ngoại các thiết bị số này với giá thành rất cao Do đó việc nghiên cứu,

chế tạo các thiết bị đo điện hiện đại trong nước là cần thiết, có ý nghĩ về cả

mặt khoa học và kinh tế Áp dụng những công nghệ tiên tiến là IC đo điện

năng chuyên dụng của Analog Device chúng em đã thực hiện đề tài nghiên

cứu‘‘ Nghiên cứu, thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất phản

kháng dùng IC MCP3905 chỉ thị kim ’’ với độ chính xác phù hợp với các

tiêu chuẩn kỹ thuật trong phòng thực tập và với giá thành thấp

Với những yêu cầu đặt ra là phù hợp với các yêu cầu về mặt kỹ thuật và

kinh tế thì việc sử dụng bộ chỉ thị kim là rất thuận lợi Bởi vì bộ hiện thị kim

mang lại tính trực quan cho học sinh, sinh viên thực hành trong các phòng

thực tập của trường và có giá thành thấp so với bổ chỉ thị số

Chúng em hy vong đề tài này được phát triển tốt hơn, để có thể sử dụng

rộng rãi trên thị trường với những tinh năng mới và có độ chính xác cao hơn,

đem lại những lợi ích về mặt kinh tế cho xã hội

Nhóm thực hiện đề tài

An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh Page iii



Qua 6 tháng thực hiện đề tài, với những sự lỗ lực của bản thân Chúng em

đã nghiên cứu tài liệu và tiến hành thi công để tạo ra sản phẩm cùng với sự giúp

đỡ rất nhiệt tình và tận tâm của TS Trương việt Anh Thầy đã chỉ dạy rất nhiều

điều và cho chúng em rất nhiều ý tưởng mới

Trong quá trình làm đề tài chúng em thấy mình học hỏi được rất nhiều thứ

từ việc giải quyết vấn đề, làm việc nhóm, biết chịu trách nhiệm với chính mình

trong công việc, làm việc hết mình để hoàn thành đúng công việc trong thời hạn

cho phép

Một lần nửa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trương Việt Anh là

thầy hướng dẫn đề tài này với tất cả sự chân thành của chúng em Thầy đã cho

chúng em những kinh nghiệm thực tế trong việc thiết kế, thi công mạch

Nhóm thực hiện đề tài

An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh Page iv

Phần A : GIỚI THIỆU

Lời mở đầu iv

Lời cảm ơn v

Phần B : NỘI DUNG CHƯƠNG I: DẪN NHẬP I Lịch sử của kỹ thuật đo lường: 1

II Sự cần thiết của đề tài 3

III Vấn đề cần giải quyết trong đề tài 5

IV Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 6

V Phương pháp nghiên cứu 6

VI Dàn ý nội dung đề tài 7

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN I Tính cần thiết của việc đo công suất P, Q: 9

II Các phương pháp đo P, Q đang dùng hiện nay: 10

A Phương pháp đo trực tiếp: 13

B Phương pháp đo gián tiếp: 15

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh Page v

III Các loại máy đo công suất trên thị trường: 29

IV Phương pháp đề xuất (đo công suất P, Q dùng IC MCP 3905): 30

CHƯƠNG III: THỰC HIỆN I Phương pháp vòng khóa pha: 35

II Nguyên lý mạch đo công suất tác dụng P: 37

III Nguyên lý mạch đo công suất phản kháng Q: 41

IV Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905: 42

CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH I.Vẽ sơ đồ nguyên lý, sơ dồ mạch in và giải thích từng khối: 51

II Thí nghiệm và kiểm chứng: 60

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN Những vấn đề đã làm được và hướng pháp triển 61

Tài Liệu Tham Khảo 62

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 1

Chương I: Dẫn Nhập

Trong hệ thống điện có rất nhiều các đại lượng mà chúng ta cần phải xác định, để đưa ra được các biện pháp vận hành, bảo trì, sửa chữa hệ thống điện theo đúng các tiêu chuẩn về kinh tế và kỹ thuật của hệ thống điện đó

Các đại lượng điện (điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng) là rất quan trọng trong hệ thống điện Để xác định được các đại lượng này ta phải dùng các phương pháp đo lường phù hợp với các yêu cầu về kỹ thuật mà từng phép đo yêu cầu Các yêu cầu trong đo lường các đại lượng điện là:

 Độ nhạy phải thích hợp

 Tiêu thụ năng lượng ít

 Tốc độ đáp ứng phải nhanh

 Dễ tương thích truyền tín hiệu đi xa

 Độ tin cậy cao

 Độ linh hoạt cao phù hợp với các vấn đề đo lường

I Lịch sử của đo lường các đại lượng điện

Trong vật lý và công nghệ, đo lường được thực hiện bằng cách so sánh giữa đại lượng vật lý cần đo với đại lượng vật lý cùng thể loại, nhưng ở những điều kiện tiêu chuẩn (thường là không thay đổi theo thời gian) gọi là đơn vị đo Việc đo này đem lại một con số thể hiện mối liên hệ về độ lớn giữa đại lượng cần đo và đơn vị đo Đồng

thời, nếu có thể, đo lường cũng cho biết sai số của con số trên (sai số phép đo)

Trong hệ thống đo lường hiện nay thì có 2 hệ thống đo lường chính đó là hệ thống đo lường dạng tương tự và hệ thống đo lường dạng số

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 2

a Hệ thống đo lường dạng tương tự

Hình 1:Sơ đồ khối hệ thống đo lường tương tự

Với hệ thống đo lường dạng tương tự thì vẫn còn một số nhược điểm như là độ nhạy thấp, tiêu thụ năng lượng lớn, tốc độ đáp ứng chậm và sai số của phép đo cao Để khắc phục những nhược điểm trên thì ngày nay ta thường dùng hệ thống đo lường dạng số

b Hệ thống đo lường dạng số

Hình 2:Sơ đồ khối hệ thống đo lường dạng số Với sự phát triển của máy tính cá nhân, hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số dùng

PC để tự động hóa hệ thống đo lường ở mức độ cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng

Do đó chúng ta bước sang một giai đoạn mới ‘ máy tính hóa thiết bị đo lường’

Mạch điều chế tín hiệu

Cảm biến

Mạch điều chế tín hiệu

Cảm biến

Mạch

so sánh

Thiết bị điều khiển

Cảm biến

Thiết bị điều khiển

Hiện thị kết quả

Mạch điều chế tín hiệu

Cảm biến

Bộ điều khiển logic (ADC,S/H)

Cảm biến

µPThiết bị điều

khiển

Chương trình

Thiết bị điều khiển

Bộ xử lý

số

Bộ chỉ thị

số

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 3

Trong hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số, tín hiệu dạng Analog được chuyển đổi sang tín hiệu dạng số (digital) bằng các mạch ADC để cho bộ vi xử lý (µP) hoạt động, sau đó muốn có dạng Analog để sử dụng, chúng ta dùng mạch DAC để chuyển đổi lại

II Tính cần thiết của đề tài

Ở nước ta hiện nay công nghiệp hoá ngày càng phát triển, nhiều nhà máy được xây dựng, vậy nên năng lượng và công suất là yếu tố rất cần thiết, và việc mua bán năng lượng trở nên phổ biến

Việc xác định công suất và năng lượng là một phép đo rất cần thiết Việc nâng cao độ chính xác của phép đo đại lượng này có ý nghĩa rất to lớn trong nền kinh tế quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng, đến việc tìm những

nguồn năng lượng mới, đến việc tiết kiệm năng lượng

Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ thì mỗi phần tử của mạng điện do có tổng trở đều gây tổn thất công suất và điện áp

Tổn thất công suất gây ra tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm tăng giá thành truyền tải điện và đưa đến hiệu quả kinh tế kém

Tổn thất điện áp tạo nên điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp quá, ảnh hưởng đến chất lượng điện

Tổn thất điện năng thì có 2 loại đó là tổn thất điện năng kỹ thuật và tổn thất điện năng phi kỹ thật

 Tổn thất điên năng kỹ thuật (A KT) là tổn thất gây ra bởi các phần tử của mạng điện do có tổng trở (tổn thất công suất trên đường dây, trên máy biến

áp, các thiết bị đóng cắt mạng điện…)

 Tổn thất điện năng phi kỹ thuật (A PKT) là tổn thất do sự thiếu ý thức của người sử dụng điện như là câu điện mà không qua đồng hồ đo điện năng

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 4

Vì những nguyên nhân trên, thì việc xác định tổn thất công suất dùng đồng hồ

đo công suất tác dụng có ý nghĩa quan trọng cả về mặt kinh tế và kỹ thuật Dưới đây chúng em trình bày sơ đồ đo điện năng trong hệ thống điện

Hình 3: Sơ đồ mắc đồng hồ đo điện năng trong hệ thống điện

Mà A KT ta có thể tính toán được thông qua tổn thất công suất tác dụng P

(A KT  P t KWh ( ), nhưng tổn thất công suất phi kỹ thuật thì ta ít có khả năng tính toán trước được và chỉ có dùng đồng hồ đo thì mới xác định được

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 5

Qua đó ta thấy việc tiến hành đo điện năng là rất cần thiết do vậy chúng em tiến hành làm đề tài này với mong muốn công trình nghiên cứu của chúng em sẽ mang lại tính thiết thực cao và có thể đem lại một nguồn lợi cho nước nhà

III Vấn đề cần giải quyết trong đề tài

 Thết kế đồng hồ đo công suất dùng IC MCP3905 dùng phương pháp vòng khóa pha

 Đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật

Ngày nay các đồng hồ đo công suất của hệ thống điện là phải đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật sau:

 Độ nhạy phải thích hợp

 Tiêu thụ năng lượng ít

 Tốc độ đáp ứng phải nhanh

 Độ tin cậy cao

Tùy vào việc sử dụng đồng hồ để đo trong mỗi trường hợp ( trong phòng thí nghiệm, trong công nghiệp và dân dụng) mà ta áp dụng những tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp Trong đề tài của chúng em là ‘Thiết kế thi công máy đo công suất P dùng IC MCP3905 chỉ thị kim’’ và được sử dùng trong phòng thực tập D406 của trường ĐH SPKT là phù hợp với các tiêu chuẩn về kỹ thuật trong phòng thực tập

Sản phẩn của đề tài mang tính trực quan là có các khối đo rất dễ hiểu ( khối nguồn, khối đo công suất và khối đơn ổn) và thích hợp sử dụng trong phòng thực tâp, thí nghiệm

 Đảm bảo sự an toàn khi sử dụng đồng hồ

Với việc sử dụng IC MCP3905 và bộ hiện thị kim và nguồn sử dụng cho mạch

là dùng nguồn 5V vì vậy là rất an toan cho người sử dụng đồng hồ đo trong quá trình thí nghiệm cũng như thực tập

 Đảm bảo được điều kiện kinh tế

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 6

Bên cạnh việc đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật thì cũng phải đảm bảo điều kiện kinh tế để dự án đó có thể khả thi Trong đề tài này thì với phương pháp dùng IC MCP3905 và bộ chỉ thị kim với chi phí thiết kế rẻ và phù hợp để sử dụng trong phòng thực tập và thí nghiệm

IV Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

Mục tiêu:

 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905

 Nghiên cứu phương pháp vòng khoá pha

 Tiến hành triển khai và kiểm định trong thực tế với đồng hồ đo P trong phòng thực tập D406

Nhiệm vụ:

 Nghiên cứu lý thuyết vòng khoá pha

 Nghiên cứu sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động của IC MCP3905

 Xây dựng mô hình mạch đo lường P,Q chỉ thị kim bằng IC MCP3905

 Xây dựng bộ tải phù hợp phục vụ thí nghiệm kiểm tra tính chính xác của đồng

hồ đo

 Nhận xét và phân tích kết quả nhận được

V Phương pháp nghiên cứu

Với những mục tiêu và nhiệm vụ trên thì chúng em dùng phương pháp thí nghiệm và kiểm chứng trên mô hình thực tế

Khi đã thiết kế được mạch đo công suất P dùng IC MCP3905 gồm 3 khối ( khối nguồn, khối đo công suất tức thời và khối đơn ổn) chúng em dùng đồng hồ đo công suất chuẩn trên phòng thực tập D406 để kiểm chứng và xác định thang đo cho phù hợp

và chính xác với giá trị cần đo

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 7

VI Giàn ý nội dung của đề tài

Để đạt được mục tiêu và đi đúng phương pháp mà đã vạch ra thì đề tài bao gồm

5 chương với đề cương như sau:

Chương I: Chương dẫn nhập

I Lịch sử của kỹ thuật đo lường

II Sự cần thiết của đề tài

III Vấn đề cần giải quyết trong đề tài

IV Mục tiêu và nhiệm của đề tài

V Phương pháp nghiên cứu

VI Dàn ý nội dung của đề tài

Chương II: Tổng quan

1 Tính cần thiết phải đo P,Q

2 Các phương pháp đo P,Q đang dùng hiện nay

3 Các loại máy đo công suất P,Q trên thị trường

4 Nhận xét các phương pháp đo và so sánh các phương pháp đo trên

5 Phương pháp đo công suất P dùng IC MCP3905 (những mặt mạnh

và những cải tiến so với các phương pháp đo khác)

Chương III: Thực hiện

1 Trình bày phương pháp vòng khóa pha

2 Nguyên lý mạch đo công suất tác dụng

3 Nguyên lý mạch đo công suất phản kháng

4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905

Chương IV Thi công mạch

1 Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch đo và giải thích

2 Vẽ sơ đồ mạch in

3 Thí nghiệm và kiểm chứng

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh Page 8

Chương V: Tổng kết

1 Những vấn đề đã làm được trong đề tài

2 Hướng pháp triển của đề tài

3 Tài liệu tham khảo

Chương II Tổng Quan

1 Tính cần thiết của việc đo P,Q

Như chúng ta đã biết trong hệ thống điện các đại lượng điện (điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản kháng) là rất quan trọng Muốn đánh giá được sự hoạt động của mạng điện ở trạng thái ổn định hay không thì ta phải xác định được các thông số điện áp, dòng điện và công suất

Để biết sự quan trọng của việc xác đinh các đại lượng P,Q trong mạng điện thì trước tiên ta phải định nghĩa được P,Q

- Tất cả máy điện và thiết bị vận hành trong hệ thống điện xoay chiều đều chuyển đổi điện năng thành cơ năng Điện năng này là điện năng tác dụng hay còn gọi là năng lượng hữu công P(kW)

- Để thực hiện quá trình biến đổi này cần năng lượng từ trường do nguồn cung cấp đó là năng lượng Q không sinh ra công mà chỉ chạy trong lưới điện vì vậy còn gọi là công suất vô công

- Ngoài công suất tác dụng P các thiết bị điện cũng như các phần tử trong hệ thống điện còn tiêu thụ công suất phản kháng Q Động cơ không đồng bộ tiêu thụ 60%-65%, MBA 20%-25% công suất phản kháng của lưới điện, phần còn lại là đo đường dây và các phần tử khác tiêu thụ

- Tiêu thụ công suất phản kháng không phụ thuộc vào công suất tác dụng và được biểu diễn bằng các thông số và chế độ làm việc của lưới điện Công suất phản kháng được tiêu thụ bởi bất cứ phần tử nào, trong đó dòng điện trễ pha so với điện áp

- Công suất phản kháng do máy phát và đường dây sinh ra không thể đủ cung cấp cho

cả lưới điện, đặc biệt trong giờ cao điểm Mặt khác truyền tải công suất phản kháng từ hệ thống điện đến phụ tải là một việc làm hết sức lãng phí Vì vậy cần phải lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng ngay trong lưới điện phân phối và điều khiển công suất của chúng theo tải

Từ các lý do trên thì việc xác định công suất tác dụng P, và công suất phản kháng Q là hết sức cần thiết và quan trọng Khi ta đã có được các thông số đó rồi ta có thể đánh giá được

sự hoạt động của hệ thống điện từ đó đưa ra được các phương pháp điều chỉnh P,Q trong hệ thống điện để hệ thống điện hoạt động một cách ổn định

Ví dụ về sự truyền tải công suất phản kháng và tác dụng

Ta xem xét trường hợp truyền tải công suất

U

X Q

U

X Q R P U

 , P = k*q

trong đó: I - dòng điện trong mạch

U - điện áp rơi trên phụ tải với điện trở R

P - lượng nhiệt toả ra trên phụ tải trong một đơn vị thời gian 2.2 Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha

Được xác định như là giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T:

Trong trường hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác dụng được tính là :

P =U.I.cos 

Hệ số cos được gọi là hệ số công suất

khi phụ tải là thuần điện trở tức là, khi cos = 1.khi đó P =U.I

Trong trường hợp chung nếu một 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

S

 và khi hình Sin thì K p Cos

2.3 Công suất tác dụng trong mạch 3 pha:

Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là :

P = PA + PB + PC = UAIA cosA + UBIB cosB + UCIC cosC

Q = QA + QB + QC = UAIA sinA + UBIB sinB + UCIC sinC

với: U, I: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng

C: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng

Hiện nay thì chủ yếu sử dụng 2 phương pháp đo P,Q đó là đo trực tiếp và gián tiếp hay còn gọi là phương pháp cơ điện và phương pháp điện

A Phương pháp đo trực tiếp

Phương pháp trực tiếp dùng watt-kế cơ cấu điện động hoặc sắt điện động

 Watmet điện động

 Watmet sắt điện động

B Đo theo phương pháp gián tiếp:

phương pháp này ta dùng vôn-kế và ampe-kế

Watmet chỉnh lưu điện tử

Watmet dùng chuyển đổi Hall

Watmet dùng phương pháp nhiệt điện

Watmet dùng phương pháp điều chế

A.1.0 cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Watt kế

a) Cấu tạo:

Hình 2.0 cấu tạo watt kế một pha

- Watt kế bao gồm 2 cuộn dây Cuộn dòng điện ( cuộn dây cố định), cuộn điện áp (cuộn dây di động)

- Cuộn dòng được nối nối tiếp với mạch và cuộn áp được nối song song với mạch

- Cuộn áp mang kim chỉ thị

b) Nguyên lý hoạt động:

- Khi dòng điện chạy qua cuộn dòng điện và cuộn sẽ tạo ra một từ trường quanh cuộn dòng và cuộn áp, Lực từ do cuộn dòng tạo ra tỉ lệ với dòng điện và tác dụng lên cuộn di động một lực làm cho cuộn di động quay đồng thời kim chỉ thị cũng quay theo

- Độ lệch của kim chỉ thị thì tỉ lệ với cả dòng điện và điện áp

Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo biểu thức sau:

- Giá trị điện trở cao được mắc nối tiếp với cuộn áp để làm giảm dòng điện chạy qua nó

A.1.1 Phương pháp đo trực tiếp

Trong thực tế thường đo trực tiếp công suất bằng watmet điện động và sắt điện động Những dụng cụ đo này có thể do công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng như tần số siêu âm đến 15kHz Với watmet điện động có thể đạt tới cấp chính xác là 0,010,1 với tần số dưới

200Hz và trong mạch một chiều, ở tần số từ 200Hz  400Hz thì sai số đo là 0,1%

và hơn nữa Với watmet sắt điện động với tần số dưới 200Hz sai số đo là 0,1  0,5

% còn với tần số từ 200Hz  400Hz thì sai số đo là 0,2 % và hơn nữa

Hình 2.1 Đo công suất bằng watmet điện động

A.1.2 Đo công suất trong mạch một chiều bằng watmet điện động:

Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo biểu thức sau:

A.1.3 Đo công suất trong mạch xoay chiều một pha bằng watmet điện động:

Tương tự trong mạch một chiều thì Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo biểu thức sau:

Nếu dM12 / d  const thì:  = s.U.I cos( - ).cos

Từ biểu thức trên thấy số chỉ của watmet tỉ lệ với công suất khi  = 0 hoặc khi  = 

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

Điều kiện thứ hai là  =  không thực hiện được vì dòng điện trong cuộn áp Iu

không bao giờ trùng pha với dòng điện Ii trong cuộn dòng

Sai số của phép đo còn xảy ra do sự tiêu thụ công suất trên các cuộn dây của watmet

Từ 2 nhận xét trên thì Watmet điện động luôn có một sai số gọi là sai số góc

Với cos n là hệ số cos quy chuẩn cho loại watmet được sử dụng.

Vậy phương pháp trên thi gây ra sai số dẫn đến kết quả đo không chính xác vì vậy ta phải khắc phục sai số đó bằng phương pháp đo gián tiếp

B.1.1 Đo bằng phương pháp đo gián tiếp (phương pháp điện)

Khi đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha theo phương pháp điện thì phép nhân được thực hiện bởi mạch nhân điện tử tương tự và số Tín hiệu ra của chúng là hàm của công suất cần đo

B.1.2 Đo công suất bằng watmet chỉnh lưu điện tử:

1 1

Mạch nguyên lý của một watmet chỉnh lưu điện tử với mạch bình phương

được thực hiện bằng một điốt bán dẫn như hình 2.2 Watmet có hai điện trở trong mạch dòng là RS1 = RS2 có giá trị của nhỏ hơn rất nhiều so với tổng trở tải ZL và hai điện trở R3 và R4 trong mạch áp Các điện rở R3 và R4 thực hiện vai trò của mạch phân áp vì vậy (R3+R4) lớn hơn rất nhiều so v ới điện trở tải ZL

Điện áp rơi trên các điện trở shunt RS1 = RS2 tỉ lệ với dòng tải k1i Điện áp rơi trên

điện trở R3 của mạch phân áp tỉ lệ với điện áp rơi trên phụ tải k2u

Theo mạch điện thì điện áp u1 và u2 trên các điốt D1 và D2 sẽ tương ứng là :

Hình 2.2 Mạch nguyên lý của một watmet chỉnh lưu điện tử với mạch bình phương

dòng qua cơ cấu chỉ thị sẽ là:

với P là công suất cần đo, vậy đọc kết quả của cơ cấu chỉ thị từ điện sẽ suy ra được kết quả cần đo

Kết luận: Các đặc điểm cơ bản của watmet chỉnh lưu điện tử dùng điốt: có

độ chính xác không cao (chủ yếu là do đặc tính của các điôt không giống nhau) Sai số cỡ 1,56% Độ nhạy thấp, công suất tiêu thụ lớn Dải tần tín hiệu khoảng vài chục kHz

B.2.1 Đo công suất watmet dùng chuyển đổi Hall:

chuyển đổi một từ trường thì xuất hiện ở hai đầu X-X một thế điện động gọi là thế

điện động Hall được tính như sau:

e x k x B.i x

với: kx: là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình

dáng của chuyển đổi, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường xung quanh và giá trị của từ trường

B: là độ từ cảm của từ trường

Như vậy thế điện động Hall sẽ tỉ lệ với công suất nếu như một trong hai đại lượng trên (ví dụ B) tỉ lệ thuận với điện áp u, còn dòng ix là dòng qua phụ tải

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý của watmet dùng chuyển đổi Hall

Thực hiện một watmet bằng chuyển đổi Hall bằng cách đặt chuyển đổi vào khe

hở của một nam châm điện Dòng điện đi qua cuộn hút L của nó chính là dòng điện

đi qua phụ tải ZL.Còn ở hai cực T-T có dòng điện tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL

Điện trở phụ RP để hạn chế dòng Hướng của từ trường được chỉ bởi đường nét đứt (H 2.3):

Thế điện động Hall lúc đó sẽ được tính:

phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu uu (tỉ lệ với

điện áp trên tải cần đo) và ui (tỉ lệ với dòng điện trên tải cần đo) trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung 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

Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại điều chế sau đây:

 Điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung: (ĐRX-BĐX)

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

 Điều chế tần số xung và biên độ xung: TSX-BĐX

Xét watmet dựa trên phương pháp ĐRX–BĐX: có sơ đồ cấu trúc như hình 2.4a

và nguyên lý như hình 2.4b

Hình 2.4 Watmet theo phương pháp điều chế độ rộng xung với

điều chế biên độ xung (ĐRX-BĐX):

a) Sơ đồ khối b) Biểu đồ thời gian

Tín hiệu vào ui được điều chế thành độ rộng t của xung (ĐRX) được phát

ra từ máy phát tần số chuẩn f 0  1/ T0 Ở đầu ra của điều chế ĐRX có các

xung với độ rộng ti = k.ui, tín hiệu này sẽ được đặt vào bộ điều chế biên độ

xung BĐX và được điều chế biên độ bằng tín hiệu uu(t)

Khi T0  0 thì diện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ tỉ lệ với công suất tức thời :

S(t) = uuti = k.uuui Như vậy điện áp ra của bộ tích phân (TP) sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung bình

P (H.10.5b)

Sai số của các watmet sử dụng các cặp điều chế là ở chỗ độ dài của chu kì điều chế bị hạn chế Điều này làm cho dải tần bị hạn chế

II Đo công suất trong mạch 3 pha

Nguyên lý chung:

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) (H 10.9a):

Hình 10.9 Các cách mắc phụ tải trong mạch 3 pha:

a) Mắc hình sao b) Mắc hình tam giác

Về nguyên tắc có thể biến đổi từ hình sao ra hình tam giác được (sơ đồ tương đương) và ngược lại

Phụ tải ở đây có thể đối xứng (ở cả 3 dây đều như nhau) hoặc không đối xứng Trong thực tế phụ tải thường không đối xứng nhưng khi vận hành lưới điện người ta

cố gắng tạo ra phụ tải đối xứng (hay gần đối xứng) như thế sẽ có lợi nhất cho máy phát và cho lưới điện

Để thực hiện lưới đo công suất tổng trong mạch 3 pha, ta xét trường hợp chung là mạch 3 pha 3 dây Ví dụ: tải hình sao không có dây trung tính (H 10.9a), phụ tải bất

kỳ (đối xứng hay không đối xứng):

Các điện áp uAB, uBC, uAC là các giá trị tức thời của điện áp dây; uAN, uBN, uCN là các giá trị tức thời của điện áp pha ; iA, iB, iC là các giá trị tức thời của dòng điện

Dựa vào kết quả này công suất của mạch 3 pha có thể viết theo một trong

3 công thức sau đây :

P = uACiA + uBCiB ; P = uABiA + uCBiC ; P = uBAiB + uCAiC Như vậy trong mạch 3 pha sử dụng điện áp dây và dòng điện pha ta có thể chỉ

sử dụng hai watmet là đủ

Chứng minh trên đây phù hợp với tải bất kỳ và mạch chỉ có 3 dây (tải hình sao hay hình tam giác không có dây trung tính) Từ đó ta có thể rút ra các phương pháp

đo công suất sau đây:

 Đo công suất bằng một watmet

 Đo công suất bằng hai watmet

 Đo công suất bằng ba watmet

1 Đo công suất bằng một watmet:

- Nếu như mạch 3 pha có phụ tải hình sao đối xứng: Chỉ cần đo công suất ở

một pha của phụ tải sau đó nhân 3 ta nhận được công suất tổng (H.1.1):

P = 3.P

Hình 1.1 Đo công suất trong mạch 3 pha có phụ tải hình sao đối xứng

- Nếu mạch 3 pha có phụ tải là tam giác đối xứng: Chỉ cần đo công suất ở

một nhánh của phụ tải sau đó nhân 3 sẽ nhận được công suất tổng (H.1.2):

Hình 1.2 Đo công suất trong mạch 3 pha có phụ tải là tam giác đối xứng

- Trong trường hợp phụ tải nối theo hình tam giác đối xứng mà ta

muốn đo ở ngoài nhánh phụ tải thì phải tạo ra một điểm trung tính giả bằng cách

nối với hai pha khác hai điện trở bằng đúng điện trở của cuộn áp ru của watmet

Sau đó tiến hành đo công suất trên một pha, kết quả công suất tổng bằng 3

lần công suất trên pha đó (H.1.3a)

Ở hình 1.3b 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:

IA = IAB + IAC Công suất chỉ của watmet là :

PA = UANIA cos (U AN I A ) = UANIA cos  với các điện áp và dòng điện pha:

3

AB AN

U

A AB

I I

Nghĩa là với điểm trung tính giả kết quả đo cũng giống như khi đo ở từng

nhánh một

Đối với cách mắc hình sao cũng có thể thực hiện cách này để đo công suất tổng

2 Đo công suất bằng hai watmet:

Dựa trên các công thức:

P = uACiA + uBCiB ; P = uABiA + uCBiC ; P = uBAiB + uCAiC suy ra có thể đo công suất mạch 3 pha bằng 2 watmet

Hình 1.4 Đo công suất trong mạch 3 pha bất kỳ bằng 2 watmét

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 hình 1.4: theo cách thứ nhất ta lấy pha

C làm pha chung; cách thứ hai là pha B chung; còn cách thứ 3 là pha A

chung Công suất tổng được tính theo công thức trên

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

Cách mắc các watmet như hình 1.5:

Hình 1.5 Đo công suất nạch 3 pha bằng 3 watmét

Cuộn áp của watmet 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

Các phương pháp trên đây chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm Trong thực tế người ta sử dụng loại watmet 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

với: P = U.I.cos là công suất tiêu thụ trên tải

t = t2 – t1 là khoảng thời gian tiêu thụ của tải

Dụng cụ đo để đo năng lượng là công tơ Công tơ được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm ứng

Hình 3.1 chỉ rõ sơ đồ cấu tạo của một công tơ một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị

cảm ứng:

Hình 3.1 sơ đồ cấu tạo của một công tơ một pha dựa trên cơ cấu chỉ thị cảm

ứng

III.1 Công tơ một pha:

Cấu tạo: Như hình 3.1a, gồm các bộ phận chính:

1 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

2 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

3 Đĩa nhôm 3: Được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn

dây 1, 2

4 Hộp số cơ khí: Gắn với trục của đĩa nhôm

5 Nam châm vĩnh cửu 4: Có từ trường của nó xuyên qua đĩa nhôm để

tạo ra mômen hãm

Nguyên lý làm việc:

Khi có dòng điện I chạy trong phụ tải, qua cuộn dòng tạo ra từ thông 1 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 thành hai từ thông:

 U: là từ thông làm việc, xuyên qua đĩa nhôm

 I: không xuyên qua đĩa nhôm do vậy mà không tham gia

việc tạo ra mômen quay

Từ sơ đồ vectơ như hình 3.1b có:

Hình 10.6 Công tơ một pha:

a) Sơ đồ cấu tạo b) Biểu đồ vectơ

Vì cuộn áp có điện trở thuần nhỏ so với điện kháng của nó cho nên:

tức là mômen quay tỉ lệ với công suất

Để thực hiện điều kiện     I  2ta có thể điều chỉnh góc , tức là

điều chỉnh u bằng cách thay đổi vị trí sun từ của cuộn áp; hoặc điều chỉnh góc I,