nghiên cứu, thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất phản kháng chỉ thị kim dùng ic mcp3905

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NCKH SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY ĐO CÔNG SUẤT
TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
CHỈ THỊ KIM DÙNG IC MCP3905
S

K

C

0

0

3
2

9
6
7

5
2
7

9

3
5

MÃ SỐ: SV2009 – 71

S KC 0 0 2 8 0 7

Tp. Hồ Chí Minh, 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

********

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN

ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÁY ĐO
CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
CHỈ THỊ KIM DÙNG IC MCP3905

MÃ SỐ: SV2009-71

GVHD : TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
CNĐT : NGUYỄN LƯƠNG VĂN MINH - 05102067
NTG : AN VĂN HÀ
- 05102031

TP. HỒ CHÍ MINH – 04/2010


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

------o0o------

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Họ và tên sinh viên: AN VĂN HÀ ......................................... MSSV: 05102031
NGUYỄN LƢƠNG VĂN MINH ........... MSSV: 05102067
Lớp : 051022C

Ngành: Điện Công Nghiệp

1. Tên Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học:
“ Nghiên Cứu, Thiết Kế Máy Đo Công Suất Tác Dụng Và Công Suất Phản Kháng Dùng
IC MCP3905 Chỉ Thị Kim”
2. Nội dung phần lý thuyết


Tính cần thiết của đề tài.



Các phương pháp đo công suất tác dụng và công suất phản kháng.



Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của IC MCP3905.



Ứng dụng phương pháp vòng khóa pha vào đề tài.



Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của mạch đơn ổn dùng LM331.

3. Nội dung phần thực hành :


Thiết kế lại sơ đồ nguyên lý mạch đo công suất P dùng IC MCP3905.



Vẽ sơ đồ mạch in và thi công mạch.



Tiến hành thí nghiệm và đối chứng với đồng hồ đo trên phòng thực tập

4. Ngày hoàn thành đề tài: 30/05/2010
Giáo viên hướng dẫn

TS. Trương Việt Anh
SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lƣơng Văn Minh

Page i


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh


Hầu hết các thiết bị đo điện năng ở nước ta hiện nay là các thiết bị cơ, thời
gian sử dụng đã lâu, nên nhu cầu thay thế bằng các thiết bị đo kỹ thuật số với
những tính năng vượt trội là một xu thế tất yếu. Tuy nhiên, chủ yếu chúng ta
vẫn nhập ngoại các thiết bị số này với giá thành rất cao. Do đó việc nghiên cứu,
chế tạo các thiết bị đo điện hiện đại trong nước là cần thiết, có ý nghĩ về cả
mặt khoa học và kinh tế. Áp dụng những công nghệ tiên tiến là IC đo điện
năng chuyên dụng của Analog Device chúng em đã thực hiện đề tài nghiên
cứu‘‘ Nghiên cứu, thiết kế máy đo công suất tác dụng và công suất phản
kháng dùng IC MCP3905 chỉ thị kim ’’ với độ chính xác phù hợp với các
tiêu chuẩn kỹ thuật trong phòng thực tập và với giá thành thấp.
Với những yêu cầu đặt ra là phù hợp với các yêu cầu về mặt kỹ thuật và
kinh tế thì việc sử dụng bộ chỉ thị kim là rất thuận lợi. Bởi vì bộ hiện thị kim
mang lại tính trực quan cho học sinh, sinh viên thực hành trong các phòng
thực tập của trường và có giá thành thấp so với bổ chỉ thị số.
Chúng em hy vong đề tài này được phát triển tốt hơn, để có thể sử dụng

rộng rãi trên thị trường với những tinh năng mới và có độ chính xác cao hơn,
đem lại những lợi ích về mặt kinh tế cho xã hội.
Nhóm thực hiện đề tài
An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lƣơng Văn Minh

Page ii


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh


Qua 6 tháng thực hiện đề tài, với những sự lỗ lực của bản thân. Chúng em
đã nghiên cứu tài liệu và tiến hành thi công để tạo ra sản phẩm cùng với sự giúp
đỡ rất nhiệt tình và tận tâm của TS. Trương việt Anh. Thầy đã chỉ dạy rất nhiều
điều và cho chúng em rất nhiều ý tưởng mới.
Trong quá trình làm đề tài chúng em thấy mình học hỏi được rất nhiều thứ
từ việc giải quyết vấn đề, làm việc nhóm, biết chịu trách nhiệm với chính mình
trong công việc, làm việc hết mình để hoàn thành đúng công việc trong thời hạn
cho phép.
Một lần nửa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Trương Việt Anh là
thầy hướng dẫn đề tài này với tất cả sự chân thành của chúng em. Thầy đã cho
chúng em những kinh nghiệm thực tế trong việc thiết kế, thi công mạch.

Nhóm thực hiện đề tài
An Văn Hà – Nguyễn Lương Văn Minh

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lƣơng Văn Minh

Page iii


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

Nội dung

GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh

Trang

Phần A : GIỚI THIỆU
Lời mở đầu........................................................................................................ iv
Lời cảm ơn ..........................................................................................................v
Phần B : NỘI DUNG
CHƯƠNG I: DẪN NHẬP
I. Lịch sử của kỹ thuật đo lường:..................................................................... 1
II. Sự cần thiết của đề tài ................................................................................. 3
III. Vấn đề cần giải quyết trong đề tài ............................................................. 5
IV. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ............................................................... 6
V. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 6
VI. Dàn ý nội dung đề tài. ............................................................................... 7
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN
I. Tính cần thiết của việc đo công suất P, Q: .................................................. 9
II. Các phương pháp đo P, Q đang dùng hiện nay: ....................................... 10
A. Phương pháp đo trực tiếp: ............................................................. 13
B. Phương pháp đo gián tiếp: ............................................................. 15
SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lƣơng Văn Minh

Page iv


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD: TS. Trƣơng Việt Anh

III. Các loại máy đo công suất trên thị trường: ............................................. 29
IV. Phương pháp đề xuất (đo công suất P, Q dùng IC MCP 3905): ............. 30
CHƯƠNG III: THỰC HIỆN
I. Phương pháp vòng khóa pha: ..................................................................... 35
II. Nguyên lý mạch đo công suất tác dụng P: ................................................ 37
III. Nguyên lý mạch đo công suất phản kháng Q: ......................................... 41
IV. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905: ................................ 42
CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH
I.Vẽ sơ đồ nguyên lý, sơ dồ mạch in và giải thích từng khối: ................. 51
II. Thí nghiệm và kiểm chứng: ................................................................ 60
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN.

Những vấn đề đã làm được và hướng pháp triển .................................... 61
Tài Liệu Tham Khảo ............................................................................... 62

SVTH: An Văn Hà – Nguyễn Lƣơng Văn Minh

Page v


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Chương I: Dẫn Nhập
Trong hệ thống điện có rất nhiều các đại lượng mà chúng ta cần phải xác định, để
đưa ra được các biện pháp vận hành, bảo trì, sửa chữa hệ thống điện theo đúng các tiêu
chuẩn về kinh tế và kỹ thuật của hệ thống điện đó.
Các đại lượng điện (điện áp, dòng điện, công suất tác dụng, công suất phản
kháng) là rất quan trọng trong hệ thống điện. Để xác định được các đại lượng này ta
phải dùng các phương pháp đo lường phù hợp với các yêu cầu về kỹ thuật mà từng
phép đo yêu cầu. Các yêu cầu trong đo lường các đại lượng điện là:
 Độ nhạy phải thích hợp
 Tiêu thụ năng lượng ít
 Tốc độ đáp ứng phải nhanh
 Dễ tương thích truyền tín hiệu đi xa
 Độ tin cậy cao
 Độ linh hoạt cao phù hợp với các vấn đề đo lường

I.

Lịch sử của đo lường các đại lượng điện
Trong vật lý và công nghệ, đo lường được thực hiện bằng cách so sánh giữa đại

lượng vật lý cần đo với đại lượng vật lý cùng thể loại, nhưng ở những điều kiện tiêu
chuẩn (thường là không thay đổi theo thời gian) gọi là đơn vị đo. Việc đo này đem lại
một con số thể hiện mối liên hệ về độ lớn giữa đại lượng cần đo và đơn vị đo. Đồng
thời, nếu có thể, đo lường cũng cho biết sai số của con số trên (sai số phép đo).
Trong hệ thống đo lường hiện nay thì có 2 hệ thống đo lường chính đó là hệ
thống đo lường dạng tương tự và hệ thống đo lường dạng số

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 1


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

a. Hệ thống đo lường dạng tương tự
Đại
lượng
đo và
điều
khiển

Mạch điều chế
tín hiệu

Cảm
biến

Thiết bị điều
khiển

Hiện thị kết
quả

Mạch
so sánh

Cảm
biến

Hình 1:Sơ đồ khối hệ thống đo lường tương tự
Với hệ thống đo lường dạng tương tự thì vẫn còn một số nhược điểm như là độ
nhạy thấp, tiêu thụ năng lượng lớn, tốc độ đáp ứng chậm và sai số của phép đo cao. Để
khắc phục những nhược điểm trên thì ngày nay ta thường dùng hệ thống đo lường
dạng số
b. Hệ thống đo lường dạng số
Đại
lượng
đo và
điều
khiển

Cảm
biến

Mạch
Bộ điều
điều
khiển
chế
logictín
(ADC,S/H)
hiệu

Thiết bị điều
khiển

Bộ xử lý
số

µP

Bộ
chỉ
thị
số

Cảm
Chương
biến
trình

Hình 2:Sơ đồ khối hệ thống đo lường dạng số
Với sự phát triển của máy tính cá nhân, hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số dùng
PC để tự động hóa hệ thống đo lường ở mức độ cao hơn và thuận lợi hơn khi sử dụng.
Do đó chúng ta bước sang một giai đoạn mới ‘ máy tính hóa thiết bị đo lường’

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 2


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Trong hệ thống đo lường dùng kỹ thuật số, tín hiệu dạng Analog được chuyển

đổi sang tín hiệu dạng số (digital) bằng các mạch ADC để cho bộ vi xử lý (µP) hoạt
động, sau đó muốn có dạng Analog để sử dụng, chúng ta dùng mạch DAC để chuyển
đổi lại.

II.

Tính cần thiết của đề tài.
Ở nước ta hiện nay công nghiệp hoá ngày càng phát triển, nhiều nhà máy được

xây dựng, vậy nên năng lượng và công suất là yếu tố rất cần thiết, và việc mua bán
năng lượng trở nên phổ biến.
Việc xác định công suất và năng lượng là một phép đo rất cần thiết. Việc
nâng cao độ chính xác của phép đo đại lượng này có ý nghĩa rất to lớn trong nền
kinh tế quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ năng lượng, đến việc tìm những
nguồn năng lượng mới, đến việc tiết kiệm năng lượng
Khi truyền tải điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ thì mỗi phần tử của mạng
điện do có tổng trở đều gây tổn thất công suất và điện áp.
Tổn thất công suất gây ra tình trạng thiếu hụt điện năng tại nơi tiêu thụ, làm
tăng giá thành truyền tải điện và đưa đến hiệu quả kinh tế kém.
Tổn thất điện áp tạo nên điện áp tại các hộ tiêu thụ bị giảm thấp quá, ảnh
hưởng đến chất lượng điện.
Tổn thất điện năng thì có 2 loại đó là tổn thất điện năng kỹ thuật và tổn thất
điện năng phi kỹ thật
 Tổn thất điên năng kỹ thuật ( AKT ) là tổn thất gây ra bởi các phần tử của
mạng điện do có tổng trở (tổn thất công suất trên đường dây, trên máy biến
áp, các thiết bị đóng cắt mạng điện…)
 Tổn thất điện năng phi kỹ thuật ( APKT ) là tổn thất do sự thiếu ý thức của
người sử dụng điện như là câu điện mà không qua đồng hồ đo điện năng

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 3


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Vì những nguyên nhân trên, thì việc xác định tổn thất công suất dùng đồng hồ
đo công suất tác dụng có ý nghĩa quan trọng cả về mặt kinh tế và kỹ thuật. Dưới đây
chúng em trình bày sơ đồ đo điện năng trong hệ thống điện

15KV
LA
BI

KWh1
BU

KWh2

KWh2

BU

Load 1

KWh2

BU

Load 2

BU

Load n

Hình 3: Sơ đồ mắc đồng hồ đo điện năng trong hệ thống điện

Trong hình 3 ta có thể xác định được tổn thất điện năng trong hệ thống điện
nhờ vào việc đo điện năng ở đầu và cuối nguồn.
Ta có tổn thất công suất là: A  KWh1   KWh2
Ta lại có: A  AKT  APKT
Mà AKT ta có thể tính toán được thông qua tổn thất công suất tác dụng P
( AKT  P.t ( KWh) , nhưng tổn thất công suất phi kỹ thuật thì ta ít có khả năng tính
toán trước được và chỉ có dùng đồng hồ đo thì mới xác định được.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 4


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Qua đó ta thấy việc tiến hành đo điện năng là rất cần thiết do vậy chúng em tiến
hành làm đề tài này với mong muốn công trình nghiên cứu của chúng em sẽ mang lại
tính thiết thực cao và có thể đem lại một nguồn lợi cho nước nhà.

III. Vấn đề cần giải quyết trong đề tài


Thết kế đồng hồ đo công suất dùng IC MCP3905 dùng phương pháp vòng khóa

pha
 Đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật.
Ngày nay các đồng hồ đo công suất của hệ thống điện là phải đảm bảo được các
điều kiện kỹ thuật sau:
 Độ nhạy phải thích hợp
 Tiêu thụ năng lượng ít
 Tốc độ đáp ứng phải nhanh
 Độ tin cậy cao
Tùy vào việc sử dụng đồng hồ để đo trong mỗi trường hợp ( trong phòng thí
nghiệm, trong công nghiệp và dân dụng) mà ta áp dụng những tiêu chuẩn kỹ thuật phù
hợp. Trong đề tài của chúng em là ‘Thiết kế thi công máy đo công suất P dùng IC
MCP3905 chỉ thị kim’’ và được sử dùng trong phòng thực tập D406 của trường ĐH
SPKT là phù hợp với các tiêu chuẩn về kỹ thuật trong phòng thực tập.
Sản phẩn của đề tài mang tính trực quan là có các khối đo rất dễ hiểu ( khối
nguồn, khối đo công suất và khối đơn ổn) và thích hợp sử dụng trong phòng thực tâp,
thí nghiệm.
 Đảm bảo sự an toàn khi sử dụng đồng hồ.
Với việc sử dụng IC MCP3905 và bộ hiện thị kim và nguồn sử dụng cho mạch
là dùng nguồn 5V vì vậy là rất an toan cho người sử dụng đồng hồ đo trong quá trình
thí nghiệm cũng như thực tập.


Đảm bảo được điều kiện kinh tế.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 5


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Bên cạnh việc đảm bảo được các điều kiện kỹ thuật thì cũng phải đảm bảo điều
kiện kinh tế để dự án đó có thể khả thi. Trong đề tài này thì với phương pháp dùng IC
MCP3905 và bộ chỉ thị kim với chi phí thiết kế rẻ và phù hợp để sử dụng trong phòng
thực tập và thí nghiệm.

IV.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
Mục tiêu:
 Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905
 Nghiên cứu phương pháp vòng khoá pha.
 Tiến hành triển khai và kiểm định trong thực tế với đồng hồ đo P trong phòng
thực tập D406.
Nhiệm vụ:
 Nghiên cứu lý thuyết vòng khoá pha.
 Nghiên cứu sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động của IC MCP3905.
 Xây dựng mô hình mạch đo lường P,Q chỉ thị kim bằng IC MCP3905.
 Xây dựng bộ tải phù hợp phục vụ thí nghiệm kiểm tra tính chính xác của đồng
hồ đo.
 Nhận xét và phân tích kết quả nhận được.

V. Phương pháp nghiên cứu.

Với những mục tiêu và nhiệm vụ trên thì chúng em dùng phương pháp thí
nghiệm và kiểm chứng trên mô hình thực tế.
Khi đã thiết kế được mạch đo công suất P dùng IC MCP3905 gồm 3 khối ( khối
nguồn, khối đo công suất tức thời và khối đơn ổn) chúng em dùng đồng hồ đo công
suất chuẩn trên phòng thực tập D406 để kiểm chứng và xác định thang đo cho phù hợp
và chính xác với giá trị cần đo.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 6


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

VI. Giàn ý nội dung của đề tài.
Để đạt được mục tiêu và đi đúng phương pháp mà đã vạch ra thì đề tài bao gồm
5 chương với đề cương như sau:
Chương I: Chương dẫn nhập
I.

Lịch sử của kỹ thuật đo lường

II.

Sự cần thiết của đề tài

III.

Vấn đề cần giải quyết trong đề tài

IV.

Mục tiêu và nhiệm của đề tài

V.

Phương pháp nghiên cứu

VI.

Dàn ý nội dung của đề tài

Chương II: Tổng quan
1.

Tính cần thiết phải đo P,Q

2.

Các phương pháp đo P,Q đang dùng hiện nay

3.

Các loại máy đo công suất P,Q trên thị trường

4.

Nhận xét các phương pháp đo và so sánh các phương pháp đo trên

5.

Phương pháp đo công suất P dùng IC MCP3905 (những mặt mạnh
và những cải tiến so với các phương pháp đo khác)

Chương III: Thực hiện
1.

Trình bày phương pháp vòng khóa pha

2.

Nguyên lý mạch đo công suất tác dụng

3.

Nguyên lý mạch đo công suất phản kháng

4.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của IC MCP3905

Chương IV. Thi công mạch
1.

Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch đo và giải thích

2.

Vẽ sơ đồ mạch in

3.

Thí nghiệm và kiểm chứng

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 7


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Chương V: Tổng kết
1.

Những vấn đề đã làm được trong đề tài

2.

Hướng pháp triển của đề tài

3.

Tài liệu tham khảo

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 8


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Chương II
Tổng Quan
1. Tính cần thiết của việc đo P,Q
Như chúng ta đã biết trong hệ thống điện các đại lượng điện (điện áp, dòng điện, công
suất tác dụng, công suất phản kháng) là rất quan trọng. Muốn đánh giá được sự hoạt động của
mạng điện ở trạng thái ổn định hay không thì ta phải xác định được các thông số điện áp,
dòng điện và công suất.
Để biết sự quan trọng của việc xác đinh các đại lượng P,Q trong mạng điện thì trước
tiên ta phải định nghĩa được P,Q
-

Tất cả máy điện và thiết bị vận hành trong hệ thống điện xoay chiều đều chuyển đổi

điện năng thành cơ năng. Điện năng này là điện năng tác dụng hay còn gọi là năng lượng hữu
công P(kW).
-

Để thực hiện quá trình biến đổi này cần năng lượng từ trường do nguồn cung cấp đó là

năng lượng Q không sinh ra công mà chỉ chạy trong lưới điện vì vậy còn gọi là công suất vô
công.
-

Ngoài công suất tác dụng P các thiết bị điện cũng như các phần tử trong hệ thống điện

còn tiêu thụ công suất phản kháng Q. Động cơ không đồng bộ tiêu thụ 60%-65%, MBA
20%-25% công suất phản kháng của lưới điện, phần còn lại là đo đường dây và các phần tử
khác tiêu thụ.
-

Tiêu thụ công suất phản kháng không phụ thuộc vào công suất tác dụng và được biểu

diễn bằng các thông số và chế độ làm việc của lưới điện. Công suất phản kháng được tiêu thụ
bởi bất cứ phần tử nào, trong đó dòng điện trễ pha so với điện áp.
-

Công suất phản kháng do máy phát và đường dây sinh ra không thể đủ cung cấp cho

cả lưới điện, đặc biệt trong giờ cao điểm. Mặt khác truyền tải công suất phản kháng từ hệ
thống điện đến phụ tải là một việc làm hết sức lãng phí. Vì vậy cần phải lắp đặt thiết bị bù
công suất phản kháng ngay trong lưới điện phân phối và điều khiển công suất của chúng theo
tải.
Từ các lý do trên thì việc xác định công suất tác dụng P, và công suất phản kháng Q là
hết sức cần thiết và quan trọng. Khi ta đã có được các thông số đó rồi ta có thể đánh giá được
sự hoạt động của hệ thống điện từ đó đưa ra được các phương pháp điều chỉnh P,Q trong hệ
thống điện để hệ thống điện hoạt động một cách ổn định.
Ví dụ về sự truyền tải công suất phản kháng và tác dụng

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 9

Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Ta xem xét trường hợp truyền tải công suất

U1
P1Q1

R,X

U2
P2Q2

Hình 2.0 Truyền tải công suất
Tổn hao điện áp trên đường dây được xác định bằng công thức
U 

P2 R  Q2 X
P R  Q2 X
; U1  U 2  2
U2
U2

-

Theo công thức trên, công suất phản kháng càng lớn thì tổn hao điện áp và tổn hao

công suất càng lớn.
Tổn hao công suất và điện áp tăng làm điện áp trên tải giảm, và khi công suất không

-

đổi dòng tải tăng làm cho khả năng truyền tải giảm.
Công suất phản kháng tăng làm điện áp giảm và ngược lại, vì vậy ta có thể điểu khiển

-

điện áp bằng cách điều khiển công suất phản kháng.
Công suất phản kháng tăng làm cho công suất biểu kiến tăng, và như vậy sẽ làm tăng

-

đầu tư ban đầu cho thiết bị, như MBA, dây dẫn…
2. Các phương pháp đo P,Q
Công suất trong mạch một chiều được tính theo một trong các biểu thức sau đây:

2.1.

2

U
P = U.Im, P = I2R, P 
, P = k*q
R

trong đó:

I - dòng điện trong mạch
U - điện áp rơi trên phụ tải với điện trở R

P - lượng nhiệt toả ra trên phụ tải trong một đơn vị thời gian.

2.2.

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:
T

p

T

1
1
pdt   u.i.dt

T0
T0

Trong đó:

p, u, i là các giá trị tức thời của công suất, áp và dòng.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 10


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Trong trường hợp khi dòng và áp có dạng hình sin thì công suất tác
dụng được tính là :
P =U.I.cos 
Hệ số cos được gọi là hệ số công suất
khi phụ tải là thuần điện trở tức là, khi cos = 1.khi đó P =U.I
Trong trường hợp chung nếu một quá trình có chu kỳ với dạng đường
cong bất kỳ thì công suất tác dụng là tổng các công suất của các thành phần sóng hài.




k 1

k 1

P   Pk   U k .I k .COS k

Hệ số công suất trong trường hợp này được xác định như là tỉ số giữa công
suất tác dụng và công suất toàn phần:
Kp 

P
và khi hình Sin thì K p  Cos
S

Công suất tác dụng trong mạch 3 pha:

2.3.

Biểu thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng là :
P = PA + PB + PC = UAIA cosA + UBIB cosB + UCIC cosC
Q = QA + QB + QC = UAIA sinA + UBIB sinB + UCIC sinC
với:

U, I: điện áp pha và dòng pha hiệu dụng

C: góc lệch pha giữa dòng và áp của pha tương ứng.

I.

Đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha.
Hiện nay thì chủ yếu sử dụng 2 phương pháp đo P,Q đó là đo trực tiếp và gián tiếp hay

còn gọi là phương pháp cơ điện và phương pháp điện
A. Phương pháp đo trực tiếp
Phương pháp trực tiếp dùng watt-kế cơ cấu điện động hoặc sắt điện động

 Watmet điện động

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 11


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

 Watmet sắt điện động
B. Đo theo phương pháp gián tiếp:
phương pháp này ta dùng vôn-kế và ampe-kế
Watmet chỉnh lưu điện tử
Watmet dùng chuyển đổi Hall
Watmet dùng phương pháp nhiệt điện
Watmet dùng phương pháp điều chế
A.1.0. cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Watt kế
a) Cấu tạo:

Hình 2.0 cấu tạo watt kế một pha
- Watt kế bao gồm 2 cuộn dây. Cuộn dòng điện ( cuộn dây cố định), cuộn điện áp
(cuộn dây di động).
-

Cuộn dòng được nối nối tiếp với mạch và cuộn áp được nối song song với mạch

-

Cuộn áp mang kim chỉ thị

b) Nguyên lý hoạt động:
- Khi dòng điện chạy qua cuộn dòng điện và cuộn sẽ tạo ra một từ trường quanh
cuộn dòng và cuộn áp, Lực từ do cuộn dòng tạo ra tỉ lệ với dòng điện và tác dụng lên
cuộn di động một lực làm cho cuộn di động quay đồng thời kim chỉ thị cũng quay theo
- Độ lệch của kim chỉ thị thì tỉ lệ với cả dòng điện và điện áp
Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo biểu thức sau:



dM 12
1
U .I
*
*
D Ru  R p
d

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 12


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

- Giá trị điện trở cao được mắc nối tiếp với cuộn áp để làm giảm dòng điện chạy
qua nó

A.1.1. Phương pháp đo trực tiếp

Trong thực tế thường đo trực tiếp công suất bằng watmet điện động và sắt điện
động. Những dụng cụ đo này có thể do công suất trong mạch một chiều và xoay
chiều một pha tần số công nghiệp cũng như tần số siêu âm đến 15kHz. Với watmet
điện động có thể đạt tới cấp chính xác là 0,010,1 với tần số dưới
200Hz và trong mạch một chiều, ở tần số từ 200Hz  400Hz thì sai số đo là 0,1%
và hơn nữa. Với watmet sắt điện động với tần số dưới 200Hz sai số đo là 0,1  0,5
% còn với tần số từ 200Hz  400Hz thì sai số đo là 0,2 % và hơn nữa.

Hình 2.1. Đo công suất bằng watmet điện động

A.1.2. Đo công suất trong mạch một chiều bằng watmet điện động:
Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo biểu thức sau:



dM 12
1
U .I
*
*
D Ru  R p
d

Để cho thang đo của watmet tuyến tính thì dM 12 / dphải không đổi. Điều phụ
thuộc vào hình dáng, kích thước và vị trí ban đầu của cuộn dây

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 13


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

A.1.3. Đo công suất trong mạch xoay chiều một pha bằng watmet điện động:
Tương tự trong mạch một chiều thì Góc lệch của kim chỉ của Watmet được tính theo

biểu thức sau:

dM
1
  .I .Iu .cos . 12
D
d
Nếu dM 12 / d  const thì:  = s.U.I. cos( - ).cos
Từ biểu thức trên thấy số chỉ của watmet tỉ lệ với công suất khi  = 0
hoặc khi  = .
Điều kiện thứ nhất  = 0 có thể đạt được bằng cách tạo ra cộng hưởng điện áp
trong mạch song song (ví dụ bằng cách mắc tụ C song song với điện trở RP). Nhưng
cộng hưởng chỉ giữ được khi tần số không đổi, còn nếu tần số thay đổi thì điều kiện 
= 0 bị phá vỡ.
Điều kiện thứ hai là  =  không thực hiện được vì dòng điện trong
cuộn áp Iu
không bao giờ trùng pha với dòng điện Ii trong cuộn dòng.
Sai số của phép đo còn xảy ra do sự tiêu thụ công suất trên các cuộn dây
của watmet.
Từ 2 nhận xét trên thì Watmet điện động luôn có một sai số gọi là sai số góc

 n 

cos(   )  cos cos   .sin 

cosn
cosn

Với cos  n là hệ số cos quy chuẩn cho loại watmet được sử dụng.
Vậy phương pháp trên thi gây ra sai số dẫn đến kết quả đo không chính xác vì

vậy ta phải khắc phục sai số đó bằng phương pháp đo gián tiếp.

B.1.1. Đo bằng phương pháp đo gián tiếp (phương pháp điện)
Khi đo công suất trong mạch một chiều và xoay chiều một pha theo phương pháp
điện thì phép nhân được thực hiện bởi mạch nhân điện tử tương tự và số. Tín hiệu ra
của chúng là hàm của công suất cần đo.
B.1.2. Đo công suất bằng watmet chỉnh lưu điện tử:

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 14


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Mạch nguyên lý của một watmet chỉnh lưu điện tử với mạch bình phương
được thực hiện bằng một điốt bán dẫn như hình 2.2. Watmet có hai điện trở trong
mạch dòng là RS1 = RS2 có giá trị của nhỏ hơn rất nhiều so với tổng trở tải ZL và hai
điện trở R3 và R4 trong mạch áp. Các điện rở R3 và R4 thực hiện vai trò của mạch
phân áp vì vậy (R3+R4) lớn hơn rất nhiều so v ới điện trở tải ZL.
Điện áp rơi trên các điện trở shunt RS1 = RS2 tỉ lệ với dòng tải k1i. Điện áp rơi
trên
điện trở R3 của mạch phân áp tỉ lệ với điện áp rơi trên phụ tải k2u.
Theo mạch điện thì điện áp u1 và u2 trên các điốt D1 và D2 sẽ tương ứng là :
u1 = k2u + k1i
u2 = k2u - k1i
Khi đặc tính của các điốt như nhau và làm việc trên đoạn bình phương của đặc
tính

Vôn - ampe (dòng tỉ lệ với bình phương điện áp):
i 1 = . u 1= .(k2u + k1i)2
2

i 2 = . u 2 = .(k2u - k1i)2
2

Hình 2.2. Mạch nguyên lý của một watmet chỉnh lưu điện tử với mạch bình phương
dòng qua cơ cấu chỉ thị sẽ là:

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 15


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

với P là công suất cần đo, vậy đọc kết quả của cơ cấu chỉ thị từ điện sẽ suy ra
được kết quả cần đo
Kết luận: Các đặc điểm cơ bản của watmet chỉnh lưu điện tử dùng điốt: có
độ chính xác không cao (chủ yếu là do đặc tính của các điôt không giống
nhau). Sai số cỡ 1,56%. Độ nhạy thấp, công suất tiêu thụ lớn. Dải tần tín
hiệu khoảng vài chục kHz.
B.2.1. Đo công suất watmet dùng chuyển đổi Hall:
Nguyên lý đo:
chuyển đổi Hall là một mạng bốn cửa được chế tạo dưới dạng một tấm mỏng
bằng bán dẫn, có cấu tạo như hình 10.3.
Hai cực dòng kí hiệu là T–T của chuyển đổi được mắc vào nguồn điện một

chiều hoặc xoay chiều. Hai cực áp kí hiệu là X–X. Khi đặt vuông góc với bề mặt
chuyển đổi một từ trường thì xuất hiện ở hai đầu X-X một thế điện động gọi là thế
điện động Hall được tính như sau:
e x kx.B.i x
với: kx: là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình
dáng của chuyển đổi, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi
trường xung quanh và giá trị của từ trường.
B: là độ từ cảm của từ trường.
Như vậy thế điện động Hall sẽ tỉ lệ với công suất nếu như một trong hai đại
lượng trên (ví dụ B) tỉ lệ thuận với điện áp u, còn dòng ix là dòng qua phụ tải.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 16


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý của watmet dùng chuyển đổi Hall
Thực hiện một watmet bằng chuyển đổi Hall bằng cách đặt chuyển đổi vào
khe
hở của một nam châm điện. Dòng điện đi qua cuộn hút L của nó chính là dòng điện
đi qua phụ tải ZL.Còn ở hai cực T-T có dòng điện tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL.
Điện trở phụ RP để hạn chế dòng. Hướng của từ trường được chỉ bởi đường
nét đứt (H. 2.3):
Thế điện động Hall lúc đó sẽ được tính:
e x  k.u.i  k.P
với ex được đo bằng milivônmet; k là hệ số tỉ lệ.

Đặc điểm:
watmet với chuyển đổi Hall: cho phép đo công suất xoay chiều với tần số đến
hàng trăm MHz.
Ưu điểm:
không có quán tính, có cấu tạo đơn giản, bền, tin cậy.
Nhược điểm:
có sai số do nhiệt độ lớn.

B.3.1. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu:
Nguyên lý:
phương pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu uu (tỉ lệ với
điện áp trên tải cần đo) và ui (tỉ lệ với dòng điện trên tải cần đo) trên cơ sở điều chế
hai lần tín hiệu xung. Các tín hiệu
tương tự uu và ui được biến đổi thành tần số, chu kì, biên độ, độ rộng của tín
hiệu xung sau đó lấy tích phân.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 17


Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

GVHD:TS. Trương Việt Anh

Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại điều chế sau đây:
 Điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung: (ĐRX-BĐX).
 Điều chế độ rộng xung với tần số xung : (ĐRX-TSX).
 Điều chế tần số xung và biên độ xung: TSX-BĐX.

Xét watmet dựa trên phương pháp ĐRX–BĐX: có sơ đồ cấu trúc như hình 2.4a
và nguyên lý như hình 2.4b

Hình 2.4. Watmet theo phương pháp điều chế độ rộng xung với
điều chế biên độ xung (ĐRX-BĐX):
a) Sơ đồ khối b) Biểu đồ thời gian
Tín hiệu vào ui được điều chế thành độ rộng t của xung (ĐRX) được phát
ra từ máy phát tần số chuẩn f 0  1/ T0 . Ở đầu ra của điều chế ĐRX có các
xung với độ rộng ti = k.ui, tín hiệu này sẽ được đặt vào bộ điều chế biên độ
xung BĐX và được điều chế biên độ bằng tín hiệu uu(t).
Khi T0  0 thì diện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ tỉ lệ
với công suất tức thời :
S(t) = uuti = k.uuui
Như vậy điện áp ra của bộ tích phân (TP) sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung
bình
P (H.10.5b).
Sai số của các watmet sử dụng các cặp điều chế là ở chỗ độ dài của chu kì điều
chế bị hạn chế. Điều này làm cho dải tần bị hạn chế.

SVTH: An Văn Hà, Nguyễn Lương Văn Minh

Page 18