CHƯƠNG 4 ĐO CÔNG SUẤT VÀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Chương 4. Đo công suất và năng lượng
điện

Bài giảng:

THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO

GV. TS.Nguyễn thị Lan Hương
Bộ môn: Kỹ thuật đo và tin học Công nghiệp
Hà nội 8/2012
1

Nội dung

2

4.1. Các vấn đề chung của đo công suất và năng lượng điện

Lý luận chung
Wattmet điện động
Wattmet bằng bộ nhân địên tử
Công tơ đếm năng lượng
Đo công suất ở tần số cao
Đo công suất phản kháng
Giới thiệu về Tranducer đo công suất vạn năng

Công suất tức thời p=u(t).i(t)
Công suất trung bình trong một chu kỳ:
T

P=

1
1 N
u.i.dt =
å u j .i j
ò
T 0
N j= 1

Đối với hàm hình sin:
p=u.i = U.I [cosϕ + cos(2ωt+ϕ)]
P= U.I.cos ϕ
Năng lượng tiêu thụ được tính theo công thức
T

W=

ò u.i.dt
0

Kết luận: Phần tử cơ bản là các bộ nhân
3

4


4.2. Wattmét điện động

Đặc điểm của cơ cấu điện động

Cấu tạo của cơ cấu điện động
Cuộn dây tĩnh phân thành 2 phân đoạn
(cuộn dòng)
Cuộn động nằm giữa cuộn tĩnh.
Đối với cuộn hỗ cảm
We= M12i1i2 .
Mô men quay :
dM 12
Mq =
i 1i 2
dα
Cân bằng với Mômen phản kháng MC=Dα
α=

Là một khâu nhân
Độ nhạy thấp vì M12 thường nhỏ
Độ chính xác cao vì không có tổn hao trong lõi thép, sai lệch về
pha
Chịu ảnh hưởng nhiều của từ trường ngoài
ít khả năng chịu quá tải
Cơ cấu có tính cực tính

dM12
i 1i 2
Ddα

5

6

7

8

4.3.Sơ đồ mắc trong mạch
*

*

*

*

RV

a)

Zt

RV

Zt

b)

mạch a phù hợp cho tải nhỏ còn b phù hợp cho tải lớn
Để xác định được chiều công suất càn đánh dấu đầu cuối của
cuộn dây.

4.4. Wattmột bng b nhõn ờn t

4.4.1.Cm bin Hall
Mch bỏn dn cú
dũng ờn chy qua
Cú tỏc dng ca t
trng lờn b mt
ca tm Hall xut
hin sc in ng
Hall:
EH= KH.B.I.sin

Cảm biến Hall
Nhân bằng logarithm và anti-logarithm
Nhân bằng các phần tử bình phơng
Nhân bằng điều chế độ rộng xung
Nhân bằng phần tử D/A và A/D
Nhân tức thời bằng vi xử lý

-gúc gia B v I

Nu I ~ u v B ~ I
EH ~ P
9

Mch o s dng cm bin Hall

10

4.4.2.Nhõn bng phn t bỡnh phng

UX
+

U1

U12
BP

I ~UY

U2
-

Ura=KUxUY
BP
U22

U3= (Ux +Uy)2 - (Ux - Uy)2 = 4UX.Uy

11

12


Vớ d

4.4.3. Nhõn bng Logarithm v Anti-logarithm

Sức điện động nhiệt ngẫu :

ET =

Log

KTI2

KT Hệ số biến đổi của
cặp nhiệt ngẫu
I - Dòng điện chạy qua
dây đốt nóng của bộ biến
đổi

Ux
Uy
2 cặp nhiệt ngẫu mắc đối
nhau

Era = ET1-ET2
Era = KT(IU +II)2 KT(IU - II)2 = 4KTIUII

Do biến đổi nhiệt ngẫu có quán tính nhiệt cao nên thành phần
xoay chiều bị loại ra: Era = KUI cos = KP
Ngời ta chế tạo đợc Wattmet loại này với sai số cơ bản là 1%,
thang điện áp và dòng điện 10mV..300mV; 100 àA-3mA, cos = 0.1
..1 tần số 20 Hz-100Hz
13

4.4.3. Nhõn bng Logarithm v Antilogarithm

U1=LnUx

A-Log-

+

Log

Ura

U2=LnUy

Hai đại lợng Ux và Uy đợc đa vào hai bộ loga:
U1 = LnUX ; U2 = LnUY
U1 ,U2 đợc cho vào bộ cộng: U3 = U1+U2 =Ln(Ux.Ux)
Ura = antilog(LnUXUY) = UXUY
14

4.4.4. Nhõn bng phn t A/D v D/A
UX đa vào bộ A/D biến
Ux~I
thành NX: NX=K1UX
x
NX lại đa vào bộ D/A
đợc chế tạo đặc biệt
có điện áp cung cấp
nền UY Ura=K2NxUY

K1

K2
K1K2UyUx

A/D

Nx

D/A
Uy

Ura =K1K2UXUY

Để đảm bảo bộ biến đổi đợc Công suất tức thời, thì
thời gian biến đổi của A/D và D/A phải đủ nhanh (cỡ
100às)
Ngời ta chế tạo D/A đặc biệt cho bộ nhân, bộ phân
áp có điều khiển, bộ biến đổi mã dòng - điện. Ví dụ ADC
7107 thuộc họ Intersil.
15

16


4.4.5. Mch nhõn tc thi dựng vi x lý (2)

4.4.5. Mch nhõn tc thi dựng vi x lý
Ux

Uxt

S&H

MUX
Uy

A/D

Nx

àP

Ny

S&H
Uyt

ĐK

Vi x lý thc hin vic nhõn cỏc giỏ tr tc thi ux(t) v uy(t)
Chỳ ý: Giỏ tr ux(t) v uy(t) phi c ly cựng thi im
UX đợc bộ A/D biến thành NX = K1UX
Uy đợc bộ A/D biến thành Ny = K2Uy
NX và Ny đợc đa vào bộ vi xử lý để làm phép
nhân
NZ=NXNY = K1K2UXUY
Nếu
UX =KX.u ;
u điện áp tức thời
Uy =Ky.i ;
i dòng tức thời

Nz là giá trị tức

thời của p, có
giá trị khác
nhau ở các thời
điểm khác
17
nhau.

4.4.5. Mch nhõn tc thi dựng vi x lý (3)

T

18

4.4.6. B nhõn bng iu ch rng xung
Da trờn nguyờn lý ca b bin i ỏp tn

Từ công thức tính công suất tức thời p, công suất trung
bình hay năng lợng truyền cho tải:

1
P = uidt
T0

Để xét sự biến thiên của p theo thời gian NZ đợc lu giữ
lại thành một bảng số liệu về giá trị tức thời ở các thời điểm
khác nhau và cũng có thể vẽ trên màn hình ở giá trị biến
thiên theo t, hoặc in ra.
Để công suất tức thời p=ui, giá trị tức thời của u và i phải
đợc lấy cùng thời gian. Bộ lấy mẫu S&H đợc dùng để ghim
giữ giá trị của u và i vào cùng một thời điểm. Cũng có thể sử

dụng một A/D cùng cho cả hai biến u và i.
Để giảm sai số lợng tử hoá của p, số lần lấy mẫu cho
một chu kỳ phải đủ lớn, chu kỳ lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến
thiên của A/D phải đủ lớn. Tốc độ tính toán của bộ xử lý phải
đủ nhanh để có thể tính toán theo thời gian thực.

t t
Utb = U X 1 2 = U X .
t1 + t 2

t

W = uidt
0

Có thể tính năng lợng giờ cao điểm và thấp điểm, tính hệ
số cos =P/UI ở thời điểm khác nhau
Bằng cách này
công ty ARDETEM Pháp đã chế tạo bộ biến đổi (P,U,I) số
PECA-2000 trong đó dùng bộ biến đổi tơng tự số 12 bit tốc
độ lớn để băm tín hiệu điện, điện áp thành 300 điểm rời rạc
hoá trong một chu kỳ. Vi xử lý dùng để xử lý thuật toán là bộ
vi xử lý 32 bit tốc độ nhanh
19

Ux

Ux

ĐN

T
-Ux

ĐC

ĐRX
Nu ta chn c = KUy
thỡ ta s cú c Utb =KUX.UY
S dng mch iu ch rng xung nh sau:

t1 =

0 .5
.5U
U0 +U
U0

=

t1 ( T t1 )
2U Y
=
T
U0

Y

t1

t1+t2

-Ux

T
U0
U0/2+Uy

t1

T

20


Vớ d b nhõn in t

4.5. Cụng t m nng lng
Cụng t tng t (cm ng)
Cụng t s

21

22

4.5.1. C cu cm ng
A: Cuộn dây áp
B: Cuộn dây dòng điện
1: Đĩa nhôm
2: Nam châm tạo ra

momen cản
3: Bộ số cơ học
4: Lõi từ của cuộn dây
điện áp

Giản đồ véc tơ.

Mq = kf
uisin


3
u

A

i



B

4

I



2

1



Cun dõy ờn ỏp cú lừi thộp to ra t thụng u xuyờn qua a nhụm
xoay c xung quanh trc. C cu cú mt cun dũng in to ra t
thụng I. Hai t thụng ny cm ng lờn dũng ờn xoỏy trờn b mt
ca a. Dũng in cm ng b t thụng ca dũng ờn, v ờn ỏp
tỏc dng lc

23

U

- u lệch pha với u một góc .
>900 - góc tổn hao.
- i lệch pha với i một góc .
< 900 .
- = - - ; là góc lệch pha
giữa u và i.
- u =C1U; i = C2I
- Chế tạo sao cho - = 900
sin = cos
Mq = kfC1UC2I cos =
kUIcos
=kP.

Mụmen quay t l vi cụng sut
24

a. T¹o ra mômen quay tỉ lệ với năng lượng

4.5.2. Các vấn đề cần giải quyết của công tơ

§Ó cho Mq =K.P ph¶i bè trÝ U tỉ
t lệ
l Φu ; I tỉ lệ với Φi ;
sin ψ =cos ϕ
Mạch cuộn dây áp dùng mạch có lõi thép lớn (thành phần điện cảm
lớn hơn điện trở nhiều), Φu tỉ lệ và vuông góc U
Cần bố trí thêm mạch hiệu chỉnh để đảm bảo điều kiện về ϕ gọi là
chỉnh góc pha.
Dùng vít vô tận để làm khâu tích phân, truyền số vòng quay của đĩa
nhôm sang kéo bộ số

Mômen quay tỉ lệ với năng lượng
Tạo mômen cản
Chống ma sát

25

26

c. Chống ma sát

b. Tạo mômen cản

Dùng nam châm vĩ nh cưủ mạnh có từ trường xuyên qua đĩ a

nhôm.
Mômen cản sinh ra trên đĩa:
Mc= Kc. Φ0.n
n là tốc độ quay của đĩa nhôm

Đây là bù ma sát của phần quay của công tơ, nếu công suất
thấp công tơ không quay.
Mômen bù được tạo ra bằng cách gây một từ thông lệch trong
không gian và thời gian
Mk=K. Φu. Φi.sin ϕk
Thay đổi mômen bù bằng cách thay đổi vị trí của lá sắt từ

27

28


e. Quy trỡnh kim tra cụng t
LVN111:2002 (TCVN5411-IEC1036)

d.Hiu chnh hng s cụng t

Kim tra cụng t vi ý ngha đảm bảo mụmen bự ma sỏt
ln hn mụmen ma sỏt mt ớt.
Chnh gúc pha
Chnh hng s cụng t.
Xỏc nh sai s tng i quy i vi cỏc ti khỏc nhau v
cos khỏc nhau.

Thay i v trớ hoc t thụng ca nam chõm vnh cu dựng to

mụmen cn.
Hng s cụng t c tớnh nh sau:

K=

N
P.t

N- s vũng quay ca cụng t
P- Cụng sut tiờu th
t- thi gian quay

29

Bi tp

Sai s chớnh ca cụng t

=

30

Kdm Ktt
.100%
Kdm

Kdm- giỏ tr hng s cụng t Giỏ tr ny c trờn mt ca cụng t
Ktt(hay C) giỏ tr hng s cụng t theo tớnh toỏn vi cỏc giỏ tr
o ti mt vớ trớ mi mt v trớ ti

Trong sơ đồ KT công tơ có các thông số sau: 5A -220V; hằng số công tơ 1100
vòng/kWh.
Voltmet có khoảng đo 0-250V 100 vạch
Ampemet có khoảng đo 0-5A 100vạch chia
Wattmet có khoảng đo 300V-5A 150 vạch chia
Tính toán các giá trị I,U,P trong bảng kết quả thí nghiệm sau:

Uvạch
Ivạch
Pvạch
Nvòng
t giây

88
20
22
5
68,1

88
40
44
5
34

88
60
66
10
45,2

88
80
88
10
34

88
100
110
10
27,2

Tính sai số ở các giá trị khác nhau của P
Lập quan hệ =F(P) bằng đồ thị

31

32


Sơ đồ nối dây công tơ

Cấu tạo chi tiết công tơ

33

34

Ví dụ về thiết bị hiệu chỉnh công tơ

1-Vít chỉnh tải nhỏ
2- Cụm chi tiết điều chỉnh tải nhỏ
3- Nam châm vĩnh cửu điều
chỉnh chế độ tải lớn
4- Chi tiết điều chỉnh tải lớn
5- Cụm chi tiết điều chỉnh hệ số
công suất
6- Chi tiết điều chỉnh góc lệch
pha

8-9- Lõi trong và lõi ngoài cuộn
điện áp bằng vật liệu sắt từ
10- Lõi cuộn dòng điện bằng vật
liệu sắt từ
11- Cuộn dây điện áp
12- Thanh đối cực bằng vật liệu
từ
13- Cuộn dây dòng điện
14- Chi tiết chống tự quay
15- Thanh tản từ

7- Đĩa nhôm

35

36


37

Ví dụ về bàn kiểm tra công tơ

38

Kiểm tra công tơ điện tử (kiểm tra EMC)

39

40


4.4.2. Vi mạch ADE 775x dùng cho đo công
suất
Loại này đầu ra là tần số tỉ lệ với tích của 2 dòng điện vào
Cấu trúc chung của họ này như sau:

41

42

4.6. Đo công suất lưới điện 3 pha

Sơ đồ 4 dây: dïng 3 c«ng t¬ ®¬n
Sơ đồ 3 dây: dïng 2 c«ng t¬

☺☺☺ Lý thuyÕt m¹ch ®· häc
43

44

4.7. o cụng sut phn khỏng

Cụng sut phn khỏng:

Q = S 2 P2
Q = (UI ) 2 (UI cos ) 2 = UI sin

Ni thờm cun cm L vo
mch in ỏp
Tại sao???
Các Wattmet đều đợc thiết kế ở điện áp thấp 220V
hoặc 100V và dòng 5A.
Khi nối lới điện qua biến điện áp và biến dòng

Tại sao mc song song vi
khung quay phn ng ờn
tr R ???
45

Vớ d

Phải làm quay dòng điện trong
cuộn dây động1 góc /2
m bo U v IU lch
nhau mt gúc 900

46

Cụng t

47

48


Cụng t

49

4.8. o cụng sut tn s cao

50

Vớ d v Transducer vn nng

Phơng pháp bolomet này dựa trên sự thay đổi
điện trở của nhiệt điện trở khi tiêu thụ năng
lợng
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng:
0.24 P = kC
Trong đó: P- Công suất tiêu thụ đợc ở mạch cao
tần
C- Nhiệt dung của nhiệt điện trở
-Hiệu số nhiệt độ của nhiệt điện trở đối
với môi trờng
k- Hệ số phụ thuộc hình dáng và điều kiện
toả nhiệt

Khi công suất cao tải

truyền qua tụ C vào nhiệt
điện trở làm cho điện trở
này thay đổi, làm lệch cơ
cấu. Đo U ở đờng chéo
cầu có thể suy ra công
suất tiêu thụ
51

52