Cơ cấu đo điện từ

Nội dung của bài tiểu luận bao gồm: những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc của dụng cụ đo kiểu điện từ; các phương pháp mở rộng thang đo khi đo dòng điện, điện áp…; giới t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN

************************

Bài tiểu luận: CƠ CẤU ĐO ĐIỆN TỪ

Giáo viên hướng dẫn: TS Ninh Văn Tiến

Sinh viên thực hiện : Nhóm 7 lớp DHDI4

Tháng 5 – 2009

DANH SÁCH NHÓM

                        

1 Trần Trúc Khiêm (NT) 08101231 Tổng hợp tài liệu

10 Nguyễn Quốc Thịnh 08100201 Tham khảo tài liệu

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay điện được sử dụng vào trong công nghiệp và trong đời sống ngày càng phổ biến nên việc đo lường điện ngày càng nhiều, phức tạp, đòi hỏi độ chính xác và

ổn định cao Do đó đo lường điện là mảng kiến thức và kỹ năng không thể thiếu đối với bất kì người thợ điện nào, đặc biệt là đối với những người phụ trách phần điện trong các xí nghiệp, nhà máy, thường được gọi là điện công nghiệp

Những vấn đề về đo lường kỹ thuật có liên quan trực tiếp tới chất lượng, độ tin cậy, chất lượng và tuổi thọ của thiết bị và hệ thống điện khi làm việc Vì vậy, đòi hỏi người thợ lành nghề phải tinh thông các cơ sở đo lường kỹ thuật, phải hiểu rõ

về đơn vị đo, các mẫu chuẩn ban đầu của đơn vị đo và tổ chức kiềm tra dụng cụ đo; hiểu rõ nguồn gốc và nguyên nhân của các sai số trong quá trình đo và phương pháp xác định chúng

Ngoài các vấn đề đo dòng điện, điện áp, điện trở, độ cách điện; đo công suất, hệ

số công suất…còn phải đo các thông số khác, đo lường các đại lượng không điện bằng phương pháp điện như: đo nhiệt độ, đo áp suất, đo tốc độ, đo mức nhiên liệu v v

Các dụng cụ đo lường thường được cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động của những cơ cấu: cơ cấu đo kiểu từ điện, kiểu điện từ, kiểu cảm ứng, kiểu điện động, kiểu cộng hưởng v v

Để đi sâu về cơ cấu đo điện từ nhóm 7 chọn “cơ cấu đo điện từ” làm đề tài nghiên cứu cho bài tiểu luận của nhóm Nội dung của bài tiểu luận bao gồm: những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc của dụng cụ đo kiểu điện từ; các phương pháp mở rộng thang đo khi đo dòng điện, điện áp…; giới thiệu một số loại đồng hồ đo kiểu điện từ thông dụng; cách sử dụng đồng hồ đo dùng cơ cấu điện từ

để giải quyết các vấn đề kỹ thuật điện, để tìm ra sự cố về điện và cách khắc phục chúng

1 Các bộ phận chính và chi tiết chung của cơ cấu chỉ thị cơ:

1.1.Trục và trụ

Là bộ phận đãm bảo cho phần động quay trên trục như khung dây, lò xo cản, kim chỉ thị…Trụ được làm bằng thép cứng pha iridi hoặc osimi c và có tiết diện tròn đường kính 0.8 đến 1.5mm, đầu trục hình chóp với góc đỉnh là γ = 450 – 600

và đỉnh có bán kính 0.05-0.3 mm

Trụ đỡ làm bằng đá cứng agat hay carbua runbum

1.2.Lò xo phản kháng

Là chi tiết thực hai nhiệm vụ : tạo ra momen cản và dẫn dòng điện vào khung dây Lò xo phản kháng được chế tạo bằng đồng berili hoặc đồng phốt phát để có độ đàn hời tốt và dễ hàn, lò xo được chế tão thành hình xoắn ốc

1.3.Dây căng và dây treo

Khi cần giãm momen cản đễ tăng độ nhạy của cơ cấu chỉ thị, người ta thay lò

xo bằng dây căng hay dây treo, Dây căng và dây treo là các đoạn dây phẳng, có thiết diện hình chử nhật được làm bằng đồng berili hoặc đồng phốt phát Momen phản kháng của dây căng và dây treo nhỏ đễ hạn chế ma sát

1.4.Kim chỉ thị

Kim chỉ thị được chế tạo bằng nhôm hay hợp kim nhôm Với dụng cụ có cấp chính xác cao, kim được làm bằng thủy tinh, hình dáng của kim chỉ thị được chế tạo tùy theo cấp cính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ quan sát

1.5.Thang đo

Thang đo là một bộ phận để khắc độ các giá trị của đại lượng Có nhiều loại

thang đo khác nhau tùy thuộc vào cấp chính xác và bản chất của kim chỉ thị.Thang

đo thường được chế tạo từ nhôm lá, trên mặt của có khắc các vạch chia độ Để tránh sai số trong quá trình đo trên mặt chia độ có thêm “mặt gương” phản chiếu phía dưới khi đo Đặt biệt với các dụng cụ làm việc cả ban đêm và ban ngày thì các

số trên thang đo được kẻ bằng chất phát quang trong bóng tối Có nhiều loại thang

đo khác nhau tùy thuộc vào cấp chính xác và bản chất của cơ cấu đo Thông dụng nhất là loại thang đo có góc lệch ±450 về hai phía so với trục thẳng đứng nghĩa là góc lệch thang đo là α= 900

Đối với các dụng cụ đo treo bảng thường có cấp chính xác không cao người

ta thường dùng thang đo có góc lệch kim là α= 900 trên bảng khắc độ hình vuông hoặc thang đo có góc lệch kim đo là α= 2400 Đối với các dụng cụ tự ghi, thang

đo thường sử dụng là thang đo thẳng Đặt biệt đối với các dụng cụ đo mẫu cấp chính xác 0.1-0.2 người ta khắc độ theo vạch chéo trên một số đường song song giá trị đo đọc theo các điểm giao nhau giữa các đường chéo và các đường song

song Đối với thang đo của đồng hồ đo vạn năng, trên mặt đồng hồ khắc nhiều thang đo với các giá trị đơn vị tương ứng

1.6 Bộ phận cản dịu

Là bộ phận làm giãm quá trình giao động và xác định vị trí căn bằng được nhanh chóng

Cản dịu được chia làm hai loại

• Cản dịu bằng không khí

• Cản dịu kiểu cảm ứng từ

Cản dịu không khí gồm một hộp kính trong đó có lá nhôm chuyển động được gắn liền với trục quay Khi phần động của cơ cấu chỉ thị chuyển động lá nhôm chuyển động theo tạo nên lực cản làm giãm quá trình dao động Cản dịu cảm ứng

từ gồm một lá nhôm mỏng có dạng hình rẻ quạt di chuyễn trong khe hở của nam châm vĩnh cửu Khi lá nhôm chuyển động từ trường xuyên qua la nhôm tạo nên dòng điện cảm ứng trong lá nhôm làm chống lại sự chuyển động đó căn bằng ở vị trí xác định Cản dịu có cấu tạo đơn giãn tác dụng cản dịu tốt, và giá thành rẻ thường được sử dụng trong cơ cấu đo có momen quay lớn

2.Cơ cấu đo điện từ

2.1 Khái niệm điện từ

Điện từ học là ngành vật lý nghiên cứu và giải thích các hiện tượng điện và hiện tượng từ, và mối quan hệ giữa chúng Ngành điện từ học là sự kết hợp của điện học và từ học bởi điện và từ có mối quan hệ mật thiết với nhau Điện trường thay đổi sinh ra từ trường và từ trường thay đổi sinh ra điện trường Thực chất, điện trường và từ trường hợp thành một thể thống nhất, gọi là điện từ trường Các tương tác điện và tương tác từ gọi chung là tương tác điện từ Lực xuất hiện trong các tương tác đó là lực điện từ, một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên (bên cạnh lực

hấp dẫn, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu)

2.2.Khái niệm cơ cấu đo điện từ:

Cơ cấu đo điện từ còn gọi là cơ cấu đo có miếng sắt di động ( moving iron)

Kí hiệu là

2.3.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cơ cấu đo điện từ : ta xét cấu tạo và

nguyên lý của cơ cấu điện từ theo từng loại cụ thể

Gồm có ba loại nhưng thường được ứng dụng nhiều là loại lực hút (còn gọi là kiểu cuộn dây phẳng) và loại lực đẩy (còn gọi là kiểu cuộn dây tròn)

2.3.1 Cơ cấu đo điện từ kiểu lực hút (kiểu cuộn dây phẳng)

1 Cuộn dây tĩnh

2 Lõi thép

3 Lá thép từ mềm

4 bộ phận cản dịu

Hình 2.1.cơ cấu đo kiểu lực hút

• Phần tĩnh: là cuộn 1 dây phẳng trên đó cuốn bằng dây điện từ để tạo ra từ trường tác động lên lá thép đặt trong nó

• Phần động: gồm lá sắt 3 và kim chỉ thị được gắn chặt trên cùng một trục quay nằm trên hai chân kính Khi trong cuộn dây A có dòng điện đi qua, sẽ sinh ra

từ trường hút lá sắt B vào trong lòng cuộn dây A làm quay kim chỉ thị Trên trục quay được lắp một lò xo xoắn ốc để sinh ra mô men cản: một đầu gắn với kim chỉ thị, còn đầu kia gắn với lỗ có núm gạt để điều chỉnh kim

• Bộ phận cản dịu: Kim đồng hồ thường làm bằng nhôm mỏng nhẹ, gắn trên

cơ cấu quay ma sát ít nên khi kim quay sẽ dao động lâu rồi mới nằm ở vị trí cân bằng Muốn cho kim dao động chóng tắt, chóng trở về cân bằng, phải dùng bộ phận cản dịu Bộ phận cản dịu 4 là một lá nhôm hình quạt cũng lắp trên trục quay đặt giữa hai trục từ của nam châm vĩnh cửu 5; khi kim quay: theo nguyên lý cảm ứng

từ, theo nguyên lý cảm ứng điện từ sẽ xuất hiện lực cản dịu trên lá nhôm làm tắt chấn động để kim quay về vị trí cân bằng và khi đó ta có thể đọc chính xác giá trị đại lượng cần đo

2.3.2 Cơ cấu đo kiểu lực đẩy (kiểu cuộn dây tròn)

• Phần tĩnh: là cuộn dây tròn 1 (độ nhạy kém loại dẹt) quấn bằng dây điện từ, ở giữa cuộn dây đặt hai miếng thép cong Silic (hoặc thép non) dẫn từ tốt; miếng thép

cố định 2 bắt chặt vào cuộn dây;

• Phần động: gồm miếng thép chuyển động 3 gắn liền vào trục quay Trên trục quay có gắn kim, lò xo phản kháng và lá nhôm 4 của bộ phận cản dịu 5 nhờ có vít chỉnh kim 6 ta có thể điều chỉnh kim đồng hồ về số không khi cần

• Bộ phận cản dịu: máy đo loại này thường dùng bộ cản dịu kiểu không khí gồm lá nhôm mỏng 4 gắn liền với trục quay Khi phần động quay, lá nhôm này chuyển động trong hộp 5, nó ép không khí gây ra lực cản làm tắt sự dao động của kim

• Nguyên lý hoạt động :

Khi cho dòng điện một chiều vào cuộn dây phần tĩnh, sẽ sinh ra từ trường trong lòng cuộn dây Từ trường này sẽ từ hóa hai miếng thép, biến chúng thành hai nam châm giống nhau, mà ta biết rằng hai cực nam châm cùng tên ở gần nhau sẽ đẩy nhau, do đó hai miếng thép đẩy nhau

Miếng thép 2 đã cố định thì miếng thép 3 sẽ chuyển động làm cho trục quay và kim cũng quay theo

Nếu cho dòng điện xoay chiều vào cuộn dây, tùy theo chiều dòng điện biến đổi theo thời gian thì chiều của từ trường và từ cực của miếng thép cũng biến đổi đồng thời, nên chiều của lực tác dụng lên trục quay vẫn không đổi

Ở đây thì cường độ từ cảm B do dòng điện trong cuộn dây tĩnh gây ra, nên lực tác dụng lên lá thép nam châm sẽ tỷ lệ với bình phương dòng điện I; lực này sinh sinh ra mômen làm quay lá thép cũng tỷ lệ với bình phương dòng điện:

Mq =

α

d

dW e

Năng lượng điện được xác định:

2

2

LI

W e = Trong đó L là điện cảm của cuộn dây nên mômen quay còn được viết lại như sau:

Mq =

2

2

I d

dL

α

Khi kim quay thì lò xo sẽ sinh ra mômen cản:

Mc = D.α

Với D là hệ số cản của lò xo

Kim đồng hồ ở vị trí cân bằng khi mômen quay bằng với mômen cản:

Mq = Mc hay

2

2

I d

dL

α = D.α Suy ra góc quay của kim là:

α

α

d

dL D

I

2

2

Góc quay của kim α tỷ lệ bình phương với dòng điện Tùy theo độ lớn của góc quay mà ta biết được trị số dòng điện cần đo được kẻ trên mặt đồng hồ

2.4 Đặc tính của cơ cấu đo điện từ :

Từ biểu thức trên ta có một số nhận xét:

• Góc quay α của kim chỉ thị tỷ lệ với bình phương dòng điện và không phụ thuộc vào chiều dòng điện nên cơ cấu đo điện từ có thể đo đại lượng điện một chiều

và đại lượng điện xoay chiều Trong đó dòng điện xoay chiều có tần số lên tới 10.000 Hz

• Do góc quay khung dây tỷ lệ với bình phương dòng điện nên thang đo chia vạch không đều và phụ thuộc vào tỷ số

α

d

dL (đây là đại lượng phi tuyến tính) Thực

tế người ta tính toán sao cho góc lệch α của khung dây

2.4.1 Ưu điểm của cơ cấu:

• Đồng hồ đo kiểu điện từ có ưu điểm là có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, làm việc đơn giản , dễ sử dụng

• Độ tin cậy cao do cuộn góc quay tỷ lệ với bình phương dòng điện nhờ đó

mà ta tính toán chia thang đo phù hợp với trị số dòng điện cần đo

• Cuộn dây ở phần tĩnh nên có thể chế tạo bằng dây to nhờ đó mà nó có thể chịu được dòng điện lớn, khả năng chịu quá tải cao

• Có thể dùng đo trong mạch điện một chiều và mạch điện xoay chiều ( tần số công nghiệp) nên rất tiện lợi

• Công nghệ chế tạo dễ các loại cơ cấu khác

2.4.2.Nhược điểm của cơ cấu :

• Cuộn dây tĩnh được cuốn bằng dây dẫn có tiết diện lớn, do đó dòng điện tiêu tốn trên cuộn dây tĩnh nhiều Vì vậy khi đo đồng hồ sẽ tiêu tốn điện năng lớn

• Độ chính xác không cao do từ dư trong lá sắt non

• Tính trễ làm tăng sai số khi dùng ở dòng điện xoay chiều Giảm tính trễ bằng cách giảm nhỏ miếng sắt di động hoặc chọn mật độ từ thông B để cho hiện tượng trễ trong miếng sắt nhỏ đi Cho nên có sự dung hòa giữa từ thông và miếng sắt di động

• Ngoài ra cơ cấu khi đo còn chịu ảnh hưởng của tín hiệu xoay chiều: do có thành phần tự cảm L của cuộn dây cố định cho nên khi tần số tín hiệu tăng, tổng trở: Z = Lω = 2ΠFl của cuộn dây tăng không thích hợp với tín hiệu đo có khoảng

thay đổi tàn số lớn Ngoài ra dòng điện xoáy trên miếng sắt di động tăng khi tần số tín hiệu tăng

• Do từ trường tạo ra bởi cuộn dây có trị số nhỏ cho nên dễ bị ảnh hưởng bởi

từ trường nhiễu, cần phải bảo vệ bằng cách chắn từ cho cơ cấu

3 Ứng dụng của cơ cấu đo kiểu điện từ:

Dụng cụ đo kiểu điện từ thường dụng để chế tạo các loại ampe kế, volt kế để đo dòng điện và điện áp xoay chiều ở tần số điện công nghiệp với cấp chính xác là 1.0

và 1.5 hoặc các cơ cấu đo ở phòng thí nghiệm với cấp chính xác là 0.5 và 1.0 Nếu làm ampe kế thì cuộn dây được cuốn bằng dây điện từ to, có ít vòng – điện trở nhỏ Nếu dùng làm volt kế thì cuộn dây phải được cuốn bằng dây điện từ nhỏ, có rất nhiều vòng điện trở lớn để dòng điện tiêu thụ không cao

Đối với các đại lượng xoay chiều có tần số cao và hơi cao, ta phải tính toán các mạch bù tần số để giảm thiểu sai số

3.1 Các loại đồng hồ đo điện sử dụng cơ cấu đo kiểu điện từ thông dụng 3.1.1 Ampe kế đo cường độ dòng điện

Cơ cấu đo kiểu điện từ có thể chế tạo thành ampe kế đo dòng điện một chiều và ampe kế đo dòng xoay chiều nhưng người ta thường dùng cho đo dòng xoay chiều

vì theo trên cơ cấu điện từ đo dòng một chiều không chính xác, trong khi đó ampe

kế kiểu từ điện rất nhạy mà lại khá chính xác

Cơ cấu đo kiểu điện từ ứng dụng sản xuất các loại đồng hồ: Miliampe kế (mA-đo

từ 10− 3A ), Ampe kế (Iđm<103A) , hoặc kilo ampe kế (Iđm>103A)

Ampe kế kiểu điện từ được chế tạo dựa trên cơ cấu đo chỉ thị điện từ Mỗi cơ cấu

đo được chế tạo với số ampe vòng Iw nhất định

Đối với cơ cấu đo có cuộn dây hình xuyến thường có ampe vòng là:

Iw = 200 (A.vòng)

Đối với cơ cấu đo có cuộn dây dẹp ampe vòng là: Iw = 100 ÷150 (A.vòng) Đối với cơ cấu đo có cuộn dây tròn, mạch từ khép kín thì có ampe vòng là:

Iw = 50 ÷ 1000 (A.vòng)

Khi đo cường độ dòng điện ampe kế phải mắc nối tiếp với mạch điện nên toàn

bộ dòng điện chạy trong mạch sẽ qua máy đo; bởi vậy công suất tiêu hao trong máy

đo phải nhỏ nghĩa là điện trở của ampe kế phải thật nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến sự hoạt động của mạch điện và giảm thiểu sai số khi đo Do đó cuộn dây tĩnh của ampe kế phải được làm bằng chất liệu có điện trở suất nhỏ(đồng, nhôm…), tiết diện dây và số vòng phải hạn chế tối đa

• Mở rộng thang đo cho ampe kế điện từ:

Muốn mở rộng thang đo Ampe kế điện từ ta chỉ cần thay đổi sao cho:

Iw = I1w2 = I2w2= I3w3 = … = Inwn = const

Do đó ta cần chia cuộn dây tĩnh ra thành nhiều đoạn nhỏ bằng nhau và khi thay đổi cách ghép các phân đoạn này song song hoặc nối tiếp ta sẽ có những thang đo khác nhau(hình 4.1.1):

Hình: 4.1.1 sơ đồ nguyên lý mở rộng thang đo ở ampe kế điện từ

Ví dụ:

Một ampe kế điện từ có hai thang đo, ta chia cuộn dây tĩnh thành hai phân đoạn bằng nhau Nếu nối tiếp hai phân đoạn này ta sẽ đo được dòng điện tối đa là I1; còn nếu đấu song song hai phân đoạn này ta sẽ được dòng điện là I2= 2I1

Mắc nối tiếp:

Mắc song song:

Ampe kế điện từ có nhiều nhất là ba thang đo vì khi tăng số lượng thang đo lên việc bố trí mạch chuyển thang đo sẽ phức tạp không tể thực hiện được

• Mở rộng tầm đo cho ampe kế điện từ:

Muốn dùng ampe kế loại này có thang đo nhỏ để đo dòng điện AC lớn ta dùng máy biến dòng để cơ cấu đo được đơn giản hơn