Các phương pháp đo công suất của mạch điện và điện tử

SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Khóa luận tốt nghiệp đại học 1 Lời Cảm ơn! Trong quá trình làm đề tài Khóa luận, được sự giúp đỡ của Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, của tổ vật lý thực nghiệm. Đặc biệt là sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy giáo Dương Kháng trong tổ vật lý thực nghiệm của khoa vật lý. Tác giả tỏ lòng cảm ơn trân thành và biết ơn sâu sắc tới sự giúp đỡ tận tình của các Thầy, Cô giáo. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Thế Tân và Thầy Nguyễn Hồng Quảng cùng các thấy cô giáo trong khoa và các bạn đã giúp đỡ, ủng hộ tác giả để tác giả hoàn thành tốt Khóa luận của mình. Tác giả xin chân thành cảm ơn!!! SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý LỜI NÓI ĐẦU Điện năng là một nguồn năng lượng có tầm quan trọng quốc gia. Việc nâng cao độ chính xác của phép đo công suất, có ý nghĩa rất to lớn trong nguồn kinh tế quốc dân, nó liên quan đến vịêc tiêu thụ năng lượng, đến việc tìm nguồn năng lượng mới, và tiết kiệm điện năng. Công suất là đại lượng cơ bản của phần lớn các đối tượng, quá trình và hiện tượng vật lý. Vì vậy việc xác định công suất là một phép đo cần thiết, cơ bản để đo lường các thông số của tín hiệu điện và tín hiệu điện tử. Đặc biết là việc đo được công suất phản kháng giúp ta biết được lượng công suất chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng là nhiều hay ít từ đó tìm ra biện pháp khắc phục để công suất phản kháng là ít nhất, hiệu suất của máy phát là lớn nhất. Xác định được tầm quan trọng của việc đo công suất thực, công suất phản kháng của mạch điện và mạch điện tử đến các doanh nghiệp và của nhà nước nên tôi đã chọn đề tài : “ Các phương pháp đo công suất của mạch điện và điện tử ”, làm đề tài nghiên cứu cho Khóa luận tốt nghiệp đại học của mình. Đề tài khóa luận của tôi gồm bốn chương: Chương I : Cơ sở lý thuyết đo lường các đại lượng vật lý Chương II : Đo công suất trong mạch điện Chương III : Đo công suất trong mạch điện tử Chương IV : Thực hành đo công suất phản kháng trong mạch điện xoay chiều một pha và ba pha. Đối với chương I đã trình bày cơ bản trong đo lường, công suất biểu kiến, phản kháng, công suất tác dụng và các cơ cấu chỉ thị được dung trong các Oắt kế đo công suất tác dụng và công suất phản kháng. Khóa luận tốt nghiệp đại học 2 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Chương II và chương III đã trình bày sơ đồ nguyên lý, các ưu nhược điểm của từng phương pháp dùng để đo công suất tác dụng, phản kháng của mạch điện và mạch điện tử. Chương IV là chương tiến hành đo công suất phản kháng của mạch điện xoay chiều một pha và ba pha. Do khả năng của tác giả còn hạn chế, thời gian thực hiện đề tài không nhiều nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn. Hy vọng tài khóa luận có thể làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn và các Thầy, Cô giáo sử dụng. Vinh, ngày 06 tháng 05 năm 2009 Sinh viên Roãn Văn Huấn Khóa luận tốt nghiệp đại học 3 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐO LƯỜNG CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ I. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP ĐO 1.1 Định nghĩa Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng : A = 0 X X ⇒ ta có X = A.X 0 (1.1) Trong đó : X : là đại lượng đo X 0 : là đơn vị đo A : là con số kết quả đo Đo lường học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và các đơn vị đo. Kỹ thuật đo lường là ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản suất và đời sống. 1.2 Phân loại phương pháp đo Ta có bốn cách thực hiện đo là đo trực tiếp, đo gián tiếp, đo tổ hợp, đo thống kê có thể đo theo các phương pháp khác nhau tuỳ thuộc vào độ chính xác, yêu cầu, điều kiện thí nghiệm và thiết bị hiện có… Ta có thể phân loại thành 2 phương pháp đo :  Phương pháp đo biến đổi thẳng  Phương pháp đo kiểu so sánh 1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi như sơ đồ sau: Khóa luận tốt nghiệp đại học 4 X 0 X X 0 BĐ A/D SS Số X N N 0 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi và biến thành con số N x . Đơn vị của đại lượng đo X 0 cũng được biến đổi thành N 0 , sau đó được so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị qua bộ so sánh (ss). Quá trình được thực hiện bằng một phép chia 0 x N N . Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng : X = 0 0 x N X N (1.2) Quá trình đo như vậy là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị biến đổi thẳng. 1.2.2 Phương pháp đo kiểu so sánh Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi như hình sau: Hình 2: Sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng Tín hiệu đo X được so sánh với một tín hiệu X k tỷ lệ với đại lượng mẫu X 0 . Qua bộ so sánh ta có : X – X k = X∆ (1.3) Tuỳ thuộc cách so sánh ta có các phương pháp sau: a. So sánh cân bằng và không cân bằng * So sánh cân bằng là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu X k được so sánh với nhau sao cho X∆ = 0, và X – X k = 0; X = X k = N k X 0 (1.4) Khóa luận tốt nghiệp đại học 5 SS BĐ A/D N k D/A X k ΔX CT X Hình 1: Sơ đồ cấu trúc phương pháp đo biến đổi thẳng SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Như vậy X k là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn được kết quả như (1.4). Nghĩa là phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng. Các dụng cụ đo theo phương pháp so sánh cân bằng như cầu đo, điện thế kế. * So sánh không cân bằng Theo (1.3)ta có :X – X k = X∆ ⇔ X = X k + X∆ (1.5) Nếu đại lượng X k là đại lượng không đổi, lúc đó kết quả của phép đo được đánh giá qua X∆ . Phương pháp này được sử dụng đo các đại lượng không điện như đo ứng suất dùng mạch cầu không cân bằng và đo nhiệt độ . b. So sánh không đồng thời và đồng thời So sánh không đồng thời là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng mẫu X k . Các giá trị đo X và giá trị mẫu được đưa vào cùng thiết bị ở hai thời gian khác nhau nhưng vẫn giữ nguyên được trạng thái như nhau, thông thường giá trị mẫu X k được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ để xác định giá trị của đại lượng đo. Thiết bị đo theo phương pháp này là các thiết bị đánh giá trực tiếp như vônmet, ampemet kim chỉ. So sánh đồng thời là phép so sánh cùng một lúc đại lượng đo X và đại lượng mẫu X k . Khi X và X k trùng nhau, qua X k xác định được giá trị đại lượng X II. Các khái niệm công suất 2.1. Khái niệm công suất biểu kiến Công suất biểu kiến, công suất phức S, 1 khái niệm trong kĩ thuật điện dùng để chỉ sự cung ứng điện năng từ nguồn, là tổng phần thực công suất hiệu dụng và phần ảo công suất hư kháng trong điện xoay chiều. S = P + iQ hay : Đơn vị của công suất biểu kiến là VA (vôn-ampe), 1 kVA = 1000 VA. 2.2. Khái niệm công suất tác dụng Khóa luận tốt nghiệp đại học 6 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Công suất tác dụng trong mạch xoay chiều một pha được xác định như là giá trị trung bình của công suất trong một chu kỳ T ∫∫ == TT uidt T pdt T P 00 11 Trong đó: p, u, i là các giá trị tức thời của dòng công suất, áp và dòng. Trong trường hợp khi dòng và áp có hình dạng sin thì coong suất tác dụng được tính là : ϕ cosUIP = Hệ số công suất ϕ Cos là tỷ số giữa công suất thực và công suất biểu kiến trong mạch gọi là hệ số công suất. Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất là côsin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế của dòng xoay chiều. Do vậy trên thực tế người ta hay ghi hệ số công suất như là " cos φ" vì lý do này. Hệ số công suất bằng 1 khi hiệu điện thế và cường độ dòng điện cùng pha, và bằng 0 khi dòng điện nhanh hoặc chậm pha so với hiệu điện thế 90 độ. Hệ số công suất phải nêu rõ là nhanh hay chậm pha. Đối với hai hệ thống truyền tải điện với cùng công suất tác dụng, hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn sẽ có dòng điện xoay chiều lớn hơn vì lý do năng lượng quay trả lại nguồn lớn hơn. Dòng điện lớn hơn trong các hệ thống thực tiễn có thể tạo ra nhiều thất thoát hơn và làm giảm hiệu quả truyền tải điện năng. Tương tự, đoạn mạch có hệ số công suất thấp hơn cũng sẽ có công suất biểu kiến cao hơn và nhiều thất thoát năng lượng hơn với cùng một công suất thực được truyền tải. Đoạn mạch có dung kháng sinh ra công suất phản kháng với dòng điện nhanh pha hơn hiệu điện thế một góc 90 độ, trong khi đó thì đoạn mạch có cảm kháng sinh ra công suất phản kháng với dòng điện chậm pha hơn hiệu điện thế một góc 90 độ. Kết quả của điều này là các thành phần cảm kháng và dung kháng có xu hướng triệt tiêu lẫn nhau. Theo quy ước, dung kháng được coi là sinh ra công suất phản kháng còn cảm kháng thì Khóa luận tốt nghiệp đại học 7 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý tiêu thụ công suất này (điều này có lẽ có nguyên nhân là trên thực tế phần lớn các phụ tải thực trong cuộc sống là có cảm kháng và do đó công suất phản kháng phải được cấp tới chúng từ những tụ bù hệ số công suất). Trong truyền tải điện năng và phân phối chúng, có cố gắng đáng kể để kiểm soát công suất phản kháng. Điều này thông thường được thực hiện bởi việc tự động đóng/mở các cuộn cảm hay các tụ điện. Các nhà phân phối điện có thể sử dụng các đồng hồ đo điện để đo công suất phản kháng, nhằm hỗ trợ khách hàng tìm biện pháp nâng hệ số công suất lên hay xử phạt các khách hàng để hệ số công suất quá thấp (chủ yếu là các khách hàng lớn). Công suất biểu kiến được sử dụng để mô tả việc cung ứng điện năng từ nguồn. Nó là tổng vectơ của công suất thực (năng lượng thực tế được truyền từ nguồn tới phụ tải) và công suất phản kháng (là năng lượng lưu thông giữa nguồn và các thành phần lưu trữ năng lượng là cảm kháng và dung kháng của phụ tải. Nó thông thường là điều được chú ý nhiều nhất trong truyền tải và phân phối điện năng. |S| 2 = P 2 + Q 2 Đơn vị công suất oắt (W) nói chung được gắn với công suất thực tế tiêu hao. Công suất phản kháng được đo bằng vôn-ampe phản kháng (VAr) và công suất biểu kiến hay công suất phức hợp được đo bằng vôn-ampe (VA) hay các bội (ước) số của nó, chẳng hạn như kVA 2.3 Khái niệm công suất phản kháng Công suất phản kháng, công suất hư kháng,công suất ảo Q là 1 khái niệm trong ngành kĩ thuật điện dùng để chỉ phần công suất điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t). Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thị hàm sin thì , với U, I: giá trị hiệu dụng u(t), i(t); φ là pha lệch giữa u(t), i(t). Công suất hư kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S, S = P + iQ. Khóa luận tốt nghiệp đại học 8 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý Đơn vị đo Q là var (volt amperes reactive), 1 kvar = 1000 var. III. MỘT SỐ CƠ CẤU CHỈ THỊ DÙNG TRONG CÁC DỤNG CỤ ĐO CÔNG SUẤT 3.1. Cơ cấu chỉ thị điện động Trong oắt kế điện động dùng để đo công suất mạch một chiều và xoay chiều một pha, ba pha sử dụng cơ cấu này. Bây giờ ta xét cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó. 3.1.1. Cấu tạo Sơ đồ cấu tạo của nó được biểu diễn như hình sau: Hình 3: Cơ cấu chỉ thị điện động Cơ cấu chỉ thị điện động gồm  Cuộn dây phần tĩnh 1 (được chia làm hai phần nối tiếp nhau)để tạo ra từ trường khi có dòng điện chạy qua.  Phần động là khung dây 2 đặt trong cuộn tĩnh và gắn với trục quay. Cả phần động và tĩnh được bọc kín bằng màn chắn từ để tránh ảnh hưởng của từ trường ngoài đến sự làm việc của cơ cấu chỉ thị. 3.1.2. Nguyên lý làm việc Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây tĩnh, trong cuộn dây xuất hiện từ trường. Từ trưòng tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo nên mômen quay làm phần động quay đi một góc α : W e q d M d α = (1.6) Khóa luận tốt nghiệp đại học 9 γ ∞ 1 Φ 2 Φ I 1 I 2 2 1 SVTH : Roãn Văn Huấn - Lớp 46B2 Vật lý (W e là năng lượng điện từ tích lũy trong cuộn dây) Ta có hai trường hợp:  Nếu dòng điện đi vào các cuộn dây là dòng một chiều I 1 , I 2 thì W e = 2 2 1 1 2 2 12 1 2 1 1 2 2 L I L I M I I+ + (1.7) Trong đó: L 1 , L 2 là điện cảm của cuộn dây tĩnh M 12 là hỗ cảm giữa hai cuộn dây I 1 ,I 2 là dòng điện một chiều chạy trong cuộn dây tĩnh và động. Do L 1 , L 2 không thay đổi khi khung dây quay trong cuộn dây tĩnh do đó đạo hàm của chúng theo góc α bằng không và ta có: W e q d M d α = = 12 dM d α I 1 I 2 (1.8) Khi ở vị trí cân bằng M q = M c 12 dM d α I 1 I 2 = D α ⇔ α = 1 D 12 dM d α I 1 I 2 (1.9)  Khi có dòng xoay chiều i 1 , i 2 đi vào các cuộn dây ta có mômen quay tức thời: m qt = 12 dM d α i 1 i 2 (1.10) Phần động vì có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời nên thực tế lấy theo trị số trung bình trong một chu kỳ: M q = 1 T 0 T ∫ m qt dt (1.11) Nếu i 1 = I 1m sin t ω và i 2 = I 2m sin ( t ω - ψ ) thay vào (1.10) và (1.11) ta có: M q = 1 T 0 T ∫ I 1m I 2m sin t ω sin ( t ω - ψ ) 12 dM d α dt Lấy tích phân ta được: M q = 12 dM d α I 2 I 1 cos ψ (1.12) Khóa luận tốt nghiệp đại học 10 . kháng của mạch điện và mạch điện tử đến các doanh nghiệp và của nhà nước nên tôi đã chọn đề tài : “ Các phương pháp đo công suất của mạch điện và điện tử. loại thành 2 phương pháp đo :  Phương pháp đo biến đổi thẳng  Phương pháp đo kiểu so sánh 1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có cấu trúc