Chơng 5: Đo công suất 67 Chơng 5: Đo công suất I. Khái niệm chung Công suất là đại lợng cơ bản của các hiện tợng và quá trình vật lý nói chung và của các hệ thống điện tử nói riêng, do vậy việc xác định công suất là phép đo quan trọng và phổ biến. Trong thực tế, ngời ta phân công suất thành các loại nh sau: + Công suất thực (công suất hữu công): P + Công suất phản kháng (công suất vô công): Q + Công suất biểu kiến (công suất danh định): S Dải đo của công suất từ 10 -20 W đến 10 10 W và dải tần từ 0 tới 10 9 Hz * Đối với mạch điện một chiều công suất thực P đợc tính theo một trong các công thức sau đây: P = U.I P = I 2 .R P = U 2 / R P = k.q Trong đó: I là dòng trong mạch U là điện áp rơi trên phụ tải có điện trở R q là lợng nhiệt toả ra trên phụ tải trong một đơn vị thời gian k là hệ số * Đối với mạch điện xoay chiều một pha == TT idtu T pdt T P 00 . 1 . 1 trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng T là chu kỳ Nh vậy công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha đợc xác định nh là một giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T Nếu dòng điện và điện áp có dạng hình sin thì công suất đợc tính theo công thức: P = U.I.cos Q = U.I.sin S = U.I Trong đó: U, I là các giá trị hiệu dụng là góc lệch pha giữa dòng và áp trên phụ tải cos đợc gọi là hệ số công suất II. Dụng cụ đo công suất trong mạch một pha Từ công thức tính P ta có thể thấy ngay rằng để đo công suất của mạch một chiều trên phụ tải R thì có thể sử dụng các cặp dụng cụ nh sau: + Ampe kế và Vôn kế Khi đó P = U.I với U và I là kết quả chỉ thị trên Vôn kế và Ampe kế BomonKTDT-ĐHGTVT 68 + Ampe kế và Ohm kế Khi đó P = I 2 .R Chú ý: Phép đo R thực hiện khi không nối nguồn (đo nguội) + Vôn kế và Ohm kế Khi đó P = U 2 /R Tuy nhiên, do sử dụng nhiều dụng cụ nên sai số của phép đo khá lớn. Trên thực tế ngời ta sử dụng cách đo trực tiếp công suất bằng đồng hồ Oat kế (Wattmeter). Dới đây là một số loại Oat kế phổ biến đo công suất một chiều và xoay chiều một pha. 1. Oat kế điện động Oat kế điện động (hoặc sắt điện động) là dụng cụ cơ điện để đo công suất thực trong mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu tạo chủ yếu của Oat kế điện động là cơ cấu chỉ thị điện động. Hình bên là cấu tạo về mặt Nguyên tắc và hình dạng thực tế của một oat kế. Hoạt động: xét sơ đồ Nguyên tắc của Oat kế điện động nh hình trên A là cuộn dây tĩnh mắc nối tiếp với điện trở tải R B là cuộn dây động mắc song song với nguồn cung cấp Rp là điện trở phụ Ru là điện trở của bản thân cuộn động Cuộn dòng Cuộn dòng Cuộn áp Tải Nguồn Ux B A * * Iu Ru Rp R Chơng 5: Đo công suất 69 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 tơng tác giữa các trờng từ đợc 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: d dM II D 12 21 1 = trong đó: const d dM sg RpRu U I II = + = = 12 2 1 :/ const d dM RpRuD K P K I U K = + = == 12 . ).( 1 Với: D: momen cản riêng của lò xo phản kháng I 1 , I 2 : dòng qua cuộn tĩnh và cuộn động M 12 : hỗ cảm giữa 2 cuộn dây K đợc gọi là hệ số của Oat met với dòng một chiều * Đối với mạch điện xoay chiều ta có: cos. cos 1 12 RpRu U Iu d dM IuI D + = = )cos(.cos. . . 1 + = = RpRu IU D Nếu PKIUK .cos = == , nghĩa là số chỉ của Oatmet tỉ lệ với công suất tiêu thụ trên phụ tải. Chú ý: + Do Oatmet điện động có cực tính nên khi đảo pha của 1 trong 2 cuộn dây Oatmet sẽ quay ngợc, vì vậy, các cuộn dây đợc đánh dấu (*). Khi nối các đầu dây cần nối các đầu dây có dấu (*) với nhau. + Oatmet điện động thờng có nhiều thang đo theo dòng và áp. Giới hạn đo theo dòng là 5A và 10A, theo áp là 150V và 300V + Dải tần số từ 0 tới KHz + Độ chính xác đạt 0,1 tới 0,2% với tần số dới 200Hz 2. Đo công suất bằng phơng pháp điều chế tín hiệu Nguyên tắc: U I Iu BomonKTDT-ĐHGTVT 70 Giả sử Uu là tín hiệu tỉ lệ với điện áp U rơi trên phụ tải và Ui tỉ lệ với dòng điện I chạy qua phụ tải. Khi đó phơng pháp điều chế tín hiệu dựa vào việc nhân các tín hiệu Uu và Ui trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung là điều chế độ rộng xung (ĐRX) và biên độ xung (BĐX). Dới đây là sơ đồ cấu trúc của Oatmet làm việc dựa trên phơng pháp điều chế tín hiệu và biểu đồ thời gian của nó. Hoạt động: Máy phát tần số chuẩn (MF f 0 ) tạo ra các xung có biên độ và độ rộng nh nhau, các xung này đợc đa vào bộ biến đổi độ rộng xung. Khi đó độ rộng xung sẽ phụ thuộc vào biên độ điện áp của Ui. Đầu ra của bộ điều chế có các xung với độ rộng t i = k 1 .Ui. Dãy xung sau khi đợc điều chế độ rộng xung sẽ đợc điều chế biên độ nhờ Uu, do đó diện tích của mỗi xung đầu ra sẽ tỉ lệ với công suất tức thời theo biểu thức sau: UiUuKUiUukktUuktS i 2.1 2)( = = = Nh vậy, đầu ra của bộ tích phân tỉ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên tải Utrb = K.P Oat met loại này có sai số khoảng %1,0 3. Oatmet nhiệt điện Các dụng cụ đo dùng cặp nhiệt điện có thể hoạt động ở tần số rất cao, do đó ngời ta dùng cặp nhiệt điện để chế tạo Oatmet đo công suất ở khu vực tần số ngoài khoảng đo của Oatmet điện động. Mạch cơ bản của Oatmet nhiệt điện nh hình dới đây. Trong đó: Biến áp có điện áp thứ cấp tỉ lệ với điện áp U và tạo ra dòng i u tỉ lệ với U và biến dòng có dòng thứ cấp tỉ lệ với dòng điện I và tạo dòng i i tỉ lệ với dòng tải I. Với sơ đồ nh trên ta có dòng đốt nóng R1 là (i i + i u ) và dòng đốt nóng R2 là (i i i u ) Theo công thức của cặp nhiệt điện ta có: e 1 = k.(i i +i u ) 2 và e 2 = k.(i i i u ) 2 (giả sử 2 cặp nhiệt điện có hệ số k nh nhau) Số chỉ của milivonmet khi đó là Era = e 1 e 2 = 4ki u i i ĐRX MF f 0 BĐX TP Uu Ui Utrb=K. P MF f 0 : má y p hát xun g tần số chuẩn f 0 ĐRX: bộ điều chế độ rộng xung BĐX: bộ điều chế biên độ xung TP: bộ tích phân Ui 0 t 0 t 0 t 0t Uu ĐRX Utrb P Chơng 5: Đo công suất 71 Do bộ biến đổi nhiệt có quán tính nhiệt cao nên loại bỏ thành phần xoay chiều ta sẽ có: Era = K.U.I.cos = K.P Oatmet nhiệt điện có sai số cơ bản là %1 với thang đo điện áp từ 10mV 300V; dòng điện từ 100 A 3mA; cos = 0,1 1; tần số hoạt động từ 200Hz- 100kHz 4. Oatmet dùng chuyển đổi Hall Bộ chuyển đổi Hall là 1 mạng 4 cực đợc chế tạo dới dạng một tấm mỏng bằng bán dẫn. T T là 2 cực dòng và X X là 2 cực áp. Khi đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi 1 từ trờng thì xuất hiện ở hai đầu X X một thế điện động Hall đợc tính theo công thức sau: E x = k x .B.i x Với k x là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thớc và hình dáng của chuyển đổi, nhiệt độ của môi trờng và giá trị của từ trờng. B là độ từ cảm của từ trờng i x là dòng qua tải Nh vậy, thế điện động Hall sẽ tỉ lệ với công suất nếu nh 1 trong 2 đại lợng trên (ví dụ là B) tỉ lệ thuận với điện áp u còn dòng i x là dòng đi qua phụ tải. * Oatmet sử dụng chuyển đổi Hall Cho chuyển đổi vào khe hở của nam châm điện. Hớng của từ trờng nh hình vẽ (đờng gạch gạch). Dòng qua cuộn hút L chính là dòng qua phụ tải. Dòng qua 2 cực T T tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải (load). Rmultiplier (điện trở phụ) để hạn chế dòng. Milivonke để xác định áp giữa hai cực áp X - X Khi đó thế điện động Hall đợc tính nh sau: e x = k.u.i = k.P Trong đó: e x đợc xác định bởi milivon kế; k là hệ số tỉ lệ Do đó có thể suy ra giá trị của công suất P là: P = e x / k milivoltmet Nguồn Biến áp Biến dòng R2 R1 Rt U I i i i i i i i u i u +i i i u - i i ++ e 1 e 2 BomonKTDT-ĐHGTVT 72 Hình dới đây là sơ đồ của một oatmet sử dụng chuyển đổi Hall Nhận xét: Oatmet dùng chuyển đổi Hall có khả năng đo công suất xoay chiều với tần số lên tới hàng MHz; hơn nữa, cơ cấu này không có quán tính, cấu tạo đơn giản, bền và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, sai số do nhiệt cũng khá lớn. Trên thực tế để tăng độ nhạy và khuếch đại thế điện động Hall ngời ta mắc thêm vào sơ đồ một bộ KĐTT nh hình sau: X X TT . 1. Oat kế điện động Oat kế điện động (hoặc sắt điện động) là dụng cụ cơ điện để đo công suất thực trong mạch điện một chiều hoặc xoay chiều một pha. Cấu tạo chủ yếu của Oat kế điện động. nhiệt điện Các dụng cụ đo dùng cặp nhiệt điện có thể hoạt động ở tần số rất cao, do đó ngời ta dùng cặp nhiệt điện để chế tạo Oatmet đo công suất ở khu vực tần số ngoài khoảng đo của Oatmet điện. Chơng 5: Đo công suất 67 Chơng 5: Đo công suất I. Khái niệm chung Công suất là đại lợng cơ bản của các hiện tợng và quá trình vật lý nói chung và của các hệ thống điện tử nói riêng,