›
›

Giáo trình Kĩ thuật đo lường (Phần 2)

pdf 92 trang phuongnguyen 4660
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kĩ thuật đo lường (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_ki_thuat_do_luong_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kĩ thuật đo lường (Phần 2)

  1. Chương 4 ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 4.1. Đo công suất và năng lượng trong mạch một pha 4.1.1. Đo công suất tác dụng bằng wattmet điện động 4.1.1.1. Đo công suất trong mạch một chiều Đo công suất người ta thường dùng wattmet điện động, wattmet điện động được chế tạo dựa trên cơ cấu chỉ thị điện động, góc quay của cơ cấu chỉ thị điện động được tính như sau: với ψ là góc lệch pha giữa các dòng I1 và I2 Sơ đồ mắc wattmet điện động như Hình 4.1. Wattmet điện động có hai cuộn dây, cuộn dây tĩnh còn gọi là cuộn dòng được cuốn bằng dây có kích thước lớn, ít vòng, cho dòng phụ tải trực tiếp chạy qua hoặc nối với thứ cấp của biến dòng điện, nó đóng vai trò như một ampemet. Cuộn dây động hay còn gọi là cuộn áp thường được nối tiếp với RP, được oặt trực tiếp lên điện áp của phụ tải hoặc nối với thứ cấp của biến điện áp đo lường, nó đóng vai trò như một volmet. Xét với mạch một chiều ta có: cosψ = 1, I1 ≈ I 82
  2. với Ru là điện trở một chiều của cuộn dây động. Thay giá trị I2 vào (4-1) ta có: với P là công suất tác dụng mà phụ tải tiêu thụ qua W và K K1 = R p + R u Kết luận: Góc quay α tỉ lệ bậc nhất với công suất tiêu thụ trên tải, vậy có thể dùng wattmet điện động để đo công suất trong mạch một chiều. 4.1.1.2. Đo công suất trong mạch xoay chiều Giả sử mạch xoay chiều có điện áp u = Umsinωt và dòng phụ tải i = Imsin(ωt - ϕ) = i1 Ở đây ϕ là góc tải. Vì cơ cấu không có mạch từ nên dòng i2 chỉ chậm pha hơn so với điện áp u một góc khá nhỏ nào đó. Ta có đồ thị véc tơ như Hình 4.2. Vẫn từ công thức (4-1) ta có: với ϕu là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong cuộn dây động. Cuối cùng ta tính được: 83
  3. Ta xét hai trường hợp: - Coi góc ϕu rất nhỏ: ϕu ≈ 0 (Xu << Ru) Khi đó góc quay α = K1Scosϕ = K1P Thực tế góc ϕu tuy khá nhỏ nhưng khác 0 vì vậy dẫn đến những sai số trong quá trình đo lường 2 Sau khi biến đổi biểu thức và thay: sin ϕu ≈ ϕu, sin ϕu ≈ 0, ta được kết quả: Kết luận: Sai số khi dùng wattmet điện động phụ thuộc vào cấu trúc của wattmet (ϕu) và tính chất của phụ tải (tgϕ). Chú ý: - Góc quay α = K1Scosϕ, nếu ta đổi đầu 1 trong 2 cuộn dây dòng hoặc áp thì góc lệch pha Wattmet sẽ quay theo chiều ngược lại, vì vậy ta nói rằng wattmet có cực tính, các đầu dây cùng cực tính thường được đánh dấu (*) để nối chúng với nhau. Góc quay α của wattmet tỉ lệ với công suất tác dụng trên phụ tải song thang chia độ của wattmet không chia theo đơn vị công suất mà chia thành một số vạch nhất định. Giá trị của mỗi vạch chia được đặc trưng bởi hệ số của wattmet Cw: 84
  4. trong đó Unk, Ink là điện áp và dòng điện định mức ứng với thang đo thứ k nào đó. an là số vạch trên chia trên toàn thang đo. Wattmet điện động có thể có nhiều giới hạn đo (Tại sao?) mỗi giới hạn có một hệ số Cw tương ứng. Công suất đo được tính bằng tích của hệ số Cw trên thang đo tương ứng với số vạch chia mà kim chỉ thị thể hiện. 4.1.1.3. Đo công suất phản kháng Ta sử dụng wattmet điện động cùng với điện trở, cuộn cảm. Sơ đồ mắc như sau: Cuộn dây dòng điện được mắc nối tiếp với phụ tải. Cuộn dây điện áp được mắc song song với một điện trở R1, sau đó được mắc nối tiếp với một cuộn cảm L và điện trở R, ta điều chỉnh trị số R1, L, R sao cho U và I vuông góc với nhau. Khi đo góc quay α của wattmet là: 4.1.2. Wattmet sử dụng những phần tở phi tuyến 4.1.2.1. Wattmet nhiệt điện a) Cơ sở lý luận chung Wanmet điện động chỉ đo công suất trong mạch điện tần số thấp và ở một dải tần nhất định. Khi cần đo công suất ở tần số cao hoặc cả trong một dải tần rộng nào đó người ta dùng wattmet nhiệt điện. Phần tử cơ bản được sử dụng trong wattmtt nhiệt diện là hai cặp nhiệt điện giống 85
  5. nhau A, B được mắc như Hình 4.4. Gọi công suất sinh ra trên các điện trở nhiệt r là: pa, pb. Rõ ràng suất điện động trên các cặp nhiệt ngẫu sẽ tỉ lệ với pa, pb Ea = K.pa; Eb= K.pb với K là hệ số tỉ lệ. Giả thiết người ta bố trí sao cho dòng điện qua điện trở r1 bằng tổng của hai đòng i1, i2 còn dòng điện qua ra bằng hiệu i1, i2 ia = i1+i2, ib =i1 - i2 Khi đó có thể tính được công suất nhận được tin các điện trở r như sau: Với cách nối các cặp nhiệt ngẫu như hình vẽ số chỉ của mỹ sẽ bằng: 86
  6. 1 T Rõ ràng số chỉ của mV tỷ lệ với i i dt . Vấn đề ở đây ta cần phải ∫ 1 2 T 0 đo công suất tiêu thụ trên tải. Mà ta biết công suất tiêu thụ trên tải sẽ 1 T bằng ∫ u.idt . T 0 Vì vậy ta phải xây dựng sơ đồ sao cho các dòng điện ia, ib là tổng và hiệu của các dòng i1, i2 Mặt khác các dòng i1, i2 lại phải tỷ lệ với dòng điện và điện áp trên tải tức là Số chỉ của mỹ sẽ là: với C = 4abKr. Tức số chỉ của mỹ tỷ lệ với các công suất tác dụng trên phụ tải bị b) Wattmet nhiệt điện Trên cơ sở lý thuyết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ nguyên lý như hình vẽ 87
  7. Trên sơ đồ A, B là các cặp nhiệt điện, r1 là điện trở có giá trị rất nhỏ, là dòng điện phụ tải, ta có: iu ≤ i. Với cách bố trí mạch như trên ta có: Tương tự Trên sơ đồ thường chọn ra = rb = r. Kết hợp với cơ sở lý luận ban đầu số chỉ của mỹ trong sơ đồ này sẽ tỷ lệ với công suất tác dụng P lên phụ tải. 4.1.2.2. Wattmet sử dụng phần tử bình phương a) Cơ sở lý luận chung Ta biết trong thiết bị điện có những phần tử mà đầu ra (dòng, áp) tỷ lệ với bình phương đầu vào và như vậy giá từ trung bình đầu ra cũng tỷ lệ với bình phương giá trị trung bình đầu vào. Những phần tử như vậy có thể sử dụng để đo công suất tác dụng P trong mạch. Loại thường dùng là diết bán dẫn. Giả thiết đại lượng đầu ra A tỷ lệ bình phương với điện áp vào u A = n.u2. 88
  8. Sơ đồ cấu trúc tổng hợp sử dụng hai phần tử phi tuyến B1, B2 như hình vẽ: Người ta tổng hợp sao cho với U, I là điện áp và dòng điện cần sử dụng để đo công suất P. Lúc đó ta có: với ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trên phụ tải. Từ đó có thể viết: với C là hệ số tỷ lệ, P là công suất cần đo. Vậy có thể đo ∆A rồi suy ra công suất cần đo. b) Warttmet sử dụng phần tử bình phương - điốt bán dẫn Sơ đồ cụ thể đo công suất sử dụng B1, B2 như sau: 89
  9. Trên sơ đồ r1 là điện trở Shunt. Ta biết với một bán dẫn dòng điện tỷ lệ với bình phương điện áp tức là Từ đó ta có: Lúc đó giá trị trung bình của điện áp rơi trên điện trở ra là: Tương tự, nếu trên phần tử B2 xuất hiện điện áp Ub với giá trị hiệu dụng Ub lúc đó ta cũng có: Từ hình vẽ ta có: 90
  10. Trên thực tế thường chọn ra = rb = r, lúc đó điện áp trên mV sẽ bằng Chú ý: Wattmet này sử dụng trong dải tần rất rộng, tới hàng nghìn Hz có sai số từ 1 ÷ 3 % và tiêu thụ một công suất rất nhỏ. 4.3.1. Đo năng tương tác dụng bằng công tơ cảm ứng một pha Có rất nhiều cách đo năng lượng, song công tơ cảm ứng một pha được ứng dụng rộng rãi nhất trong kỹ thuật vì mômen quay lớn, độ làm việc tin cậy, sai số nằm trong phạm vi cho phép. 4.1.3.1. Cấu tạo Cấu tạo của công tơ một pha như Hình 4.8 gồm hai nam châm điện A và B. - Nam châm điện A gọi là cuộn dòng, thường được cuốn bằng dây có kích thước lớn, ít vòng và cho dòng phụ tải trực tiếp chạy qua hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng điện. - Nam châm điện B được gọi là cuộn áp, thường được cuốn bằng đây có kích thước nhỏ, rất nhiều vòng, đặt trực tiếp lên điện áp lưới hoặc nối 91
  11. với thứ cấp của biến điện áp đo lường. - Đĩa nhôm Đ được kẹp cứng trên trục quay, ngoài ra còn nam châm vĩnh cửu M, thanh dẫn từ G và hệ thống cơ cấu đếm. 4.1.3.2. Nguyên lý làm việc Xét khi cuộn dòng có dòng điện xoay chiều i chạy qua sẽ xuất hiện từ thông φi xuyên qua đĩa nhôm hai lần, khi đặt điện áp xoay chiều u lên cuộn áp sẽ tạo ra dòng điện iu chậm pha hơn so với điện áp một góc 90o. Dòng iu sinh ra từ thông φu. Từ thông φu gồm hai thành phần: + φup chỉ khép mạch qua mạch từ cuộn áp gọi là từ thông phụ; + φuc xuyên qua đĩa nhôm gọi là từ thông làm việc. φi và φuc sẽ cảm ứng trên đĩa nhôm những dòng điện xoáy. Theo nguyên lý của cơ cấu chỉ thị cảm ứng, địa nhôm sẽ chịu tác dụng của mômen quay được xác định: với ψ là góc lệch pha giữa hai từ thông φi và φuc Ta coi mạch từ chưa bão hoà, nên từ thông φi tỷ lệ với I: φi = c1.I với c1 = const. Ta coi tần số là không đổi nên φuc tỷ lệ với U: φuc = c2.U với c2 = const. vậy mômen quay được tính: Mq = Kfc1c2UIsinψ = K1UIsinψ với K1 = Kfc=1c2 Ta xét hai trường hợp: * Trường hợp lý tưởng Coi các từ thông trùng pha với dòng điện kích thích tương ứng, ta có đồ thị véc tơ như Hình 4.9. 92
  12. Từ đồ thị véc tơ ta thấy: với ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trên tải. Vậy: * Trường hợp thực tế Các từ thông này đều chậm pha hơn so với dòng điện kích thích tương ứng một góc nào đó (tuy khá nhỏ). Ta có đồ thị véc tơ như Hình 4.10 Ta xét góc: 93
  13. với α1 là góc lệch pha giữa dòng điện và φ1 và I. Vậy Do vậy ta phải điều chỉnh góc ai sao cho thoả mãn điều kiện trên. Khi có mômen quay đĩa nhôm sẽ gia tốc tới tốc độ rất lớn nếu không có gì cản lại, vì vậy người ta đặt nam châm vĩnh cửu M để tạo ra mômen hãm. Khi đĩa nhôm quay cắt ngang từ trường của nam châm vĩnh cửu, trên đĩa nhôm xuất hiện những dòng điện xoáy, những dòng điện này lại tác dụng với chính từ trường của nam châm vĩnh cửu tạo ra mômen hãm: Đĩa nhôm quay ở tốc độ ổn định khi cân bằng hai mômen, do đó ta có: Tích phân hai vế ta có: Vế trái của phương trình tỷ lệ với năng lượng mà phụ tải tiêu thụ qua công tơ trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 còn vế phải tỷ lệ với lượng góc quay của đĩa nhôm cũng trong khoảng thời gian đó. Ta có: 94
  14. (N: số vòng quay của đĩa nhôm) Vậy W' = CđmN (4-24) với Cđm là hệ số định mức của công tơ. Kết luận: Như vậy ta đã chứng minh được rằng số vòng quay của đĩa nhôm tỷ lệ bậc nhất với năng lượng điện mà phụ tải tiêu thụ qua công tơ. 4.1.3.3. Cơ cáu đếm và các thông số cơ bản của công tơ - Cơ cấu đếm: Gồm hệ thống bánh vít, trục vít, các con lăn và các bánh răng chỉ thị số. - Thông số cơ bản của công tơ: + Hệ số truyền tải của công tơ là lượng điện năng truyền tải qua công tơ khi đĩa nhôm quay hết một vòng. + Hệ số định mức của công tơ là số vòng quay của đĩa nhôm khi truyền tải qua công tơ 1 kWh điện. 4.1.3.4. Sai số và cách khắc phục Do tồn tại của ma sát, do ảnh hưởng của từ thông phụ, do sai lệch hằng số của công tơ (mômen cản lớn hoặc nhỏ) do đó công tơ sai số ít nhiều. Trước khi sử dụng bắt buộc phải hiệu chỉnh lại tức là tiền cách khắc phục sai số. a) Bù ma sát - Khi ở phụ tải nhỏ, mômen ma sát sẽ đáng kể so với mômen quay. Vì vậy người ta phải chế tạo bộ phận bù ma sát trên cơ sở nguyên lý chung là phân chia từ thông cuộn áp thành các từ thông phụ bằng các vít 95
  15. chia từ thông hoặc vòng ngắn mạch không đối xứng (chưa thể hiện trên hình vẽ). - Khi điều chỉnh vị trí vòng ngắn mạch không đối xứng hoặc vít chia từ thông ta sẽ bù được ma sát (tuy nhiên nếu điều chỉnh quá sang trái hoặc sang phải thì công tơ sẽ tự quay thuận hoặc quay ngược khi không có tải). b) Chống hiện tượng tự quay của công tơ Khắc phục hiện tượng tự quay khi mômen bù lớn hơn mômen ma sát người ta đã chế tạo bộ phận chống tự quay bằng cách trên mạch từ của cuộn áp và trên trục quay người ta gắn hai lá thép non T1 và T2. Khi đĩa nhôm quay tới thời điểm hai lá thép đối diện nhau thì chúng sẽ tác động tương hỗ và tạo ra mômen hãm (tuy nhiên chỉ với mômen khá nhỏ). c) Điều chỉnh góc lệch pha α1 giữa φ1 và I Ta có: Mong muốn rằng coi β như không đổi đối với mỗi loại công tơ sau khi đã chế tạo. Vì vậy ta phải điều chỉnh góc ai bằng cách trên mạch từ của cuộn dòng người ta cuốn vài vòng dây nối qua một điện trở R có thể điều chỉnh được. Khi điều chỉnh giá trị R sẽ làm thay đổi tổn hao từ trong mạch từ cuộn dòng, tức là ai thay đổi. d) Kiểm tra hằng số của công tơ Ta điều chỉnh sao cho cosϕ = 1, cho dòng điện I = In, U = Un lúc đó ta có P = UnIn; đo thời gian quay của công tơ bằng đồng hồ bấm giây, đếm số vòng quay N của công tơ quay trong khoảng thời gian t. Ta tính được hằng số của công tơ như sau: 96
  16. Ta so sánh Cp với giá trị định mức ghi trên công tơ, nếu khác nhau ta phải điều chỉnh vị trí của nam châm vĩnh cửu để tăng hay giảm mômen cản cho đến khi Cp bằng giá tự định mức của công tơ. Thực tế hiện nay, việc hiệu chỉnh công tơ thường dựa vào công tơ mẫu. 4.2. Đo công suất và năng lượng trong mạch ba pha 4.2.1. Đo công suất tác dụng trong mạch ba pha đối xứng Đối với mạch ba pha đối xứng ta có công suất tổng của cả mạch là: - Theo đại lượng pha: PA, PB, PC là công suất ở từng pha A, B, C. - Theo đại lượng dây: Ud, Id là điện áp và dòng điện dây. 4.2.1.1. Mạch ba pha bốn dây - Phương pháp một wattmet Theo (4-28) ta chỉ cần đo công suất ở một pha bằng một wattmet rồi lấy chỉ số của wattmet đó nhân 3 ta sẽ được công suất của cả ba pha: Giả sử wattmet mắc vào pha A như sau: Số chỉ của wattmet là: 97
  17. Do vậy công suất của ba pha là: Tương tự có thể mắc wattmet vào pha B hoặc pha C. 4.2.1.2. Mạch ba pha ba dây - Phương pháp dùng khoá chuyển đổi Sơ đồ mắc wattmet như sau: Cuộn dòng có dòng in khi khoá K ở vị trí 1 cuộn áp có điện áp UAC; khi khoá K ở vị trí 2 cuộn áp có điện áp UAB. Vậy khi đóng khoá K về phía 1, số chỉ của wattmet là: Khi đóng khoá K về phía 2, số chỉ của wattmet là: Hình 4.12. Đồ thị véc tơ của phương pháp đo công suất dùng khoá chuyển đổi 98
  18. Theo đồ thị véc tơ ta có: Tương tự ta cũng có thể mắc wattmet ở pha B hoặc C để đo công suất theo cách trên. 4.2.2. Đo công suất tác dụng trong mạch ba pha không đối xứng 4.2.2.1. Mạch ba pha bốn dây - phương pháp ba wattmet Với mạch ba pha không đối xứng, ta có Do vậy ta dùng ba wattmet một pha hoặc một wattmet ba pha ba phần tử để đo công suất ở các pha A, B, C. Sau đó cộng đại số các số chỉ của ba wattmet (hoặc ba phần tử) ta được công suất của mạch ba pha. Ta có: 99
  19. Trong thực tế người ta chế tạo wattmet ba pha ba phần tử. Nó gồm ba cặp cuộn dây tĩnh tương ứng có ba phần động gắn trên cùng một trục quay. Mômen làm quay phần động là tổng mômen của ba phần tử 4.2.2.2. Mạch ba pha ba dây Phương pháp dùng hai wattmet Xét công suất tức thời trong mạch ba pha là: Đối với mạch ba pha ba dây, vì không có dây trung tính nên dòng điện trung tính bằng không nghĩa là: Vậy công suất tác dụng của ba pha là: Như vậy ta có thể dùng hai wattmet một pha có sơ đồ như Hình 4.14 để đo công suất trong mạch ba pha. Thực tế cũng dựa trên nguyên tắc này người ta chế tạo wattmet ba pha hai phần tử. Cách mắc như sau: 4.2.3. Đo năng lượng tác dụng trong mạch ba pha 100
  20. - Đối với mạch ba pha bốn dây có thể dùng công tơ ba pha ba phần tử hoặc ba công tơ một pha. Sơ đồ mắc giống như mắc wattmet đo công suất tác dụng. - Đối với mạch ba pha ba dây có thể dùng công tơ ba pha hai phần tử hoặc hai công tơ một pha. Sơ đồ mắc giống như mắc wattmet đo công suất tác dụng. - Với mạch hạ áp công suất lớn ta kết hợp giữa biến dòng điện và công tơ ba pha để đo năng lượng tác dụng. Ví dụ 4.1: Sơ đồ kết hợp giữa BI và công tơ đo năng lượng tác dụng phía hạ thế. - Với mạch cao áp, ta kết hợp giữa BU, BI và công tơ ba pha để đo năng lượng tác dụng 4.2.4. Đo năng lượng phản kháng trong mạch ba pha 4.2.4.1. Dùng công tơ phản kháng ba pha ba phần tử Sơ đồ mắc công tơ như sau: 101
  21. Hình 4.16. Sơ đồ đấu dây và đồ thị véc tơ của công tơ phản kháng ba pha ba phần tử Điểm đo đếm thường là đầu nguồn nên ta coi mạch ba pha có nguồn đối xứng, phụ tải mang tính chất cảm. Ta có mômen quay tổng của công tơ là: Ta thấy mômen quay tỷ lệ với công suất phản kháng trong mạch ba pha cho nên số chỉ của công tơ sẽ tỷ lệ với năng lượng phản kháng tiêu thụ trong mạch ba pha. 4.2.4.2. Dụng công tơ phản kháng ba pha hai phần tử có cuộn dây nối tiếp phụ Sơ đồ mắc như Hình 4.17. Điểm đo đếm là đầu nguồn nên ta coi mạch ba pha có nguồn đối xứng, phụ tải mang tính chất cảm. Xét từng phần tử, ta tính được mo men quay như sau: 102
  22. Mômen quay tỷ lệ với công suất phản kháng trong mạch ba pha vậy số chỉ của công tơ tỷ lệ với năng lượng phản kháng trong mạch ba pha. 4.2.4.3. Dùng công tơ phản kháng ba pha hai phần tử có R0 tạo góc lệch pha 60o 103
  23. Trong sơ đồ công tơ này, các cuộn áp được mắc nối tiếp với điện trở mẫu R0. Điện trở này được tính toán sao cho dòng điện trong cuộn áp chỉ chậm pha so với điện áp tương ứng một góc 60o. Ta có đồ thị véc tơ như hình vẽ Ta có mô men quay của các phần tử là: Hơn nữa ta có: Thay vào ta có: Tương tự Vậy mô men quay tổng là: 104
  24. Vậy: Mô men quay tổng tỉ lệ với công suất phản kháng trong mạch ba pha nên sơ đồ này thường được dùng để đo năng lượng phản kháng trong mạch ba pha. Nếu với mạch ba pha không đối xứng thì có sai số nhất định. 4.2.5. Ví dụ sơ đồ đo đếm cao thế Thực tế có rất nhiều sơ đồ đo đếm cao thế: Tức là sơ đồ kết hợp BU, BI và công tơ ba pha đo năng lượng tác dụng và phản kháng cho mạch ba pha cao thế. + Công tơ tác dụng ba pha hai phần tử có cuộn dòng ở các pha A, B. + Công tơ phản kháng ba pha ba phần tử. + Các cuộn dòng của công tơ tác dụng và phản kháng đều nối ở phía thứ cấp của máy biến dòng, vậy dòng định mức qua các cuộn dòng là 5A. + Các cuộn áp của công tơ tác dụng và phản kháng đều nối ở phía thứ cấp của biến điện áp, vậy điện áp định mức trên các cuộn áp là 100V 105
  25. Chương 5 ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ 5.1. Đo góc pha và hệ số công suất cosφ 5.1.1. Phương pháp đo cosφ gián tiếp 5.1.1.1. Phương pháp V - A - W Hệ số công suất cosφ quan hệ với dòng điện và điện áp trong mạch qua công thức: Do đó: Vậy dùng các đồng hồ V, A, W đo U, I, P trên tải ta tính được cosφ. Sai số: 5.1.1.2. Phương pháp xác định cosφTB Ta có: Với Wpk là điện năng phản kháng chỉ bởi công tơ phản kháng trong khoảng thời gian xét; Wtd là điện năng tác dụng chỉ bởi công tơ tác dụng trong khoảng thời gian xét. Dùng công tơ đo năng lượng tác dụng và phản kháng trong một khoảng thời gian nào đó (thường là một tháng) ta xác định được cosφTB của phụ tải theo công thức (5.2). 5.1.2. Phương pháp đo cosφ trực tiếp Thường dùng cosφ met điện động và sắt điện động. 106
  26. 5.1.2.1. Cosφ met điện động một pha Người ta sử dụng cơ cấu chỉ thị logomet điện động để chế tạo dụng cụ đo cosφ trong mạch một pha. Cuộn tĩnh của cosφ điện động được mắc nối tiếp với mạch cần đo cosφ (hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng), hai cuộn dây động được mắc nối tiếp với R, L và được đặt lên điện áp trên tải (hoặc nối với thứ cấp của biến điện áp đo lường). Vì cơ cấu không có mạch từ nên việc nối các cuộn dây động như vậy sẽ tạo nên các dòng i1 và i2 là vuông pha với nhau. Ta có sơ đồ đấu dây và đồ thị véc tơ như Hình 5.1. Theo công thức của cơ cấu logomet điện động ta có: với góc: Vậy Chú ý: Trên thực tế khi tần số thay đổi dẫn tới ωL thay đổi vậy I2 107
  27. I thay đổi do đó tỷ số 2 khác hằng số nên sẽ có sai số. Để khắc phục, nhà I1 sản xuất cải tiến sơ đồ như sau (xem Hình 5.2): Cuộn dây động được chia làm hai nhánh 2’ và 2”. Hai nhánh này mắc ngược cực tính nhau, một nhánh nối với L, một nhánh nối với C. Ta thấy các dòng i2' và i2" ngược pha nhau, mặt khác hai cuộn dây lại mắc ngược cực tính nên sẽ tạo ra mô men của cuộn dây động thứ hai là tổng của hai mô men cùng dấu: M2 = M2" + M2". Vì vậy khi tần số thay đổi làm XL, XC thay đổi ngược nhau hay I2' và I2" thay đổi ngược nhau. Vậy M2 = const. Tức là nhánh này không phụ thuộc tần số 5.1.2.2. Cosφ met điện động ba pha Sơ đồ mắc như Hình 5.3. Cuộn tĩnh được mắc nối tiếp vào pha A, hai cuộn dây động được mắc với hai điện trở R và được đặt vào các điện áp UAB và UAC. Góc quay của cơ cấu là: 108
  28. Chú ý: + Trong sơ đồ này, các cuộn áp đều nối tiếp với điện trở R nên I không phụ thuộc tần số, hay 2 = const. I1 + Cuộn dòng có thể mắc vào các pha B, C tùy ý. 5.1.3. Phazomet điện tử 5.1.3.1. Cơ sở lý thuyết Xét hai điện áp cùng biên độ, tần số nhưng lệch pha nhau một góc φ: Vậy Ta xét trị hiệu dụng của ∆u: Vì vậy biết U, đo ∆U ta xác định được góc φ. 5.1.3.2. Phazomet điện tử Ta đưa ra sơ đồ đơn giản của phazomet điện tử như sau: 109
  29. Hai tín hiệu điện áp cần so sánh góc pha được đưa vào hai đầu của hai mạch khuếch đại qua hai biến trở Rl và R2. Khi đo, ta điều chỉnh các vị trí con trượt trên các biến trở R1 và R2 sao cho điện áp đầu ra của hai mạch khuếch đại là bằng nhau, và được kiểm tra bằng các volmet V1 V2. Sau khi kiểm tra UV1 = UV2 = U, ta đo ∆U bằng volmet V rồi suy ra góc φ theo (5.5). Để tránh phải so sánh hai điện áp u1 và u2 người ta thường biến chúng thành những xung vuông sau đó đưa vào bộ cộng đại số điện áp hay dòng điện như Hình 5.5. Giản đồ thời gian như Hình 5.6. Tuỳ theo góc lệch pha giữa hai tín hiệu, điện áp hay dòng điện ra từ mạch cộng thay đổi. Điện áp này được đo bằng dụng cụ đo chỉnh lưu 110
  30. Dựa trên nguyên tắc này nhiều hãng trên thế giới đã chế tạo dụng cụ đo góc lệch pha trong khoảng từ (0 ÷ 180o) với sai lệch nhỏ hơn 1%. 5.1.4. Phazomet chỉ thị số Dựa trên nguyên tắc biến đổi góc lệch pha thành mã, có nghĩa là góc lệch pha cần đo giữa hai tín hiệu được biến thành khoảng thời gian, sau đó lấp đầy khoảng thời gian bằng các xung với tần số biết trước. Cấu trúc bao gồm: bộ biến đổi góc pha thành khoảng thời gian, bộ tạo xung TX1, TX2, TX3, bộ đếm, chỉ thị số, máy phát xung chuẩn, khoá K1, K2 Sơ đồ cấu trúc như sau: 111
  31. Các tín hiệu u1, u2 có dạng hình sin cùng biên độ, tần số được đưa vào bộ tạo xung TX1, TX2. Các xung xuất hiện khi tín hiệu đi qua mức "0", các xung này sẽ được đưa đến các đầu vào của trigơ tạo ra ở đầu ra một xung mà độ dài của nó tỷ lệ với góc lệch pha cần đo φx.Khoá K được mở trong khoảng thời gian tx. Từ máy phát xung chuẩn f0 có tần số ổn định (hay T0 = 1/f0) được đưa qua K1 khi K1 mở trong khoảng thời gian tx. Mặt khác bộ tạo xung TX3 phát ra xung có độ dài cố định là Tn và khoá K2 được mở trong khoảng thời gian đó. Vậy các xung từ các khoảng thời gian Tn sẽ đi qua K2 vào bộ đếm và chỉ thị số. Số xung đếm được là: 113
  32. với Tn =KT0. Vậy số xung N tỷ lệ với góc lệch pha φx Nhược điểm : - Nếu tần số nhỏ, vì Tx chứa trong khoảng Tn nhỏ, do vậy ta phải mở rộng Tn. - Nếu tần số lớn, dẫn đến sai số lượng tử hoá trong khoảng Tx tăng lên, dẫn đến sai số tăng. Thông thường làm việc trong khoảng một vài Hz đến vài MHz, có sai số γ = 0,1 ÷ 0,2%. 5.2. Đo tần số 5.2.1. Phương pháp gián tiếp Dùng volmet, ampemet, wattmet kết hợp với điện cảm mẫu, ta có thể xác định được tần số: Biết L0, căn cứ vào số chỉ của các đồng hồ đo, ta xác định được tần số. 5.2.2. Tần số met cộng hưởng 114
  33. Nguyên lý hoạt động: Tần số met cộng hưởng gồm một nam châm điện, tạo ra bởi cuộn dây điện quấn trên lõi sắt từ hình chữ U, một miếng thép nằm trong từ trường của nam châm điện, gắn chặt vào thanh là các lá thép rung có tần số dao động riêng khác nhau. Tần số dao động riêng của hai lá thép kề nhau hơn kém nhau là 0,25 hoặc 0,5Hz. Điện áp của tín hiệu cần đo tần số sẽ được đưa vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra sự dao động của tất cả các lá thép. Tuy nhiên lá thép nào có tần số dao động riêng bằng tần số f thì sẽ dao động cực đại do cộng hưởng riêng, còn các thanh khác không cộng hưởng thì không dao động cực đại. Như vậy chúng ta sẽ đọc kết quả tại trị số tương ứng với thanh rung cực đại. 115
  34. 5.2.3. Tần số met điện tử 5.2.3.1. Nguyên tắc chung Tần số met loại này dựa trên nguyên tắc chung là sử dụng phương pháp đếm xung đơn giản bằng cách phóng nạp một tụ điện C từ một nguồn điện áp không đổi U0 nào đó. Tín hiệu cần đo có tần số fx được đưa vào khống chế một khoá điện tử K, khoá này được thiết kế sao cho trong một chu kỳ của điện áp uk, khoá K đóng từ 1 sang 2 một lần. Xét khi khoá K ở vị trí 1, điện tích nạp vào tụ tính như sau: q = C.U0 Điện tích nạp vào tụ trong thời gian một giây là: Q = q.fx = C.U0.fx. Điện tích này chạy qua chỉ thị khi khoá K ở vị trí 2 tạo ra dòng điện trung bình (K1 = const) ITB được chỉ bằng cơ cấu từ điện G. Thang chia độ được khắc trực tiếp theo đơn vị tần số và ta có thể đọc ngay tần số trên chỉ thị G. Muốn mở rộng giới hạn đo, ta thay đổi giá trị của tụ C. 5.2.3.2. Tần số met điện tử Tần số met điện tử được thiết kế như Hình 5.12. Khoá đổi nối K thực hiện bằng một đèn bán dẫn T. Điện áp ux cần đo tần số được đưa vào cực gốc của T. Ở nửa chu kỳ âm của điện áp Ux (so với cực gốc của T), đèn T khoá, tụ C được nạp từ nguồn U0 qua D1, qua chỉ thị g cho tới khi Uc = U0. Ở nửa chu kỳ dương của điện áp Ux đèn T mở, tụ C phóng qua đèn, qua D2 cho tới khi UC = UB. 116
  35. Điện tích mà tụ điện nạp trong một lần đóng mở của T là: Lượng điện tích phóng nạp trong thời gian một giây chính là dòng điện đi qua chỉ thị Vậy dòng điện trung bình chạy qua chỉ thị tỷ lệ bậc nhất với fx. Ta có thể khắc vạch thang chia độ theo đơn vị tần số. 5.2.4. Tần số kế chỉ thị số Nguyên lý: Đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số cần đo fx trong khoảng thời gian gọi là thời gian đo Tđ0. Trong khoảng Tđ0 ta đếm được N xung tỉ lệ với tần số đo fx. Sơ đồ khối của một tần số kế chỉ thị số như sau: Mạch tạo xung có nhiệm vụ biến tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung có chu kỳ thành một dãy xung có biên độ không đổi (không phụ thuộc vào biên độ của tín hiệu vào) nhưng tần số bằng tần số của tín hiệu vào. Máy phát xung chuẩn f0 = 1MHz. n Bộ chia tần số với các nấc có hệ số chia là 10 . Tần số chuẩn f0 = 1MHz được chia đến 0,01 Hz. Nghĩa là ở đầu ra của mạch điều khiển n -6 theo 10 (n = l,2, ,8) ta có thể nhận được khoảng thời gian Tđ0 = 10 , 10-5, 10-4, 10-3, 10-2, 10-1, 1, 10, 100s. 117
  36. Khoảng thời gian này sẽ điều khiển để mở khoá K (khoá có hai đầu vào). Tín hiệu fx theo đầu vào thứ hai sẽ đi vào bộ đếm ra cơ cấu chỉ thị. Số xung mà máy đếm đếm được sẽ là: Nếu thời gian đo có giá trị là 1s thì số xung N (tức là số các chu kỳ) sẽ chính là tần số cần đo fx nghĩa là: fx = N. Mạch điều khiển phụ trách việc điều khiển quá trình đo: Bảo đảm thời gian biểu thị kết quả đo cỡ từ 0,3 ÷ 5s trên chỉ thị số, xoá kết quả đo 118
  37. đưa về trạng thái 0 ban đầu trước mỗi lần đo; điều khiển chế độ làm việc; tự động, bằng tay, hay khởi động bên ngoài; chọn dải đo tần số (cho ra xung mở khoá K) và cho ra xung điều khiển máy và số. Sai số của phép đo tần số: với fx là tần số cần đo (Hz) Ta thấy rằng sai số của phép đo tần số tỉ lệ nghịch với độ lớn của tần số đo. 5.3. Ứng dụng máy hiện sóng điện tử trong đo lường 5.3.1. Mở đầu Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao động ký điện tử (electronic oscilloscope) là một dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông đụng. 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 của 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 thành phần một chiều và xoay chiều như thế nào; + Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không. 119
  38. Một máy hiện sóng giống như một máy thu hình nhỏ nhưng có màn hình được kẻ ô và có nhiều phần điều khiển hơn TV. Dưới đây là panel của một máy hiện sóng thông dụng với phần hiển thị sóng; phần điều khiển theo trục X, trục Y, đồng bộ và chế độ màn hình; phần kết nối đầu đo Màn hình của máy hiện sóng được chia ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng. ở chế độ hiển thị thông thường, máy hiện sóng hiện dạng sóng biến đổi theo thời gian: trục đứng Y là trục điện áp, trục ngang X là trục thời gian. Độ chói hay độ sáng của màn hình đôi khi còn gọi là trục Z. Máy hiện sóng có thể được dùng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau chứ không đơn thuần chỉ trong lĩnh vực điện tử. Với một bộ chuyển đổi hợp lý ta có thể đo được thông số của hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý. Bộ 120
  39. chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điện tương ứng với đại lượng cần đo, ví dụ như các bộ cảm biến âm thanh, ánh sáng, độ căng, độ rung, áp suất hay nhiệt độ Các thiết bị điện tử thường được chia thành hai 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 màn 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. Tuỳ vào ứng dụng mà người ta sử dụng máy hiện sóng loại nào cho phù hợp. Thông thường, nếu cần hiển thị dạng tín hiệu dưới dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) thì sử dụng máy hiện sóng tương tự. Khi cần lưu giữ thông tin cũng như hình ảnh để có thể xử lý sau hay in ra dạng sóng thì người ta sử dụng máy hiện sóng số có khả năng kết nối với máy tính và các bộ vi xử lý. 121
  40. Phần tiếp theo của tài liệu chúng ta sẽ nói tới máy hiện sóng tương tự, loại dùng phổ biến trong kỹ thuật đo lường điện tử. 5.3.2. Sơ đồ khối của một máy hiện sóng thông dụng 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 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 để 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 là 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 KĐ Y, thay vào đó là cho tín hiệu ngoài kích thích khối tạo sóng răng cưa. 122
  41. 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 Ống phóng tia điện tử CRT đã được mô tả ở phần trước. Sau đây ta sẽ xem xét phần điều khiển, vận hành và các ứng dụng thông dụng nhất của một máy hiện sóng. 5.3.3. Thiết lập chế độ hoạt động và cách điều khiển một máy hiện sóng 5.3.3.1. Thiết lập chế độ hoạt động cho máy hiện sóng Sau khi nối đất cho máy hiện sóng ta sẽ điều chỉnh các núm vặn hay công tắc để thiết lập chế độ hoạt động cho máy. Panel trước của máy hiện sóng gồm ba phần chính là VERTIAL (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 tuỳ thuộc vào hãng sản xuất, loại máy, và model. Nối các đầu đo vào đúng vị trí (thường có ký hiệu CH1, CH2 với kiểu đấu nối BNC (xem hình bên). Các máy hiện sóng thông thường sẽ có hai que đo ứng với hai kênh và màn hình sẽ hiện dạng sóng tương ứng với mỗi kênh. Một số máy hiện sóng có chế độ AUTOSET hoặc PRESET để thiết lập lại toàn bộ phần điều khiển, nếu không ta phải tiến hành bằng tay trước khi sử dụng máy. Các bước chuẩn hoá như sau: 1. + Đưa tất cả các nút bấm về vị trí OUT + Đưa tất cả các thanh trượt về vị trí UP + Đưa tất cả các núm xoay về vị trí CENTRED 123
  42. + Đưa nút giữa của VOLTS/DIV, TIME/DIV, HOLD OFF về vị trí CAL (cân chỉnh) 2. Vặn VOLTS/DIV và TIME/DIV về vị trí 1V/DIV và 2s/DIV. 3. Bật nguồn. 4. Xoay Y-POS để điều chỉnh điểm sáng theo chiều đứng (điểm sáng sẽ chạy ngang qua màn hình với tốc độ chậm). Nếu vặn TIME/DIV ngược chiều kim đồng hồ (theo chiều giảm) thì điểm sáng sẽ di chuyển nhanh hơn và khi ở vị trí cỡ µs trên màn hình sẽ là một vạch sáng thay cho điểm sáng. 5. Điều chỉnh INTENS để thay đổi độ chói và FOCUS để thay đổi độ nét của vạch sáng trên màn hình. 6. Đưa tín hiệu chuẩn để kiểm tra độ chính xác của máy. Đưa đầu đo tới vị trí lấy chuẩn (hoặc là từ máy phát chuẩn hoặc ngay trên máy hiện sóng ở vị trí CAL 1Vpp, lkHz). Với giá trị chuẩn như trên nếu VOLTS/DIV ở vị trí 1V/DIV và TIME/DIV ở vị trí 1ms/DIV thì trên màn hình sẽ xuất hiện một sóng vuông có biên độ đỉnh một ô trên màn hình và độ rộng xung cũng là một ô trên màn hình (xoay Y-POS và X- POS để đếm ô một cách chính xác). Sau khi lấy lại các giá trị chuẩn ở trên, tuỳ thuộc chế độ làm việc mà ta sử dụng các nút điều khiển tương ứng như sẽ nói ở phần tiếp theo. 5.3.3.2. Các phần điều khiển chính a) Điều khiển màn hình 124
  43. Phần này bao gồm: + Điều chỉnh độ sáng - INTENSITY - của dạng sóng. Thông thường khi tăng tần số quét cần tăng thêm độ sáng để tiện quan sát hơn. Thực chất đây là điều chỉnh điện áp lưới. + Điều chỉnh độ nét - FOCUS - của dạng sóng. Thực chất là điều chỉnh điện áp các anot A1, A2 và A3. + Điều chỉnh độ lệch của trục ngang - TRACE - (khi vị trí của máy ở những điểm khác nhau thì tác dụng của từ trường trái đất cũng khác nhau nên đôi khi phải điều chỉnh để có vị trí cân bằng). b) Điều khiển theo trục đứng Phần này sẽ điều khiển vị trí và tỉ lệ của dạng sóng theo chiều đứng. Khi tín hiệu đưa vào càng lớn thì VOLTS/DIV cũng phải ở vị trí lớn và ngược lại. Ngoài ra còn một số phần như: INVERT: đảo dạng sóng; DC/AC/GD: hiển thị phần một chiều/xoay chiều/đất của dạng sóng; CH I/II: chọn kênh 1 hoặc kênh 2; DUAL: chọn cả hai kênh; ADD: cộng tín hiệu của cả hai kênh. 125
  44. Khi bấm nút INVERT dạng sóng của tín hiệu sẽ bị đảo ngược lại (đảo pha 180o). Khi gạt công tắc về vị trí GD trên màn hình sẽ xuất hiện một đường ngang, dịch chuyển vị trí của đường này để xác định vị trí đất của tín hiệu. Gạt công tắc về vị trí DC nghĩa là trong tín hiệu bao gồm cả thành phần một chiều và xoay chiều, gạt về vị trí AC là hiện dạng sóng đã tách thành phần một chiều. Xem hình dưới đây: (bên trái là ở chế độ DC và bên phải ở chế độ AC). Khi ấn nút DUAL để chọn cả hai kênh thì trên màn hình sẽ xuất hiện hai đồ thị của hai dạng sóng ứng với 2 đầu đo. ADD để cộng các sóng với nhau. Nói chung vị trí của ba nút CH I/II, DUAI và ADD sẽ cho các chế độ hiển thị khác nhau tuỳ thuộc vào từng loại máy. c) Điều khiển theo trục ngang Phần này điều khiển vị trí và tỉ lệ của dạng sóng theo chiều ngang. Khi tín hiệu đưa vào có tần số càng cao thì TIME/DIV phải càng nhỏ và ngược lại. Ngoài ra còn một số phần sau: X-Y: ở chế độ này kênh thứ 2 sẽ 126
  45. làm trục X thay cho thời gian như ở chế độ thường. Chú ý: khi máy hoạt động ở chế độ nhiều kênh thì cũng chỉ có một phần điều khiển theo trục ngang nên tần số quét khi đó sẽ là tần số quét chung cho cả hai dạng sóng. 5.3.4. Ứng dụng của máy hiện sóng trong kỹ thuật đo lường Máy hiện sóng hiện nay được gọi là máy hiện sóng vạn năng vì không đơn thuần là hiển thị dạng sóng mà nó còn thực hiện được nhiều kỹ thuật khác như thực hiện hàm toán học, thu thập và xử lý số liệu và thậm chí còn phân tích cả phổ tín hiệu Trong phần này chúng ta chỉ nói tới những ứng dụng cơ bản nhất của một máy hiện sóng. 5.3.4.1. Quan sát tín hiệu Để quan sát được tín hiệu chỉ cần thiết lập máy ở chế độ đồng bộ trong và điều chỉnh tần số quét và trigo để dạng sóng đứng yên trên màn hình. Khi này có thể xác định được sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian như thế nào. Các máy hiện sóng hiện đại có thể cho phép cùng một lúc hai, bốn hoặc tám tín hiệu dạng bất kỳ cùng một lúc và tần số quan sát có thể lên tới 400MHZ. 5.3.4.2. Đo điện áp Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu được thực hiện bằng cách đếm số ô trên màn hình và nhân với giá trị VOLTS/DIV. Ví dụ: VOLTS/DIV chỉ 1V thì tín hiệu cho ở hình trên có: Vp = 2,7ô x 1V = 2,8V Vpp = 5,4ô x 1V = 5,4V Vrms = 0,707Vp = l,98V. 127
  46. Ngoài ra, với tín hiệu xung người ta còn sử dụng máy hiện sóng để xác định thời gian tăng sườn xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) và độ rộng xung (pulse width) với cách tính như hình bên. 5.3.4.3. Đo tần số và khoảng thời gian Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng được tính bằng cách đếm số ô theo chiều ngang giữa hai điểm và nhân với giá trị của TIME/DIV. Việc xác định tần số của tín hiệu được thực hiện bằng cách tính chu kỳ theo cách như trên. Sau đó nghịch đảo giá trị của chu kỳ ta tính được tần số. Ví dụ: ở hình dưới s/div là 1ms. Chu kỳ của tín hiệu dài 16 ô, do vậy chu kỳ là 16ms => f = 1/16ms = 62,5Hz. 5.3.4.4. Đo tần số và độ lệch pha bằng phương pháp so sánh Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ như ở trên, có thể đo tần số bằng máy hiện sóng như sau: so sánh tần số của tín hiệu cần đo fx 128
  47. với tần số chuẩn f0. Tín hiệu cần đo đưa vào cực Y, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào cực X. Chế độ làm việc này của máy hiện sóng gọi là chế độ X- Y mode và các sóng đều có dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện ra một đường cong phức tạp gọi là đường cong Lissajou. Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần số cần đo là bội hoặc ước nguyên của tần số chuẩn thì trên màn hình sẽ có một đường Lissajou đứng yên. Hình dáng của đường Lissajou rất khác nhau tuỳ thuộc vào tỉ số tần số giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng (xem hình dưới). Ta có: với n là số múi theo chiều ngang và m là số múi theo chiều dọc (hoặc có thể lấy số điểm cắt lớn nhất theo mỗi trục hoặc số điểm tiếp tuyến với hình Lissajou của mỗi trục). Phương pháp hình Lissajou cho phép đo tần số trong khoảng từ 10Hz tới tần số giới hạn của máy. Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho hai tần số của hai tín hiệu bằng nhau, khi đó đường Lissajou có dạng elip. Điều chỉnh Y-POS và X-POS sao cho tâm của elip trùng với tâm màn hình (gốc toạ độ). Khi đó góc lệch pha được tính bằng: 129
  48. với A, B là đường kính trục dài và đường kính trục ngắn của elip. Nhược điểm của phương pháp này là không xác định được dấu của góc pha và sai số của phép đo khá lớn (5 - 10%). 130
  49. Chương 6 ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN 6.1. Đo điện trở 6.1.1. Ý nghĩa và yêu cầu của việc đo điện trở a) Ý nghĩa Điện trở là một thông số rất quan trọng của mạch điện và các hệ thống cung cấp điện, tuy nhiên phần lớn các giá trị của chúng thay đổi theo nhiệt độ theo điều kiện môi trường. Vì vậy khi lắp ráp, vận hành các mạch điện, khi thí nghiệm, nghiệm thu các mạch điện, các hệ thống cung cấp điện, các hệ thống tự động hoá ta phải tiến hành đo và kiểm tra các giá trị điện trở. b) Phân loại Điện trở thông thường được phân ra thành ba nhóm: + Điện trở nhỏ là các điện trở có giá trị R < 1Ω; + Điện trở trung bình là các điện trở có giá trị là 1Ω ≤ R < 0,1 MΩ + Điện trở lớn các điện trở có giá trị R ≥ 0,lMΩ c) Yêu cầu khi đo điện trở + Khi đo các giá điện trở nhỏ cần tìm mọi biện pháp để loại trừ ảnh hưởng của điện trở dây nối, điện trở tiếp xúc, sức điện động tiếp xúc. Để khắc phục một phần, trên các điện trở mẫu người ta phân thành các cực dòng và cực áp riêng. + Khi đo các giá trị điện trở lớn cần tránh sự ảnh hưởng của điện trở khối và điện trở bề mặt. + Khi đo điện trở của các vật có độ ẩm cao người ta thường dùng nguồn xoay chiều để tránh hiện tượng điện phân. + Khi đo điện trở của các vật liệu rắn ta nên dùng nguồn một chiều để tránh sự ảnh hưởng của điện dung ký sinh. 6.1.2. Đo điện trở bằng phương pháp gián tiếp 6.1.2.1. Phương pháp dùng nguồn một chiều 131
  50. Nguyên tắc Dùng ampemet và volmet đo dòng và áp trên điện trở rồi suy ra Rx' = U V thông qua hai sơ đồ: IA Phân tích sai số phụ - Xét Hình 6.1a Vậy sai số phụ trong quá trình đo: Nhận xét: Nếu RA càng nhỏ thì γp càng nhỏ cho nên phương pháp này dùng để đo điện trở lớn. - Xét Hình 6.1b Vậy sai số phụ trong quá trình đo là: Ví dụ 6.1: Tính sai số phụ khi tiến hành đo điện trở một chiều của 132
  51. cuộn dây thứ cấp MBA 100KVA – 10/0,4KV, biết theo lí lịch:[R2A ] = [R2B] = [R2C] = [RX] = 120(mΩ). Cho: RA = 0,1Ω,lý; Rv = 100kΩ Bài làm Theo sơ đồ Hình 6.1a Theo sơ đồ Hình 6.1b Kết luận: Dùng Hình 6.1a để đo các điện trở lớn; Dùng Hình 6.1b để đo các điện trở nhỏ. 6.1.2.2. Dùng nguồn xoay chiều Yêu cầu : + Nguồn điện áp thí nghiệm phải thật hình sin; + Các đồng hồ V, A, W phải đảm bảo điều kiện về sai số phụ và sai số gián tiếp. Điện trở Rx được xác định như sau: với Pw và IA lần lượt là số chỉ của wattmet và ampemet. 133
  52. Trong trường hợp cần xác định tổng trở thì mắc thêm volmet và tổng trở được xác định như sau: 6.1.2.3. Đo điện trở bằng phương pháp so sánh với điện trở mẫu Giả sử có sơ đồ mạch như trên, khi đó có thể xác định điện trở Rx theo công thức tương ứng với hai sơ đồ như sau: Sơ đồ a : điện trở đo và điện trở mẫu R0 mắc nối tiếp Điện áp rơi trên điện trở mẫu là U0, điện áp rơi trên điện trở đo là Ux. Khi đó nếu dòng qua các điện trở không đổi ta có: Sơ đồ b : điện trở đo và điện trở mẫu mắc song song Dòng điện qua điện trở mẫu là I0, dòng qua điện trở đo là IX. Với điện áp cung cấp ổn định ta có: 134
  53. 6.1.3. Đo điện trở bằng phương pháp trực tiếp Thường dùng ommet từ điện, có hai loại như sau: 6.1.3.1. Cơ cấu một khung dây chỉ số phụ thuộc điện áp Loại này thường có hai sơ đồ mắc: - Mắc nối tiếp đo R lớn; - Mắc song song đo R nhỏ. + Sơ đồ mắc nối tiếp như Hình 6.4. Khi đo ta mở khoá K, ta có: với Rx là điện trở cần đo, R0 là điện trở trong của cơ cấu. Vậy α = f(Rx) nếu U.CI = const; + Sơ đồ mắc song song như Hình 6.5. Khi đo ta đóng khoá K. Ta có góc quay 135
  54. Chú ý: Thực tế thì UCI có thể bị thay đổi. Vì vậy ta phải điều chỉnh CI hoặc Rp trước khi đo. Từ các biểu thức trên ta thấy muốn điều chỉnh vị trí '0' của kim ta phải đóng khoá K trong sơ đồ nối tiếp và mở khoá K trong trường hợp sơ đồ song song. Sau đó ta điều chỉnh Shunt từ và Rp sao cho kiến chỉ '0'. 6.1.3.2. Cơ cấu hai khung dây chỉ số không phụ thuộc điện áp Cơ cấu chỉ thị là logomet từ điện, nguồn điện áp một chiều có giá trị là 500V; 1000V; 1500V; 2500V; 6000V được phát ra từ máy phát quay tay hoặc nguồn nhân điện áp. Khi đo, ta có: với Rl và R2 là điện trở hai cuộn dây động; R0 là điện trở mẫu lắp sẵn trong thiết bị; Rx là điện trở cần đo. Đối với cơ từ điện có hai khung dây động thì góc quay α là: với R0; Rl ; R2 = const và 6.1.4. Đo điện trở bằng phương pháp so sánh 6.1.4.1. Đo điện trở trung bình bằng cầu đơn 136
  55. Cầu đơn ví dụ như cầu P333 của Nga theo sơ đồ hai dây, cầu QJ của Trung Quốc thường dùng đo những điện trở lớn hơn hoặc bằng 1Ω (Những trường hợp điện trở nhỏ hơn cũng có thể đo được nhưng sẽ tăng sai số). Sơ đồ nguyên lý của cầu đơn như Hình 6.7, trong đó: Rl là điện trở đề các có thể thay đổi từ 0 đến 9999, bước 1Ω. R2, R3 là các điện trở cố định. Các điện trở Rl, R2, R3 là các điện trở mẫu làm bằng hợp kim của mangan có độ chính xác cao, Rx là điện trở cần đo. Chỉ thị G là cơ cấu từ điện có độ nhạy cao, ngưỡng độ nhạy rất nhỏ. Khi đo ta điều chỉnh cho cầu cân bằng, lúc đó ta có quan hệ sau: Vậy: R Thông thường 1 là bội số của 10 và thường bằng (0,001; 0,01; 0,1; R 3 1; 10; 100) Căn cứ vào vị trí của con trượt trên R4 ta xác định được Rx. Nhận xét: Cầu đơn có một nhược điểm là không loại trừ được điện trở dây nối nhưng có ưu điểm là dễ cân bằng. 6.1.4.2. Đo điện trở nhỏ bằng cầu kép Cầu kép ví dụ như cầu P333 của Nga theo sơ đồ bốn dây thường dùng đo các điện trở lớn hơn hoặc bằng 5mΩ. Các điện trở nhỏ hơn cũng có thể đo được nhưng sẽ tăng sai số. 137
  56. Sơ đồ cầu kép như Hình 6.8. Khi đo ta điều chỉnh cho cầu cầu cân bằng, tức kim điện kế chỉ 0, dòng qua chỉ thị bằng 0, ta có: + Dòng qua Rl, R2 là dòng I1, dòng qua R3, R4 là dòng I2. + Theo vòng 1 ta có: + Theo vòng 2 ta có: Vậy: Với điều kiện: 138
  57. Thì Như vậy nếu trong quá trình đo luôn giữ được tỉ số R1/R2 = R3/R4 thì ta sẽ tính được Rx thông qua tỉ số trên. Chú ý: - Các điện trở Rl, R2, R3, R4, R0 là các điện trở mẫu làm bằng hợp kim của mangan có độ chính xác cao; R0 là điện trở đề các có thể thay đổi từ 0 ÷ 9999,9Ω bước 0,1Ω; Rx là điện trở cần đo. - Các điện trở Rl, R2, R3, R4 có giá trị ≥ 10Ω. Tỷ số Rl/R2 có thể thay -4 -3 -2 -1 đổi và thường bằng: 10 , 10 , 10 , 10 , 1, 10. Cần đặt tỷ số R1/R2 sao cho phù hợp nhất với Rx cần đo. - Cầu kép có một ưu điểm nổi bật là có thể loại trừ được điện trở dây nối, nhưng có nhược điểm là khó cân bằng nếu Rx là các cuộn dây máy điện. 6.1.5. Đo điện trở cách điện của lưới và thiết bị điện 6.1.5.1. Nhận xét về điện trở cách điện Điện trở cách điện là các giá trị điện trở lớn (vào khoảng vài MΩ trở lên ví dụ như điện trở cách điện của vật liệu cách điện), do vậy phương pháp đo điện trở cách điện là các phương pháp đo đặc thù điện trở lớn. Điện trở cách điện càng lớn tương ứng với cấp điện áp làm việc của thiết bị điện càng lớn. Khi đo điện trở có trị số lớn thông thường sẽ có hai thành phần điện trở: + Điện trở khối Rv (Volume Resistance), đây là thành phần điện trở cần đo. + Điện trở rò bề mặt Rs (Surface Leakage Resistance). Hai thành phần điện trở này xem như song song với nhau, như vậy hai điện trở này có thể so sánh được thì sẽ ảnh hưởng đáng kể đến điện trở khối cần đo. 6.1.5.2. Phương pháp đo điện trở cách điện dùng volmet và 139
  58. microampemet Giả sử cần đo điện trở cách điện giữa lớp vỏ bọc dây dẫn và dây dẫn của dây dẫn kim loại đồng trục có vỏ bọc bên ngoài. Dòng điện đi qua microampemet bao gồm hai dòng điện là dòng IV và dòng Is. Dòng điện IV là dòng điện đi qua lớp cách điện, còn dòng Is là dòng rò đi qua bề mặt của dây dẫn và lớp cách điện. Do vậy điện trở xác định được thông qua volmet và ampemet Rd là điện trở của khối của lớp cách điện và điện trở rò bề mặt mắc song song: Như vậy do ảnh hưởng của dòng Is cho nên điện trở đo được bao giờ cũng nhỏ hơn điện trở khối cần đo. Như vậy để kết quả đo chính xác người ta cần phải loại bỏ dòng điện Is qua microampemet thì khi đó điện trở đo được sẽ chính là điện trở khối cần đo. Sơ đồ đo loại bỏ dòng điện dò như sau: 140
  59. Để tránh ảnh hưởng của Rs bằng cách loại bỏ dòng điện Is qua microampemet, người ta dùng dây dẫn điện (không có vỏ bọc cách điện) quấn quanh lớp vở cách điện và nối trước microampemet. Như vậy dòng điện Is đi qua Rs lúc trước sẽ đi qua dây dẫn này đo đó ảnh hưởng của Rs vào Rv bị loại bỏ. Vòng dây này gọi là dây bảo vệ. Chú ý: Tuy nhiên không phải trường hợp nào khi đo điện trở cách điện chúng ta cũng sử dụng vòng dây bảo vệ, khi đo điện trở cách điện nào đó chúng ta phải xác định xem điện trở cách điện đó có bị ảnh hưởng bởi điện trở bề mặt hay không, nếu có mới sử dụng vòng dây bảo vệ. 6.1.5.3. Phương pháp đo điện trở cách điện dùng megommet chuyên dụng Megommet là thiết bị chuyên dụng để đo điện trở cách điện, được cấu tạo bởi cơ cấu chỉ thị logomet từ điện. Sơ đồ megommet như sau: 141
  60. Trong megommet nguồn được tạo ra từ máy phát quay tay (đối với các megommet loại cũ) hoặc từ mạch điện tử dùng pin (đối với các megommet mới sau này). Dòng điện I1 qua cuộn dây kiểm soát: Dòng điện qua cuộn dây lệch: trong đó: R1, R2 là các biện trở mẫu; r1, r2 lần lượt là điện trở của các cuộn dây kiểm soát và cuộn dây lệch; E là nguồn. Theo nguyên lý của cơ cấu chỉ thị logomet từ điện ta có góc quay của megommet là: Khi Rx Æ 0 góc quay α đạt cực đại, kim chỉ thị lệch về phía phải (trị số 0Ω) Khi Rx Æ ∞ góc quay α đạt cực tiểu, kim chỉ thị lệch về phía trái (trị số ∞) 142
  61. Thay đổi thang đo bằng cách thay đổi trị số R2. Trong megommet có đầu G dùng để nối dây bảo vệ để loại bỏ điện trở rò bề mặt. 6.1.5.4. Đo điện trở cách điện của lưới điện và thiết bị điện a) Nhận xét Mỗi lưới điện có thể xem như hàng loạt đoạn dây có chiều dài một đơn vị mắc nối tiếp với nhau. Các thông số của chúng là các thông số dải mắc song song với nhau như Hình 6.12. Trong tính toán người ta thường coi chúng như những thông số tập trung. Điện trở cách điện của đường dây thường bị thay đổi hoặc có thể đường dây bị sự cố. Vì vậy khi vận hành, hoặc khi thí nghiệm, nghiệm thu các đường dây và các thiết bị cách điện thì bắt buộc phải đo điện trở cách điện. Giá trị điện trở này không được nhỏ hơn một giá trị nào đó theo quy trình, quy phạm hiện hành (ví dụ điện trở cách điện được đo với megommet kế có E = 1000V hoặc 2000V và điện trở cách điện tối thiểu được quy định là 1MΩ). Điện trở cách điện của lưới trên đoạn được xét thường được đo giữa hai đầu dây dẫn điện với nhau hoặc từng dây dẫn điện với dây trung tính. b) Đo điện trở cách điện của lưới và thiết bị điện khi tắt nguồn điện 143
  62. Để đo điện trở cách điện thường dùng nguồn một chiều tăng cao hoặc dùng megommet. Megommet được mắc như hình vẽ. Giả sử ta cần đo điện trở cách điện của pha A, kết quả đo được là sẽ là điện trở của hai nhánh: một nhánh là RA và một nhánh là các điện trở tương đương song song, thông thường nhỏ hơn RA. Ta thấy kết quả đo được của pha A sẽ nhỏ hơn điện trở cách điện thật của pha A so với đất do ảnh hưởng của các điện trở mắc song song. Tương tự như vậy ta đo được: RB; RC; RAB; RBC; RCA. Sau đó ta xác định được giá trị nhỏ nhất trong số { RA; RB; RC; RAB; RBC; RCA } là giá trị cách điện của đường dây. Khi đường dây có tải, ba pha sẽ được nối với nhau bằng một tổng trở rất nhỏ so với điện trở cách điện do đó điện trở cách điện của cả hệ thống so với đất được tính: c) Đo điện trở cách điện của lưới và thiết bị điện khi có điện áp làm việc (kiểm tra nóng) Xuất phát từ sơ đồ Hình 6.14: dùng volmet đo UA, UB, UAB = U, ta xác định được điện trở cách điện như sau: + Xét khi khoá K ở vị trí A. Dòng điện qua RB được tính 144
  63. + Xét khi khoá K ở vị trí B. Dòng điện qua RA được tính: Từ (6-12) và (6-13) ta có: 145
  64. Giải hệ phương trình trên ta có kết quả: Thông thường RA, RB >> Rv lúc đó dòng qua volmet chính là I1, I2. Vì vậy: d) Kiểm tra cách điện của lưới hai dây bằng hai volmet Sơ đồ kiểm tra cách điện được mô tả trên Hình 6.16. Khi cách điện bình thường số chỉ thị hai volmet như nhau, khi cách điện một pha nào đó giảm thì số chỉ của các volmet thay đổi (6-14) có nghĩa là bất kỳ sự giảm điện trở cách điện của một trong hai dây dẫn sẽ làm giảm điện áp của volmet này và tăng chỉ số của volmet kia. e) Kiểm tra cách điện của lưới ba pha điện áp thấp theo nguyên tắc trên 146
  65. dùng ba volmet Khi cách điện bình thường số chỉ ba volmet là như nhau. Khi cách điện một pha nào đó giảm thì số chỉ của các volmet thay đổi theo hệ thức (6-14) trên f) kiểm tra cách điện của lưới cao áp trung tính không nối đất Người ta thường dùng máy biến áp ba pha năm trụ Khi cách điện bình thường, đầu ra của cuộn tam giác hở có một ngưỡng điện áp nhỏ nào đó, khi có một pha chạm đất, điện áp đầu ra của cuộn tam giác hở sẽ vượt quá ngưỡng, tức là có tín hiện báo chạm đất một pha. 6.1.5.5. Đo điện trở cách điện của máy biến áp (MBA) điện lực và phân phối 147
  66. Đo điện trở cách điện cho MBA nhằm đánh giá cách điện dây quấn và chất lỏng cách điện trong MBA. Đo điện trở cách điện của dây quấn cho biết thông tin về hàm lượng ẩm và cácbon. Trong giáo trình này chỉ trình bày cách đo giá trị cách điện của dây quấn, còn phần đo giá trị cách điện của dấu cách điện sinh viên có thể tìm hiểu thêm ở các tài liệu khác. Đo điện trở cách điện được tiến hành trước hoặc sau khi sửa chữa hoặc bảo dưỡng MBA. Kết quả đo được ghi lại dùng cho mục đích so sánh về sau. Quy tắc chung được sử dụng đối với các giá trị nghiệm thu dùng cho đóng điện an toàn là trị số cách điện 1MΩ/1KV của giá trị định mức ghi trên nhãn máy và cộng thêm 1MΩ. Trình tự đo điện trở cách điện dây quấn MBA như sau: + Không cắt nối đất vỏ và lõi MBA và đảm bảo vỏ và lõi được tiếp đất tốt. + Tháo tất cả các đầu nối cao áp, hạ áp và trung tính, chống sét, hệ thống quạt, dụng cụ đo hoặc hệ thống điều khiển nối với dây quấn MBA. + Trước khi bắt đầu đo nối tất cả các sứ xuyên cao áp, đảm bảo cầu nối các bộ phận kim loại và dây đất sạch. Đối với dây quấn hạ áp tiến hành tương tự. + Sử dụng megommet có thang đo nhỏ nhất 20MΩ. a) Đo cách điện của MBA một pha 148
  67. c) Đo cách điện riêng rẽ từng dây quấn stator 6.1.6. Phương pháp xác định vị trí chập cáp (chạm mass) Khi cáp bị sự cố, ta cần xác định vị trí xảy ra sự cố để loại trừ sự cố thường gặp nhất là chập cáp ra vỏ. Phương pháp xác định vị trí chập cáp 149
  68. dựa trên cần cân bằng hay còn gọi là vòng muray để đo điện trở chạm mass. Hai đầu b, b’ của lõi cáp nguyên và cáp hỏng được nối với nhau, còn hai đầu a, a’ được nối qua 1 bộ điện trở điện kế, khi đo ta điều chỉnh cho cầu cân bằng. Khi đó ta có: Rl.Rx = R2(R + Ry) R1.Rx = R2(2R - Rx) vì R = Rx + Ry Vậy Sau khi biết Rx từ tiết diện S của lõi cáp, điện trở xuất của vật liệu làm lõi tính theo công thức: Vậy Trong các biểu thức trên: l là chiều dài đoạn cáp; S là thiết diện cáp; ρ là điện trở suất của vật liệu chế tạo cáp. Để kiểm tra kết quả đo ta tiến hành đo lại lần hai bằng cách đổi hai đầu aa’ cho nhau, lúc đó ta xác định được ly 150
  69. Nếu phép đo chính xác ta có: lx + ly = l. 6.1.7. Đo điện trở tiếp đất 6.1.7.1. Các khái niệm Thuật ngữ "tiếp đất" hay "nối đất" ở đây được hiểu đồng nghĩa với việc nối một mạch điện hoặc thiết bị điện xuống đất. Cách nối như vậy được sử dụng cho việc bảo dưỡng thiết bị điện khi điện thế của chúng bằng điện thế đất, và đối với những hiện tượng tự nhiên như sét, đất có tác dụng làm đường phóng điện nhằm tránh hiện tượng bị điện giật và tránh hư hỏng thiết bị tài sản. Điện trở tiếp đất bao gồm tổng điện trở của dây dẫn nối đất, bộ đầu nối, cọc nối đất và phần đất tiếp xúc với các cọc nối đất. Vì điện thế cảm ứng do sự cố hệ thống điện với mạch vòng qua đất, điện trở tiếp đất nhỏ sẽ làm giảm điện thế này và tránh nguy hiểm cho người cũng như tránh cho hệ thống điện bị hư hỏng. Trên lý thuyết, để duy trì điện thế chuẩn cho thiết bị an toàn, để bảo vệ an toàn điện trở tiếp đất phải bằng 0. Trong thực tế điều này không thể đạt được. Tuy nhiên tuỳ theo mức độ quan trọng của công trình và thiết bị điện thì điện trở tiếp đất tuân theo các yêu cầu của TCVN, NEC, OSHA và của những tiêu chuẩn an toàn điện khác. 6.1.7.2. Điện trở cọc tiếp đất Hình 6.25 mô tả cọc tiếp đất. Điện trở tiếp đất này bao gồm những thành phần sau: + Điện trở của bản thân cọc và điện trở tiếp xúc của phần đầu nối; + Điện trở tiếp xúc của đất xung quanh cọc; + Điện trở của đất bao sát xung quanh cọc tiếp đất hoặc điện trở suất của đất. Đây là thành phần quan 151
  70. trọng nhất. Các cọc tiếp đất thường làm bằng kim loại (đồng hoặc mạ đồng) với tiết diện thích hợp để điện trở là không đáng kể. Như vậy thành phần còn lại chính là điện trở của đất xung quanh. Có thể coi cọc được bao quanh bởi những lớp đất đồng tâm. Tất cả những lớp này có độ dày như nhau. Các lớp gần cọc có diện tích nhỏ hơn cho nên có điện trở lớn hơn, còn các lớp ở xa thì diện tích lớn cho nên điện trở sẽ nhỏ hơn. Các lớp ở xa cọc quá sẽ không ảnh hưởng đến điện trở đất xung quanh cọc. Điện trở cọc đất đơn được tính theo công thức do H.R.Dwight của Viện kỹ thuật Massachusetts đưa ra như sau: trong đó: Rd là điện trở cọc đất tính bằng Ω của cọc nối đất; L là chiều dài của cọc (m); R là bán kính của cọc (m); ρ là điện trở suất trung bình, tính bằng Ω/cm. Từ công thức này cho thấy rằng điện trở của cọc đất phụ thuộc vào kích thước, độ sâu của cọc và điện trở suất của đất. Khi tăng đường kính của cọc lên gấp đôi thường sẽ làm giảm 10% điện trở đất của cọc, còn khi tăng gấp đôi chiều dài của cọc sẽ làm giảm 40% điện trở của cọc tiếp đất. Đối với điện trở suất của đất thay đổi theo vùng và theo mùa. Điện trở đất được xác định theo chất điện phân của nó, bao gồm độ ẩm, khoáng chất và muối hoà tan. 6.1.7.3. Đo điện trở nối đất bằng phương pháp volmet, ampemet Khi cần đo điện trở nối đất của một cọc A bất kỳ người ta dùng thêm một cọc phụ B đóng cách cọc A chừng (50 ÷ 60)m và một cọc phụ C. Các volmet và ampemet mắc như hình vẽ. Khi cho dòng điện chạy từ cọc đến đất, dòng điện sẽ chạy theo hướng tâm của các lớp hình cầu, thường được gọi là hiệu ứng hình trụ của đất xung quanh cọc. Sau khi dùng cọc dò C cho thay đổi từ A Æ B, căn cứ vào kết quả của volmet ta vẽ được đường phân bố thế năng trên mặt đất từ A Æ B, mô phỏng trường dòng trong đất như Hình 6.26. Ta có nhận xét sau. Ta 152
  71. có: AD = DE = EB (≈ 20m) trong đó vùng DE điện thế hầu như không đổi: φE = φD = 0. Tại đoạn AD: UAD = φA – φD = φA ; BE: UBE = φB – φE = φB. Vì vậy ta xác định được điện trở nối đất của cọc A: và điện trở nối đất của cọc B: Tóm lại: Khi cần đo RA của cọc A ta dùng thêm một cọc B cách cọc A từ (50 ÷ 60)m và 1 cọc phụ C. Các cọc phụ này phải có điện trở xấp xỉ 153
  72. hoặc nhỏ hơn điện trở của cọc cần đo. Các đồng hồ (V) và (A) mắc như hình vẽ; thay đổi C tới vùng DE thì dừng lại và ta xác định được với U, I là chỉ số của volmet và ampemet. Chú ý: Về mặt lý thuyết, điện trở đất của hệ thống nối đất phải được đo ở khoảng cách vô hạn kể từ cọc nối đất. Tuy nhiên đối với mục đích thực hành, hiệu ứng hình trụ của đất thì khoảng cách giữa các cọc gần nhau bằng hai lần độ dài.của cọc cần đo điện trở là đủ. Nguồn cung cấp cho mạch đo là nguồn tín hiệu xoay chiều dạng sin hoặc xung vuông. Chúng ta tránh dùng nguồn một chiều do ảnh hưởng của điện phân sẽ làm tăng sai số do điện thế điện cực. Nếu dùng điện lưới của điện lực thì phải dùng biến áp cách ly tránh ảnh hưởng của dòng trung tính (nếu có do điện thế lưới mất đối xứng) và cọc đất của dây trung tính. 6.1.7.4. Đo điện trở nối đất bằng dụng cụ chuyên dụng teromet Sơ đồ cấu tạo teromet chuyên dụng loại M1103 của Liên Xô cũ như Hình 6.27. Nguồn cung cấp nhờ máy điện xoay chiều tay quay. Máy biến dòng TT, cuộn thứ cấp nối với Rns; cơ cấu đo là cơ cấu từ điện nối với cuộn thứ cấp máy biến áp UT qua bộ chỉnh lưu. 154
  73. Quá trình đo: Khi dòng cho máy phát làm việc các cực A, B, C nối như hình vẽ. Lúc này có dòng I1, qua sơ cấp biến dòng điện qua cọc A, qua đất về cọc B trở về máy phát tạo nên một sụt áp trên Rx cần đo là: Mặt khác sụt áp trên Ru do dòng I2 của máy biến dòng điện TT sinh ra: Khi hai điện áp chưa cân bằng U1 ≠ U2 sẽ có tín hiệu vào cuộn sơ cấp máy biến áp và cơ cấu chỉ thị quay đi một góc nào đó. Trong quá trình đo người ta dịch chuyển con trượt trên R2 sao cho kim chỉ 0 chỉ dừng lại U1 = U2. Vậy: Vậy căn cứ vào vị trí con trượt trên biên trở R2 ta xác định được Rx cần đo (thực tế đọc ngay kết quả). Quá trình kiểm tra: Để kiểm tra độ chính xác của dụng cụ trước khi đo, người ta đóng K2 lên H, các cực A, B, C chưa nối, lúc này giá trị đo được chính là Rk, nếu dụng cụ chính xác giá trị đó bằng 10Ω vì Rk là điện trở mẫu có giá trị là 10Ω. Mở rộng thang đo, từ 10 ÷ 50Ω nhờ R3 thông qua việc đóng K1. Ngày nay nhiều hãng chế tạo dụng cụ đo đã tạo ra các loại teromet gọn nhẹ dựa trên nguyên lý của phương pháp volmet - ampemet, sử dụng nguồn là phi, các chỉ thị số. Đầu ra đưa ra ba đầu nối để nối với cọc cần đo điện trở đất, và hai cọc phụ. 6.1.7.5. Đo điện trở nối đất bằng teromet - Phương pháp hai điểm Phương pháp này có thể sử dụng để đo điện trở của cọc nối đất đơn bằng sử dụng cọc nối đất phụ có điện trở đã biết hoặc có thể đo được. 155
  74. Điện trở của cọc nối đất phụ này có giá trị rất nhỏ so với giá trị điện trở của cọc nối đất cần đo và giá trị đo được coi như điện trở nối đất. Ví dụ như người ta tiến hành đo điện trở của cọc nối đất đơn cho toà nhà khi việc đóng thêm hai cọc phụ là khó khăn, thì đường ống nước có thể sử dụng như cọc nối đất phụ có giá trị điện trở nhỏ cỡ 1Ω. Giá trị này tương đối nhỏ so với điện trở của cọc tiếp đất đơn. Giá trị đo được là trị số của hai cọc nối tiếp nhau. Điện trở của các dây dẫn nối sẽ được trừ vào kết quả đo được. Sơ đồ phương pháp này cho trên Hình 6.28. 6.2. Đo điện cảm 6.2.1. Đo điện cảm và hệ số phẩm chất cuộn dây (Q) dùng cầu xoay chiều 6.2.1.1. Điều kiện cân bằng cầu xoay chiều Cầu xoay chiều là dụng cụ dựa trên cầu đơn để đo điện cảm, điện dung, góc tổn hao và hệ số phẩm chất Q. Nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều tần số công nghiệp (50 ÷ 60Hz), âm tần hoặc cao tần từ máy phát tần. Chỉ thị zero là dụng cụ xoay chiều như điện kế điện tử, máy hiện sóng Giả thiết tổng trở phức các nhánh được viết như sau: 156
  75. trong đó Z1, Z2, Z3, Z4 tương ứng là modul của lần lượt các nhánh và φ1, φ2, φ3, φ4 lần lượt là các góc pha của các nhánh cầu. Khi cầu cân bằng ta có: hay: Do đó ta có điều kiện cân bằng cầu xoay chiều sau: Nhận xét: Từ điều kiện cân bằng cầu xoay chiều ta thấy để cầu cân bằng nếu hai nhánh đối nhau là thuần trở thì hai nhánh còn lại phải ngược tính chất (một nhánh có tính chất cảm và một nhánh có tính chất dung), còn nếu hai nhánh kề nhau là thuần trở thì hai nhánh còn lại phải có cùng tính chất. Dựa trên nhận xét này người ta đã đưa ra các sơ đồ đo điện cảm, điện dung bằng cáu xoay chiều. 6.2.1.2. Đo điện cảm và hệ số phẩm chất cuộn dây (Q) bằng cầu xoay chiều Cuộn cảm lý tưởng là cuộn dây chỉ có thành phần điện kháng XL =ωL hoặc chỉ thuần khiết là điện cảm L, nhưng trong thực tế các cuộn dây bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất của cuộn dây càng kém. Q là thông số đặc trưng cho phẩm chất của cuộn dây, nó được tính bằng: a) Đo điện cảm bằng cầu xoay chiều dòng điện cảm mẫu Mạch cầu so sánh các đại lượng cần xác định Lx, Rx với đại lượng mẫu Lm và Rm. Hai nhánh R1, R2 là các biện trở thuần trở có độ chính xác cao. 157
  76. Khi đo người ta điều chỉnh Rm, Lm (và có thể cả R1, R2) để cầu đạt giá trị cân bằng. Khi cầu cân bằng ta có: với: Từ đó tính được hệ số phẩm chất của cuộn dây: b) Đo điện cảm bằng cầu điện cảm Maxwell Trên thực tế việc chế tạo tụ điện chuẩn dễ hơn nhiều so với việc tạo cuộn dây chuẩn, do vậy người ta sử dụng tụ điện trong cầu Maxwell để đo điện cảm 158
  77. Khi cầu đạt cân bằng ta có: trong đó: Từ đó tính được Cầu Maxwell chỉ thích hợp đo các cuộn cảm có hệ số Q thấp. c) Đo điện cảm bằng cầu điện cảm Hay Mạch cầu này được sử dụng cho việc đo các cuộn cảm có hệ số phẩm 159
  78. chất cao. Ta có: Khi đó: Ngoài ra, người ta còn dùng các biến thể khác của mạch cầu như mạch cầu Owen, Shering để điện cảm. 6.2.2. Đo điện cảm bằng phương pháp gián tiếp Có thể dùng các volmet, ampemet, wattmet để đo điện cảm và điện trở của cuộn dây theo sơ đồ sau, tuy nhiên phương pháp này mắc phải sai số lớn. 160
  79. Ta có: Nguồn cung cấp cho mạch đo là nguồn xoay chiều hình sin. Nếu như biết trước Rx ta chỉ cán volmet và ampemet nên không phải sử dụng wattmet. 6.3. Đo điện dung và tổn thất điện môi của tụ điện bằng cầu xoay chiều Tụ điện lý tưởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không qua tụ) nhưng trong thực tế vẫn có thành phần dòng rò đi qua lớp điện môi vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Để đặc trưng cho sự tổn hao này người ta sử dụng thông số góc tổn hao tgδ. Có hai sơ đồ thay thế tương đương của tụ: Với tụ có tổn hao nhỏ tgδ = RωC 1 Với tụ có tổn hao lớn tgδ = jωC trong đó R, C là hai thành phần đại diện cho phần thuần trở và phần thuần dung của tụ điện. 6.3.1. Cầu đo điện dung của tụ điện tổn hao ít Tụ điện có tổn hao nhỏ được biểu diễn bởi một tụ điện lý tưởng mắc 161
  80. nối tiếp với một điện trở. Khi đó người ta mắc cầu như Hình 6.34. Cx, Rx là nhánh tụ điện cần đo; Cm, Rm là nhánh tụ mẫu điều chỉnh được; R1, R2 là các biện trở thuần trở. Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ: với: Vậy: Góc tổn thất điện môi là: 162
  81. 6.3.2. Cầu đo điện dung của tụ điện tổn hao nhiều Khi tụ có tổn hao nhiều, người ta biểu diễn nó dưới dạng một tụ điện lý tưởng mắc song song với một điện trở. Cầu cân bằng ta có điều kiện: ZxZ2 = Z1.Zm với: Do vậy ta có: 163
  82. Góc tổn thất điện môi là: 6.4. Đo hệ số hỗ cảm của hai cuộn dây 6.4.1. Phương pháp dùng volmet và ampemet (phương pháp vol - ampe) Sức điện động E2 là: Do vậy ta có: trong đó UV và IA là số chỉ đo bởi volmet và ampemet. Nhận xét: Phương pháp này đơn giản tuy nhiên nhược điểm là mắc phải sai số lớn. 6.4.2. Phương pháp mắc nối tiếp các cuộn dây Phương pháp này dùng cách mắc nối tiếp thuận nghịch các cuộn dây để xác định hệ số hỗ cảm của chúng. Sơ đồ mắc thuận và nghịch như Hình 6.37a và 6.37b. 164
  83. Gọi L1, L2 là điện cảm của cuộn dây 1 và cuộn dây 2; M là hỗ cảm giữa chúng. Xét Hình 6.37a, ta có điện cảm tổng của nhánh là: Xét Hình 6.37b, ta có điện cảm tổng của nhánh là: Xét hiệu của hai trường hợp: Cho nên: Các giá trị La, Lb được xác định theo các số chỉ của volmet và ampemet trong từng trường hợp như sau: trong đó: UVa, IAa là số chỉ của volmet và ampemet trong sơ đồ (a), UVb, IAb là số chỉ của volmet và ampemet trong sơ đồ (b), R1, R2 là điện trở các cuộn dây 1 và 2. 165
  84. Phụ lục 1 Hệ đơn vị đo lường hợp pháp (các đơn vị thường dùng trong kỹ thuật điện) Số Đơn vị trong hệ hợp pháp thứ Tên đại lượng Ghi chú Tên Ký hiệu tự Chiều dài Mét 1 M Khối lượng Kilogam khối 2 Kg Thời gian Giây 3 S Cường độ dòng điện Ampe 4 A Lực Niutơn 5 N Tần số Hec 6 Hz Công, năng lượng Jun 7 J Công suất Oát 8 W Điện tích Culông 9 C Điện thế, điện áp, sức điện Vôn 10 V động Vôn trên mét 11 V/m Cường độ điện trường Ôm 12 Ω Điện trở Simen 13 S Điện dẫn Fara 14 F Điện dung Henri 15 H Điện cảm Ampe trên mét 16 A/m Cường độ từ trường Tesla 17 T Từ cảm Vebe 18 Wb Từ thông Ampe vòng 19 Avg Sức từ động 166
  85. Bội số và ước số theo đơn vị tính Hệ số chuyển Hệ số chuyển Tên Ký hiệu Tên Ký hiệu đơn vị đơn vị Pico p 10-12 Deci d 10-1 Nano n 10-9 Hecto h 100 Mili m 10-3 Kilo k 1.000 Micro µ 10-6 Mega xM 1.000.000 Xenti c 10-2 167
  86. Phụ lục 2 Ký hiệu quy ước dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung Ký hiệu quy ước trên thang chia độ của Dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung dụng cụ Ký hiệu theo nguyên lý tác động của dụng cụ Dụng cụ kiểu điện từ với khung dây động Logomet điện từ với hai khung dây động Dụng cụ từ điện với nam châm động Logomet từ điện với nam châm động Dụng cụ điện từ Logomet điện từ Dụng cụ điện từ phân cực Dụng cụ điện động Logomet điện động Dụng cụ sắt động 168
  87. Logomet sắt động Ký hiệu quy ước trên thang chia độ của Dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung dụng cụ Logomet cảm ứng Logomet cảm ứng Dụng cụ cảm ứng từ Dụng cụ tĩnh điện Dụng cụ có hệ thống rung (lưỡi rung) Dụng cụ nhiệt (có sợi nung) Dụng cụ có thanh kim loại kép Ký hiệu bổ sung theo hình thức biến đổi Bộ biến đổi nhiệt có cách ly Bộ biến đổi nhiệt không cách ly Bộ chỉnh lưu bán dẫn Bộ chỉnh lưu cơ điện Bộ biến đổi điện tử Máy biến đổi rung kiểu xung Bộ biến đổi kiểu bù Ký hiệu bổ sung về bảo vệ từ trường và điện trường 169
  88. Bảo vệ từ trường bên ngoài (cấp bảo vệ loại 1) Bảo vệ điện trường ngoài (cấp bảo vệ loại 1) Ký hiệu quy ước trên thang chia độ của Dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung dụng cụ 600 Hz Trị số tấn số fk khi cường độ từ trường thử nghiệm bằng 400 A/M, ví dụ fk = 600Hz Dụng cụ điện từ (cấp bảo vệ loại 1 về ảnh hưởng của từ trường) Dụng cụ tĩnh điện Ký hiệu về dòng điện Một chiều xoay chiều (1 pha) Một chiều và xoay chiều Dòng điện ba pha (ký hiệu chung) Dòng điện ba pha với tải trọng không đều ở các pha Dụng cụ với cơ cấu đo một phần tử Dụng cụ với cơ cấu đo hai phần tử Dụng cụ với cơ cấu đo ba phần tử đối với lưới điện 4 dây Ký hiệu cấp chính xác, cách bố trí thiết bị độ bền cách điện, v.v Cấp chính xác với sai số định mức theo phần 1,5 trăm của giới hạn đo, ví dụ 1,5 170
  89. Cấp chính xác với sai số định mức theo phần trăm chiều dài của thang chia độ, ví dụ 1,5 Đặt mặt chia độ nằm ngang Ký hiệu quy ước trên thang chia độ của Dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung dụng cụ Đặt mặt chia độ nằm đứng Độ nghiêng của mặt thang chia độ đặt nghiêng một góc xác định so với mặt phẳng nằm ngang, ví dụ 60o Hướng của dụng cụ theo từ trường của Trái Đất 500 Hz Trị số tần số định mức 400 - 500 Hz Vùng tần số định mức 20 - 50 - (120) Trị số tần số định mức và vùng mở rộng tần số 171
  90. Phụ lục 3 Hệ phân bố Student theo giá trị xác suất Hệ số phân bố Student (kst) theo các giá trị xác suất P N 0,500 0,900 0,950 0,980 0,990 0,999 2 1,000 6,310 12,700 31,800 63,700 637,000 3 0,816 2,920 4,300 6,960 9,920 31,600 4 0,765 2,350 2,350 4,540 5,840 13,000 5 0,741 2,130 2,780 3,750 4,600 8,610 6 0,727 2,020 2,570 3,360 4,030 6,860 7 0,718 1,940 2,490 3,140 3,710 5,960 8 0,711 1,900 2,360 3,000 3,500 5,400 9 0,706 1,860 2,310 2,900 3,360 5,040 10 0,703 1,830 2,260 2,820 3,250 4,780 12 0,697 1,800 2,200 2,720 3,100 4,490 14 0,694 1,770 2,160 2,650 3,010 4,220 16 0,691 1,750 2,130 2,600 2,990 4,070 18 0,689 1,740 2,110 2,570 2,900 3,960 20 0,688 1,730 2,090 2,540 2,860 3,880 25 0,684 1,710 2,060 2,490 2,800 3,740 31 0,683 1,700 2,040 2,460 2,750 3,650 41 0,681 1,680 2,020 2,420 2,700 3,550 61 0,679 1,670 2,000 2,390 2,660 3,460 121 0,677 1,650 1,980 2,360 2,620 3,370 ∞ 0,674 1,640 1,960 2,330 2,580 3,290 172
  91. MỤC LỤC Trang Chương 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LƯỜNG 2 1.1. Định nghĩa và phân loại thiết bị 2 1.2. Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo lường 5 1.3. Các đặc tính của thiết bị đo 9 1.4. Gia công kết quả đo lường 14 Chương 2 CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ 21 2.1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện 21 2.2. Cơ cấu chỉ thị số 39 Chương 3 ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP 48 3.1. Những yêu cầu cơ bản của việc đo dòng điện và điện áp 48 3.2. Đo dòng điện trung bình và lớn bằng các loại ampemet 51 3.3. Đo dòng điện nhỏ 56 3.4. Đo điện áp trung bình và lớn bằng các loại volmet 57 3.5. Đo dòng điện và điện áp bằng phương pháp so sánh 60 3.6. Đo điện áp bằng các volmet chỉ thị số 70 Chương 4 ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 82 4.1. Đo công suất và năng lượng trong mạch một pha 82 4.2. Đo công suất và năng lượng trong mạch ba pha 97 Chương 5 ĐO GÓC PHA VÀ TẦN SỐ 106 5.1. Đo góc pha và hệ số công suất cosφ 106 5.2. Đo tần số 114 5.3. Ứng dụng máy hiện sóng điện tử trong đo lường 119 Chương 6 ĐO CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN 131 6.1. Đo điện trở 131 6.2. Đo điện cảm 156 6.3. Đo điện dung và tổn thất điện môi của tụ điện bằng cầu xoay chiều 161 6.4. Đo hệ số hỗ cảm của hai cuộn dây 164 Phụ lục 1 Hệ đơn vị đo lường hợp pháp 166 Phụ lục 2 Ký hiệu quy ước dụng cụ đo lường điện và các bộ phận bổ sung 168 Phụ lục 3 Hệ phân bố Student theo giá trị xác suất 172 173