Giáo trình Đo lường điện và Kỹ thuật đo: Phần 2 - CĐ Giao thông Vận tải

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Đo lường điện và Kỹ thuật đo: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Đo công suất và điện năng; Dao động ký; Một số thiết bị đo thông thường. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung giáo trình!

: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG (12 TIẾT)

CHƯƠNG 6

Công suất và năng lượng là các đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng, quá trình và hiện tượng vật lý Vì vậy việc xác định công suất và năng lượng là một phép đo rất phổ biến 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

Công suất cũng như năng lượng có mặt dưới nhiều dạng khác nhau đó là: năng lượng điện, nhiệt cơ, công suất, phát xạ tuy nhiên quan trọng nhất vẫn là việc đo công suất và năng lượng điện Dải đo của công suất điện thường từ 10-20W đến 10+10W Công suất và năng lượng điện cũng cần phải được đo trong dải tần rộng từ không (một chiều) đến 109Hz và lớn hơn

Nội dung chương 6 gồm các nội dung chính sau

6.1 Đo công suất một chiều DC

6.2 Đo công suất AC một pha

6.3 Đo công suất tải ba pha

6.4 Đo công suất phản kháng của tải

6.5 Đo điện năng

6.6 Đo hệ số công suất: cos

6.7 Tần số kế

6.8 Đo công suất, điện năng bằng Walt met, công tơ điện

6.1 Đo công suất một chiều DC

Công suất trong mạch một chiều có thể đo được bằng cách đo điện áp đặt vào phụ tải U và dòng I qua phụ tải đó Kết quả là tích của hai đại lượng đó Tuy nhiên đây là phương pháp gián tiếp, phương pháp này có sai số của phép đo bằng tổng sai số của hai phép đo trực tiếp (đo điện

áp và đo dòng điện) Công suất trong mạch một chiều được tính

P =U.I ; P = I2.R;

R

U P

2

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

Trong thực tế thường đo trực tiếp công suất bằng watmet điện động và sắt điện động Những dụng cụ đo này có thểdo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng nhưtần số siêu âm đến 15kHz

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

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 có thể trên 0,2 %

Chú ý khi đo công suất bằng watmet điện động:

+ Đấu nối đúng các đầu cuộn dây:trên watmet bao giờ cũng có những ký hiệu ngôi sao (*) ở đầu các cuộn dây gọi là đầu phát, khi mắc watmet phải chú ý đến các đầu có kí hiệu dấu (*) + Đọc và tính chỉ số của watmet điện động: thường watmet điện động có nhiều thang đo theo dòng và áp (theo dòng: 5A, 10A; theo áp: 30V, 150V, 300V), những giá trị này là dòng và áp định mức IN và UN

6.2 Đo công suất AC một pha

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



 



T T

idt u T

pdt T

P

0 0

.11

(6.2)Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng

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

Hệ số cos được gọi là hệ số công suất

Còn đại lượng S = U.I gọi là công suất toàn phần được coi là công suất tác dụng khi phụ tải là thuần điện trở tức là, khi cos = 1

6.3 Đo công suất tải ba pha

Biểu thức tính công suất tác dụng là :

P = PA + PB + PC = UΦAIΦA cosA + UΦBIΦB cosB + UΦCIΦC cosC (6.4)

với: UΦ, IΦ: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng

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

1 2

1

t

t C t

t B t

t

A dt P dt P dt P

W

1 2

1 2

1

.cos

cos

cos

t

t

C C

C t

t

B B

B t

t

A A

(6.6)Phương pháp cơ điện: phép nhân được dựa trên cơ cấu chỉ thị như điện động, sắt điện động, tĩnh điện và cảm ứng, trong đó góc quay α của phần động là hàm của công suất cần đo

Phương pháp điện: Phép nhân được thực hiện bởi các mạch nhân tương tự cũng như nhân số điện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần đo

Phương pháp nhiệt điện: sử dụng phương pháp biến đổi thẳng công suất điện thành nhiệt Phương pháp này thường được ứng dụng khi cần đo công suất và năng lượng trong mạch tần số cao cũng như của nguồn laze

Phương pháp so sánh: là phương pháp chính xác vì thế nó thường được sử dụng để đo công suất trong mạch xoay chiều tần số cao

6.4 Đo công suất phản kháng của tải

Công suất phản kháng là loại công suất không gây ra công, không truyền năng lượng qua một đơn vị thời gian Tuy nhiên việc đo nó có một ý nghĩa lớn trong kinh tế Vì có công suất phản kháng mà dẫn đến việc mất mát năng lượng điện trong dây truyền tải điện, trong các biến áp và các máy phát Đối với áp và dòng hình sin thì công suất phản kháng được tính theo

cos

k

k k k

6.4.1 Đo công suất phản kháng trong mạch một pha:

Có thể sử dụng các watmet điện động và sắt điện động để đo công suất phản kháng Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng tỉ lệ với sin Muốn tạo được sin ta phải làm sao tạo được góc lệch γ = π / 2 giữa véctơ dòng và áp của cuộn áp trong watmet Cụ thể: cuộn áp của watmet được mắc song song một điện trở R1 (ở 2điểm a, b) và mắc nối tiếp cuộn với cuộn cảm L2 và điện trở R2 Với cách đó tạo rasự lệch pha giữa điện áp U và dòng Iu trong cuộn động của watmet là γ = π / 2 bằngcách lựa chọn các thông số của mạch thích hợp (H.10.17): Khi đó góc lệch α của watmet sẽ là :

Q S I

Z

U k I

I k

T

2 cos(

.



với S = k/ZT là độ nhạy của watmet khi đo công suất phản kháng Q

Như vậy trong mạch một pha muốn đo công suất phản kháng bằng watmet thường ta phải mắc thêm một số phần tử điện cảm và điện trở mới thực hiện được

Hình 6.1 Cách mắc watmét vào mạch và biểu đồ vectơ

6.4.2 Đo công suất phản kháng trong mạch 3 pha:

Công suất phản kháng của mạch 3 pha có thể coi là tổng các công suất phản kháng

của từng pha

Q = UAΦ.IAΦ.sinA + UBΦ.IBΦ.sinB + UCΦ.ICΦ.sinC (6.12)

- Khi tải đối xứng:

Q = 3UΦ.IΦ.sinA = 3Ud.Id.sin (6.13)

Sử dụng một watmet để đo được công suất phản kháng của mạch 3 pha tải đối xứng: thường được mắc theo mạch (hình 6.2) Nếu cuộn dòng của watmet mắc vào pha A thì cuộn áp sẽ được mắc vào 2 pha B và C còn lại:

Hình 6.2 Sử dụng watmét để đo công suất phản kháng trong mạch 3 pha:

Theo sơ đồ véctơ góc (IA,UBC) = 900 -  nên trong trường hợp này công suất đo được sẽ là:

PA = UBC.IA cos (IA,UBC) = Ud.Id.cos(900 - ) = Ud.Id.sin = QA (6.14)

Để xác định công suất phản kháng trong toàn mạch 3 pha ta nhân kết quả trên với 3, tức là:

Q= 3QA = 3Ud.Id.sin (6.15) Như vậy trong mạch đối xứng chỉ cần một watmet là có thể đo được công suất phản kháng trong toàn mạch 3 pha

Nhược điểm của mạch này là chỉ cần một sự không đối xứng nhỏ thôi thì cũng mắc phải sai số lớn, cho nên trong thực tế ít sử dụng phương pháp này

Sử dụng phương pháp 2 watmet: ta có thể mắc mạch như (hình 6.3) nghĩa là cuộn áp không

chung pha với cuộn dòng:

Hình 6.3 Đo công suất trong mạch 3 pha bằng 2 watmét Tổng công suất của 2 watmet là:

P1 + P2 = UBC.IA.cosβ1 +UAB.IC.cosβ2 (6.16)

Phân tích hoạt động của mạch có phụ tải không đối xứng khá phức tạp, vì vậy ở đây giới hạn trong khuôn khổ một trường hợp riêng: giả thiết rằng các góc lệch pha như nhau, tức là :

β1 = β2 = 900 -  (6.17)

từ đó suy ra : P1 + P2 = 2.Ud.Id.sin (6.18)

Để nhận được giá trị thực của công suất phản kháng trong toàn mạch ta chỉ cần nhân kết quả này với hệ số 3/2 Thực vậy:

Q=

2

3(P1 + P2) = 3Ud.Id.sin (6.19) Tương tự khi phụ tải của mạch nối theo hình tam giác ta cũng có kết quả như vậy

Khi tải không đối xứng: đối với mạch 3 pha phụ tải không đối xứng 3 dây hay 4 dây ta có thể

sử dụng phương pháp 3 watmet Kết quả tổng công suất của 3 watmet được tính như sau:

P1 + P2 + P3 = UBC.IA.cos γ1 +UCA.IB.cos γ2 + UAB.IC.cos γ3 (6.20)

Theo sơ đồ véctơ ta có:

(IA.sin1 + IB.sin2 + IC.sin3) (6.23)

Hình 6.4: Đo công suất phản kháng trong mạch 3 pha phụ tải không đối xứng 3 dây

6.5 Đo điện năng

Năng lượng trong mạch xoay chiều một pha đươc tính:

∫ ∫ (6.24)

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

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 tơkhi 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

Tuy nhiên trong thực tế người ta sử dụng công tơ 3 pha Công tơ 3 pha có hai loại:

- Loại 2 phần tử (dựa trên phương pháp 2 công tơ)

- Loại 3 phần tử (dựa trên phương pháp 3 công tơ)

6.6 Đo hệ số công suất: cos

Có nhiều phương pháp đo góc lệch pha:

- Dựa vào cách biến đổi: phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp biến đổi bù Cách này được sử dụng khi ít nhiễu hay đúng hơn là tỉ sốgiữa tín hiệu trên nhiễu lớn

- Dựa vào cách lấy thông tin đo: phương pháp sử dụng thông tin khi tín hiệu vượt qua một mức nhất định và phương pháp dùng toàn bộ thông tin nhận được Cách này được sử dụng khi tín hiệu có nhiễu lớn hay tỉ số giữa tín hiệu trên nhiễu nhỏ

đo độ lệch góc α của cơ cấu chỉ thị được xác định bởi góc ϕ Bảng khắc độ được khắc theo đơn

vị của góc ϕ hay hệ số cos ϕ Nhược điểm của loại fazômét này là chỉ được tính cho một cấp điện áp Nếu thay đổi điện áp thì phải thay đổi điện trở R1và điện cảm L2 do đó dẫn đến thay đổi góc β Ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào tần số vì trong mạch có cuộn cảm Để khắc phục sai số do tần số gây ra ta chia một cuộn thành hai cuộn nối song song với nhau Một cuộn nối với điện dung C còn cuộn kia nối với điện cảm L

Ví dụ: trong công nghiệp loại Fazômét Д5000 (của Nga) cấp chính xác 0,2 tần số 50-60Hz có thang đo ϕ= 0 ÷3600 , cosϕ= 0 ÷1

Fazômét điện tử:

Nguyên lý hoạt động:dựa trên việc phân biến đổi góc lệch pha trực tiếp thành dòng hay áp

Để đo góc lệch pha giữa hai điện áp hình sin ta thực hiện theo sơ đồ

Hình 6.6: Fazô mét điện tử Đặc điểm:sai số của phép đo này cỡ ±(1÷2%) chủ yếu là do sự biến động của Imvà sai số của phép đo dòng trung bình Itb.Loại fazômét này thường được sử dụng để để đo góc pha từ 0

đó bằng các xung với các tần số đã biết trước Các fazômét dựa theo nguyên tắc này bao gồm

bộ biến đổi góc pha thành khoảng thời gian, bộ biến đổi thời gian - xung, bộ đếm và chỉ thị số Đặc điểm:sai số của phép đo này chủ yếu phụ thuộc vào độ không ổn định của f0và fX Ngoài ra còn sai số của việc hình thành và truyền đi khoảng tXvà sai số do lượng tử hóa khoảng thời gian

tX Nhược điểm:là kết quả đo phụ thuộc vào tần số fX của tín hiệu cần đo Tần số này rất khó giữ ổn định vì vậy fazômét loại này ít được sử dụng

Đo góc pha bằng phương pháp biến đổi bù

Nguyên lý của phương pháp này như sau: góc lệch pha cần đo được so sánh với một góc lệch pha chuẩn ϕk do một bộquay pha tạo ra Đây thực chất là phương pháp so sánh: ϕX- ϕk= ∆ϕ

Có hai phương pháp so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng

+ Khi so sánh cân bằng: thay đổi ϕk sao cho bằng ϕX tức là đạt được ∆ϕ= 0, suy ra kết quả

+ Khi so sánh không cân bằng thì:

ϕX= ϕk+ ∆ϕ (6.26) suy ra giá trị góc lệch pha cần đo ϕX bằng tổng của ϕk (ghi ở trên mặt bộ quay pha) và ∆ϕ (hiển thị ở bộ chỉ thị đo ∆ϕ)

Hình 6.8: Đồng hồ đo hệ số công suất

6.7 Tần số kế

Tần số (f: frequency): được xác định bởi số các chu kỳ lặp lại của sự thay đổi tín hiệu trong

một đơn vị thời gian Tần số là một trong các thông số quan trọng nhất của quá trình dao động

có chu kỳ

Chu kỳ (Time period, Time cycle): là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại

độ lớn của nó (tức là thỏa mãn phương trình u(t) = u(t + T) )

Quan hệ giữa tần số và chu kỳ của tín hiệu dao động là:

f[Hz] =

)(

Quan hệ giữa tần số góc tức thời và tần số là:

) ( 2 ) (t f t



2

) ( ) (t t

f 

(6.29) với f(t) là tần số tức thời

Đối với tín hiệu dao động điều hòa (tín hiệu hình sin) vì có góc pha biến đổi theo thời gian theo quy luật tuyến tính nên tần số góc tức thời là một hằng số:



 t f

(6.31)Khoảng tần số được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: vô tuyến điện tử, tự động hoá, vật lý thí nghiệm, thông tin liên lạc với dải tần từ một phần Hz đến hàng nghìn GHz

Tần số kế: là dụng cụ để đo tần số Ngoài ra còn có thể đo tỉ số giữa hai tần số, tổng của hai tần

số, khoảng thời gian, độ dài các xung

Hình 6.8: Đồng hồ đo tần số

Các phương pháp đo tần số: việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định theo khoảng

đo, theo độ chính xác yêu cầu, theo dạng đường cong và công suất nguồn tín hiệu có tần số cần

đo và một số yếu tố khác Để đo tần số của tín hiệu điện có hai phương pháp: phương pháp biến đổi thẳng và phương pháp so sánh:

6.7.1 Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng:

Các tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện động): được sử dụng để

đo tần số trong khoảng từ 20Hz ÷ 2,5kHz trong các mạch nguồn với cấp chính xác không cao (cấp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5)

Các loại tần số kế này nói chung hạn chế sử dụng vì tiêu thụ công suất khá lớn và bị rung

Các tần số kế điện dung tương tự: để đo tần số trong dải tần từ 10Hz ÷ 500kHz, được sử dụng khi hiệu chỉnh, lắp ráp các thiết bị ghi âm và rađiô v.v

Tần số kế chỉ thị số: được sử dụng để đo chính xác tần số của tín hiệu xung và tín hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz ÷50GHz Còn sử dụng để đo tỉ số các tần số, chu kỳ, độ dài các xung, khoảng thời gian

6.7.2 Đo tần số bằng phương pháp so sánh:

Được thực hiện nhờ ôxilôscôp, cầu xoay chiều phụ thuộc tần số, tần số kế đổi tần, tần số kế cộng hưởng:

Sử dụng ôxilôscôp: được thực hiện bằng cách đọc trực tiếp trên màn hình hoặc so sánh tần số

cần đo với tần số của một máy phát chuẩn ổn định (dựa trên đường cong Lítsazua) Phương pháp này dùng để đo tần số các tín hiệu xoay chiều hoặc tín hiệu xung trong dải tần từ 10Hz đến 20MHz

Tần số kế trộn tần: sử dụng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu điều chế biên độ

trong khoảng từ 100kHz ÷20GHz trong kĩ thuật vô tuyến điện tử

Cầu xoay chiều phụ thuộc tần số: để đo tần số trong khoảng từ 20Hz - 20kHz

Tần số kế cộng hưởng: để đo tần số xoay chiều tần số tín hiệu điều chế biên độ, điều chế xung trong khoảng từ 50kHz ÷ 10GHz; thường sử dụng khi lắp thiết bị thu phát vô tuyến

Trong những năm gần đây tần số kế chỉ thị số được sử dụng rộng rãi và còn cài đặt thêm µP để điều khiển và sử dụng kết quả đo nữa

6.8 Đo công suất, điện năng bằng Walt met, công tơ điện

6.8.1 Đo công suất dùng Walt met

Trong thực tế công suất thường đo trực tiếp 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

Hình 6.11: Một số hình ảnh về đồng hồ đo công suất

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

Watmet dùng chuyển đổi Hall: đo công suất xoay chiều với tần số đến hàng trăm MHz

Ưu điểm: không có quán tính, có cấu tạo đơn giản, bền, tin cậy

Nhược điểm: có sai số do nhiệt độ lớn

Đo công suất bằng phương pháp nhiệt điện: gồm watmet nhiệt điện và watmet nhiệt lượng kế

Watmet nhiệt điện: có nguyên lý hoạt động gần giống watmet chỉnh lưu điện tử, chỉ khác là

thay thế các điôt bằng các chuyển đổi cặp nhiệt để tạo ra các bộ bình phương Hiệu điện thế động sinh ra ở các đầu tự do (đầu lạnh) của các chuyển đổi được đo bởi một milivônmet từ điện Điện áp này tỉ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên một phụ tải.Ứng dụng của watmet nhiệt điện: thường để đo công suất trong mạch có dòng và áp không phải hình sin, tần số có thể lên tới 1MHz; đo công suất trong mạch có sự chệnh lệch pha lớn giữa dòng và áp Ngoài ra còn dùng để xác định sai số do tần số của các vônmet điện động

Watmet nhiệt lượng kế: được chế tạo theo nguyên tắc xác định công suất theo sự thay đổi

nhiệt độ của môi trường

Hình 6.9 Sơ đồ nguyên lý của watmet nhiệt lượng kế

Waltmet dựa trên phương pháp độ rộng xung:

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

Hình 6.10 Sơ đồ và dạng sóng Watmet theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Ví dụ: với T0 = 5μs và tần số của các tín hiệu vào là 10kHz thì sai số của watmet điều chế ĐRX–BĐX cỡ khoảng 0,1%

Ở Nhật Bản phương pháp điều chế đã được sử dụng để chế tạo chuẩn đơn vị công suất điện trong khoảng tần số từ 40Hz đến 10.00Hz có độ chính xác cao với sai số hệ thống từ 0,01÷0,2%

6.8.2 Đo năng lượng dùng công tơ điện

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

Công tơ một pha:

Hình 6.12 : Hình ảnh công tơ điện 1 pha 2 dây và thông số

Ý nghĩa thông số kỹ thuật

- Nguồn áp 220V: điện áp định mức của công tơ

- Dòng 10(40)A: Dòng điện định mức của công tơ là 10A Có thể sử dụng quá tải đến 40A mà vẫn đảm bảo độ chính xác Nếu sử dụng quá 40A thì công tơ chạy không đảm bảo chính xác và có thể hỏng

- Vòng quay 450 vòng/kWh: Đĩa công tơ quay 450 vòng thì được 1kWh 900 vòng/kWh, hoặc 225 vòng/kWh cũng tương tự

- Cấp 2: Cấp chính xác của công tơ Sai số 2% toàn dải đo Tương tự cho cấp 1, cấp 0.5 (Cấp càng nhỏ càng chính xác)

Đĩa nhôm 3: được gắn lên trục tì vào trụ có thể quay tự do giữa hai cuộn dây 1, 2

Hộp số cơ khí: gắn với trục của đĩa nhôm

Nam châm vĩnh cửu 4: có từ trường của nó xuyên qua đĩa nhôm để tạo ra mômen hãm

Hình 6.13 : Sơ đồ cấu tạo công tơ điện 1 pha + Nguyên lý làm việc: khi có dòng điện I chạy trong phụ tải, qua cuộn dòng tạo ra từ thông Φ1 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:

ΦU: là từ thông làm việc, xuyên qua đĩa nhôm

ΦI: không xuyên qua đĩa nhôm do vậy mà không tham gia việc tạo ra mômen quay

Cách thức đấu nối đồng hồ đo điện năng 1 pha

Hình 6.13 : Sơ đồ nối dây công tơ điện 1 pha

Công tơ ba pha:

Tương tự như công to một pha nhưng dùng để đo năng lượng công (kWh) dưới lưới điện xoay

chiều 3 pha 4 dây

Hình 6.14: Hình ảnh tổng thể công tơ điện ba pha DT03P05

Sơ đồ đấu dây:

Hình 6.15: Sơ đồ đấu dây công tơ điện ba pha

Ngày nay nhờ tiến bộ khoa học đắc biệt trong lĩnh vực viễn thông, các công tơ đã được tích hợp các tính năng cảnh báo như kết nối sai pha, đảo ngược cực tính, ; ngăn ngừa các trường hợp gian lận điện năng như can thiệp từ trường bên ngoài, mở nắp đầu dây và vỏ công tơ Đồng thời có thể đọc chỉ số công tơ từ xa bằng song vô tuyến và lưu trữ vào bộ nhớ không bay hơi, cho phép đọc chỉ số trong trường hợp mất điện áp lưới Tích hợp công nghệ RFSPIDER

Hệ thống đọc chỉ số công tơ từ xa qua sóng vô tuyến được tích hợp vào bên trong công tơ

Nhân viên ghi điện sử dụng thiết bị cầm tay (Handheld Unit) để ghi chỉ số công tơ và in giấy

báo tiền điện mà không cần phải trèo trụ hay vào nhà khách hàng, cải thiện khâu giao tiếp khách hàng

Hình 6.16: Mô hình tính điện năng tiêu thụ hiện nay

Số liệu ghi điện đƣợc cập nhật tự động vào Cơ sở dữ liệu khách hàng, loại bỏ đƣợc sai sót trong quá trình nhập liệu bằng tay, giúp cải thiện quy trình kinh doanh điện năng

Tích hợp công nghệ RFSPIDER, sẵn sàng cho việc thu thập dữ liệu công tơ tự động

CÂU HỎI ÔN TẬP

TỰ LUẬN

Câu 1) Trình bày các biểu thức dùng để tính công suất một chiều DC

Câu 2) Trình bày các phương pháp dùng để đo công suất AC một pha

Câu 3) Nêu các vấn đề cần lưu ý khi đo công suất tải ba pha

Câu 4) Trình bày các biểu thức dùng để tính công suất phản kháng của tải 1 pha và 3 pha

Câu 5) Trình bày các phương pháp dùng để đo điện năng

Câu 6) Đo hệ số công suất: cos cần phải thực hiện các lưu ý nào nhằm hạn chế sai số

Câu 7) Tần số kế là gì? Trình bày các loại tần số kế

Câu 8) Trình bày các sơ đồ đấu mạch để đo điện năng 1 pha và 3 pha

TRẮC NGHIỆM

Câu 9) Biểu thức P = UIcos là dùng để tính

a) Công suất tiêu thụ 1 pha

b) Công suất tiêu thụ 1 pha

c) Công suất biểu kiến 1 pha

d) Công suất phản kháng 1 pha

: DAO ĐỘNG KÝ (6 TIẾT)

CHƯƠNG 7Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao động ký điện tử (electronic scilloscope) là một dụng

cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng Nó chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian Bằng cách sử dụng máy hiện sóng ta xác định được:

+ Giá trị điện áp và thời gian tương ứng tín hiệu

+ Tần số dao động của tín hiệu

+ Góc lệch pha giữa hai tín hiệu

+ Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện tử

+ Thành phần của tín hiệu gồm th ành phần một chiều và xoay chiều như thế nào

+ Xác định thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không

Các thiết bị điện tử thường được chia thành 2 nhóm cơ bản là thiết bị tương tự và thiết bị số, máy hiện sóng cũng vậy Máy hiện sóng tương tự (Analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dòng electron bắn lên màn hình Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo ra tức thời dạng sóng tương ứng trên hình Trong khi đó, máy hiện sóng số (Digital osciloscope) sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC) Sau đó

nó sử dụng các thông tin dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình Tùy vào ứng

dụng mà người ta sử dụng máy hiện sóng loại nào cho phù hợp

Máy hiện sóng hiện nay được gọi là máy hiện sóng vạn năng vì không đơn thuần chỉ là hiển thị dạng sóng mà nó còn thực hiện được nhiều kỹ thuật khác như thực hiện hàm toán học, thu nhận thông tin và xử lý số liệu và thậm chí còn phân tích cả phổ tín hiệu

Các nội dung chính trong chương 7

7.1 Ống phóng điện tử

7.2 Các khối chức năng trong dao động ký

7.3 Đầu đo

7.1 Ống phóng điện tử

Dao động ký (electronic oscilloscope) là một dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng Nó chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian

CRT là cụm viết tắt của Cathode-Ray Tube, có nghĩa là ống phóng điện tử chân không

7.1.1 Cấu tạo ống phóng tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) :

Màn hình CRT được cấu tạo từ một ống phóng điện tử và cụm màn hình bằng thuỷ tinh Toàn

bộ phần bên trong được hút chân không để đảm bảo rằng không có không khí thông thường

Phần 3 cực (triot) gồm catot, lưới và anot

Catot làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử Một sợi đốt nằm bên trong katot có nhiệm vụ nung nóng catot để tăng cường thêm số điện tử phát xạ Sợi đốt có điện thế khỏang 6,3v nhưng catốt có điện thế xấp xỉ 2kv

Lưới là một cốc niken có lỗ ở đáy bao phũ lấy catot Thế của lưới xấp xỉ từ 2kv đến 2,05kv để điều khiển dòng electron từ catot hướng đến màn hình Khi thế của lưới thay đổi sẽ điều chỉnh lượng electron bắn ra khỏi catot, tức làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau

Vì vậy thành phân điều khiển thế của lưới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói

Anot gồm 3 anot A1, A2, A3 Trong đó A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một đầu kín có lỗ

ở giữa cho electron đi qua A2 tiếp đất nên có thế dương hơn catot, electron được gia tốc từ catot qua lưới và anot đến màn hình Các anot này được gói là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện từ Vì các electron cùng mang điện tích âm nên chúng có xu hướng đẩy nha, nghĩa là chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra và khi đập vào màn hùynh quang sẽ tao ra một vùng sáng, nghĩa

là hình ảnh hiển thị bị nhòe Nhờ có các điện cực điều tiêu, chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron hướng tới một điểm nhỏ trên màn hình, tức là hình ảnh hiển thị được rõ nét A2 có thế 2kv để tạo ra các đường đẳng thế làm cho các electron chuyển động qua anot có tốc

độ ổn định Phần 3 cực trên đôi khi còn được gọi là súng điện tử

Hình 7.2: Cấu trúc của CRT

Hệ thống làm lệch (hay còn gọi là lái tia)

Khi các tấm làm lệch ngang và đứng được tiếp đất hoặc không nối thì chùm electron có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình

Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có thế dương và bị đẩy raxa khỏi tấm có thế âm Để tác dụng của các điện áp làm lệch +/- Gây ra những khoảng lệch như nhau thì thế +e/2 phải đưa vào một tấm và thế -E/2 đi vào tấm còn lại (với e là thế chênh lệch giữa hai tấm)

Điện áp cần thiết để tạo ra một vạch chia độ lệch ở màn hình được gọi là hệ số làm lệch đứng của ống, đơn vị là (v/cm) Độ lệch do 1v tao ra trên màn hình gọi là độ nhạy lái tia, (cm/v)

Ngoài ra, để tránh ảnh hưởng của điện trường giữa các cặp lái tia người ta đôi khi còn sử dụng một màn chắn cách điện giữa cắp lái tia ngang và cặp lái tia đứng

Màn hình của CRT được mạ một lớp photpho ở mặt trong của ống, khi chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển lên mức năng lượng cao và khi trở về trạng thái bình thường sẽ phát ra ánh sáng Sự lưu sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s

nên mắt người mới nhìn thấy hình dạng sóng hiện Lớp than chì có tác dụng thu hồi các electron thứ cấp vì nếu không thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra một thế âm

ở màn hình và thế âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng electron tiến đến màn hình Ngoài ra, người ta có thể dùng màn nhôm thể thu góp electron và dẫn tới đất Màng nhôm này

có tác dụng tăng cường độ chói của lớp sáng do phản xạ ánh sáng về phía màn thủy tinh và tản nhiệt cho màn hình

Đường xoắn ốc làm bắng chất liệu có điện trở cao kết tủa trong ống thủy tinh từ chổ tấm lái tia tới màn hình có tác dụng gia tốc cho electron sau khi làm lệch để có được độ chói cần thiết (nếu gia tốc trước lúc làm lệch thì sẽ làm giảm khả năng điều chỉnh dòng electron của các tấm làm lệch)

7.1.2 Nguyên lý hiển thị hình ảnh

Màn hình CRT sử dụng phần màn huỳnh quang dùng để hiển thị các điểm ảnh, để các điểm ảnh phát sáng theo đúng màu sắc cần hiển thị cần các tia điện tử tác động vào chúng để tạo ra sự phát xạ ánh sáng Ống phóng CRT sẽ tạo ra các tia điện tử đập vào màn huỳnh quang để hiển thị các điểm ảnh theo mong muốn

Hình 7.3: Cách tạo điểm sáng trên màn hình CRT Cụm đầu phóng điện tử bao gồm ống phóng các chùm tia điện tử (1) Ở đây có ba ống để phục

vụ cho ba màu khác nhau Trong mỗi ống có một sợi đốt (kiểu giống dây tóc bóng đèn sợi đốt

mà chúng ta thường thấy, nhưng tóc sợi đốt ở đây thì có hình dạng đặc biệt hơn nhiều) Khi làm việc thì sợi đốt được nung nóng đến nhiệt độ nhất định để các điện tử tự do trong kim loại của sợi dây tóc nhảy khỏi bề mặt Khi các điện tử nhảy ra thì chúng đã được nằm trong một điện trường có hiệu điện thế rất lớn giữa (1) và (5) thì bị hút vào điện trường đó thành các chùm tia điện tử (2)

Để tạo ra một tia điện tử có thể hội tụ tại mặt nạ của màn hình (7), ống CRT có cụm thấu kính

từ (3) (hệ thấu kính từ này không giống như các thấu kinh quang học) Để lái các tia điện tử

đến các điểm mong muốn thì ống CRT có các cuộn lái tia theo hai phương (ngang và đứng) điều khiển tia này đến các vị trí trên màn huỳnh quang (4)

Hình 7.3: Cấu tạo ống phóng điện tử lên màn hình CRT Các chùm tia điện tử đã được điều khiển theo các toạ độ khác nhau bởi các cuộn lái tia thì sẽ hội tụ tại các điểm lỗ của mặt nạ (7), xuyên qua các lỗ này thì chúng đập vào lớp phốt pho (8)

mà ở đó sẽ hiển thị đối với các màu sắc khác nhau Mỗi lỗ trên mặt nạ là một điểm ảnh, tương ứng với ba màu đỏ-xanh lục-xanh lam

Catot phát ra electron và được các hệ thống điện cực điều khiển để có số lượng hạt, vận tốc và

độ hội tụ cần thiết Hệ thống làm lệch sẽ làm cho chùm tia điện tử di chuyển trên màn hình theo phương ngang và phương đứng để hiện dạng của tín hiệu

Ở chế độ hiển thị dạng sóng thông thường, tín hiệu cần hiển thị được đưa vào cặp làm lệch đứng còn một tín hiệu dạng răng cưa được đưa vào cặp lệch ngang

Khi đó với tần số răng cưa (còn gọi là tần số quét) phù hợp trên màn hình sẽ có một sóng đứng

có dạng sóng cần hiển thị

Hình 7.4: Dùng sóng răng cưa để hiển thị tín hiệu trên màn hình

Chú ý : Với các máy hiện sóng nhiều kênh (tia) thì có thể thực hiện theo hai cách như sau :

Sử dụng cho mỗi kênh một súng điện tử và cặp làm lệch đứng riêng nhưng cùng chung cặp làm lệch ngang Sử dụng một súng điện tử, tách chùm tia điện tử thành nhiều phần trước khi cho qua các cặp làm lệch đứng (ứng với số kênh) và tất cả cùng qua một cặp làm lệch ngang

Các màn hình loại CRT có các ưu nhược điểm:

Ưu điểm: Thể hiện màu sắc rất trung thực, tốc độ đáp ứng cao, độ phân giải có thể đạt được

cao Phù hợp với games thủ và các nhà thiết kế, xử lý đồ hoạ

Nhược điểm: Chiếm nhiều diện tích,nặng, tiêu tốn điện năng hơn các loại màn hình khác,

thường gây ảnh hưởng sức khoẻ nhiều hơn với các loại màn hình khác

7.2 Các khối chức năng trong dao động ký

7.2.1 Sơ đồ khối và chức năng hoạt động

Sơ đồ khối

Hình 7.5: Sơ đồ khối của máy hiện sóng Oscilloscope

Chức năng hoạt động:

Tín hiệu vào được đưa qua bộ chuyển mạch AC/DC (khoá K đóng khi cần xác định thành phần

DC của tín hiệu còn khi chỉ quan tâm đến thành phần AC thì mở K) Tín hiệu này sẽ qua bộ phân áp (hay còn gọi là bộ suy giảm đầu vào) được điều khiển bởi chuyển mạch núm xoay núm xoay VOLTS/DIV, nghĩa là xoay núm này cho phép ta điều chỉnh tỉ lệ của sóng theo chiều

đứng Chuyển mạch Y- POS để xác định vị trí theo chiều đứng của sóng, nghĩa là có thể di chuyển sóng theo chiều lên hoặc xuống tuỳ ý bằng cách xoay núm vặn này Sau khi qua phân

áp, tín hiệu vào sẽ được bộ khuếch đại Y khuếch đại làm lệch rồi đưa tới điều khiển cặp làm lệch đứng Tín hiệu của bộ KĐ Y cũng được đưa tới trigo (khối đồng bộ), trường hợp này gọi

là đồng bộ trong, để kích thích mạch tạo sóng răng cưa (còn gọi mạch phát quét) và đưa tới điều khiển cặp làm lệch ngang để tăng hiệu quả điều khiển, một số mạch còn sử dụng thêm các

bộ khuếch đại X sau khối tạo điện áp răng cưa) Đôi khi người ta cũng cho mạch làm việc ở chế độ đồng bộ ngoài bằng cách cắt đường tín hiệu từ khuếch đại Y, thay vào đó là cho tín hiệu ngoài kích thích khối tạo sóng răng cưa

Hình 7.6: Các thông số hiện thị trên màn hình dao động ký số

Đi vào khối tạo sóng răng cưa còn có hai tín hiệu điều khiển từ núm vặn TIME/DIV và X - POS TIME/DIV (có nhiều máy kí hiệu là SEC/DIV) cho phép thay đổi tốc độ quét theo chiều ngang, khi đó dạng sóng sẽ dừng trên màn hình với n chu kỳ nếu tần số của sóng đó lớn gấp n lần tần số quét) X - POS là núm điều chỉnh việc di chuyển sóng theo chiều ngang cho tiện quan sát Màn hình hiển thị các thông số của tín hiệu

7.2.2 Các khối chức năng

Một dao động ký thông thường có mặt trước gồm ba phần chính là vertical (phần điều khiển đứng), horizontal (phần điều khiển ngang) và trigger (phần điều khiển đồng bộ) Một số phần còn lại focus (độ nét), intensity (độ sáng)….Có thể khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất, loại máy và model

Chức năng chính của một số nút điều khiển

1 Nút POWER

4 Độ sáng của hình ảnh

5 Độ rõ của hình ảnh

6 Nguồn tín hiệu 1 Khz (dùng để điều chỉnh probe)

7 Điều chỉnh vị trí của tín hiệu trên màn hình

9 Chiều dọc: điều chỉnh số mV hay V trong 1 cm

11 Nối tín hiệu DC hay AC (DC dùng cho tín hiệu 1 chiều hay tần số thấp, AC dùng cho tín hiệu có tần số cao)

13 Cột nhận tín hiệu kênh 1 (Channel 1)

14 Cột nhận tín hiệu kênh 2 (Channel 2)

Hình 7.7: Mặt trước của dao động ký 2 tia

15 Biểu thị kênh 1, kênh 2 hoặc cả hai kênh

16 Phóng đại hình ảnh

19 Chiều ngang: điều chỉnh bao nhiêu millisec, usec, hay nanosec trong 1 ngấn

25 Điều chỉnh mức độ trigger