Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 5 potx

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