Nghiên cứu, thiết kế công tơ mẫu sử dụng ADE 7751 của hãng analog devices

Trong lĩnh vực đo đếm điện năng thì công tơ điện là phương tiện đo được sử dụng chủ yếu trong các mạch điện một pha và có đơn vị đo là kW.h, nhưng trong mạch điện nhiều pha thì điện năng

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

NGHI£N CøU, THIÕT KÕ C¤NG T¥ MÉU Sö DôNG

Ade 7751 cña h∙ng analog devices

Ngµnh : §o l−êng vµ c¸c hÖ thèng ®iÒu khiÓn M∙ sè :

Lª thÞ mai

Ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS NguyÔn Lan H−¬ng

Hµ Néi - 2009

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là một phần không thể thiếu được của nền sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống xã hội Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự phát triển lớn mạnh về kinh tế của đất nước, thì ngành Điện đã không ngừng phát triển, song vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện năng của xã hội Một vấn đề đặt ra cho các nhà quản lý điện đó là: Làm sao

mà nâng cao độ chính xác của phép đo điện năng, bởi đại lượng này có ý nghĩa

to lớn trong nền kinh tế quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ điện năng, đến việc tổn thất điện năng Trong các đối tượng sử dụng điện năng thì điện năng sử dụng trong sinh hoạt chiếm tỉ lệ tương đối cao, việc quản lý điện năng thông qua công tơ điện Một công tơ muốn đo chính xác công suất điện tiêu thụ thì các thông số của công tơ đòi hỏi phải có độ chính xác và đáng tin cậy Một công tơ khi được sản xuất ra mặc dù đã tuân thao tiêu chuẩn của nhà nước và tiêu chuẩn của nhà sản xuất nhưng hàng năm vẫn cần phải kiểm định lại để đảm bảo cho các thông số ban đầu của công tơ nhằm quản lý điện năng sao cho hiệu quả nhất Thiết bị kiểm định công tơ hiện nay đang sử dụng tại các Chi cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng, các đơn vị uỷ quyền nhà nước về kiểm định công tơ điện Hầu hết các thiết bị này quá cũ, lạc hậu không có khả năng ứng dụng các công nghệ mới vào phục vụ công tác kiểm định Do vậy, với sự phát triển vượt bậc về khoa học kỹ thuật và công nghệ mới, việc thay thế các thiết bị cũ, lạc hậu

là nhu cầu tất yếu

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, cùng với

sự ra đời của chip đo năng lượng, đặc biệt là dòng ADE 775x do hãng Analog Devices chế tạo, là chip đo năng lượng 1 pha hoặc 3 pha có độ chính xác cao, làm việc ở những điều kiện khác nhau

Xuất phát từ nhu cầu thực tế tôi đã chọn đề tài: ”Nghiên cứu, thiết kế công tơ

mẫu sử dụng ADE 7751 của hãng Analog Devices”

Nội dung của luận văn bao gồm:

Chương I: Tổng quan về các phương pháp đo công suất và điện năng

Chương II: Bàn kiểm tra công tơ và linh kiện sử dụng ADE 7751 thiết kế công

tơ

Chương III: Thiết kế bàn kiểm tra công tơ

Chương IV: Đánh giá sai số và thực nghiệm

Chương V: Kết luận

Do thời gian có hạn và nhận thức vấn đề còn hạn chế nên bản luận văn không tránh khỏi những sai sót cần phải hoàn thiện thêm Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý các thầy cô giáo, của bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới cô giáo hướng dẫn: TS Nguyễn Lan Hương, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn Nhân đây cho phép tôi gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và đặc biệt các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật lường & Tin học công nghiệp đã tận tâm truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu đến các học viên

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG

Trong lĩnh vực đo lường điện thì hai đại lượng công suất và điện năng là những đại lượng chiếm ưu thế về phạm trù ứng dụng cũng như trong kỹ thuật và sản xuất trong đời sống thực tiễn Hầu như nơi nào có sử dụng điện, cho dù bất

kể điện một chiều hay điện xoay chiều thì ta đều có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp hai đại lượng này

Điện nguồn từ nơi sản xuất, phải qua hệ thống phân phối mới đến nơi sử dụng và tiêu thụ điện Trên thế giới có nhiều kiểu phân phối hệ thống điện: Hệ hai pha, ba dây, bốn dây hoặc năm dây, hay hệ ba pha ba dây hoặc bốn dây Cơ

sơ lý thuyết để đo công suất và điện năng của mạch điện nhiều pha về nguyên tắc cũng tương tự như ở mạch điện một pha Nhưng do đặc thù phức tạp của phụ tải trong mạch nhiều pha nên việc sử dụng phương pháp và phương tiện để đo lường chính xác công suất và điện năng rất đa dạng và phức tạp nhằm đáp ứng được mọi yêu cầu sử dụng điện phát sinh từ thực tiễn

Để đo công suất người ta sử dụng phương tiện đo là Watmet Số lượng Watmet hoặc số phân tử đo tùy thuộc vào số pha ngoài ra còn quan tâm đến các yếu tố như hệ số công suất, phạm vi đo và tần số Trong lĩnh vực đo đếm điện năng thì công tơ điện là phương tiện đo được sử dụng chủ yếu trong các mạch điện một pha và có đơn vị đo là kW.h, nhưng trong mạch điện nhiều pha thì điện năng còn phụ thuộc vào thành phần chậm pha và vượt pha của dòng điện và trong trường hợp cần thiết thì còn đo qua công suất biểu kiến và đo bằng đơn vị

là kVA.h

Hệ thống điện có nhiều pha có thể được xem như là tập hợp của các hệ một pha làm việc trong một chế độ đồng bộ và độ lệch giữa các pha với nhau theo một giá trị xác định Điện năng tổng đo được của cả hệ nhiều pha sẽ tập hợp từng điện năng do mỗi công tơ một pha đo ở từng pha Tuy nhiên, để tiện cho việc sử dụng, người ta thường sử dụng loại công tơ có nhiều phần tử đo Trong

hệ thống phân phối điện có nhiều pha, theo thông lệ trong mạch điện sử dụng cho phụ tải và đo lường thì thường là mỗi dây cho một pha và có thể có một dây trở về chung cho tất cả các pha

Ở nước ta hiện nay công suất và điện năng được phân bố chủ yếu thông qua hệ thống phân phối điện ba pha, toàn bộ hệ thống phân phối và truyền tải cao thế và trung thế chủ yếu là ba pha ba dây, còn ở hệ thống điện hạ thế phổ cập là điện hệ ba pha ba dây cho hệ mạch có phụ tải chỉ sử dụng công suất còn hệ ba pha bốn dây có phụ tải sử dụng nguồn công suất và các nhu cầu phụ khác

Trên thực tế thì sử dụng hệ thống điện ba pha có hai cách là đấu tải theo kiểu hình sao hoặc đấu tải theo kiểu tam giác, đấu theo kiểu tam giác phổ cập ở

hệ ba pha ba dây, còn kiểu đấu sao phổ biến ở hệ ba pha bốn dây

1.1 Các phương pháp đo công suất và năng lượng trong lĩnh vực điện năng

1.1.1 Đo công suất, năng lượng bằng Watmet

Đối với mạch điện một chiều, công suất được xác định gián tiếp theo chỉ thị của vonmet và ampemet sau đó được tính theo công thức là:

P = U.I Đối với mạch điện xoay chiều một pha thì công suất tác dụng được tính theo công thức: P = ∫T u t i t dt

T 0 ( ).()

1 = U.I cosϕ

Trong đó:

u(t) và i(t) là giá trị tức thời của điện áp và dòng điện

U, I là giá trị điện áp và dòng điện hiệu dụng

T là chu kỳ biến thiên

ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện

Để đo công suất ta thường sử dụng các loại oatmet sau đây :

- Watmet kiểu điện động là loại oatmet có độ chính xác cao, đo được cả công suất của dòng một chiều và xoay chiều, giải tần số đo đến 2000Hz

Hình 1 2 Cấu tạo của Watmet điện động

- Watmet kiểu sắt điện động thường sử dụng ở những nơi tĩnh tại, cấp chính xác thấp, đo được công suất điện xoay chiều tần số công nghiệp, nếu dùng loại oatmet này để đo công suất điện một chiều sẽ có sai số lớn do hiện tượng trễ từ

- Watmet kiểu cảm ứng loại này chủ sử dụng ở mạch điện xoay chiều, cấp chính xác của nó rất thấp nên hiện nay nó hầu như không còn được sử dụng

Ngoài ra hiện nay còn có Watmet kiểu điện tử và Watmet kiểu nhiệt điện thường được sử dụng để đo công suất ở dải rộng tần số từ thấp đến cao

Cách mắc Watmet

trong mạch điện :

Cấu tạo của Watmet điện động: Được thể hiện trên hình vẽ trên bao gồm

2 cuộn dây: cuộn dòng điện (cố định) có số vòng nhỏ, tiết diện lớn được mắc nối tiếp với phụ tải RL, cuộn thế (cuộn di động) C2 có nhiều vòng hơn, tiết diện dây nhỏ hơn và nối song song với điện áp lưới qua điện trở phụ Rp

Hình 1 1 Cách mắc Watmet trong mạch điện

Nguyên lý làm việc của Watmet: Nguyên lý làm việc của Watmet cũng

tượng tự như nguyên lý làm việc của cơ cấu điện động Dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các lực điện từ của cuộn dây tĩnh và động

Khi mắc dụng cụ này vào mạch điện 1 chiều: Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây tĩnh thì trong lòng nó sẽ xuất hiện từ trường B1 Từ trường này tác động với dòng điện qua cuộn dây động tạo nên momen quay làm phần động quay một góc α

Có năng lượng tích lũy trong các cuộn dây là:

Wd,t = 2 12 2

2 2

2 1 1

2

12

1

i M I L I

Với L1, L2 là điện cảm của cuộn dây tĩnh và động

i1, i2 là dòng một chiều chạy trong cuộn dây tĩnh và động

M12 là hỗ cảm giữa hai cuộn dây

Do L1, L2 và dòng I1, I2 không phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai cuộn dây nên biểu thức momen có dạng: Mα =

α

dM i i d

2 1 , = Cân bằng mômen này với momen phản kháng:

I T dt m

T

∫

Tích phân biểu thị Mqtb qua trị số hiệu dụng của dòng điện ta có:

Mqtb = f(α).I1 .I2.cosΨ

Từ biểu thức trên ta thấy rằng góc lệch α tỷ lệ với tích hai dòng điện và cosin của góc giữa chúng nên có thể dùng để đo dòng điện, điện áp, hoặc là đại lượng tỉ lệ với tích dòng và áp (công suất) một chiều và xoay chiều cũng như đo góc lệch pha và các đại lượng liên quan đến góc lệch pha

Khi sử dụng Watmet kiểu điện động để đo công suất tác dụng ở mạch điện xoay chiều, ngoài sai số đo điện năng tiêu thụ ở mạch dòng và mạch áp còn phải

kể tới sai số do góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện qua cuộn áp IU ký hiệu

là ϕu Thành phần sai số góc này biểu thụ bằng công thức sau:

δϕu = 0.0291.ϕu.tgϕ

Điều này cho thấy khi ta sử dụng Watmet để đo công suất ở mạch điện có

hệ số công suất thấp thì sẽ phạm phải sai số lớn và có khả năng quá tải ở mạch dòng điện, do vậy khi đo ta phải chọn loại Watmet có hệ số công suất danh định phù hợp với đối tượng đo

Để loại trừ khả năng quá tải ở cuộn dòng và cuộn áp khi đo nên sử dụng thêm cả ampemet và vonmet để theo dõi dòng điện và điện áp ở trong mạch

Do đặc thù cấu tạo của oatmet nên mỗi cặp cực của dòng điện và điện áp người ta đều đánh dấu * để phân biệt cực tính, cực có dấu thường là cực phát, khi đấu dây nó thường được đấu về phía nguồn điện, nếu ta đấu sai cực tính của

cuộn áp thì có hiện tượng chênh lệch điện áp ở cuộn động và cuộn tĩnh của Watmet làm suất hiện lực tĩnh điện gây ra sai số của phép đo

Ngoài các sai số cơ bản khi Watmet làm việc ở điều kiện không tiêu chuẩn, các đại lượng ảnh hưởng sẽ nằm ngoài phạm vi giá trị tiêu chuẩn quy định, do đó

sẽ xuất hiện thêm sai số do các đại lượng ảnh hưởng gây nên Đối với Watmet đại lượng gây ảnh hưởng nhiều nhất là nhiệt độ và tần số vì khi nhiệt độ môi trường thay đổi các chi tiết và linh kiện ở mạch áp như cuộn động, các cuộn dây điện trở và cuộn cảm sẽ thay đổi giá trị điện trở làm thay đổi giá trị của dòng điện trong mạch áp gây ra những sai số phụ khác Còn tần số lưới điện thay đổi cũng gây nên sai số vì các chi tiết ở dụng cụ đo thường được chế tạo bằng kim loại, chúng lại nằm trong từ trường biến thiên do các cuộn tĩnh gây ra nên sẽ xuất hiện các dòng điện cảm ứng gây nên tổn thất điện năng

Đối với các dụng cụ đo dùng cho mạch điện xoay chiều, để loại trừ các sai

số phụ, người ta hạn chế tối đa việc sử dụng các chi tiết bằng vật liệu sắt từ như các loại ốc vít giữ cuộn dây được thay thế bằng đồng, chiều cuốn cuộn dây, cách đặt và sắp xếp các cuộn dây theo đúng hướng cũng phải được lưu ý cẩn thận Thông thường thì các loại Watmet được chế tạo theo những giới hạn đo đã được tiêu chuẩn hóa như dòng điện thường khoảng 10A, điện áp 600V Để đo công suất mạch điện xoay chiều có cường độ trên 10A và điện áp trên 600V thì người ta thường sử dụng thêm các thiết bị phụ như máy biến dòng đo lường (TI) hoặc máy biến áp đo lường (TU)

1.1.2 Đo công suất năng lượng bằng phương pháp đo điện áp và dòng điện (một chiều)

Để dùng phương pháp này thì mạch điện là mạch 1 chiều hoặc đo công suất năng lượng của tải thuần trở Điện áp được đo bằng Vônmet còn dòng điện được

đo bằng một Ampemet, sau đó ta nhân hai đại lượng này thì được công suất Có hai cách đo được mắc theo sơ đồ sau:

P = U*I- I2RA

J = P*t Với U, I là điện áp và dòng điện trong mạch

RA là điện trở trong của ampemet

P là công suất

J là năng lượng

P= P=U*I-U2/RV J= P*T

RV là điện trở trong của Vonmet

1.2 Đo năng lượng bằng cách sử dụng bộ nhân điện tử ( Wattmet điện tử)

1.2.1 Cảm biến Hall đo công suất

Cảm biến này là một phần tử nhân bao gồm một mạch bán dẫn cao dòng điện chạy qua Khi có từ trường tác dụng lên mặt của mảnh bán dẫn đó xuất hiện sức điện động Hall:

E=KH B.I.Sinψ Với ψ là góc giữa B và I

Nếu dòng điện và điện áp có pha vuông góc với nhau thì ta có EH = KU.I

EH là một bộ nhân giá trị tức thời của u và i: EH = KP

p là công suất tiêu thụ tức thời trên tải, nếu u và i là những hàm hình sin thì công suất tức thời bao gồm thành phần cố định và thành phần biến thiên Nếu dụng cụ

ở đầu ra có quán tính nhỏ thì ta có công suất tức thời biến thiên theo thời gian Nếu đầu ra của cảm biến Hall mắc vào cơ cấu cơ điện có quán tính lớn hay một khâu tích phân thì nó sẽ chỉ công suất trung bình: P = U.I.cosφ

Hình 1.4

Hình 1.5

1.2.2 Bộ nhân bằng A/D và D/A

Tín hiệu UX đưa vào bộ biến đổi A/D thành tín hiệu NX với

NX =K1.UX

NX lại được đưa vào bộ biến đổi D/A, điện áp cung cấp cho bộ biến đổi này

là điện áp UY khi đó điện áp ra khỏi bộ này sẽ là Ura = K2NXUY, thay vào công thức trên ta lấy được tín hiệu Ura= K1.K2.Ux .UY

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

1.2.3 Bộ nhân đo công suất tức thời ( Dùng mạch vi xử lý)

Tín hiệu UX và UY được bộ biến đổi A/D biến đổi thành tín hiệu NX và NYvới NX= K1UX, và NY =K2UY Sau đó NX, NY được đưa vào vi xử lý để làm phép nhân: NZ = NX.UY = K1K2UXUY

Nếu UX = KXu ; với u là điện áp tức thời;

Nếu UY = KY.i ; với i là dòng tức thời ;

NZ là giá trị tức thời của p, nó có các giá trị khác nhau ở các thời điểm khác nhau Để xét sự biến thiên của p theo thời gian thì 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 = u.i, giá trị tức thời của u và i phải được lấy cùng tại một thời điểm vì vậy phải dùng bộ lấy mẫu S&H để giữ số liệu của u và i ở cùng một thời điểm Tại thời điểm đó cũng có thể sử dụng bộ biến đổi A/D cùng cho cả hai biến u và i

Để giảm sai số lượng tử hóa của p, số lần lấy mẫu cho một chu kì phải đủ lớn, chu kì lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến thiên của A/D phải đủ lớn, tốc độ tính toán của bộ vi xử lý cũng phải đủ cao để có thể tính toán theo thời gian thực Khi ta có công thức tức thời tính p, ta có thể tính toán công suất trung bình, hoặc ta có thể tính toán năng lượng truyền đến tải:

Hình 1 12 Sơ đồ cấu tạo của công tơ cơ

Sức điện động nhiệt ngẫu: ET = KT.I2

Trong đó:

ET: sức điện dộng nhiệt ngẫu

KT: Hệ số biến đổi của cặp nhiệt ngẫu

I: Dòng điện chạy qua dây đốt nóng của bộ biến đổi

1.3 Đo công suất năng lượng bằng công tơ cơ (Cơ cấu cảm ứng)

Công tơ điện xoay

chiều kiểu cảm ứng cấu

tạo bao gồm phần tĩnh và

phần động

Phần tĩnh: Gồm cuộn

dây điện áp được mắc trực

tiếp vào lưới điện và cuộn

dây dòng điện mang dòng

điện qua tải

kim loại nhẹ là nhôm nằm giữa khe từ của cuộn điện áp và cuộn dòng điện Cả cuộn dòng điện và điện áp đều tạo ra trường điện từ với các dòng từ thông xuyên qua đĩa, do đĩa làm bằng kim loại nên có dòng cảm ứng phát sinh Do sự tác động tương hỗ giữa dòng điện cảm ứng và các dòng từ thông sẽ tạo ra chuyển động quay

Cấu tạo và cách lắp đặt được thể hiện trên hình vẽ sau:

Trong đó:

1-Vít chỉnh tải nhỏ

2- Cụm chi tiết điều chỉnh tải nhỏ

3- Nam châm vĩnh cửu điều chỉnh chế độ tải lớn

4- Chi tiết điều chỉnh tải lớn

5- Cụm chi tiết điều chỉnh hệ số công suất

6- Chi tiết điều chỉnh góc lệch pha

7- Đĩa nhôm

8-9- Lõi trong và lõi ngoài cuộn điện áp bằng vật liệu sắt từ

10- Lõi cuộn dòng điện bằng vật liệu sắt từ

11- Cuộn dây điện áp

12- Thanh đối cực bằng vật liệu từ

13- Cuộn dây dòng điện

14-Chi tiết chống tự quay

15- Thanh tản từ

Cuộn dây điện áp: Điện áp đưa vào công tơ là điện áp xoay chiều hình sin,

do là điện áp xoay chiều nên giá trị của nó không ổn định do đó dòng từ thông sinh ra cũng không ổn định, giá trị của nó thay đổi từ 0 đến giá trị cực đại theo một hướng và cũng từ 0 đến giá trị cực đại theo một hướng khác Toàn bộ dòng

từ thông sinh ra không phải toàn bộ là có ích mà một phần đáng kể của nó cắt với hướng của dòng điện, còn một phần không cắt hướng dòng điện là dòng tổn hao (dòng dò), phần cắt là những dòng từ thông tác dụng, chính những dòng này tạo ra momen quay của công tơ

Cuộn dây điện áp của công tơ kiểu cảm ứng được quấn nhiều lớp vòng dây

để phù hợp với giá trị điện áp danh định của lưới điện, thường là dây đồng mảnh,

có đường kính nhỏ nên giá trị điện trở của cuộn dây nhỏ nhưng giá trị về điện cảm lớn, nên dòng qua cuộn dây điện áp chậm pha gần 90º so với điện áp nguồn đầu vào Cuộn dây dòng điện của công tơ kiểu cảm ứng chỉ quấn vài vào dây đồng nhưng có đường kính lớn để vừa phù hợp với dòng danh định vừa chịu dòng quá tải theo quy định của công tơ Giá trị điện trở của cuộn dây nhỏ, không đáng kể , nên dòng điện của cuộn dây dòng của công tơ hầu như trùng pha với dòng điện nguồn và trung pha với điện áp nguồn của lưới điện

Nguyên lý hoạt động của công tơ cảm ứng:

Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp, chúng

sẽ tạo ra từ thông φ chạy trong lõi thép Chính từ thông này làm cho đĩa nhôm của công tơ quay, tỉ lệ với điện áp và dòng điện qua công tơ Vận tốc quay của đĩa tỉ lệ thuận với công suất tiêu thụ trên tải, qua bộ số cơ học tốc độ quay của đĩa công tơ sẽ được đưa vào bộ số hiển thị năng lượng cần đo

Momen quay do từ thông của cuộn dây dòng điện và điện áp gây ra:

M =k φu φi sin ϕ

với k là hệ số

φu.φi là từ thông sinh ra bởi cuộn dây điện áp và dòng điện

φ là góc lệch pha giữa từ thông cuộn dây điện áp và cuộn dây dòng điện

Dưới tác dụng của momen này đĩa nhôm sẽ quay với tốc độ góc dα/dt, nam châm vĩnh cửu sẽ tác động lên đĩa một momen hãm Mh tỉ lệ thuận với tốc độ góc đó: Mh=k1 dα/dt

Nếu ta bỏ qua các momen phụ thì đĩa quay sẽ đạt tốc độ ổn định khi momen hãm tăng tới độ lớn của momen tác dụng

Thành phần momen này được sử dụng để hiệu chỉnh và điều chỉnh hằng số công tơ

Với công tơ thì có rất nhiều nguyên nhân gây nên sai số, do vậy khi chế tạo công tơ thường phải có các chi tiết phụ để điều chỉnh các sai số thành phần khi cần thiết Để khắc phục ma sát trong các thành phần của công tơ như trong ổ trục, trong cơ cấu đếm, các thành phần gây ma sát đều gây sai số cho hằng số công tơ Momen ma sát sẽ lớn nhất khi phụ tải nhỏ Để sai số của công tơ không vượt quá giá trị cho phép khi có tải từ 10 – 100% tải định mức, cần phải tạo ra trong công tơ một momen cùng chiều với momen quay và có giá trị bằng với momen ma sát để bù lại momen ma sát khi phụ tải nhỏ Ta bù bằng cách tạo nên một từ thông không đối xứng trong mạch từ của cuộn dây điện áp, bằng cách đặt một miếng sắt từ trong mạch từ của cuộn điện áp mà vị chí của nó có thể thay đổi được

Khi điều chỉnh không đúng vị trí, momen bù có thể lớn hơn momen ma sát làm cho công tơ có thể tự quay khi không có tải Đó là hiện tượng tự quay của công tơ Để tránh sai số trong đo đếm điện năng ở công tơ còn có bộ phận điều chỉnh chống tự quay Bộ phận này gồm hai mỏ kim loại được gắn với trục quay

và phần mạch từ của cuộn áp Phần từ thông tản của cuộn áp sẽ khép kín mạch từ qua hai mỏ kim loại này khi chúng đối diện nhau Kết quả là có lực hút tác dụng giữ trục quay lại Điều chỉnh khe hở giữa hai mỏ kim loại ta có giá trị momen chống tự quay thích hợp

1.4 Công tơ kỹ thuật số đo năng lượng

* Ngày nay công tơ điện tử ra đời có tính năng vượt trội hơn so với công tơ

cơ như chúng có thể thực hiện được nhiều chức năng, có độ chính xác cao

+ Đo được điện năng tác dụng và điện năng phản kháng theo hai chiều, chiều nhận và chiều phát

+ Đo công suất biểu kiến;

+ Đo dòng điện và điện áp trong từng pha và trong hệ thống;

+ Đo được hệ số công suất của từng pha;

+ Đo góc lệch pha của hệ thống;

+ Quản lý phụ tải: Ghi lại các thời điểm quá tải, sụt áp, mất điện;

+ Có thể kết nối với các thiết bị khác như PC, các modul RS232 và các modem để ghép nối việc giao diện thông tin với công tơ từ xa va thực hiện việc truyền số liệu theo nhu cầu cần thiết;

+ Công tơ điện tử còn có chức năng tạo lập cấu trúc các biểu giá theo: Điện năng sử dụng trong các khoảng thời gian quy định của các ngày, các mùa, ngày kết thúc chu trình tính hóa đơn

Công tơ điện tử có thể sử dụng các nguyên tắc mạch nhân điện tử như phần đo công suất Tuy nhiên phương pháp phổ biến nhất hiện nay là sử dụng mạch nhân tức thời bằng vi xử lý đã được trình bày ở trên Mô hình của thiết bị có thể mô tả lại như sơ đồ sau:

Sơ đồ khối của công tơ điện tử:

Công tơ điện tử thực hiện việc đo công suất dựa trên phương pháp số, nó đo dạng số của điện áp, dòng điện tại cùng một thời điểm Tích của dòng điện với điện áp này là giá trị công suất đo được, giá trị này nhân với khoảng thời gian đo

sẽ được điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian đó

Nguyên lý hoạt động của công tơ điện tử:

Bộ lọc ADC

chuyển

lọc ADC

Bộ nhân điện tử

Vi điều khiển

PC

Hình 1.13 Sơ đồ khối của công tơ điện tử

+ Điện ỏp cần đo được đưa qua mỏy biến ỏp cho điện ỏp định mức, sau

đú tớn hiệu được đưa qua bộ lọc để tạo tớn hiệu xoay chiều điều hũa cú điện ỏp tương ứng với đầu vào của ADC, qua bộ ADC thành tớn hiệu số rồi đưa vào bộ nhõn điện tử

+ Dũng điện qua mỏy biến dũng cho dũng vào cú điện ỏp định mức rồi qua bộ biến đổi thành điện ỏp tỉ lệ với nú Tớn hiệu này qua bộ lọc để tạo tớn hiệu xoay chiều điều hũa cú điện ỏp tương ứng với đầu vào của ADC, qua bộ ADC thành tớn hiệu số rồi được đưa vào bộ nhõn điện tử

+ Tớn hiệu qua bộ nhõn được đưa vào vi điều khiển, bộ vi điều khiển

sẽ điều khiển cỏc ADC trờn kờnh dũng và kờnh ỏp thực hiện việc lấy tớn hiờu UX

và IX tại thời điểm tX, mỗi tớn hiệu được lấy mẫu n lần/ chu kỡ điện (tuỳ thuộc vào độ chớnh xỏc của phộp đo) Từ cỏc giỏ trị điện ỏp và dũng điện tức thời ta tớnh được cỏc thụng số điện như cụng suất tỏc dụng, dũng điện và điện ỏp hiệu dụng, cụng suất phản khỏng, cụng suất biểu kiến, điện năng tỏc dụng, điện năng phản khỏng và điện năng biểu kiến

+ Cỏc kết quả này được hiển thị hoặc lưu vào trong bộ nhớ ngoài hoặc truyền lờn mỏy tớnh

1.5 Quy trỡnh kiểm tra cụng tơ

Hình 1.14 Sơ đồ mắc công tơ vào bàn kiểm

t

Sơ đồ mắc công tơ vào bàn kiểm tra để kiểm tra (hình 1.14)

Trong sơ đồ này thì nguồn dòng được mắc nối tiếp với cuộn dòng của công

tơ và Wattmet Máy tạo dòng L1 lấy điện áp bất kỳ (B và C) đổi điện áp thành dòng điện cấp cho công tơ và Wattmet được đo bởi ampemet

Điện áp cũng được lấy từ 2 pha bất kì qua máy biến áp tự ngẫu để đưa vào cuộn dây điện áp của công tơ và của Wattmet, điện áp này được đo bởi Vônmet

* Kiểm tra công tơ với ý nghĩa đảm bảo mômen bù ma sát lớn hơn mômen

Để tiến hành kiểm định công tơ điện xoay chiều kiểu cảm ứng loại một pha,

ba pha một biểu giá và ba pha nhiều biểu giá đo điện năng tác dụng ta phải lần lượt tiến hành các phép kiểm định ghi trong bảng 1.1

- Kiểm tra bên ngoài

- Kiểm tra kỹ thuật:Kiểm tra độ bền cách điện

- Kiểm tra đo lường + Kiểm tra tỷ số truyền và cơ cấu đếm + Kiểm tra tự quay

+ Kiểm tra độ nhạy + Xác định sai số cơ bản

1.5.2 Phương tiện kiểm định

Sai số phép đo để xác định giá trị thực của điện năng không được vượt quá 1/4

giới hạn sai số cho phép đo công tơ kiểm

Phải sử dụng những phương tiện chuẩn được quy định trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Các phương tiện chuẩn[12]

Cấp chính xác của phương tiện chuẩn (Không thấp hơn) Cấp chính

xác của công

tơ kiểm

Oát mét chuẩn

Thiết bị đo thời gian (s) (*)

Công tơ chuẩn

Máy biến dòng đo lường(viết tắt TI)

0.5

1

2

- 0.1 0.2

- 0.01 0.1(**)

0.1 0.2 0.5

0.05 0.1 0.2 (*) Phải sử dụng thiết bị đo thời gian loại điện tử tự động đếm theo số

vòng quay của đĩa công tơ, không cần công tắc bấm

(**) Để kiểm tra công tơ cấp chính xác 2 cho phép sử dụng đồng hồ bấm

giây có giá trị độ chia không quá 0.2s và Wattmet cấp chính xác 0.5

Để xác định giá trị dòng điện và điện áp định mức phải dùng ampemet

và vônmet có cấp chính xác thấp nhất là 1,5 khi kiểm công tơ có cấp chính xác 1

và 2 và thấp nhất là 1 khi kiểm công tơ cấp chính xác là 0.5

1.5.3 Điều kiện kiểm định

Khi tiến hành kiểm định phải tuân theo những điều kiện quy định trong

bảng 1.3

Bảng 1 3: Điều kiện kiểm định[12]

Độ lệch cho phép với cấp chính xác của

công tơ kiểm

Điều kiện

kiểm định

Giá trị tiêu chuẩn

Thẳng đứng Giá trị danh định Giá trị danh định

Độ lệch cho phép với cấp chính xác của

công tơ kiểm

Điều kiện

kiểm định

Giá trị tiêu chuẩn

0.5 1 2

2% 3% Cảm ứng từ trường ngoài gây ra dự thay đổi

sai số không được quá

Để kiểm định công tơ cấp chính xác 1 và 2 trong dải nhiệt độ từ 15ºC đến

30ºC (loại trừ dải nhiệt độ từ 21ºC đến 25ºC quy định trong bảng trên) cho phép

đưa thêm số hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường xung quanh vào giá trị nhiệt độ tiêu

chuẩn Số hiệu chỉnh nhiệt độ này do nhà chế tạo quy định

Để kiểm định công tơ cấp chính xác 1 và 2 trong dải tần số từ 45Hz đến

65Hz (Loại trừ dải tần số quy định trong bảng trên) cho phép đưa thêm số hiệu

chỉnh tần số lưới điện Số hiệu chỉnh này do nhà chế tạo quy định

Đối với công tơ có bộ số kiểu tang trống, khi kiểm tra ngắn hạn, chỉ được

phép có một tang trống quay

Khi kiểm định ban đầu, trước khi tiến hành xác định sai số cơ bản, phải để công

tơ làm việc ở chế độ tải định mức trong thời gian ít nhất là 30 phút

1.5.4 Tiến hành kiểm định

Tiến hành kiểm định công tơ theo:

Phương pháp công suất - thời gian

Phương pháp so sánh trực tiếp với công tơ chuẩn

Thực hiện bằng cách đóng tải ngắn hạn để đếm số vòng quay của đĩa công

tơ hoặc đóng tải dài hạn để tính theo bộ số của công tơ

1.5.4.1 Kiểm tra bên ngoài

Kiểm tra bên ngoài theo các yêu cầu sau đây:

a Cặp chì phải còn nguyên vẹn (Trong trường cặp chì bị hỏng phải ghi rõ

tình trạng vào biên bản trước khi tiến hành kiểm định)

b Kết cấu phải phù hợp với quy định nêu trong điều 1.4TCVN5411-91: Công tơ điện năng tác dụng kiểu cảm ứng – Yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử

c Nhãn hiệu phải phù hợp với quy định nêu trong điều 1.5TCVN5411-91

1.5.4.2 Kiểm tra kỹ thuật

Kiểm tra độ bền cách điện được tiến hành theo các yêu sau đây:

Các mức điện áp tiến hành kiểm tra được quy định trong bảng 1.4

Bảng 1 4: Các mức điện áp được kiểm tra[12]

Mức kiểm tra điện áp

b.Từng mạch áp hoặc tập hợp tất cả các mạch áp có điểm đấu chung nếu trong trạng thái công tơ làm việc thì những mạch này được cách điện với mạch khác (*) c.Từng mạch phụ có điện áp trên 40V hoặc tập hợp tất

cả các mạch phụ có điểm đấu chung

d Từng hợp bộ các cuộn dây dòng và áp của một hoặc cùng một cơ cấu đo nếu trong trạng thái công tơ làm việc thì những hợp bộ này được cách điện với mạng khác (**)

e.Từng mạch phụ có điện áp dưới 40V 600V hoặc gấp đôi giá trị

điện áp định mức đấu vào

cuộn áp của công tơ trong

điều kiện tiêu chuẩn nếu

B, Nắp hộp đấu dây phải tháo ra và công tơ nằm trong

vở nếu vỏ làm bằng kim loại Điện áp kiểm tra đặt vào mạch dòng và mạch áp của từng phần tử đo được nối điện với nhau khi công tơ

Mức kiểm tra điện áp

(Giá trị hiệu dụng RMS)

Điều kiện kiểm tra và nơi đặt điện áp kiểm tra

giá trị này vượt quá 300V làm việc, việc đấu nối điện này có thể tạm thời tách ra

cho mục đích kiểm tra(***) 2kV C, Công tơ nằm trong vỏ được đậy nắp, nắp hộp đấu

dây được đậy lại Điện áp kiểm tra đặt vào giữa đất với các mạch dòng, mạch áp và mạch phụ có điện áp trên 40V đã được đấu nối với dây

b, Điện áp kiểm tra đặt vào giữa công tơ với đất

c, Điện áp kiểm tra đặt vào giữa các phần mang điện

đã được nối điện với nhau trong vỏ công tơ và các phần mang điện cũng đã được nối điện với nhau ngoài

vỏ công tơ có khả năng chạm tới(****)

d, Quan sát sự tuân thủ các điều kiện áp dụng cho vỏ cách điện bảo vệ cấp II

(*)Việc tách cầu nối giữa cuộn dây dòng và cuộn dây áp để kiểm tra cách điện chưa hoàn toàn đủ để khẳng định khả năng đạt được độ cách điện khi chịu điện áp kiểm tra 2kV

Việc kiểm tra các tiểu mục a và b là áp dụng chung cho các loại công tơ có

sử dụng chung với các máy biến dòng và biến áp đo lường đồng thời cũng áp dụng cho các công tơ đặc biệt có các cuộn dòng và cuộn áp riêng

(**) Những mạch điện là đối tượng phải kiểm tra theo tiểu mục a và b sẽ không phải là đối tượng để kiểm tra theo tiểu mục d Trong trường hợp mạch áp

của công tơ ba pha có điểm đấu chung khi công tơ làm việc điểm đấu chung này

sẽ được duy trì cho việc kiểm tra và tất cả các mạch của các cơ cấu đo sẽ là đối tượng của các phép kiểm tra đơn lẻ

(***) Phép kiểm tra đánh thủng cách điện chưa phải là hoàn toàn tuyệt đối nhưng đó cũng đủ là cơ sở để xác định khả năng phóng điện bề mặt khi các phần

tử kết nối được để mở

(****) Nếu không có nghi ngờ gì về phép thử tiểu mục c thì không cần thiết phải tiến hành kiểm tra tiểu mục d của mục D

1.5.4.3 Kiểm tra đo lường

Công tơ điện xoay chiều được kiểm tra đo lường theo trình tự nội dung, phương pháp và các yêu cầu sau:

a) Kiểm tra tỷ số truyền và cơ cấu đếm

Kiểm tra theo điều 2.12.5TCVN5411-91 Trong quá trình kiểm tra, tang trống cuối cùng phải quay được ít nhất một vòng

b) Kiểm tra tự quay

Khi không có điện trong mạch dòng (để hở mạch dòng), đĩa công tơ không được quay quá một vòng ở bất kỳ giá trị điện áp nào trong phạm vi giới hạn từ 80% đến 110% điện áp định mức

c) Kiểm tra ngưỡng độ nhạy

Đĩa công tơ phải quay đủ 1 vòng và tiếp tục quay liên tục ở điện áp định mức, tần số danh định và hệ số công suất bằng 1 với giá trị dòng điện không vượt quá giá trị tính theo dòng điện định mức (In) tương ứng với cấp chính xác quy trong bảng 1.5

Bảng 1 5: Bảng quy định cấp chính xác tính theo dòng điện định mức I n [12]

Cấp chính xác Loại công tơ Hệ số công