chương 4 : ĐO CÔNG SUẤT

đề cương chi tiết môn học KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 4 ĐO CÔNG SUẤT 4 1 Cơ sở chung về đo công suất Công suất là các đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng, quá trình và hiện tượng vật.

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CHƯƠNG ĐO CÔNG SUẤT 4.1 Cơ sở chung đo công suất Công suất đại lượng phần lớn đối tượng, trình tượng vật lý Vì việc xác định cơng suất phép đo phổ biến Việc nâng cao độ xác phép đo đại lượng có ý nghĩa to lớn kinh tế quốc dân, liên quan đến việc tiêu thụ lượng, đến việc tìm nguồn lượng mới, đến việc tiết kiệm lượng Cơng suất lượng có mặt nhiều dạng khác là: lượng điện, nhiệt cơ, công suất, phát xạ nhiên quan trọng việc đo công suất điện -20 +10 Dải đo công suất điện thường từ 10 W đến 10 W Công suất điện cần phải đo dải tần rộng từ (một chiều) - 109Hz lớn 4.2 Đo công suất mạch pha: 4.2.1 Công suất mạch chiều: Công suất mạch chiều tính theo biểu thức sau đây: P = U.I ; U2 P=I R; P ; P = k.q R đó: I - dịng điện mạch U - điện áp rơi phụ tải với điện trở R P - lượng nhiệt toả phụ tải đơn vị thời gian 4.2.2 Công suất wát mét điện động: Góc lệch kim Watmet tính theo biểu thức sau:  U I d M 12 D Ru  R p d Để cho thang đo watmet yêu cầu dM 12 / d  phải không đổi Điều phụ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN-ĐIỆN TỬ thuộc vào hình dáng, kích thước vị trí ban đầu cuộn dây Nếu dM 12 / d   thì:   s.(U I )  s.P const với: s dM 12 1 độ nhạy Watmet theo dòng chiều D Ru  R d  p Hình 4.1 Đo cơng suất watmet điện động Đo công suất mạch xoay chiều pha watmet điện động: dM 12 I I u cos  D d Nếu dM12/d  = const :  = s.U.I.cos(  -  ).cos   Từ biểu thức thấy số watmet tỉ lệ với công suất khi: Điều kiện thứ  = đạt cách tạo cộng hưởng điện áp mạch song song (ví dụ cách mắc tụ C song song với điện trở RP) Nhưng cộng hưởng giữ tần số khơng đổi, cịn tần số thay đổi điều kiện  = bị phá vỡ Sai số góc:   watmet đo cơng suất với sai số  gọi sai số góc:   P '  P cos       cos    cos   tg sin   P cos  Trong hầu hết watmet sai số tăng cos  giảm, thường góc  nhỏ mà cos sin=  vậy:    tg Khi  =  /2    thay cho sai số tương đối thường dùng sai số tương đối quy đổi: cos       cos   sin   cos     cos  n cos  n Với : cos n hệ số quy chuẩn cho loại watmet sử dụng Ở watmet sắt điện động sai số góc cịn phụ thuộc vào góc  góc lệch dịng điện I từ thơng  (H 4.1b), sai số thường lớn watmet điện động Điều kiện thứ hai    khơng thực dịng điện cuộn áp Iu khơng trùng pha với dịng điện I cuộn dòng.Sai số phép đo xảy tiêu thụ công suất cuộn dây watmet Chú ý đo công suất watmet điện động:  Đấu nối đầu cuộn dây: watmet có ký hiệu (*) đầu cuộn dây gọi đầu phát, mắc watmet phải ý nối đầu có kí hiệu dấu (*) với hình 4.1  Đọc tính số watmet điện động: thường watmet điện động có nhiều thang đo theo dòng áp (theo dòng: 5A, 10A; theo áp: 30V, 150V, 300V), giá trị dòng áp định mức IN UN Để đọc số watmet trước tiên phải tính số watmet C U N I N m Với:  m giá trị cực đại độ chia thang đo watmet watmet đặc biệt có tính đến giá trị cos n Với: cos dn ghi mặt watmet Sau tính C ta việc nhân với số  watmet biết giá trị cơng suất cần đo 4.3 Đo công suất mạch pha 4.3.1 Nguyên lý chung: Trong mạch điện pha, phụ tải thường mắc theo hai cách: phụ tải mắc hình phụ tải mắc hình tam giác Đối với phụ tải hình khơng có dây trung tính (nghĩa mạch có dây) có dây trung tính (tức mạch có dây) (H 4.2a): Hình 4.2 Các cách mắc phụ tải mạch pha: a) Mắc hình b) Mắc hình tam giác Về ngun tắc biến đổi từ hình hình tam giác (sơ đồ tương đương) ngược lại Phụ tải đối xứng (ở dây nhau) không đối xứng Trong thực tế phụ tải thường không đối xứng vận hành lưới điện người ta cố gắng tạo phụ tải đối xứng (hay gần đối xứng) có lợi cho máy phát cho lưới điện Để thực lưới đo công suất tổng mạch pha, ta xét trường hợp chung mạch pha dây Ví dụ: tải hình khơng có dây trung tính (H 10.9a), phụ tải (đối xứng hay không đối xứng): Các điện áp uAB, uBC, uAC giá trị tức thời điện áp dây; uAN, uBN, uCN giá trị tức thời điện áp pha ; iA, iB, iC giá trị tức thời dòng điện pha Ta viết phương trình sau : iA + iB + iC = 0;P∑ = uANiA + uBNiB + uCNiC suy ra: P∑ = uANiA + uBNiB – uCNiA – uCNiB = iA.(uAN - uCN) + iB.(uBN + uCN) = iA.uAC + iB.uBC Dựa vào kết cơng suất mạch pha viết theo công thức sau : P∑ = uACiA + uBCiB ; P∑ = uABiA + uCBiC ; P∑ = uBAiB + uCAiC Như mạch pha sử dụng điện áp dây dịng điện pha ta sử dụng hai watmet đủ Chứng minh phù hợp với tải mạch có dây (tải hình hay hình tam giác khơng có dây trung tính) Từ ta rút phương pháp đo công suất sau đây:  Đo công suất watmet  Đo công suất hai watmet  Đo công suất ba watmet 4.3.2 Các phương pháp đo: 4.3.2.1 Đo công suất watmet: - Nếu mạch pha có phụ tải hình đối xứng: cần đo công suất pha phụ tải sau nhân ta nhận cơng suất tổng (H.4.3): P∑ = 3.P Hình 4.3 Đo cơng suất mạch pha có phụ tải hình đối xứng - Nếu mạch pha có phụ tải tam giác đối xứng: cần đo cơng suất nhánh phụ tải sau nhân nhận cơng suất tổng (H.4.3): Hình 4.3 Đo cơng suất mạch pha có phụ tải tam giác đối xứng - Trong trường hợp phụ tải nối theo hình tam giác đối xứng mà ta muốn đo ngồi nhánh phụ tải phải tạo điểm trung tính giả cách nối với hai pha khác hai điện trở điện trở cuộn áp ru watmet Sau tiến hành đo công suất pha, kết công suất tổng lần cơng suất pha (H.4.4a) Ở hình 4.4b biểu đồ véctơ dịng áp mạch pha phụ tải hình tam giác Từ biểu đồ véctơ ta có: IA = IAB + IAC Công thức số watmet là: PA  U AN I A cos  U AN I A   U AN I A cos  công suất tổng mạch : P∑ = 3PA = 3.UABIAB.cos  a) b) Hình 4.4 Đo cơng suất mạch pha có phụ tải tam giác đối xứng cách đo nhánh phụ tải: a) Cách mắc watmét vào mạch b) Biểu đồ vectơ dòng áp Nghĩa với điểm trung tính giả kết đo giống đo nhánh Đối với cách mắc hình thực cách để đo công suất tổng 4.3.2.2 Đo công suất hai watmet: Dựa công thức: P∑ = uACiA + uBCiB ; P∑ = uABiA + uCBiC ;P∑ = uBAiB + uCAiC Suy đo cơng suất mạch pha watmet Hình 4.5 Đo công suất mạch pha watmét Không phụ thuộc vào phụ tải (đối xứng hay khơng đối xứng, tam giác hay hình khơng có dây trung tính) đo cơng suất tổng hai watmet theo cách mắc hình 4.5: theo cách thứ ta lấy pha C làm pha chung; cách thứ hai pha B chung; cịn cách thứ pha A chung Cơng suất tổng tính theo cơng thức 4.3.2.3 Đo công suất ba watmet: Trong trường hợp mạch pha có tải hình có dây trung tính: nghĩa mạch pha dây phụ tải không đối xứng Để đo công suất tổng ta phải sử dụng watmet, công suất tổng tổng công suất watmet Cách mắc watmet hình 4.6: Hình 4.6 Đo cơng suất nạch pha watmét Cuộn áp watmet mắc vào điện áp pha UAN, UBN, UCN; cuộn dòng dịng điện pha IA, IB, IC Dây trung tính N – N dây chung cho pha Công suất tổng : P∑ = PA + PB +PC Các phương pháp chủ yếu dùng phòng thí nghiệm Trong thực tế người ta sử dụng loại watmet có (hoặc 3) phần tử Tức dụng cụ đo có (hoặc 3) phần tĩnh, cịn phần động chung Mơmen quay tác động lên phần động tổng mômen thành phần 4.4 Đo công suất phản kháng Công suất phản kháng loại công suất không gây công, không truyền lượng qua đơn vị thời gian Tuy nhiên việc đo có ý nghĩa lớn kinh tế Vì có công suất phản kháng mà dẫn đến việc mát lượng điện dây truyền tải điện, biến áp máy phát Công suất phản kháng tính theo cơng suất sau: Q = U.I.sin  4.4.1 Đo công suất phản kháng mạch pha: Có thể sử dụng watmet điện động 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 sin  ta phải tạo góc lệch  =  /2 véctơ dòng áp cuộn áp watmet Cụ thể: cuộn áp watmet mắc song song điện trở R1 (ở điểm a, b) mắc nối tiếp cuộn với cuộn cảm L2 điện trở R2 Với cách tạo lệch pha điện áp U dòng Iu cuộn động watmet  =  /2 cách lựa chọn thơng số mạch thích hợp (H.4.7): Khi góc lệch  watmet : U     k I u I cos      k I sin   S Q 2  ZT Như mạch pha muốn đo công suất phản kháng watmet thường ta phải mắc thêm số phần tử điện cảm điện trở thực Hình 4.7 Sử dụng watmét để đo công suất phản kháng: a) Cách mắc watmét vào mạch b) Biểu đồ vectơ 4.4.2 Đo công suất phản kháng mạch pha: Công suất phản kháng mạch pha coi tổng công suất phản kháng pha Q   U A I A sin  A U B I B sin  B  U C  I C  sin C - Khi tải đối xứng: Q   3U  I  sin   3U d I d sin  Sử dụng watmet để đo công suất phản kháng mạch pha tải đối xứng: T hường mắc theo mạch hình 4.8 a Nếu cuộn dịng watmet mắc vào pha A cuộn áp mắc vào pha B C cịn lại: Hình 4.8 Sử dụng watmét để đo công suất phản kháng mạch pha: a) Cách mắc b) Biểu đồ vectơ Theo sơ đồ véctơ góc (IA, UBC) = 90 -  (H.4.8b) nên trường hợp công suất đo là: PA = UBCIA cos (IA, UBC) = UdId cos( 90 -  ) = UdId.sin  = QA Để xác định công suất phản kháng toàn mạch pha ta nhân kết với , tức là: Q  3.QA  3.U d I d sin  Như mạch đối xứng cần watmet đo cơng suất phản kháng toàn mạch pha Nhược điểm mạch cần không đối xứng nhỏ thơi mắc phải sai số lớn, thực tế sử dụng phương pháp Sử dụng phương pháp watmet: ta mắc mạch hình 10.19 (cuộn áp khơng chung pha với cuộn dịng): Tổng cơng suất watmet là: P1 + P2 = UBCIA cos 1 +UABIC cos  Hình 4.9 Đo cơng suất phản kháng mạch pha watmét Hình 4.10 Đo cơng suất phản kháng mạch pha phụ tải không đối xứng dây Phân tích hoạt động mạch có phụ tải khơng đối xứng phức tạp, giới hạn khuôn khổ trường hợp riêng: giả thiết góc lệch pha nhau, tức : 1 =  = 90 -  từ suy : P1 + P2 = 2.UdId.sin  Để nhận giá trị thực cơng suất phản kháng tồn mạch ta cần nhân kết với hệ số / Thực vậy:  3.U I d.sin  d Tương tự phụ tải mạch nối theo hình tam giác ta có kết - Khi tải không đối xứng: mạch pha phụ tải không đối xứng dây hay dây ta sử dụng phương pháp watmet hình 4.10a Kết tổng cơng suất watmet tính sau: P1 + P2 + P3 = UBCIA cos  +UCAIB cos  + UABIC cos  Theo sơ đồ véctơ (H.4.10b) ta có:  = 900 - 1 ;  = 900 - 2 ;  = 900 - 3 Q  (P1  P2 ) Nếu UAB = UBC = UCA = Ud thì: P1 + P2 + P3 = Ud.(IA sin 1 + IB sin 2 + IC sin 3 ) Công suất phản kháng tổng là: Q P1  P2  P3 U d   I A sin 1  I B sin 2  I C sin 3  3 Tương tự đo cơng suất ta chế tạo côngtơ đo lượng phản kháng cho mạch pha dây dây từ côngtơ đo lượng tác dụng phần tử 4.5 Đo công suất mạch cao áp Để đo công suất lượng mạch cao áp ta phải sử dụng biến áp biến dòng đo lường Khi mắc dụng cụ đo hệ thống điện có điện áp cao dịng lớn qua biến áp Tu biến dòng TI đo lường cần lưu ý điểm sau đây: - Dòng mạch dụng cụ đo có hướng với dịng khơng có biến áp - Để mắc cần phải đánh dấu đầu biến áp biến dòng: d1, d2 - cuộn sơ cấp biến dòng Ti  D1, D2 - cuộn thứ cấp biến dòng TI  A - X - cuộn sơ cấp biến áp Tu  a - x - cuộn thứ cấp biến áp Tu  - Để đảm bảo an toàn cho người vận hành cho thiết bị phải nối đất đầu a D1 mạch thứ cấp biến áp biến dòng để đề phòng xuất điện áp cao Thông thường kết đo phụ thuộc vào sai số dụng cụ đo biến áp biến dòng đo lường mà chủ yếu sai số góc Kết đo cơng suất tổng tổng cơng suất (và lượng) dụng cụ đo nhân với hệ số biến áp biến dịng Hình 4.11 Đo công suất lượng mạch pha cao áp ... pháp đo công suất sau đây:  Đo công suất watmet  Đo công suất hai watmet  Đo công suất ba watmet 4. 3.2 Các phương pháp đo: 4. 3.2.1 Đo công suất watmet: - Nếu mạch pha có phụ tải hình đối xứng:... phát Công suất phản kháng tính theo cơng suất sau: Q = U.I.sin  4. 4.1 Đo công suất phản kháng mạch pha: Có thể sử dụng watmet điện động sắt điện động để đo công suất phản kháng Khác với công suất. .. thực Hình 4. 7 Sử dụng watmét để đo công suất phản kháng: a) Cách mắc watmét vào mạch b) Biểu đồ vectơ 4. 4.2 Đo công suất phản kháng mạch pha: Công suất phản kháng mạch pha coi tổng công suất phản