Nghiên cứu, thiết kế công tơ mẫu sử dụng ADE 7751 của hãng analog devices

Bộ giáo dục và đào tạo
Trờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sĩ khoa học

NGHIÊN CứU, THIếT Kế CÔNG TƠ MẫU Sử DụNG
Ade 7751 của hng analog devices

Ngành

: Đo lờng và các hệ thống điều khiển

M số

:

Lê thị mai
Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Lan Hơng

Hà Nội - 2009


-1-

Luận văn thạc sỹ khoa học

LỜI NÓI ĐẦU
Điện năng là một phần không thể thiếu được của nền sản xuất công nghiệp
cũng như trong đời sống xã hội. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của
khoa học kỹ thuật và sự phát triển lớn mạnh về kinh tế của đất nước, thì ngành
Điện đã không ngừng phát triển, song vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu sử dụng

điện năng của xã hội. Một vấn đề đặt ra cho các nhà quản lý điện đó là: Làm sao
mà nâng cao độ chính xác của phép đo điện năng, bởi đại lượng này có ý nghĩa
to lớn trong nền kinh tế quốc dân, nó liên quan đến việc tiêu thụ điện năng, đến
việc tổn thất điện năng. Trong các đối tượng sử dụng điện năng thì điện năng sử
dụng trong sinh hoạt chiếm tỉ lệ tương đối cao, việc quản lý điện năng thông qua
công tơ điện. Một công tơ muốn đo chính xác công suất điện tiêu thụ thì các
thông số của công tơ đòi hỏi phải có độ chính xác và đáng tin cậy. Một công tơ
khi được sản xuất ra mặc dù đã tuân thao tiêu chuẩn của nhà nước và tiêu chuẩn
của nhà sản xuất nhưng hàng năm vẫn cần phải kiểm định lại để đảm bảo cho các
thông số ban đầu của công tơ nhằm quản lý điện năng sao cho hiệu quả nhất.
Thiết bị kiểm định công tơ hiện nay đang sử dụng tại các Chi cục tiêu
chuẩn đo lường chất lượng, các đơn vị uỷ quyền nhà nước về kiểm định công tơ
điện. Hầu hết các thiết bị này quá cũ, lạc hậu không có khả năng ứng dụng các
công nghệ mới vào phục vụ công tác kiểm định. Do vậy, với sự phát triển vượt
bậc về khoa học kỹ thuật và công nghệ mới, việc thay thế các thiết bị cũ, lạc hậu
là nhu cầu tất yếu.
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, cùng với
sự ra đời của chip đo năng lượng, đặc biệt là dòng ADE 775x do hãng Analog
Devices chế tạo, là chip đo năng lượng 1 pha hoặc 3 pha có độ chính xác cao,
làm việc ở những điều kiện khác nhau.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế tôi đã chọn đề tài: ”Nghiên cứu, thiết kế công tơ
mẫu sử dụng ADE 7751 của hãng Analog Devices”.
Nội dung của luận văn bao gồm:
Chương I: Tổng quan về các phương pháp đo công suất và điện năng

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-2-

Chương II: Bàn kiểm tra công tơ và linh kiện sử dụng ADE 7751 thiết kế công
tơ
Chương III: Thiết kế bàn kiểm tra công tơ.
Chương IV: Đánh giá sai số và thực nghiệm.
Chương V: Kết luận.
Do thời gian có hạn và nhận thức vấn đề còn hạn chế nên bản luận văn không
tránh khỏi những sai sót cần phải hoàn thiện thêm. Tôi rất mong nhận được nhiều sự
góp ý các thầy cô giáo, của bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới cô giáo hướng dẫn: TS. Nguyễn Lan
Hương, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn. Nhân đây cho phép
tôi gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và
đặc biệt các thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ thuật lường & Tin học công nghiệp đã
tận tâm truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm quý báu đến các học viên.

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-3CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG
Trong lĩnh vực đo lường điện thì hai đại lượng công suất và điện năng là
những đại lượng chiếm ưu thế về phạm trù ứng dụng cũng như trong kỹ thuật và
sản xuất trong đời sống thực tiễn. Hầu như nơi nào có sử dụng điện, cho dù bất
kể điện một chiều hay điện xoay chiều thì ta đều có thể đo trực tiếp hoặc gián
tiếp hai đại lượng này.
Điện nguồn từ nơi sản xuất, phải qua hệ thống phân phối mới đến nơi sử

dụng và tiêu thụ điện. Trên thế giới có nhiều kiểu phân phối hệ thống điện: Hệ
hai pha, ba dây, bốn dây hoặc năm dây, hay hệ ba pha ba dây hoặc bốn dây. Cơ
sơ lý thuyết để đo công suất và điện năng của mạch điện nhiều pha về nguyên tắc
cũng tương tự như ở mạch điện một pha. Nhưng do đặc thù phức tạp của phụ tải
trong mạch nhiều pha nên việc sử dụng phương pháp và phương tiện để đo lường
chính xác công suất và điện năng rất đa dạng và phức tạp nhằm đáp ứng được
mọi yêu cầu sử dụng điện phát sinh từ thực tiễn.
Để đo công suất người ta sử dụng phương tiện đo là Watmet. Số lượng
Watmet hoặc số phân tử đo tùy thuộc vào số pha ngoài ra còn quan tâm đến các
yếu tố như hệ số công suất, phạm vi đo và tần số. Trong lĩnh vực đo đếm điện
năng thì công tơ điện là phương tiện đo được sử dụng chủ yếu trong các mạch
điện một pha và có đơn vị đo là kW.h, nhưng trong mạch điện nhiều pha thì điện
năng còn phụ thuộc vào thành phần chậm pha và vượt pha của dòng điện và
trong trường hợp cần thiết thì còn đo qua công suất biểu kiến và đo bằng đơn vị
là kVA.h.
Hệ thống điện có nhiều pha có thể được xem như là tập hợp của các hệ
một pha làm việc trong một chế độ đồng bộ và độ lệch giữa các pha với nhau
theo một giá trị xác định. Điện năng tổng đo được của cả hệ nhiều pha sẽ tập hợp
từng điện năng do mỗi công tơ một pha đo ở từng pha. Tuy nhiên, để tiện cho
việc sử dụng, người ta thường sử dụng loại công tơ có nhiều phần tử đo. Trong

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-4-

hệ thống phân phối điện có nhiều pha, theo thông lệ trong mạch điện sử dụng
cho phụ tải và đo lường thì thường là mỗi dây cho một pha và có thể có một dây

trở về chung cho tất cả các pha.
Ở nước ta hiện nay công suất và điện năng được phân bố chủ yếu thông
qua hệ thống phân phối điện ba pha, toàn bộ hệ thống phân phối và truyền tải cao
thế và trung thế chủ yếu là ba pha ba dây, còn ở hệ thống điện hạ thế phổ cập là
điện hệ ba pha ba dây cho hệ mạch có phụ tải chỉ sử dụng công suất còn hệ ba
pha bốn dây có phụ tải sử dụng nguồn công suất và các nhu cầu phụ khác.
Trên thực tế thì sử dụng hệ thống điện ba pha có hai cách là đấu tải theo
kiểu hình sao hoặc đấu tải theo kiểu tam giác, đấu theo kiểu tam giác phổ cập ở
hệ ba pha ba dây, còn kiểu đấu sao phổ biến ở hệ ba pha bốn dây
1.1. Các phương pháp đo công suất và năng lượng trong lĩnh vực điện năng.
1.1.1 Đo công suất, năng lượng bằng Watmet
Đối với mạch điện một chiều, công suất được xác định gián tiếp theo chỉ
thị của vonmet và ampemet sau đó được tính theo công thức là:
P = U.I
Đối với mạch điện xoay chiều một pha thì công suất tác dụng được tính
T

theo công thức: P =

1
u (t ).i (t )dt = U.I cosϕ.
T ∫0

Trong đó:
u(t) và i(t) là giá trị tức thời của điện áp và dòng điện.
U, I là giá trị điện áp và dòng điện hiệu dụng.
T là chu kỳ biến thiên.
ϕ là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.
Để đo công suất ta thường sử dụng các loại oatmet sau đây :
-

Watmet kiểu điện động là loại oatmet có độ chính xác cao, đo được cả
công suất của dòng một chiều và xoay chiều, giải tần số đo đến 2000Hz.

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học
-

-5-

Watmet kiểu sắt điện động thường sử dụng ở những nơi tĩnh tại, cấp chính
xác thấp, đo được công suất điện xoay chiều tần số công nghiệp, nếu dùng
loại oatmet này để đo công suất điện một chiều sẽ có sai số lớn do hiện
tượng trễ từ.

-

Watmet kiểu cảm ứng loại này chủ sử dụng ở mạch điện xoay chiều, cấp
chính xác của nó rất thấp nên hiện nay nó hầu như không còn được sử
dụng
Ngoài ra hiện nay còn có Watmet kiểu điện tử và Watmet kiểu nhiệt điện

thường được sử dụng để đo công suất ở dải rộng tần số từ thấp đến cao
Cách

mắc

Watmet

trong mạch điện :

Hình 1. 1 Cách mắc Watmet trong mạch điện
Cấu tạo của Watmet điện động: Được thể hiện trên hình vẽ trên bao gồm
2 cuộn dây: cuộn dòng điện (cố định) có số vòng nhỏ, tiết diện lớn được mắc nối
tiếp với phụ tải RL, cuộn thế (cuộn di động) C2 có nhiều vòng hơn, tiết diện dây
nhỏ hơn và nối song song với điện áp lưới qua điện trở phụ Rp.

Hình 1. 2 Cấu tạo của Watmet điện động
Đo lường và các hệ thống điều khiển


-6-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyên lý làm việc của Watmet: Nguyên lý làm việc của Watmet cũng
tượng tự như nguyên lý làm việc của cơ cấu điện động. Dựa trên nguyên tắc tác
động tương hỗ giữa các lực điện từ của cuộn dây tĩnh và động
Khi mắc dụng cụ này vào mạch điện 1 chiều: Khi có dòng điện chạy trong
cuộn dây tĩnh thì trong lòng nó sẽ xuất hiện từ trường B1. Từ trường này tác
động với dòng điện qua cuộn dây động tạo nên momen quay làm phần động quay
một góc α.
Có năng lượng tích lũy trong các cuộn dây là:
1
2

1
2

Wd,t = L1I12 + L2 I 2 2 + M 12i1i2
Với L1, L2 là điện cảm của cuộn dây tĩnh và động
i1, i2 là dòng một chiều chạy trong cuộn dây tĩnh và động
M12 là hỗ cảm giữa hai cuộn dây
Do L1, L2 và dòng I1, I2 không phụ thuộc vào vị trí tương đối giữa hai cuộn dây
nên biểu thức momen có dạng: Mα =

dWd ,t
dM 12
= i1.i2 .
dα
dα

Cân bằng mômen này với momen phản kháng:
kp.α = i1i2. dM 12 = i1i2f(α)
dα
Phương trình cân bằng: α=

f (α )
i1i2
kp

với Kp: hệ số momen phản

f(α) là hàm của góc quay α
Khi mắc dụng cụ vào mạch điện xoay chiều, giả sử dòng tức thời qua cuộn
tĩnh và cuộn dòng lệch pha nhau góc là Ψ thì biểu thức mômen quay tức thời có
dạng:
mq =

dM 12
i1 (t )i2 (t ) = i1 (t )i2 (t ) f (α )
dα

Giá trị trung bình của mômen quay trong một chu kì là:
T

1
1
Mqtb = ∫ mq .dt = I I m .sin ωt.I m2 sin(ωt + ψ ). f (α )
T0
T

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-7-

Tích phân biểu thị Mqtb qua trị số hiệu dụng của dòng điện ta có:
Mqtb = f(α).I1 .I2.cosΨ
Từ biểu thức trên ta thấy rằng góc lệch α tỷ lệ với tích hai dòng điện và
cosin của góc giữa chúng nên có thể dùng để đo dòng điện, điện áp, hoặc là đại
lượng tỉ lệ với tích dòng và áp (công suất) một chiều và xoay chiều cũng như đo
góc lệch pha và các đại lượng liên quan đến góc lệch pha
Khi sử dụng Watmet kiểu điện động để đo công suất tác dụng ở mạch điện
xoay chiều, ngoài sai số đo điện năng tiêu thụ ở mạch dòng và mạch áp còn phải
kể tới sai số do góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện qua cuộn áp IU ký hiệu

là ϕu. Thành phần sai số góc này biểu thụ bằng công thức sau:
δϕu = 0.0291.ϕu.tgϕ

Điều này cho thấy khi ta sử dụng Watmet để đo công suất ở mạch điện có
hệ số công suất thấp thì sẽ phạm phải sai số lớn và có khả năng quá tải ở mạch
dòng điện, do vậy khi đo ta phải chọn loại Watmet có hệ số công suất danh định
phù hợp với đối tượng đo.
Để loại trừ khả năng quá tải ở cuộn dòng và cuộn áp khi đo nên sử dụng
thêm cả ampemet và vonmet để theo dõi dòng điện và điện áp ở trong mạch.
Do đặc thù cấu tạo của oatmet nên mỗi cặp cực của dòng điện và điện áp
người ta đều đánh dấu * để phân biệt cực tính, cực có dấu thường là cực phát,
khi đấu dây nó thường được đấu về phía nguồn điện, nếu ta đấu sai cực tính của

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-8-

cuộn áp thì có hiện tượng chênh lệch điện áp ở cuộn động và cuộn tĩnh của
Watmet làm suất hiện lực tĩnh điện gây ra sai số của phép đo.
Ngoài các sai số cơ bản khi Watmet làm việc ở điều kiện không tiêu chuẩn,
các đại lượng ảnh hưởng sẽ nằm ngoài phạm vi giá trị tiêu chuẩn quy định, do đó
sẽ xuất hiện thêm sai số do các đại lượng ảnh hưởng gây nên. Đối với Watmet
đại lượng gây ảnh hưởng nhiều nhất là nhiệt độ và tần số vì khi nhiệt độ môi
trường thay đổi các chi tiết và linh kiện ở mạch áp như cuộn động, các cuộn dây
điện trở và cuộn cảm sẽ thay đổi giá trị điện trở làm thay đổi giá trị của dòng
điện trong mạch áp gây ra những sai số phụ khác. Còn tần số lưới điện thay đổi
cũng gây nên sai số vì các chi tiết ở dụng cụ đo thường được chế tạo bằng kim

loại, chúng lại nằm trong từ trường biến thiên do các cuộn tĩnh gây ra nên sẽ
xuất hiện các dòng điện cảm ứng gây nên tổn thất điện năng.
Đối với các dụng cụ đo dùng cho mạch điện xoay chiều, để loại trừ các sai
số phụ, người ta hạn chế tối đa việc sử dụng các chi tiết bằng vật liệu sắt từ như
các loại ốc vít giữ cuộn dây được thay thế bằng đồng, chiều cuốn cuộn dây, cách
đặt và sắp xếp các cuộn dây theo đúng hướng cũng phải được lưu ý cẩn thận.
Thông thường thì các loại Watmet được chế tạo theo những giới hạn đo đã
được tiêu chuẩn hóa như dòng điện thường khoảng 10A, điện áp 600V. Để đo
công suất mạch điện xoay chiều có cường độ trên 10A và điện áp trên 600V thì
người ta thường sử dụng thêm các thiết bị phụ như máy biến dòng đo lường (TI)
hoặc máy biến áp đo lường (TU)
1.1.2. Đo công suất năng lượng bằng phương pháp đo điện áp và dòng điện (một
chiều)
Để dùng phương pháp này thì mạch điện là mạch 1 chiều hoặc đo công suất

năng lượng của tải thuần trở. Điện áp được đo bằng Vônmet còn dòng điện được
đo bằng một Ampemet, sau đó ta nhân hai đại lượng này thì được công suất Có
hai cách đo được mắc theo sơ đồ sau:

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

-9-

P = U*I- I2RA
J = P*t
Với U, I là điện áp và dòng điện trong mạch

Hình 1.4

RA là điện trở trong của ampemet
P là công suất
J là năng lượng

P= P=U*I-U2/RV
J= P*T
RV là điện trở trong của Vonmet

Hình 1.5
1.2. Đo năng lượng bằng cách sử dụng bộ nhân điện tử ( Wattmet điện tử)
1.2.1. Cảm biến Hall đo công suất.
Cảm biến này là một phần tử nhân bao gồm một mạch bán dẫn cao dòng

điện chạy qua. Khi có từ trường tác dụng lên mặt của mảnh bán dẫn đó xuất hiện
sức điện động Hall:
E=KH .B.I.Sinψ
Với ψ là góc giữa B và I
Nếu dòng điện và điện áp có pha vuông góc với nhau thì ta có EH = KU.I
EH là một bộ nhân giá trị tức thời của u và i: EH = KP
p là công suất tiêu thụ tức thời trên tải, nếu u và i là những hàm hình sin thì công
suất tức thời bao gồm thành phần cố định và thành phần biến thiên. Nếu dụng cụ
ở đầu ra có quán tính nhỏ thì ta có công suất tức thời biến thiên theo thời gian.
Nếu đầu ra của cảm biến Hall mắc vào cơ cấu cơ điện có quán tính lớn hay một
khâu tích phân thì nó sẽ chỉ công suất trung bình: P = U.I.cosφ

Đo lường và các hệ thống điều khiển

-9-

Luận văn thạc sỹ khoa học

Hình 1.6 . Mạch đo sử dụng cảm biến Hall
1.2.2. Bộ nhân bằng A/D và D/A
K1
UX

A/D

K2

NX

D/A

K1K2Uy

UY ~Ix

Hình 1.7. Sơ đồ khối bộ nhân bằng A/D và D/A
Tín hiệu UX đưa vào bộ biến đổi A/D thành tín hiệu NX với
NX =K1.UX
NX lại được đưa vào bộ biến đổi D/A, điện áp cung cấp cho bộ biến đổi này
là điện áp UY khi đó điện áp ra khỏi bộ này sẽ là Ura = K2NXUY, thay vào công
thức trên ta lấy được tín hiệu Ura= K1. K2. Ux .UY.
Để đảm bảo bộ biến đổi được công suất tức thời thì thời gian biến đổi của
A/D và D/A phải đủ nhanh.
1.2.3. Bộ nhân đo công suất tức thời ( Dùng mạch vi xử lý)

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 10 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

Ux

S&H

Uxt

MUX
Uy

A/D

µP

Uyt

S&H
Hình 1.8. Sơ đồ khối bộ nhân đo công suất tức thời
Tín hiệu UX và UY được bộ biến đổi A/D biến đổi thành tín hiệu NX và NY

với NX= K1UX, và NY =K2UY. Sau đó NX, NY được đưa vào vi xử lý để làm phép
nhân: NZ = NX. UY = K1K2UXUY
Nếu UX = KXu ; với u là điện áp tức thời;

Nếu UY = KY.i ; với i là dòng tức thời ;
NZ là giá trị tức thời của p, nó có các giá trị khác nhau ở các thời điểm khác
nhau. Để xét sự biến thiên của p theo thời gian thì NZ được lưu 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 = u.i, giá trị tức thời của u và i phải được lấy cùng
tại một thời điểm vì vậy phải dùng bộ lấy mẫu S&H để giữ số liệu của u và i ở
cùng một thời điểm. Tại thời điểm đó cũng có thể sử dụng bộ biến đổi A/D cùng
cho cả hai biến u và i.
Để giảm sai số lượng tử hóa của p, số lần lấy mẫu cho một chu kì phải đủ
lớn, chu kì lấy mẫu đủ nhỏ, tốc độ biến thiên của A/D phải đủ lớn, tốc độ tính
toán của bộ vi xử lý cũng phải đủ cao để có thể tính toán theo thời gian thực.
Khi ta có công thức tức thời tính p, ta có thể tính toán công suất trung bình,
hoặc ta có thể tính toán năng lượng truyền đến tải:
T

1
P = ∫ uidt
T 0

t

W = ∫ uidt
0

Ta có thể tính năng lượng giờ cao điểm giờ thấp điểm, tính hệ số

Đo lường và các hệ thống điều khiển

- 11 -

Luận văn thạc sỹ khoa học
cosφ =

P
ở các thời điểm khác nhau.
S

1.2.4. Bé nh©n b»ng phÇn tö Logarithm vµ anti-logarithm:

Ux

log

U1 = lnUx
+

Uy

log

U3
log

U2=lnUy

Ura=K.Ux .Uy

Hình 1.9. Sơ đồ khối bộ nhân bằng phần tử Logatithm và anti - logatithm

Sơ đồ khối của bộ nhân bằng phần tử Logarithm và anti-logarithm như hình
1.9.
Hai đại lượng Ux và Uy được đưa vào hai bộ loga:
U1=lnUx; U2=lnUy
Và U1, U2 được cho vào bộ cộng: U3 = U1+U2 = lnU1.U2. Lấy aniloga ta được:
Ura= antilog(lnUx.Uy) = Ux.Uy
Với kỹ thuật hiện nay người ta đã chế tạo được các bộ nhân trong dải tần số
1Hz..100Hz. Sai số cơ bản có mẫu dài 0.0025 - hệ số nhiệt độ 0.01%.
Như vậy sai số của các bộ nhân này nhỏ hơn sai số biến đổi mạch vào của bộ
biến đổi công suất tác dụng - điện áp.
1.2.5 Bé nh©n b»ng c¸c phÇn tö b×nh ph−¬ng

Tín hiệu Ux và Uy được đưa qua một bộ cộng và trừ:
U1 = Ux + Uy
U2 = Ux - Uy
U1 và U2 đi qua một bộ bình phương thành U3
U3 = (Ux + Uy)2 + (Ux – Uy)2 = 4Ux.Uy
Phần tử bình phương có thể tạo bởi mạch tạo hàm. Lý tưởng nhất là một bộ
biến đổi nhiệt ngẫu. Sơ đồ bộ biến đổi nhiệt ngẫu như hình 1.10

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 12 -

Luận văn thạc sỹ khoa học
UX

+

U1

BP

U12

I ~UY

Ura=K.Ux .UY

-

U2

BP

U22

Hình 1.10. Sơ đồ khối bộ nhân bằng phần tử bình phương
Sức điện động nhiệt ngẫu: ET = KT.I2
Trong đó:
ET: sức điện dộng nhiệt ngẫu
KT: Hệ số biến đổi của cặp nhiệt ngẫu.
I: Dòng điện chạy qua dây đốt nóng của bộ biến đổi
Era = ET1 – ET2
Era = KT(IU + II)2 – KT(IU – II)2 = 4KT.IU.II
Do biến đổi nhiệt ngẫu có quán tính nhiệt cao nên thành phần xoay chiều bị loại ra
Era = K.U.I.cosϕ = K.P.
Người ta chế tạo được Wattmet loại này với sai số cơ bản là 1%, thang điện áp và
dòng điện 10mV...300mV; 100A – 3mA; cosϕ =0,1..1; Tần số 20Hz – 100z.

1.3. Đo công suất năng lượng bằng công tơ cơ (Cơ cấu cảm ứng)

Công tơ điện xoay
chiều kiểu cảm ứng cấu
tạo bao gồm phần tĩnh và
phần động.
Phần tĩnh: Gồm cuộn
dây điện áp được mắc trực
tiếp vào lưới điện và cuộn
dây dòng điện mang dòng
điện qua tải.
Phần động bao gồm
đĩa quay làm bằng vật liệu
Hình 1. 12. Sơ đồ cấu tạo của công tơ cơ

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

- 13 -

kim loại nhẹ là nhôm nằm giữa khe từ của cuộn điện áp và cuộn dòng điện. Cả
cuộn dòng điện và điện áp đều tạo ra trường điện từ với các dòng từ thông xuyên
qua đĩa, do đĩa làm bằng kim loại nên có dòng cảm ứng phát sinh. Do sự tác
động tương hỗ giữa dòng điện cảm ứng và các dòng từ thông sẽ tạo ra chuyển
động quay.
Cấu tạo và cách lắp đặt được thể hiện trên hình vẽ sau:
Trong đó:
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
7- Đĩa nhôm
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
Cuộn dây điện áp: Điện áp đưa vào công tơ là điện áp xoay chiều hình sin,
do là điện áp xoay chiều nên giá trị của nó không ổn định do đó dòng từ thông
sinh ra cũng không ổn định, giá trị của nó thay đổi từ 0 đến giá trị cực đại theo
một hướng và cũng từ 0 đến giá trị cực đại theo một hướng khác. Toàn bộ dòng
từ thông sinh ra không phải toàn bộ là có ích mà một phần đáng kể của nó cắt
với hướng của dòng điện, còn một phần không cắt hướng dòng điện là dòng tổn
hao (dòng dò), phần cắt là những dòng từ thông tác dụng, chính những dòng này
tạo ra momen quay của công tơ.

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

- 14 -

Cuộn dây điện áp của công tơ kiểu cảm ứng được quấn nhiều lớp vòng dây

để phù hợp với giá trị điện áp danh định của lưới điện, thường là dây đồng mảnh,
có đường kính nhỏ nên giá trị điện trở của cuộn dây nhỏ nhưng giá trị về điện
cảm lớn, nên dòng qua cuộn dây điện áp chậm pha gần 90º so với điện áp nguồn
đầu vào. Cuộn dây dòng điện của công tơ kiểu cảm ứng chỉ quấn vài vào dây
đồng nhưng có đường kính lớn để vừa phù hợp với dòng danh định vừa chịu
dòng quá tải theo quy định của công tơ. Giá trị điện trở của cuộn dây nhỏ, không
đáng kể , nên dòng điện của cuộn dây dòng của công tơ hầu như trùng pha với
dòng điện nguồn và trung pha với điện áp nguồn của lưới điện.
Nguyên lý hoạt động của công tơ cảm ứng:
Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp, chúng
sẽ tạo ra từ thông φ chạy trong lõi thép. Chính từ thông này làm cho đĩa nhôm
của công tơ quay, tỉ lệ với điện áp và dòng điện qua công tơ. Vận tốc quay của
đĩa tỉ lệ thuận với công suất tiêu thụ trên tải, qua bộ số cơ học tốc độ quay của
đĩa công tơ sẽ được đưa vào bộ số hiển thị năng lượng cần đo.
Momen quay do từ thông của cuộn dây dòng điện và điện áp gây ra:
M = k .φ u .φ i . sin ϕ
với k là hệ số
φu .φi là từ thông sinh ra bởi cuộn dây điện áp và dòng điện

φ là góc lệch pha giữa từ thông cuộn dây điện áp và cuộn dây dòng
điện
Dưới tác dụng của momen này đĩa nhôm sẽ quay với tốc độ góc dα/dt, nam
châm vĩnh cửu sẽ tác động lên đĩa một momen hãm Mh tỉ lệ thuận với tốc độ góc
đó: Mh=k1. dα/dt.
Nếu ta bỏ qua các momen phụ thì đĩa quay sẽ đạt tốc độ ổn định khi momen
hãm tăng tới độ lớn của momen tác dụng.
Thành phần momen này được sử dụng để hiệu chỉnh và điều chỉnh hằng số
công tơ.

Đo lường và các hệ thống điều khiển

Luận văn thạc sỹ khoa học

- 15 -

Với công tơ thì có rất nhiều nguyên nhân gây nên sai số, do vậy khi chế tạo
công tơ thường phải có các chi tiết phụ để điều chỉnh các sai số thành phần khi
cần thiết. Để khắc phục ma sát trong các thành phần của công tơ như trong ổ
trục, trong cơ cấu đếm, các thành phần gây ma sát đều gây sai số cho hằng số
công tơ. Momen ma sát sẽ lớn nhất khi phụ tải nhỏ. Để sai số của công tơ không
vượt quá giá trị cho phép khi có tải từ 10 – 100% tải định mức, cần phải tạo ra
trong công tơ một momen cùng chiều với momen quay và có giá trị bằng với
momen ma sát để bù lại momen ma sát khi phụ tải nhỏ. Ta bù bằng cách tạo nên
một từ thông không đối xứng trong mạch từ của cuộn dây điện áp, bằng cách đặt
một miếng sắt từ trong mạch từ của cuộn điện áp mà vị chí của nó có thể thay
đổi được.
Khi điều chỉnh không đúng vị trí, momen bù có thể lớn hơn momen ma sát
làm cho công tơ có thể tự quay khi không có tải. Đó là hiện tượng tự quay của
công tơ. Để tránh sai số trong đo đếm điện năng ở công tơ còn có bộ phận điều
chỉnh chống tự quay. Bộ phận này gồm hai mỏ kim loại được gắn với trục quay
và phần mạch từ của cuộn áp. Phần từ thông tản của cuộn áp sẽ khép kín mạch từ
qua hai mỏ kim loại này khi chúng đối diện nhau. Kết quả là có lực hút tác dụng
giữ trục quay lại. Điều chỉnh khe hở giữa hai mỏ kim loại ta có giá trị momen
chống tự quay thích hợp.
1.4. Công tơ kỹ thuật số đo năng lượng

* Ngày nay công tơ điện tử ra đời có tính năng vượt trội hơn so với công tơ
cơ như chúng có thể thực hiện được nhiều chức năng, có độ chính xác cao.
+ Đo được điện năng tác dụng và điện năng phản kháng theo hai chiều,

chiều nhận và chiều phát.
+ Đo công suất biểu kiến;
+ Đo dòng điện và điện áp trong từng pha và trong hệ thống;
+ Đo được hệ số công suất của từng pha;
+ Đo góc lệch pha của hệ thống;

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 16 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

+ Quản lý phụ tải: Ghi lại các thời điểm quá tải, sụt áp, mất điện;
+ Có thể kết nối với các thiết bị khác như PC, các modul RS232 và các
modem để ghép nối việc giao diện thông tin với công tơ từ xa va thực hiện việc
truyền số liệu theo nhu cầu cần thiết;
+ Công tơ điện tử còn có chức năng tạo lập cấu trúc các biểu giá theo: Điện
năng sử dụng trong các khoảng thời gian quy định của các ngày, các mùa, ngày
kết thúc chu trình tính hóa đơn.
Công tơ điện tử có thể sử dụng các nguyên tắc mạch nhân điện tử như phần đo
công suất. Tuy nhiên phương pháp phổ biến nhất hiện nay là sử dụng mạch nhân
tức thời bằng vi xử lý đã được trình bày ở trên. Mô hình của thiết bị có thể mô tả
lại như sơ đồ sau:
Sơ đồ khối của công tơ điện tử:

Bộ
lọc

ADC

chuyển
I→U

Bộ
lọc

Bộ nhân
điện tử

ADC

Hiển thị

Vi điều
khiển

Bộ nhớ RAM
PC

Hình 1.13. Sơ đồ khối của công tơ điện tử
Công tơ điện tử thực hiện việc đo công suất dựa trên phương pháp số, nó đo
dạng số của điện áp, dòng điện tại cùng một thời điểm. Tích của dòng điện với
điện áp này là giá trị công suất đo được, giá trị này nhân với khoảng thời gian đo
sẽ được điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian đó.
Nguyên lý hoạt động của công tơ điện tử:

Đo lường và các hệ thống điều khiển

Luận văn thạc sỹ khoa học

- 17 -

+ Điện áp cần đo được đưa qua máy biến áp cho điện áp định mức, sau
đó tín hiệu được đưa qua bộ lọc để tạo tín hiệu xoay chiều điều hòa có điện áp
tương ứng với đầu vào của ADC, qua bộ ADC thành tín hiệu số rồi đưa vào bộ
nhân điện tử.
+ Dòng điện qua máy biến dòng cho dòng vào có điện áp định mức rồi
qua bộ biến đổi thành điện áp tỉ lệ với nó. Tín hiệu này qua bộ lọc để tạo tín hiệu
xoay chiều điều hòa có điện áp tương ứng với đầu vào của ADC, qua bộ ADC
thành tín hiệu số rồi được đưa vào bộ nhân điện tử.
+ Tín hiệu qua bộ nhân được đưa vào vi điều khiển, bộ vi điều khiển
sẽ điều khiển các ADC trên kênh dòng và kênh áp thực hiện việc lấy tín hiêu UX
và IX tại thời điểm tX, mỗi tín hiệu được lấy mẫu n lần/ chu kì điện (tuỳ thuộc
vào độ chính xác của phép đo). Từ các giá trị điện áp và dòng điện tức thời ta
tính được các thông số điện như công suất tác dụng, dòng điện và điện áp hiệu
dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến, điện năng tác dụng, điện năng
phản kháng và điện năng biểu kiến.
+ Các kết quả này được hiển thị hoặc lưu vào trong bộ nhớ ngoài
hoặc truyền lên máy tính.
1.5. Quy trình kiểm tra công tơ

H×nh 1.14. S¬ ®å m¾c c«ng t¬ vµo bµn kiÓm
t
Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 18 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

Sơ đồ mắc công tơ vào bàn kiểm tra để kiểm tra (hình 1.14)
Trong sơ đồ này thì nguồn dòng được mắc nối tiếp với cuộn dòng của công
tơ và Wattmet. Máy tạo dòng L1 lấy điện áp bất kỳ (B và C) đổi điện áp thành
dòng điện cấp cho công tơ và Wattmet được đo bởi ampemet.
Điện áp cũng được lấy từ 2 pha bất kì qua máy biến áp tự ngẫu để đưa vào
cuộn dây điện áp của công tơ và của Wattmet, điện áp này được đo bởi Vônmet.
* Kiểm tra công tơ với ý nghĩa đảm bảo mômen bù ma sát lớn hơn mômen
ma sát một ít.
* Chỉnh góc pha
* Chỉnh hằng số công tơ.
* Xác định sai số tương đối quy đổi với các tải khác nhau và với hệ số
cosϕ khác nhau.
1.5.1. Các phép kiểm định
Để tiến hành kiểm định công tơ điện xoay chiều kiểu cảm ứng loại một pha,

ba pha một biểu giá và ba pha nhiều biểu giá đo điện năng tác dụng ta phải lần
lượt tiến hành các phép kiểm định ghi trong bảng 1.1
Bảng 1.1: Tên phép kiểm định [12]
STT

Tên phép kiểm định

1

- Kiểm tra bên ngoài

2

- Kiểm tra kỹ thuật:Kiểm tra độ bền cách điện

3

- Kiểm tra đo lường
+ Kiểm tra tỷ số truyền và cơ cấu đếm
+ Kiểm tra tự quay
+ Kiểm tra độ nhạy
+ Xác định sai số cơ bản

1.5.2. Phương tiện kiểm định
Sai số phép đo để xác định giá trị thực của điện năng không được vượt quá 1/4

giới hạn sai số cho phép đo công tơ kiểm.
Phải sử dụng những phương tiện chuẩn được quy định trong bảng 1.2

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 19 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

Bảng 1.2: Các phương tiện chuẩn[12]
Cấp chính xác của phương tiện chuẩn (Không thấp hơn)

Cấp chính
xác của công

Oát mét

Thiết bị đo

Công tơ

Máy biến

tơ kiểm

chuẩn

thời gian (s)

chuẩn

dòng đo
lường(viết

(*)

tắt TI)

0.5

-

-

0.1

0.05

1

0.1

0.01

0.2

0.1

2

0.2

0.5

0.2

(*)

0.1(**)

Phải sử dụng thiết bị đo thời gian loại điện tử tự động đếm theo số

vòng quay của đĩa công tơ, không cần công tắc bấm.
(**) Để kiểm tra công tơ cấp chính xác 2 cho phép sử dụng đồng hồ bấm
giây có giá trị độ chia không quá 0.2s và Wattmet cấp chính xác 0.5.
Để xác định giá trị dòng điện và điện áp định mức phải dùng ampemet

và vônmet có cấp chính xác thấp nhất là 1,5 khi kiểm công tơ có cấp chính xác 1
và 2 và thấp nhất là 1 khi kiểm công tơ cấp chính xác là 0.5
1.5.3. Điều kiện kiểm định
Khi tiến hành kiểm định phải tuân theo những điều kiện quy định trong

bảng 1.3
Bảng 1. 3: Điều kiện kiểm định[12]
Điều kiện

Giá trị tiêu

Độ lệch cho phép với cấp chính xác của

kiểm định

chuẩn

công tơ kiểm
0.5

1. Nhiệt độ

Nhiệt

2. Vị trí đặt

độ

1

2

tiêu ±1ºC

±2ºC

±2ºC

chuẩn

±0.5º

±0.5º

±0.5º

3. Điện áp

Thẳng đứng

±0.5%

±1%

±1%

4. Tần số

Giá trị danh định ±0.2%

±0.3%

±0.5%

Giá trị danh định
5. Dạng sóng

Hình Sin

Hệ số méo phi tuyến không được quá

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học

- 20 -

Điều kiện

Giá trị tiêu

Độ lệch cho phép với cấp chính xác của

kiểm định

chuẩn

công tơ kiểm
0.5

1

2%

2

3%

6. Cảm ứng

Cảm ứng từ trường ngoài gây ra dự thay đổi

từ ở trường ≤mT

sai số không được quá

ngoài ở tần

0.1%

0.2%

0.3%

số danh định
Để kiểm định công tơ cấp chính xác 1 và 2 trong dải nhiệt độ từ 15ºC đến
30ºC (loại trừ dải nhiệt độ từ 21ºC đến 25ºC quy định trong bảng trên) cho phép
đưa thêm số hiệu chỉnh nhiệt độ môi trường xung quanh vào giá trị nhiệt độ tiêu
chuẩn. Số hiệu chỉnh nhiệt độ này do nhà chế tạo quy định.

Để kiểm định công tơ cấp chính xác 1 và 2 trong dải tần số từ 45Hz đến
65Hz (Loại trừ dải tần số quy định trong bảng trên) cho phép đưa thêm số hiệu
chỉnh tần số lưới điện. Số hiệu chỉnh này do nhà chế tạo quy định.
Đối với công tơ có bộ số kiểu tang trống, khi kiểm tra ngắn hạn, chỉ được
phép có một tang trống quay.
Khi kiểm định ban đầu, trước khi tiến hành xác định sai số cơ bản, phải để công
tơ làm việc ở chế độ tải định mức trong thời gian ít nhất là 30 phút.
1.5.4. Tiến hành kiểm định
Tiến hành kiểm định công tơ theo:

Phương pháp công suất - thời gian.
Phương pháp so sánh trực tiếp với công tơ chuẩn.
Thực hiện bằng cách đóng tải ngắn hạn để đếm số vòng quay của đĩa công
tơ hoặc đóng tải dài hạn để tính theo bộ số của công tơ.
1.5.4.1 Kiểm tra bên ngoài
Kiểm tra bên ngoài theo các yêu cầu sau đây:
a. Cặp chì phải còn nguyên vẹn (Trong trường cặp chì bị hỏng phải ghi rõ
tình trạng vào biên bản trước khi tiến hành kiểm định)

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 21 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

b. Kết cấu phải phù hợp với quy định nêu trong điều 1.4TCVN5411-91:
Công tơ điện năng tác dụng kiểu cảm ứng – Yêu cầu kỹ thuật và phương
pháp thử.
c. Nhãn hiệu phải phù hợp với quy định nêu trong điều 1.5TCVN5411-91

1.5.4.2 Kiểm tra kỹ thuật
Kiểm tra độ bền cách điện được tiến hành theo các yêu sau đây:
Các mức điện áp tiến hành kiểm tra được quy định trong bảng 1.4
Bảng 1. 4: Các mức điện áp được kiểm tra[12]
Mức kiểm tra điện áp

Điều kiện kiểm tra và nơi đặt điện áp kiểm tra

(Giá trị hiệu dụng RMS)

A, Vỏ nắp hộp đấu dây phải được tháo ra, điện áp kiểm
tra được đặt vào đế công tơ với:
2kV

a.Từng mạch dòng nếu trong trạng thái công tơ làm

cho các tiểu mục a,b,c,d

việc thì những mạch này được cách điện với các mạch
khác(*)
b.Từng mạch áp hoặc tập hợp tất cả các mạch áp có
điểm đấu chung nếu trong trạng thái công tơ làm việc
thì những mạch này được cách điện với mạch khác (*).
c.Từng mạch phụ có điện áp trên 40V hoặc tập hợp tất
cả các mạch phụ có điểm đấu chung.

500V

d. Từng hợp bộ các cuộn dây dòng và áp của một hoặc

cho tiểu mục e

cùng một cơ cấu đo nếu trong trạng thái công tơ làm
việc thì những hợp bộ này được cách điện với mạng
khác (**)
e.Từng mạch phụ có điện áp dưới 40V

600V hoặc gấp đôi giá trị B, Nắp hộp đấu dây phải tháo ra và công tơ nằm trong
điện áp định mức đấu vào vở nếu vỏ làm bằng kim loại
cuộn áp của công tơ trong Điện áp kiểm tra đặt vào mạch dòng và mạch áp của
điều kiện tiêu chuẩn nếu từng phần tử đo được nối điện với nhau khi công tơ

Đo lường và các hệ thống điều khiển


Luận văn thạc sỹ khoa học
Mức kiểm tra điện áp

- 22 Điều kiện kiểm tra và nơi đặt điện áp kiểm tra

(Giá trị hiệu dụng RMS)

giá trị này vượt quá 300V

làm việc, việc đấu nối điện này có thể tạm thời tách ra
cho mục đích kiểm tra(***)

2kV

C, Công tơ nằm trong vỏ được đậy nắp, nắp hộp đấu

dây được đậy lại
Điện áp kiểm tra đặt vào giữa đất với các mạch dòng,
mạch áp và mạch phụ có điện áp trên 40V đã được đấu
nối với dây
D, Thử nghiệm bổ sung đối với công tơ điện có điện

4kV cho tiểu mục a

bảo vệ cấp II
a, Điện áp kiểm tra đặt vào giữa đất với các mạch
dòng, mạch áp và với các mạch phụ có điện áp trên
40V đã được đấu nối với nhau.
b, Điện áp kiểm tra đặt vào giữa công tơ với đất.

2kV cho tiểu mục b

c, Điện áp kiểm tra đặt vào giữa các phần mang điện
đã được nối điện với nhau trong vỏ công tơ và các
phần mang điện cũng đã được nối điện với nhau ngoài
vỏ công tơ có khả năng chạm tới(****).
d, Quan sát sự tuân thủ các điều kiện áp dụng cho vỏ

40V cho tiểu mục c

cách điện bảo vệ cấp II.

(*)Việc tách cầu nối giữa cuộn dây dòng và cuộn dây áp để kiểm tra cách
điện chưa hoàn toàn đủ để khẳng định khả năng đạt được độ cách điện khi chịu
điện áp kiểm tra 2kV
Việc kiểm tra các tiểu mục a và b là áp dụng chung cho các loại công tơ có

sử dụng chung với các máy biến dòng và biến áp đo lường đồng thời cũng áp
dụng cho các công tơ đặc biệt có các cuộn dòng và cuộn áp riêng.
(**) Những mạch điện là đối tượng phải kiểm tra theo tiểu mục a và b sẽ
không phải là đối tượng để kiểm tra theo tiểu mục d. Trong trường hợp mạch áp

Đo lường và các hệ thống điều khiển


- 23 -

Luận văn thạc sỹ khoa học

của công tơ ba pha có điểm đấu chung khi công tơ làm việc điểm đấu chung này
sẽ được duy trì cho việc kiểm tra và tất cả các mạch của các cơ cấu đo sẽ là đối
tượng của các phép kiểm tra đơn lẻ
(***) Phép kiểm tra đánh thủng cách điện chưa phải là hoàn toàn tuyệt đối
nhưng đó cũng đủ là cơ sở để xác định khả năng phóng điện bề mặt khi các phần
tử kết nối được để mở.
(****) Nếu không có nghi ngờ gì về phép thử tiểu mục c thì không cần thiết phải
tiến hành kiểm tra tiểu mục d của mục D
1.5.4.3. Kiểm tra đo lường
Công tơ điện xoay chiều được kiểm tra đo lường theo trình tự nội dung,
phương pháp và các yêu cầu sau:
a) Kiểm tra tỷ số truyền và cơ cấu đếm

Kiểm tra theo điều 2.12.5TCVN5411-91. Trong quá trình kiểm tra, tang
trống cuối cùng phải quay được ít nhất một vòng
b) Kiểm tra tự quay

Khi không có điện trong mạch dòng (để hở mạch dòng), đĩa công tơ không

được quay quá một vòng ở bất kỳ giá trị điện áp nào trong phạm vi giới hạn từ
80% đến 110% điện áp định mức.
c) Kiểm tra ngưỡng độ nhạy

Đĩa công tơ phải quay đủ 1 vòng và tiếp tục quay liên tục ở điện áp định mức,
tần số danh định và hệ số công suất bằng 1 với giá trị dòng điện không vượt quá giá
trị tính theo dòng điện định mức (In) tương ứng với cấp chính xác quy trong bảng
1.5
Bảng 1. 5: Bảng quy định cấp chính xác tính theo dòng điện định mức In [12]
Loại công tơ

Một biểu giá, không
có chi tiết chống
quay ngược
Tất cả các loại khác

Hệ số công
suất
0.5

Cấp chính xác
1.0

2.0

1

0.003In

0.004In

0.005In

1

0.004In

0.004In

0.005In

Đo lường và các hệ thống điều khiển