Bài 4: ĐO CÔNG SUẤT, ĐIỆN NĂNG Mã bài: MĐ15.04 Giới thiệu: Công suất và điện năng là hai đại lượng quan trọng trong kỹ thuật đo lường. Bài học này cung cấp các kiến thức cơ bản giúp người học tìm hiểu nguyên lý và từ đó hình thành kỹ năng đo công suất và điện năng. Mục tiêu: - Đo, đọc chính xác trị số các đại lượng công suất, điện năng - Lựa chọn phương pháp đo phù hợp cho từng đại lượng cụ thể - Sử dụng và bảo quản các loại thiết bị đo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật 1. Đo công suất 1 pha 1.
Đo công mạch một chiều: a. Đo gián tiếp: Ta biết công suất mạch một chiều được tính theo công thức: P = UI Nên ta đo công suất bằng cách mắc sơ đồ đo như sau: + A - + + UDC V R - - Hình 4.1: Mạch đo công suất dùng V-mét và A-mét + Dùng Am-pe-mét xác định trị số dòng điện qua tải. + Dùng Vôn-mét xác định trị số điện áp giáng trên tải. Từ đó ta xác định được công suất tiêu thụ trên tải theo công thức trên.
Nhƣợc điểm: + Chậm có kết quả vì phải qua quá trình tính toán trung gian. + Cần phải có 2 dụng cụ đo. + Sai số tương đối lớn: 62 Sai số phép đo = (sai số Ampemét + sai số Vônmét + sai số tính toán). Đo trực tiếp: Để đo công suất trực tiếp ta dùng dụng cụ đo là Oátmét.
Oátmét thường được chế tạo từ cơ cấu đo điện động hoặc sắt điện động. Đây là hai cơ cấu đo có thể làm việc trực tiếp ở cả chế độ một chiều và xoay chiều. Oátmét gồm hai cuộn dây: * 2 1 I + * Ru Iv UDC RP Rt - Hình 4. Đo công suất một chiều bằng Oatmét + Cuộn dây tĩnh(1): có số vòng ít tiết diện lớn và được mắc nối tiếp với mạch cần đo công suất gọi là cuộn dòng.
+ Cuộn dây động (2): được quấn nhiều vòng với tiết diện dây nhỏ, có điện trở nhỏ được mắc nối tiếp với điện trở phụ Rp và song song với mạch cần đo công suất gọi là cuộn áp. Trên thang đo người ta ghi thẳng trị số công suất tương ứng với góc quay . Cuộn Cuộn dòng dòng Khi đổi chiều dòng điện của một trong hai cuộn dây mô men quay sẽ đổi chiều, do đó kim của Nguồn Cuộn áp Tải Oátmét sẽ quay ngược lại. Tính chất đó gọi là cực tính của Oátmét.
Để tránh mắc nhầm cực tính, đầu cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp được đánh dấu (*) hoặc (+). Cần chú ý điều này khi sử dụng Oátmét. Để đo công suất trực tiếp ta dùng dụng cụ đo là Oátmét. Oátmét thường được chế tạo từ cơ cấu đo điện động hoặc sắt điện động.
Đây là hai cơ cấu đo. Oátmét gồm hai cuộn dây: 63 + Cuộn dây tĩnh (1): có số vòng ít dùng dây có tiết diện lớn và được mắc nối tiếp với mạch cần đo công suất gọi là cuộn dòng. + Cuộn dây động (2): được quấn nhiều vòng với tiết diện dây nhỏ, có điện trở nhỏ được mắc nối tiếp với điện trở phụ R p và song song với mạch cần đo công suất gọi là cuộn áp. Khi có điện áp U đặt lên cuộn dây động (tức là dòng qua cuộn động là I 2 tỉ lệ với U) và dòng điện I đi qua phụ tải R (tức là dòng qua cuộn tĩnh I 1 chính là dòng I).
Sự tương tác giữa các trường từ được tạo ra bởi các cuộn dây sẽ làm kim của Oatmet lệch đi một góc * Đối với mạch điện một chiều, theo công thức tính góc lệch của dụng cụ điện động ta có: 1 dM 12 . D d trong đó: I1 I U I2 Ru Rp dM 12 const d K .(Ru Rp ) d Với D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I1, I2: dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M12: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K: gọi là hệ số của Oat met với dòng một chiều 1. Đo công suất tác dụng mạch xoay chiều một pha Với mạch điện xoay chiều, không thể dùng phương pháp Ampemét - Vônmét để xác định công suất tiêu thụ trên tải (vì tích số UI chỉ là công suất biểu kiến) mà phải dùng Oátmét để đo. Ta biết rằng góc quay trong trường hợp này tỉ lệ với các dòng điện I (dòng điện qua tải) và Iv (dòng điện qua cuộn động tỉ lệ với điện áp tải) qua 2 cuộn dây và góc lệch pha giữa chúng.
Vì điện cảm trong cuộn áp không đáng kể nên dòng điện 64 Iv và U cùng pha. Vậy góc lệch pha giữa 2 dòng điện I và Iv cũng chính là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp phụ tải U. Do đó, ta có: 1 dM 12 . cos D d U U Iu IU .
cos I RU RP 1 U. cos( ) D RU RP Với D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I1, I2: dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M12: hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K: là hệ số của Oat met với dòng xoay chiều Nếu K .P Nghĩa là góc quay của kim tỷ lệ với công suất cần đo. Do đó Oátmét kiểu điện động và sắt điện động có thể dùng để đo công suất trong các mạch điện một chiều và xoay chiều. Chú ý: + Do Oatmet điện động có cực tính nên khi đảo pha của 1 trong 2 cuộn dây Oatmet sẽ quay ngược, vì vậy, các cuộn dây được đánh dấu (*).
Khi nối các đầu dây cần nối các đầu dây có dấu (*) với nhau. + Oatmet điện động thường có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo dòng là 5A và 10A, theo áp là 150V và 300V. Trên thang đo người ta ghi thẳng trị số công suất tương ứng với góc quay .
+ Dải tần số từ 0 tới KHz + Độ chính xác đạt 0,1 tới 0,2% với tần số dưới 200Hz Khi sử dụng Oátmét phải chú ý đến cực tính của cuộn dây. Vì khi đổi chiều dòng điện 1 trong 2 cuộn dây thì mômen quay đổi chiều dẫn đến kim của Oátmét quay ngược. 65 * 2 * 1 I Ru Iv COM RP Rt UAC Hình 4.4: Đo công suất xoay chiều bằng Oátmét. - Cách đấu Oátmét vào mạch: có 2 cách * * 2 2 * 1 I 1 I * Ru Iv Ru Iv UAC UAC RP Rt RP Rt a.
Cuộn điện áp mắc trước b. Cuộn điện áp mắc sau Hình 4.: Hai cách nối Oátmét + Đấu cuộn dòng điện trong (hình 4.5 a): dùng khi đo mạch điện có công suất nhỏ + Đấu cuộn dòng điện ngoài (hình 4.5 b): dùng khi đo mạch điện có công suất lớn. * Thay đổi cỡ đo: + Đối với cuộn dòng điện: người ta chia cuộn dòng (cuộn tĩnh) thành hai nửa cuộn rồi đấu nối tiếp hoặc song song lại với nhau. - Khi đấu nối tiếp hai nửa cuộn (hình 4.
- Khi đấu song song hai nửa cuộn (hình 4.6 b): tầm đo là 2Iđm + Đối với cuộn điện áp: dùng điện trở phụ nhiều cở để thay đổi tầm đo như Vôn mét, mắc nối tiếp các điện trở phụ vào cuộn động, mạch như hình 3.20 c: 66 * Iđm 2 Iđm 1 I * Iv Ru RP1 Rt a. 1 UAC RP2 2 Iđm 2Iđm Iđm RP3 3 b.: Thay đổi cỡ đo của Oátmét 1. Đo công suất 3 pha. Đo công suất bằng một oát mét một pha.
Nếu trường hợp mạng 3 pha cân bằng chúng ta chỉ cần dùng một Oátmét một pha đo công suất ở một pha sau đó lấy kết quả đo được nhân với 3 (mạch 3 pha 4 dây), hoặc nhân với 2 (mạch 3 pha 3 dây) * * A * A * P P B ZA B Z Z ZC ZB Z C C N a. Mạch 3 pha 4 dây b. Mạch 3 pha 3 dây Hình 4.7: sơ đồ dùng một Oátmét đo công suất mạch 3 pha đối xứng 1.Đo công suất bằng hai oát mét một pha. Phương pháp này dùng với mạch ba pha ba dây.
Cách đo này không phụ thuộc vào tải (đối xứng hay không đối xứng, hình tam giác hay hình sao không có dây trung tính). Thật vậy: Gọi dòng điện chạy trong 3 pha lần lượt là iA, iB, iC ta có: iA + iB + iC = 0 iC = -(iA +iB) Công suất tức thời 3 pha: P3P = iAUA +iBUB + iCUC = iAUA + iBUB - (iA +iB)UC = iA (UA - UC) + iB(UB - UC) = iA UAC +iBUBC = P1 + P2 67 Như vậy công suất của mạng 3 pha 3 dây được đo 2 Oátmét một pha: * Oátmét thứ nhất đo dòng điện pha A và điện áp U AC * Oátmét thứ hai đo dòng điện pha B và điện áp UBC Sơ đồ mắc Oátmét như sau: * A * P1 * B Z Z * P2 C Z Hình 4.8 : Sơ đồ dùng 2 Oátmét một pha đo công suất mạch ba pha ba dây Trong thực tế người ta chế tạo Oátmét 3 pha 2 phần tử nối chung một trục, cách mắc dây Oátmét 3 pha như cách mắc ở phương pháp đo công suất mạng 3 pha bằng 2 Oátmét , số chỉ của Oátmét này sẽ là công suất của mạng 3 pha 3 dây. Sơ đồ mắc Oátmét như sau: * A * P1 * B Z Z * P2 C Z Hình 4.9 : Sơ đồ dùng Oátmét ba pha hai phần tử đo công suất mạch ba pha ba dây Trường hợp đã nối đúng cực tính: mà kim của một Oátmét nào đó vẫn quay ngược thì phải đổi chiều cuộn dây điện áp của Oátmét ấy. Lúc đó công suất tác dụng của mạch 3 pha sẽ bằng hiệu số của 2 số chỉ của 2 Oátmét tức là: P3p = P1 - P2 Cho nên ta nói rằng công suất của mạng 3 pha bằng tổng đại số số chỉ của 2 Oátmét.
Đo công suất bằng ba oát mét một pha. Dùng trong trường hợp tải ba pha đấu sao có dây trung tính (Hệ ba pha bốn dây) Để đo công suất ở mạch 3 pha 4 dây người ta dùng 3 Oátmét 1 pha, mỗi Oátmét mắc vào một pha, sau đó cộng các chỉ số của chúng lại với nhau: P3P = P1 +P2 + P3 A * * P1 * B ZA * P2 * ZC ZB C * P3 N Hình 4.10 : Sơ đồ dùng 3 Oátmét một pha đo công suất mạch ba pha Trong thực tế người ta chế tạo Oátmét 3 pha 3 phần tử. Nó bao gồm 3 cuộn dòng điện, tương ứng với 3 cuộn điện áp gắn trên cùng một trục quay.