Bài giảng Điện kỹ thuật - Đỗ Mười

cản tỷ lệ với tốc độ quay Mc  k cn . Khi Mq  Mc thì đĩa quay với tốc độ đều: k p P  k c n 5.23 Tích phân hai vế phƣơng trình trên trong khoảng thời gian từ t1  t 2 , ta đƣợc: 115 t2 t 2 k Pdt  k Pt k ndt  k N  p p  c c t1 t1 k Hay P.t  A  c .N  CN 5.24 k p Trong đó: A là điện năng tiêu thụ N là số vòng quay của đĩa trong khoảng thời gian từ t1  t 2 k c  C là hằng số của dụng cụ k p Cơ cấu đo kiểu cảm ứng có các đặc điểm sau: - Số vòng quay của phần động, tỷ lệ với điện năng tiêu thụ, nên cơ cấu đƣợc chế tạo làm công tơ đo điện năng - Độ chính xác thấp vì khi làm việc dòng điện xoáy trong đĩa nhôm gây tổn hao công suất - Cơ cấu phụ thuộc vào tần số 5.3. Đo dòng điện và điện áp 5.3.1. Đo dòng điện Để đo dòng điện ta mắc nối tiếp ampemet với mạch cần đo. Muốn ampemet không làm thay đổi dòng điện trong mạch, nó phải có điện trở nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở của mạch cần đo dòng. Để đo các dòng điện một chiều nhỏ, ta dùng điện kế, microampemet, miliampemet. Muốn đo dòng điện một chiều ta dùng các ampemet từ điện hay điện từ. Để mở rộng thang đo đối với dòng điện một chiều, ngƣời ta dùng điện trở sun R s nối song song với cơ cấu đo (hình 5-13a). dòng điện qua cơ cấu chỉ thị (hay cơ cấu đo) là: R s Icc  I 5.25 R cc  R s Trong đó I là dòng điện cần đo, R cc là điện trở của cơ cấu đo. 116 Rs I Is Rng RA + E Rt Icc Rcc a) b) Hình 5-13. a) Mở rộng thang đo ampemet bằng điện trở b) Mạch điện tương đương khi đo dòng điện I Gọi n  là số lần mở rộng thang đo, điện trở của sun R s liên hệ với điện trở cơ Icc cấu theo biểu thức sau: R R  cc 5.26 s n 1 Khi đo, ampemet đƣợc mắc nối tiếp với tải trong mạch đo, ampemet có điện trở nội R cc R s R A  sẽ tiêu hao một phần năng lƣợng của đối tƣợng đo nên gây ra sai số. Hình R cc  R s 5-13b là sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng khi đo dòng điện, khi chƣa mắc ampemet dòng điện qua phụ tải sẽ là: E I  5.27 R ng  R t Lúc mắc ampemet vào mạch cƣờng độ dòng điện qua ampemet là: E IA  5.28 R ng  R t  R A Từ đây ta tìm đƣợc sai số của phép đo ampemet: I  I I 1 R   A 1 A 1  A 5.29 i I I R  1 A  Vì R A   117 Trong đó   R ng  R t . Thông thƣờng ta có R t  R ng nên công thức 5.29 có thể viết gần R A đúng nhƣ sau:  i  . R t Muốn sai số nhỏ R t phải rất lớn so với R A sao cho  i có giá trị bằng cấp chính xác của ampemet. Nếu không thõa mãn yêu cầu này thì sai số hệ thống do ampemet gây ra sẽ lớn hơn sai số của bản thân dụng cụ. Rcc R1 R2 I2 I1 R3 I3 R4 I4 Hình 5-14. Ampemet có nhiều thang đo Hình 5-14 là sơ đồ của ampemet từ điện có nhiều thang đo khác nhau. I I I Hình 5-15. Ampemet điện từ hai thang đo Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp, ngƣời ta dùng các ampemet điện từ hay điện động. Ampemet điện từ đƣợc mở rộng thang đo bằng cách phân đoạn cuộn dây phần tĩnh thành nhiều đoạn bằng nhau, chúng có thể nối song song hay nối tiếp (hình 5- 118 15). Trong trƣờng hợp cần mở rộng hơn nữa thang đo, ngƣời ta dùng máy biến áp biến dòng. Ngoài ra để do dòng điện xoay chiều bằng dụng cụ từ điện ngƣời ta phải chỉnh lƣu dòng xoay chiều băng cách chỉnh lƣu nửa chu kỳ hay cả chu kỳ. 5.3.2. Đo điện áp Khi đo điện áp U giữa hai điểm của mạch điện, ngƣời ta dùng vonmet mắc song song với đoạn mạch cần đo. Để vonmet không ảnh hƣởng đến mạch điện, điện trở của vonmet R V phải rất lớn so với điện trở của đoạn mạch ta cần đo điện áp. Do vậy, dòng 2 điện đi qua vonmet I V sẽ rất nhỏ và công suất vonmet tiêu thụ PV  IV R V sẽ rất nhỏ. Để mở rộng thang đo ngƣời ta dùng điện trở phụ R p mắc nối tiếp với cơ cấu đo (hình 5-16) U Gọi m  là hệ số mở rộng thang đo, khi đó điện trở phụ cần mắc nối tiếp với cơ U cc cấu đo có điện trở R cc đƣợc tính theo công thức sau: R P  R cc m 1 5.30 Khi đo điện áp, vonmet đƣợc mắc song song với tải trong mạch đo, nó tiêu hao một phần năng lƣợng của đối tƣợng đo nên gây ra sai số. Hình 5-16b là sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng khi đo điện áp. Rcc Rp Rng Ucc + Rt Rv U a) b) Hình 5-16. a) Mở rộng thang đo của vonmet b) Mạch điện tương đương khi đo điện áp Khi chƣa mắc vonmet vào mạch, điện áp rơi trên tải là: 119 E U t  R t 5.31 R t  R ng Trong đó: E là sức điện động của nguồn R ng là điện trở nội của nguồn R t là điện trở của phụ tải. Lúc mắc vonmet vào mạch, vonmet đo điện áp rơi trên tải: U t R v R t R ng U V  với R e  5.32 R e  R v R t  R ng Từ đây tính đƣợc sai số của phép đo điện áp bằng vonmet là: U  U U R 1   t v 1 v 1 v 1 u U U R  R R t t e v 1 e R v 1  R   e  Vì R e  R v , khi triển gần đúng hàm 1  ta đƣợc:  R v  1  R  R R  e  e e 1   nên  u  5.33  R v  R v R v Nhƣ vậy, muốn sai số nhỏ thì R v (điện trở trong của vonmet) phải lớn và thõa mãn R điều kiện sau R  e (  là cấp chính xác của vonmet). Nếu điều kiện trên không đƣợc v  thỏa mãn thì sai số hệ thống do vonmet gây ra sẽ lớn hơn sai số của bản thân dụng cụ. Ngƣời ta có thể dùng các cơ cấu đo từ điện, điện từ, điện động để chế tạo vonmet. Để đo điện áp một chiều, ngƣời ta dùng cơ cấu từ điện để chế tạo điện kế từ điện microvonmet hay milivonmet. Vonmet một chiều có thể dùng cơ cấu từ điện hay điện từ. Để đo điện áp xoay chiều, ngƣời ta dùng vonmet từ điện có chỉnh lƣu, hoặc dùng các cơ cấu điện từ, điện động để chế tạo vonmet. 120 5.4. Đo các thông số của mạch điện 5.4.1. Đo điện trở a. Đo điện trở bằng vonmet và ampemet U Dựa trên định luật Ohm R  , bằng cách đo điện áp U và dòng điện I ta sẽ xác I định đƣợc điện trở R của đoạn mạch. Đây là phƣơng pháp đo gián tiếp điện trở R. Việc đo điện trở bằng vonmet và ampemet đƣợc thực hiện theo sơ đồ vẽ ở hình 5-17a, b. Mặc dù có thể sử dụng các dụng cụ đo chính xác, nhƣng giá trị của điện trở nhận đƣợc bằng phƣơng pháp này có thể có sai số lớn. Tùy theo cách mắc ampemet và vonmet mà có giá trị R x đo đƣợc sẽ khác nhau. RA A A I Iv UA Ix Iv Ix + + U U V V Rx Rx - - Rv Rv a) b) Hình 5-17. Đo điện trở bằng vonmet và ampemet Từ hình 5-17a, ta có: U U U R  x  x  x 5.34 x I I  I U x v I  x R v Từ hình 5-17b, ta có: U  U A U  I x R A R x   5.35 I x I x Ta có thể xác định sai số của phép đo điện trở phụ thuộc vào cách mắc vonmet và ampemet. Sai số của phép đo điên trở theo sơ đồ 5-17a là: 121 R  R ' %  x x 100% 5.36 R x Trong đó U R '  x 5.37 x I là giá trị điện trở đo đƣợc theo chỉ số của vonmet và ampemet. R x là giá trị điện trở thực. Từ và 5.34 tính đƣợc: U U U x I  x I  x R ' U R R 1 U R '  1 x 1 I 1 x . v 1 v  . x  x R x U x I U x I R v I R v U I  x R v R ' R Hay %  x 100%  x 100% 5.38 R v R v ' Vì R x  R x Sai số của phép đo điện trở theo sơ đồ 5-17b là: R  R ' %  x x 100% R x Trong đó là giá trị điện trở tính đƣợc theo chỉ số của vonmet và ampemet. R  R ' R ' Ta có:   x x 1 x R x R v ' Thay các giá trị của R x và R x tính theo sơ đồ 5-17b, ta đƣợc: U I U 1 1 R  1 x 1 1 1  A U  I R U  I R I R R ' x A x A 1 x R 1 A x A ' I x U R x ' Nếu sụt áp trên ampemet Ix R A  U hay R A  R x . Khi đó: 122 R R %  A 100%  A 100% 5.39 '   R x R x ' vì có thể coi R x  R x . Từ biểu thức 5.38và5.39 ta thấy rằng, nếu điện trở cần đo là điện trở nhỏ, ta dùng sơ đồ theo hình 5-17a; còn khi đo điện trở lớn ta nên dùng sơ đồ 5-17b. b. Đo điện trở bằng ômmet Để đo điện trở, ta thƣờng dùng ômmet. Trong ômmet ngƣời ta sử dụng cơ cấu đo từ điện; cơ cấu này có thể mắc song song hay nối tiếp với điện trở cần đo (hình 5-18). Để đo điện trở có giá trị vừa và lớn, ngƣời ta dùng cách mắc nối tiếp. Dòng điện I chạy qua ômmet trong trƣờng hợp mắc nối tiếp là (hình 5-18a): E I  5.40 R x  R cc  rs  r Trong đó: E là sức điện động của nguồn một chiều (thƣờng là pin) r là nội trở của pin rs là điện trở điều chỉnh R cc là điện trở của cơ cấu chỉ thị R x là điện trở cần đo M I I Rcc + + Rcc M E E x k Rx R - - ra ra k a) Cơ cấu đo mắc nối tiếp b) Cơ cấu đo mắc song song Hình 5-18. Cách mắc ômmet để đo điện trở Nếu R x quá nhỏ so với tổng trở R cc  rs  r thì dòng điện I trƣớc và sau khi mắc R x gần nhƣ không đổi, vì vậy cách mắc nối tiếp không cho phép đo điện trở nhỏ. 123 Giữ nguyên R cc  rs  r,E , dòng điện I chỉ phụ thuộc vào R x . Do đó căn cứ vào giá trị dòng điện ta chia thang đo theo giá trị của điện trở R x . Trong thực tế sau một thời gian sử dụng điện trở r của pin thay đổi, thƣờng tăng lên. Do vậy phải giảm điện trở điều chỉnh sao cho tổng rs  r vẫn giữ nguyên nhƣ trƣớc. Việc điều chỉnh thƣờng đƣợc tiến E hành khi R x  0 (đóng công tắc K hình 5-18a), khi đó I  có giá trị cực đại và R cc  rs  r kim của ômmet chỉ 0 . Muốn đo điện trở nhỏ ngƣời ta mắc ômmet song song với điện trở cần đo (hình 5- 18b). Trong trƣờng hợp này dòng điện đi qua ômmet sẽ là: ER I  x 5.41 r  rs R cc  R x   R cc R x Trong 5.41, vì E, r, rs và R cc là không đổi nên dòng điện I là hàm số của điện trở cần đo R x . Trong quá trình sử dụng, điện trở của nguồn thay đổi do vậy khi muốn phép đo không phạm sai số ta phải điều chỉnh rs sao cho rs  r trong mọi trƣờng hợp có giá trị không đổi. Với cách mắc song song, một sự thay đổi nhỏ của R x cũng làm cho dòng điện qua ômmet thay đổi, do vậy cách mắc này cho phép đo đƣợc điện trở nhỏ. c. Mêgômmet Mêgômmet là dụng cụ đo điện trở lớn, nó là cơ cấu từ điện nhƣng ở phần động gồm hai cuộn dây đặt vuông góc nhau. Cơ cấu này có tên gọi là lôgômet từ điện. Nguồn điện nuôi lô gô met là máy phát điện một chiều quay tay có điện áp từ 100V đến 500V (hình 5- 19). Trên hình 5-19, dòng điện qua hai cuộn dây là: U I1  5.42 rp1  r1  R x U I 2  5.43 rp2  r2 Trong đó: r1, r2 là điện trở cuộn dây phần động rp1, rp2 là điện trở phụ để điều chỉnh 124 Hình 5-19. Mêgômet kiểu từ điện Góc quay  của mêgômet tỷ lệ với tỷ số của hai dòng điện, nghĩa là:  I   r  r    f  1   f  p2 2  5.44        I2   rp1  r1  R x  d. Cầu đo điện trở Để đo điện trở chính xác hơn ngƣời ta dùng phƣơng pháp cầu để so sánh điện trở cần đo với điện trở mẫu. Hình 5-20 là sơ đồ cầu đo điện trở. Điện trở cần đo R x nằm ở một nhánh của cầu các điện trở R1,R 2 ,R 3 là các điện trở mẫu có thể điều chỉnh đƣợc. Điều chỉnh các điện trở mẫu sao cho cầu cân bằng, khi đó điện thế ở hai điểm c và d bằng nhau, do vậy I1  I 2 và I3  I4 . Ta có: I1R1  I3R 3 vàI1R 2  I3R x 5.45 R 2 R 3 Suy ra: R x  5.46 R1 125 c I2 R1 R2 I1 a b I3 I4 Rx Ra d E Hình 5-20. Cầu đo điện trở Phƣơng pháp đo điện trở trên không thể loại trừ ảnh hƣởng của điện trở tiếp xúc và điện trở dây nối, vì vậy nó không thể đo các điện trở bé. Muốn đo điện trở nhỏ, ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp cầu kép. 5.4.2. Đo tổng trở Ngƣời ta đo tổng trở của mạch điện xoay chiều bằng phƣơng pháp đo gián tiếp dùng ampemet, vonmet và oatmet hoặc bằng phƣơng pháp trực tiếp dùng cầu đo tổng trở xoay chiều. Trong phƣơng pháp đo gián tiếp, nếu ta đo đƣợc dòng I chạy qua tổng trở, điện áp U và công suất P của nó, ta sẽ tìm đƣợc U P Z  vàR  I I 2 5.47 X  Z2  R 2 Phƣơng pháp cầu xoay chiều đƣợc thực hiện nhƣ sau: điều chỉnh điện trở rn và C n sao cho cầu cân bằng (hình 5-21). Khi đó điện thế tức thời ở điểm B và C phải bằng nhau, nghĩa là chúng không những có biên độ bằng nhau mà phải có pha giống nhau, do vậy ta có II12 và II34 nên:  j Lxx  r I1  r 3 I 3 126 rx r2 Lx rn r3 Cn Hình 5-21. Cầu đo điện cảm rn rn r I13 I với là trở kháng tƣơng đƣơng của r mắc song 2 1 jC r n 1 j Cnn r n n jLn  rx r3 song với C n hay  1 jCn rn . So sánh phần thực và phần ảo của chúng ta r2 rn đƣợc: r3 rx  r2 và Lx  Cn r2r3 5.48 rn Nếu biết các tham số của mạch cầu từ công thức 5.48 ta có thể tìm đƣợc điện cảm L x và điện trở rx của cuộn dây tạo nên điện cảm L x . 5.5. Đo công suất và đo năng lƣợng điện 5.5.1. Đo công suất của mạch điện một chiều và công suất tác dụng của mạch xoay chiều một pha Ngƣời ta sử dụng otmet một pha kiểu điện động trong mạch điện một chiều hay xoay chiều một pha để đo công suất tác dụng. Oatmet đƣợc mắc nhƣ hình 5-22. Cuộn dây dòng điện đƣợc mắc nối tiếp với phụ tải, cuộn dây điện áp đƣợc mắc song song với mạch cần đo công suất. Cơ cấu này có góc quay tỷ lệ với công suất một chiều hay xoay chiều tiêu thụ trong mạch ta cần đo. 127 Hình 5-22. Đo công suất tác dụng bằng oatmet một pha kiểu điện động 5.5.2. Đo công suất bằng phƣơng pháp điều chế tín hiệu Gọi U u là tín hiệu tỷ lệ với điện áp U rơi trên phụ tải và U i là tín hiệu tỷ lệ với dòng điện I qua phụ tải; phƣơng pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu U u và U i trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung bằng cách điều chế độ rộng xung (ĐRX) và điều chế biên độ xung (BĐX). Sơ đồ khối cấu trúc của oatmet dựa trên phƣơng pháp điều chế độ rộng xung và biên độ xung vẽ ở hình 5-23a và hình 5-23b là biểu đồ thời gian. Ui t ÐRX U Li t BÐX UU MF f O UU t Utb Utb = KP U1 ÐRX BÐX TP t CT Hình 5-23. a) Oatmet theo phương pháp đo điều chế xung (ĐRX-BĐX) b) Biểu đồ thời gian Nguyên lý hoạt động của oatmet nhƣ sau: Máy phát tần số chuẩn MFf0 tạo ra các xung có biên độ và độ rộng giống nhau, các xung này đƣợc đƣa vào thiết bị biến đổi độ 128 rộng xung (ĐRX). Độ rộng xung ở đây phụ thuộc vào biên độ của điện áp U i (hình 5- 29a). Đầu ra của bộ điều chế độ rộng xung có các xung với độ rộng t i  k1Ui , với k1 là hệ số. Các xung có độ rộng khác nhau này đƣợc đặt vào bộ điều chế biên độ xung (BĐX), chúng đƣợc điều chế biên độ nhờ tín hiệu U u (hình 5-29b) do đó điện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ xung tỷ lệ với công suất tức thời. St k 2Uu t i  k1k 2Uu Ui  kUu Ui ở đây t i là độ rộng xung, k  k1k 2 là hệ số tỷ lệ. Điện áp ra của bộ tích phân (TP) tỷ lệ với công suất trung bình tiêu thụ trên tải; Utb  kP. Oatmet đƣợc chế tạo dựa trên phƣơng pháp này có sai số khoảng  0.1%. 5.5.3. Đo công suất tác dụng của mạch ba pha Đo công suất của mạch ba pha hình sao Y ta có thể dùng các oatmet mắc nhƣ hình 5-24. PA  U A I A cosA P  U I cos B B B B 5.49 PC  U C IC cosC P3pha  PA  PB  PC A * * ZA * B * ZC ZB * C * N Hình 5-24. Đo công suất tác dụng trong mạch ba pha bốn dây Có thể dùng 2 oatmet nối nhƣ hình 5-25 để đo công suất mạch ba pha ba dây, trong đó oatmet thứ nhất đo công suất:   W1  UAC IA cosUAC IA  Oatmet thứ hai đo công suất: 129   W2  UBCIB cosUBC IB  Trong đó:    U  U  U  AC  A  c U BC  U B  U C Vậy tổng chỉ số của 2 oatmet là:              W1  W2  UA  UC IA  UB  UC IB  UA IA  UB IB  UC IA  IB     Vì IA  IB  IC nên ta có: W1  W2  UAIA cosA  UBIB cosB  UCIC cosC  P3pha 5.50 * A * B * C * * * Hình 5-25. Đo công suất mạch ba pha dùng hai oatmet Ngoài ra còn có cách đo công suất tác dụng mạch ba pha với điểm trung tính nhân tạo theo sơ đồ nhƣ hình 5-26. A rd A R1 B Z R2 B C R1 R2 C W rp Hình 5-26. Đo công suất tác dụng mạch ba pha với điểm trung tính nhân tạo 130 5.5.4. Đo công suất phản kháng trong mạch ba pha tải cân bằng Dùng oatmet một pha mắc theo sơ đồ hình 5-27a ta đo đƣợc công suất phản kháng trong mạch ba pha tải cân bằng. UA IA f A W 2p 3 90°- f U B 2p 3 C UC UB a) b) Hình 5-27. Đo công suất phản kháng ba pha bằng một oatmet một pha Cuộn dây dòng điện của oatmet đƣợc mắc vào một đƣờng dây, cuộn dây điện áp đƣợc mắc vào hai đƣờng dây còn lại. Dựa vào giản đồ vectơ (hình 5-27b) ta thấy góc   0 lệch pha giữa dòng IA và điện áp U BC là 90   nên chỉ số của oatmet sẽ là: N  U I cos900   U I sin  1 BC A BC A 5.51 N1  Ud Id sin  Công suất phản kháng của mạch ba pha sẽ là: Q3pha  3Ud Id sin   3N1 5.52 Theo sơ đồ hình 5-27 và giản đồ vectơ của mạch điện ba pha cân bằng (hình 5-28), ta có:     0 P1  UAC IA  Ud Id cosUAC IA  Ud Id cos30   5.53     0 P2  UBCIB  UdId cosUBCIB  UdId cos30   5.54 131 UA 30° IA UAC f 30°- f 30°+ f IC UBC IB UC UB Hình 5-28. Giản đồ vectơ của phụ tải ba pha cân bằng Công suất phản kháng của mạch ba pha cân bằng sẽ đƣợc tính theo công thức sau: Q3pha  3P1  P2  0 0 Q3pha  3U d Id cos30   U d Id cos30   5.55 Q3pha  3U d Id sin  5.5.5. Đo năng lƣợng điện Để đo năng lƣợng điện tiêu thụ trong mạch xoay chiều một pha ta dùng công tơ một pha. Công tơ một pha sử dụng cơ cấu đo cảm ứng. Theo 5.24 số vòng quay N của công tơ tỷ lệ với số năng lƣợng điện tiêu thụ ở trong mạch. Cách mắc công tơ một pha trong mạch điện xoay chiều theo sơ đồ hình 5-29, trong đó cuộn dây dòng điện Wi đƣợc mắc nối tiếp với phụ tải, còn cuộn dây điện áp Wu đƣợc mắc song song với phụ tải. 132 Hình 5-29. Cách mắc công tơ trong mạch một pha 5.5.6. Công tơ điện tử Sơ đồ khối của công tơ điện tử đƣợc vẽ ở hình 5-230. Để chế tạo công tơ điện tử, ngƣời ta biến đổi dòng điện I thành các điện áp U i tỷ lệ với nó nhờ bộ chuyển đổi (CĐ) 1: U1  k1I Một điện áp khác tỷ lệ với điện áp đặt vào U: U2  k 2 U Qua bộ nhân điện tử 2 (nhân analog) hai đại lƣợng U1 và U 2 ta nhận đƣợc điện áp U 3 tỷ lệ với công suất P: U3  k 3P Điện áp này sau khi qua bộ chuyển đổi điện áp – tần số (C/Đ-u/f) 3 hoặc bộ biến đổi analog – digital (A/D) đi vào bộ đếm 4 và tới chỉ thị số 5. 133 I U2 = K2U CÐ X 1 U1 = U1I 2 U3 = K3P CÐ 3 888 u/f 5 Hình 5-30. Sơ đồ khối của công tơ điện tử Số chỉ thị của cơ cấu chỉ thị số sẽ tỷ lệ với năng lƣợng N  CW trong khoảng thời gian cần đo năng lƣợng đó. Tất cả các bộ chuyển đổi (CĐ), bộ nhân, bộ đếm và chỉ thị kết quả trong sơ đồ này đều đƣợc thực hiện bằng mạch điện tử. Công tơ điện tử có thể đạt tới cấp chính xác 0.5. 5.6. Đo hệ số công suất cos  Trong mạch điện một pha ta có thể tính đƣợc hệ số công suất cos nếu sử dụng ampemet, vonmet và oatmet, khi đó cos đƣợc tính theo công thức P cos  UI Trong đó P là công suất tác dụng trong mạch điện I là dòng điện chạy qua trong mạch U là điện áp đặt vào hai đầu đoạn mạch Biết , ta dễ dàng tìm đƣợc góc  và sin  , do vậy tính đƣợc công suất phản kháng Q; đƣợc xác định bằng phƣơng pháp trên sẽ không thuận lợi vì phải tiến hành 134 đo đồng thời ba phép đo khác nhau. Mặt khác khi cos  0.9 phƣơng pháp đo này không chính xác nữa. Để đo trực tiếp góc lệch pha  (hay hệ số công suất cos) ngƣời ta sử dụng fazomet điện động, nó là cơ cấu lôgômet từ điện. Cuộn dây cố định của fazomet đƣợc mắc nối tiếp với phụ tải và tạo ra từ trƣờng để tƣơng tác với hai dòng điện I1 vàI2 ở hai cuộn dây động gắn vuông góc với nhau và đƣợc mắc song song với phụ tải. Ngƣời ta cấu tạo mạch điện của fazomet thế nào để cho momen quay điện từ tác động lên cuộn dây động thứ nhất có dòng I1 sẽ tỷ lệ với của mạch điện cần đo: M1  k1UI cos 5.56 Momen quay điện từ tác động lên cuộn dây động thứ hai có dòng I 2 sẽ tỷ lệ với sin  (xem hình 5-31). M2  k 2 UIsin  Hai cuộn dây động này đƣợc bố trí sao cho các momen quay của chúng có chiều ngƣợc nhau. Khi kim của fazomet ở vị trí cân bằng ta có M1  M2 k1UI cos  k 2 UIsin  k Hay tg  1 5.57 k 2 B1 B2 A I I1 I2 Zt U L1 R2 Hình 5-31. Sơ đồ cấu tạo của fazomet điện động 135 Vì k1 và k 2 có giá trị phụ thuộc vào vị trí của hai cuộn dây động đối với từ trƣờng, k do vậy tỷ số 1 cũng phụ thuộc vào góc quay  của kim fazomet k 2 k tg  1  f  5.58 k 2 Thang đo của fazomet sẽ ghi trực tiếp góc quay  hay cos tƣơng ứng. Đối với các hộ dùng điện ngƣời ta không quan tâm đến giá trị tức thời của cos mà quan tâm đến hệ số công suất trung bình costb ở trong một khoảng thời gian nào đó. Nếu gọi A td và A pk là năng lƣợng điện tác dụng và năng lƣợng điện phản kháng mà hộ dùng điện tiêu thụ trong khoảng thời gian trên, khi đó hệ số công suất trung bình đƣợc tính theo công thức sau: A td costb  5.59 2 2 A td  A pk 5.7. Đo lƣờng các đại lƣợng không điện Ngày nay việc đo lƣờng các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ứng suất đƣợc thực hiện nhờ các bộ chuyển đổi đo lƣờng. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là có độ chính xác cao, có thể đo tự động, đo từ xa và tự ghi kết quả. Các chuyển đổi đo lƣờng cho phép chúng ta biến các đại lƣợng không điện cần đo khác nhau thành các đại lƣợng điện. Ví dụ, biến đổi các đại lƣợng không điện thành sự biến thiên các đại lƣợng điện nhƣ điện áp, điện trở, điện cảm, điện dung. Pin nhiệt điện cho phép ta biến đổi sự chênh lệch nhiệt độ thành sức điện động nhiệt điện. Các bộ chuyển đổi tham số điện cảm hay điện dung có thể dùng để đo lực, áp suất, các dịch chuyển thẳng hay dịch chuyển quay. Trong các bộ chuyển đổi này, điện cảm hay điện dung sẽ biến đổi tùy theo vị trí của yếu tố cảm biến dƣới tác dụng của đại lƣợng ta cần chuyển đổi. Bộ chuyển đổi điện cảm cho phép biến đổi tốc độ hay độ dịch chuyển thành sức điện động. Ví dụ, bộ chuyển đổi điện cảm của máy phát tốc độ sẽ có sức điện động tỷ lệ với số vòng quay. Các bộ chuyển đổi điện áp sử dụng hiệu ứng áp điện của các tinh thể muối xênhet, tinh thể thạch anh hay tuamalin, các tinh thể này sẽ có hiệu điện áp giữa hai bề mặt tỷ lệ với sức nén cơ học. Các bộ chuyển đổi đo lƣờng các đại lƣợng không điện gồm các khối sau đây (hình 5-32). 136 X Y CÐ MÐ CT Hình 5-32. Sơ đồ khối của thiết bị đo các đại lượng không điện - Khối chuyển đổi đo lƣờng (CĐ) cho phép biến đổi các đại lƣợng không điện thành biến thiên của các đại lƣợng điện. - Khối mạch đo (MĐ) thực hiện việc tính toán và gia công tin tức. - Khối chỉ thị thể hiện kết quả đo (CT). 5.8. Đo lƣờng số Các thiết bị đo lƣờng số ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và thay thế dần các dụng cụ đo điện có kim chỉ thị. Các dụng cụ đo này có độ chính xác cao và gắn liền với hệ thống tính toán, điều khiển số, chúng rất tiện lợi cho việc thay đổi phép đo, cho phép thực hiện việc đo nhanh chóng và chính xác; chúng có thể là những dụng cụ đo vạn năng cho phép đo đƣợc điện áp, dòng điện một chiều và xoay chiều, điện trở, điện dung, độ tự cảm, hệ số phẩm chất, tần số, độ dịch pha, khoảng thời gian Kết quả đo có thể ghi lại nhờ thiết bị in số. Dụng cụ này tác động nhanh nên nó cho phép thực hiện 105 đến 106 phép đo trong một giây. Hình 5-33 vẽ sơ đồ nguyên lý của dụng cụ đo chỉ thị bằng số. CĐ CĐ Lượng Mã Giải Chỉ thị X X không điện- tử hóa mã số điện e điện hóa (4) (5) (6) (1) X (2) (3) e X Chuyển đổi A-D e Hình 5-33. Sơ đồ khối của máy đo hiện số - Đại lƣợng cần đo X là đại lƣợng không điện sau khi qua bộ chuyển đổi không điện (1) thành điện vào bộ chuyển đổi điện – điện (2). Bộ chuyển đổi (2) cũng có thể nhận trực tiếp đại lƣợng đo điện X e đƣa từ ngoài vào. 137 - Tại khối chuyển đổi điện – điện (2) tín hiệu điện X e đƣợc biến đổi cho phù hợp với bộ biến đổi tƣơng tự - số (biến đổi A – D). - Khối chuyển đổi tƣơng tự - số. Bộ phận này gồm hai bộ phận. Bộ phận lƣợng tử hóa (3) cho phép đo tín hiệu liên tục một cách rời rạc và bộ phận mã hóa (4) chuyển đổi giá trị tín hiệu đo đƣợc sang mã cần thiết thuận tiện cho việc xử lý thông tin. - Khối giải mã (5) cho phép các kết quả đo đƣợc chuyển từ mã đang xử lý trở về mã 10 của hệ thập phân. - Khối chỉ thị số (6). Các kết quả đo đƣợc đƣợc hiện ra trên bộ chỉ thị theo hệ đếm thập phân. Có nhiều bộ hiện số quang học khác nhau nhƣ đèn điện tích (đèn khí), điốt phát quang (LED) và tinh thể lỏng. LED là điôt bán dẫn, nó sẽ phát sáng khi đƣợc phân cực thuận. Tinh thể lỏng dƣới tác dụng của điện áp sẽ chuyển pha từ trạng thái trong suốt sang trạng thái mờ. Ngày nay, chỉ thị số bằng LED hoặc tinh thể lỏng 7 vạch đƣợc dùng phổ biến hơn cả. - Trong các bộ phận chuyển đổi A-D tín hiệu đầu vào thƣờng yêu cầu là điện áp vì vậy việc đo dòng điện bằng ampemet số về thực chất là đo điện áp rơi trên điện trở mẫu đã biết bằng vonmet số. Ommet số gồm một cần đo điện trở, trong đó điện trở cần đo là một nhánh của cầu. Điện áp xuất hiện trên đƣờng chéo của cầu đƣợc đo bằng vonmet số. Hình 5-34 là đồng hồ đo điện đa năng hiện số DT9205 thƣờng sử dụng trong các phòng thí nghiệm vật lý Hình 5-34. Đồng hồ đa năng hiện số DT9205 138 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 5 1. Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc điểm và ứng dụng của các chỉ thị từ điện, điện từ, điện động, cảm ứng. 2. Nêu cấu tạo của ampemet một chiều. Các phƣơng pháp mở rộng thang đo của ampemet một chiều. 3. Nêu cấu tạo của vonmet một chiều. Các phƣơng pháp mở rộng thang đo của vonmet một chiều 4. Cách đo công suất tác dụng trong mạch ba pha khi tải ba pha cân bằng và không cân bằng. 5. Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc điểm của vonmet số biến đổi thời gian. 6. Cách đo công suất phản kháng trong mạch ba pha tải cân bằng. 7. Sơ đồ khối của các máy đo hiện số. 8. Một ampemet có ba thang đo nhƣ hình 5-34, có các điện trở R1  0.05;R 2  0.45;R 3  4.5. Điện trở của chỉ thị R ct 1k. Dòng điện định mức của chỉ thị Ict  50A . Tính các giá trị I1,I2 ,I3 . ICT RCT I R1 R2 R3 I1 + I I2 - I3 Đáp số: I1  10.05mA;I 2  1000.5mA;I 3  1005mA 9. Nêu phƣơng pháp đo điện trở bằng vonmet và ampemet. 139 Tính sai số của phƣơng pháp đo. Vẽ sơ đồ hai cách mắc vonmet và ampemet. Giả sử rằng điện trở đo R  400 , ampemet có điện trở R A  0.5 , vonmet có R v 10k . Tính sai số mà các cách mắc trên phạm phải, từ đó chọn ra sơ đồ nào là thích hợp trong trƣờng hợp này. Đáp số: - Sơ đồ vonmet song song với điện trở cần đo có   4% - Sơ đồ có ampemet nối tiếp với điện trở cần đo có   0.125% - Sơ đồ mắc ampemet nối tiếp với điện trở cần đo là sơ đồ tốt nhất. 10. Một cơ cấu đo từ điện có dòng điện định mức Ict  20mA. Ngƣời ta mắc thêm vào cơ cấu đo một điện trở sun R s  0.2 . Nó cho phép đo dòng cực đại là 200mA. Ngƣời ta muốn dùng cơ cấu từ điện để đo dòng cực đại là 200mA và đo điện áp 100V, 300v, và 600V. Hãy tính các điện trở phụ và vẽ sơ đồ mạch điện. Đáp số: R1 100V   4998.2;R2 300V   10k;R3 600V   15k 140 CHƢƠNG 6. AN TOÀN ĐIỆN 6.1. Tác dụng sinh lý của dòng điện đối với cơ thể ngƣời Dòng điện đi qua cơ thể sẽ gây ra hàng loạt các hiện tƣợng lý, hóa, sinh học phức tạp ảnh hƣởng đặc biệt đến sức khỏe nhƣ làm hủy hoại bộ phận thần kinh điều khiển các giác quan bên trong của con ngƣời, làm tê liệt cơ thịt, sƣng màng phổi, hủy hoại cơ quan hô hấp và tuần hoàn máu. Tác dụng của dòng điện phụ thuộc vào đƣờng đi của nó qua cơ thể con ngƣời, thời gian tác dụng và tần số. Tác dụng của dòng điện càng nguy hiểm khi nó đi qua phổi, đặc biệt là qua tim. Nó làm cho hô hấp bị đình trệ, tim đập rối loạn, thậm chí ngừng đập. Sau đây ta xét tác dụng của dòng điện xoay chiều tần số 50Hz đối với cơ thể ngƣời khi nó đi từ tay nọ sang tay kia. Với dòng điện 0.6 – 1.5mA ta có cảm giác buốt nhói nhẹ, nó không gây nguy hiểm cho tính mạng con ngƣời, nhƣng nếu tác dụng của nó kéo dài sẽ gây ảnh hƣởng xấu tới sức khỏe. Dòng điện có cƣờng độ 3 – 5mA gây đau buốt tất cả các cơ của cánh tay. Dòng điện có cƣờng độ 10 – 15mA là dòng điện con ngƣời không chịu đựng nổi. Nó gây ra đau buốt và làm co rút cơ khiến cho ngƣời bị nạn không thể co tay tiếp xúc với dòng điện. Dòng điện có cƣờng độ 25 – 50mA tác dụng không những lên cơ tay mà cả trong cơ thể, kể cả cơ lồng ngực, thu hẹp các huyết quản, làm tăng áp suất động mạch và làm cho con ngƣời bị mất hết cảm giác. Tác dụng lâu dài nó có thể gây ngừng thở và thậm chí làm chết ngƣời. Dòng điện có cƣờng độ 100mA trở lên sẽ đi sâu vào trong ngực, kích thích cơ tim và chỉ 1 – 2 giây sau các sợi cơ tim bị co rút, máu ngừng vận chuyển trong các mạch máu và gây chết ngƣời. Với các dòng điện xoay chiều tần số lớn hơn 50Hz, bắt đầu từ 1000Hz – 2000Hz, mức độ nguy hiểm do dòng điện gây ra giảm xuống đáng kể và với dòng điện tần số 450 – 500kHz mức độ nguy hiểm không còn nữa (trừ việc gây bị bỏng do hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện tần số cao). Đối với dòng điện một chiều có điện áp dƣới 250 – 300V mức độ nguy hiểm của nó đối với cơ thể giảm đi khoảng 4 – 5 lần so với dòng điện xoay chiều. Với các điện áp cao hơn thì dòng điện một chiều cũng nguy hiểm nhƣ dòng điện xoay chiều. 141 Cƣờng độ dòng điện chạy qua cơ thể con ngƣời phụ thuộc vào điện áp đặt vào cơ thể và điện trở của con ngƣời. Điện trở của ngƣời biến đổi trong một phạm vi khá rộng từ 3000 đến 100000  hoặc hơn nữa; nó đƣợc quyết định chủ yếu bởi lớp da ngoài cùng. Nếu mặt lớp da ngoài cùng bị bẩn hay có bám bụi kim loại hoặc mồ hôi thì điện trở của ngƣời giảm đi rất nhiều, có khi chỉ còn 300 500. Ngƣợc lại nếu lớp da ngoài bị chai sạn nhiều (ví dụ ở da bàn tay, bàn chân), điện trở của nó lại rất cao. Mặt khác điện trở của ngƣời còn phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và áp lực tiếp xúc. Điện áp đặt vào ngƣời càng cao thì điện trở của ngƣời càng giảm, ngoài ra nếu thời gian dòng điện đi qua cơ thể càng lâu thì điện trở của nó cũng bị giảm vì lớp da ngoài bị nóng lên, mồ hôi thoát ra làm cho điện trở của ngƣời bị giảm xuống. Thí nghiệm cho thấy: Với dòng điện 0.1mA điện trở ngƣời R ng  500.000 Với dòng điện 10mA điện trở ngƣời R ng  8.000 Đối với các đƣờng dây cao áp 500kV hay cao hơn nữa, xung quanh chúng tồn tại điện từ trƣờng tần số công nghiệp. Con ngƣời đứng trong điện từ trƣờng này có thể coi nhƣ một khối dẫn điện, đóng vai trò nhƣ một điện dung, dòng điện I chạy qua ngƣời phụ thuộc điện trƣờng E và giá trị điện dung tƣơng đƣơng C tđ I  Ctđ E Với dòng điện 0.015 0.025A đi qua ngƣời các biểu hiện ức chế thần kinh nhƣ đau đầu, uể oải, buồn ngủ xuất hiện. Các biểu hiện trên sẽ mất khi nghỉ ngơi. Khi tăng dòng điện lên cao hơn, làm việc trong một thời gian dài các biểu hiện trên không mất đi khi nghỉ ngơi, trái lại có các biểu hiện tích lũy, làm việc lâu dài sẽ ảnh hƣởng đến sức khỏe. Trƣờng điện từ tần số công nghiệp có thể ảnh hƣởng đến hệ thần kinh, tuần hoàn, hô hấp và thính giác. Mức độ ảnh hƣởng phụ thuộc vào cƣờng độ điện trƣờng và thời gian chịu tác động. Một số nƣớc đã ban hành tiêu chuẩn quy định giới hạn cho phép về cƣờng độ điện trƣờng làm việc lâu dài, tiêu chuẩn của Đức là 10kV/m và tiêu chẩn của một số nƣớc khác là 5kV/m. Để đảm bảo an toàn ta nên hạn chế ngƣời đi lại và làm việc dƣới đƣờng dây có điện áp từ 500kV trở lên. 6.2. Các nguyên nhân gây ra tai nạn về điện Các tai nạn về điện thƣờng xảy ra trong các trƣờng hợp sau đây: Do ngƣời chạm phải đƣờng dây tải điện hay các bộ phận có mang điện của thiết bị điện. Ví dụ ở mạng điện ba pha, điểm trung tính không nối đất, giả sử ta tiếp xúc với hai dây tải điện (hình 6-1), khi đó con ngƣời chịu tác dụng của điện áp dây Ud  380V và nếu 142 ta tiếp xúc tốt với các dây pha, khi đó giá trị trung bình của điện trở của con ngƣời R ng vào khoảng 1000 vì vậy dòng điện đi qua cơ thể sẽ là: U 380V I  d   0.38A  380mA R ng 1000 sẽ rất nguy hiểm cho con ngƣời dù rằng ngƣời đó có cách điện tốt đối với đất. Up Ud Hình 6-1. Tai nạn do chạm phải hai dây pha của mạng điện ba pha có điểm trung tính của nguồn không nối đất Up Ud Up Ro Hình 6-2. Tai nạn do chạm phải một dây pha của mạng điện ba pha có điểm trung tính của nguồn nối đất Ở mạch ba pha có điểm trung tính của nguồn điện nối đất, nếu ta chạm phải một dây pha (hình 6-2), khi đó điện trở của con ngƣời, điện trở của giày dép, điện trở của sàn và điện trở nối đất của nguồn tạo thành một mạch nối tiếp. Nếu nhƣ giày dép ẩm ƣớt, nền đất ẩm ƣớt hay sàn dẫn điện tốt thì điện trở của các vật này cũng nhƣ điện trở nối đất R 0 của nguồn điện có thể bỏ qua so với điện trở của con ngƣời, dòng điện qua cơ thể khi đó sẽ là: U p 220V I    0.22A  220mA R ng 1000 143 Dòng điện này khá lớn, gây chết ngƣời. Tuy nhiên nếu con ngƣời đi giày cao su cách điện tốt (giả sử có điện trở là 45000 ) và đứng trên sàn gỗ khô (giả sử có điện trở 100000) thì dòng điện qua ngƣời trong trƣờng hợp này là: 220V I   0.0015A 1.5mA 1000  45000 100000 Dòng điện này không nguy hiểm đối với ngƣời. Qua ví dụ trên đây, ta thấy rằng để bảo vệ cho con ngƣời thì giày cao su cách điện tốt cũng nhƣ sàn gỗ khô có vai trò rất quan trọng. Up Ud Ud Hình 6-3. Chạm phải một pha của mạng điện ba pha có điểm trung tính của nguồn không nối đất Trong mạch điện ba pha không nối đất, nếu ta chạm phải một pha thì điện trở của ngƣời cùng với điện trở của các dây pha đối với đất (điện trở giữa các dây pha và đất hình 6-3 do cách điện không thật hoàn hảo hoặc do mối liên hệ điện dung giữa các dây pha và đất sẽ gây ra một dung kháng nào đó giữa dây pha và đất) sẽ tạo thành mạch kín (hình 7- 3) khi đó có thể coi nhƣ ta đồng thời chạm vào hai pha kia. Đối với mạng điện dƣới 1000V, nếu cách điện của các dây pha đối với đất tốt, điện trở này thƣờng rất lớn, dòng điện qua ngƣời sẽ rất nhỏ và do đó không nguy hiểm cho ngƣời chạm phải một pha. Nhƣng nếu một pha của mạng điện bị chạm đất mà ta lại đứng ở đất và chạm phải dây pha khác, lúc đó có thể coi ngƣời chịu tác dụng điện áp dây của mạng và dòng điện qua ngƣời là 144 U I  d R ng có thể lớn làm nguy hiểm đến tính mạng. Một nguyên nhân khác thƣờng gặp hơn cả trong các tai nạn về điện là con ngƣời chạm phải các bộ phận kim loại không nối trực tiếp vào mạng điện (nhƣ vỏ động cơ, vỏ các thiết bị điện) nhƣng do thiết bị làm việc lâu ngày trở nên dẫn điện, hiện tƣợng đó đƣợc coi là hiện tƣợng chạm vỏ. Thiết bị điện bị chạm vỏ thƣờng khó phát hiện trƣớc, ngƣời sử dụng dễ bị điện giật. Tai nạn do sự phóng điện hồ quang giữa các phần mang điện áp cao và con ngƣời ở cự ly quá ngắn cũng thƣờng xảy ra. Đôi khi tai nạn về điện cũng xảy ra khi con ngƣời không tiếp xúc với các dây pha hay các bộ phận của thiết bị điện, tai nạn này xảy ra do điện áp bƣớc. Điện áp này xuất hiện khi một đƣờng dây đang tải điện bị đứt và rơi chạm đất, khi đó sẽ có một dòng điện tản chạy từ nơi dây điện chạm đất vào trong đất, do vậy mà mỗi điểm của đất sẽ có một điện thế nhất định. Điểm ở nơi dây điện chạm đất, có điện thế bằng điện thế của đƣờng dây, càng đi ra xa điểm chạm đất điện thế càng giảm (hình 6-4). Điện áp giữa hai điểm cách nhau một bƣớc chân (khoảng 0.8m) gọi là điện áp bƣớc. Trong vòng bán kính 20m kể từ điểm dây dẫn chạm đất nếu ngƣời và súc vật đi lại trong vùng đó sẽ chịu một điện áp bƣớc và có dòng điện chạy qua cơ thể. Vì vậy khi đƣờng dây mang điện bị đứt và chạm đất ta phải cắt điện ngay, nếu chƣa kịp phải cấm không cho ngƣời hay súc vật qua lại gần nơi đó. A B E F C G D Ði?m ch?m d?t m 0 0,8 2,4 4 20 Hình 6-4. Sự phân bố điện thế của đất ở những khoảng cách khác nhau, kể từ điểm dây dẫn chạm đất 145 Trên đây là các tai nạn về điện thƣờng xảy ra ở mạch điện hạ áp thƣờng có điện áp từ 110V đến 380V. Đối với mạch điện cao áp thƣờng có giá trị từ 6kV đến 500kV hay cao hơn nữa, tai nạn về điện xảy ra ngay khi con ngƣời chƣa tiếp xúc với các điện áp này. Con ngƣời khi tới quá gần đƣờng dây cao áp hoặc thanh cái trong các trạm biến thế, sẽ bị phóng điện vào cơ thể. Ở điều kiện môi trƣờng bình thƣờng, chỉ tiêu phóng điện chắc chắn là 30kV/cm. Đƣờng điện cao áp, các trạm biến áp có cấp điện áp nhỏ hơn 66kV thƣờng đi gần các khu dân cƣ để dẫn đến các trạm hạ áp; đƣờng dây này chỉ cao hơn khoảng 8 đến 10m, nếu các công trình (ví dụ nhà cửa của nhân dân) xây dựng vi phạm khoảng cách an toàn của đƣờng dây và trạm sẽ có thể bị phóng điện làm chết ngƣời. 6.3. Các biện pháp bảo vệ an toàn điện 6.3.1. Tiếp địa bảo vệ Biện pháp này đƣợc áp dụng trong mạch điện ba pha có điểm trung tính của nguồn không nối đất. Khi đó ngƣời ta nối vỏ máy của động cơ hay các phần kim loại không mang điện của thiết bị điện với hệ thống tiếp địa bảo vệ. Hệ thống này thƣờng đƣợc làm bằng các ống thép đƣờng kính 3 – 5cm hoặc các thanh thép có kích thƣớc từ 40x40 đến 60x60mm và dài quãng 2.5 – 3m. Tất cả hệ thống đƣợc hàn lại với nhau và chôn sâu ở trong đất để đảm bảo điện trở nối đất nhỏ (thƣờng bé hơn 10 ). Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng các kết cấu kim loại chôn trong đất nhƣ ống nƣớc, vỏ chì của dây cáp hay các cấu trúc kim loại khác làm tiếp địa bảo vệ. Nhờ có điện trở tiếp địa nhỏ nên khi các thiết bị bị chạm vỏ nếu vô ý chạm phải con ngƣời chỉ chịu một điện áp nhỏ tác dụng không gây nguy hiểm (hình 6-5). C B A f td Hình 6-5. Tiếp địa bảo vệ động cơ điện 146 6.3.2. Nối dây trung tính Ở một mạng điện ba pha có điểm trung tính của nguồn nối đất ngƣời ta không sử dụng tiếp địa bảo vệ nhƣ đã nói ở trên vì không an toàn cho con ngƣời. Ở mạng điện này, ngƣời ta thực hiện việc bảo vệ chạm vỏ bằng cách nối vỏ máy hay các phần kim loại không mang điện của thiết bị với dây trung tính. Đó là phƣơng pháp bảo vệ bằng nối dây trung tính (hình 6-6). Nhờ cách bảo vệ này nên khi động cơ bị chạm vỏ mạch điện trở thành ngắn mạch một pha. Do dòng điện ngắn mạch lớn, thiết bị bảo vệ động cơ sẽ hoạt động và ngắt động cơ ra khỏi mạng điện. Nếu khi động cơ bị chạm vỏ mà không đƣợc cắt ra khỏi mạng điện (ví dụ do dây trung tính bị đứt) khi đó không những động cơ này mà tất cả các thiết bị khác nối với dây trung tính đều có điện thế cao so với đất gây nguy hiểm cho ngƣời chạm phải. Do vậy, trong cách bảo vệ bằng nối dây trung tính các loại cầu dao, cầu chì không đƣợc đặt ở dây trung tính và để đảm bảo an toàn ngƣời ta phải thực hiện tiếp địa lặp lại. C B A 0 Ingm Hình 6-6. Bảo vệ nối dây trung tính vỏ động cơ điện 6.3.3. An toàn đối với mạng cung cấp điện Mỗi đƣờng dây cao áp trên không, đƣờng cáp điện ngầm dƣới đất hay dƣới nƣớc đều có quy định hành lang bảo vệ suốt dọc đƣờng dây truyền điện. Để đảm bảo an toàn khoảng cách từ đƣờng dây ngoài cùng, khi không có gió cho tới các công trình cố định phải tuân theo Quy định bảo vệ an toàn lƣới điện cao áp và siêu cao áp nhƣ ở bảng 6.1 147 Bảng 6.1. Hành lang bảo vệ đường dây cao áp Đến 15m 35 110 220/230 500 Điện áp (kV) Dây bọc Dây trần 3 4 6 7 Khoảng cách (m) 1 2 Mặt khác, phải đảm bảo an toàn cho ngƣời không tiếp xúc với đƣờng dây và trạm cao áp và phải giữ khoảng cách an toàn tối thiểu giữa ngƣời đến đƣờng dây tải điện hoặc các bộ phận có điện áp nhƣ ở bảng 6.2. Bảng 6.2. Khoảng cách an toàn tối thiểu đến dây tải điện cao áp Điện áp (kV) 6 15 15 35 35110 Khoảng cách (m) 0.75 1 1.5 6.4. Các phƣơng tiện bảo vệ và xử lý khi có tai nạn về điện Để bảo vệ con ngƣời khi làm việc với các thiết bị điện khỏi bị tác dụng của dòng điện, hồ quang cần phải sử dụng các phƣơng tiện bảo vệ cần thiết. Các phƣơng tiện bảo vệ chia thành nhóm: a) Phƣơng tiện cách điện, tránh điện áp (bƣớc, tiếp xúc, làm việc) gồm: sào cách điện, kìm cách điện, dụng cụ có tay cầm cách điện, găng tay cao su, giầy cao su, ủng cao su, đệm cách điện cao su. b) Thiết bị thử điện di động, kìm đo dòng điện c) Bảo vệ nối đất di chuyển tạm thời, hàng rào, bảng báo hiệu d) Phƣơng tiện bảo vệ tránh tác dụng của hồ quang, mảnh kim loại bị nung nóng, các hƣ hỏng cơ học: kính bảo vệ, găng tay bằng vải bạt, dụng cụ chống khí độc. 148 Hình 6-7. Các phương tiện bảo hộ dùng để ngăn ngừa các tai nạn về điện Phƣơng tiện bảo vệ cách điện chia làm hai loại: chính và phụ. - Phƣơng tiện bảo vệ chính có cách điện đảm bảo không bị điện áp của thiết bị chọc thủng, có thể dùng chúng để sờ trực tiếp những phần mạng điện. Phƣơng tiện bảo vệ chính thƣờng làm bằng chất có đặc tính cách điện bền vững (bakelit, ebonit, ghêtinắc v.v). - Phƣơng tiện bảo vệ phụ: bản thân chúng không thể bảo vệ đƣợc mà chỉ là phƣơng tiện phụ vào phƣơng tiện chính. Loại bảo vệ Điện áp cao hơn 1000 V Điện áp thấp hơn 1000V Chính Sào, kìm Sào, kìm, găng tay cách điện, dụng cụ của thợ điện có cán cách điện (10cm) Phụ Găng tay cách điện, đệm, Giầy, đệm, bệ cách điện bệ, giầy ống ngắn và dài Phƣơng tiện bảo vệ phải đƣợc giữ gìn theo quy tắc định sẵn. Trong các trạm phân phối trong nhà, ở lối đi vào phải có chỗ dành riêng để thiết bị bảo vệ (móc treo dụng cụ, tủ để cất găng tay ). 149 Cần có các bảng báo hiệu để báo trƣớc sự nguy hiểm cho ngƣời đến gần vật mang điện, cấm thao tác những thiết bị gây ra tai nạn chết ngƣời, để nhắc nhở Ví dụ các bảng báo: “Điện thế cao – nguy hiểm”, Không trèo – nguy hiểm chết ngƣời”, “Không đóng điện – có ngƣời đang làm việc” Việc kiểm tra thƣờng xuyên trạng thái cách điện của các thiết bị điện là một biện pháp quan trọng khác để ngăn ngừa các tai nạn về điện. Ít nhất 3 năm một lần phải kiểm tra trạng thái cách điện của các thiết bị bằng mêgômmet có điện áp định mức 1000V. Đối với đƣờng dây điện lực và thắp sáng điện trở cách điện của chúng không đƣợc bé hơn 0.5 M . Thứ tự trong thao tác thiết bị không đúng trong khi đóng cắt mạch điện là nguyên nhân của sự cố nghiêm trọng và tai nạn nguy hiểm cho ngƣời vận hành. Để tránh tình trạng trên quy trình vận hành thiết bị quy định nhƣ sau: - Ngƣời trực ban phải luôn luôn có sơ đồ nối dây điện của các đƣờng dây. Trong sơ đồ này vẽ tình trạng thực của các thiết bị điện và những điểm có nối đất. Ngƣời trực ban chỉ có thể thao tác theo mệnh lệnh, trừ các trƣờng hợp xảy ra tai nạn mới có quyền tự động thao tác rồi báo cáo sau. - Khi có nhiều ngƣời trực ban, sự thao tác phải do hai ngƣời đảm nhiệm, một ngƣời bậc III, một ngƣời bậc IV. - Sau khi nhận mệnh lệnh thao tác, trực ban phải ghi vào sổ và làm phiếu thao tác, cần chú ý đặc biệt đến trình tự thao tác. Khi có tai nạn về điện trong mạng điện hạ thế trƣớc tiên, bằng mọi cách ta phải lập tức ngắt mạch điện bằng cầu dao, cầu chì hoặc dùng các vật liệu cách điện (gỗ) để làm gián đoạn mạch điện. Khi kéo ngƣời bị nạn ra khỏi mạng điện ta phải đeo găng tay cao su hay dùng các vật liệu cách điện khác để kéo ra. Sau đó đƣa ngƣời bị nạn vào chỗ thoáng mát, nếu họ bị bất tỉnh phải đi gọi bác sỹ ngay. Trong khi chờ đợi phải mở hết những chỗ quần áo bó hẹp của nạn nhân (nhƣ cổ áo, thắt lƣng) để khỏi cản trở hô hấp, dùng vật cứng cạy miệng nạn nhân, kéo lƣỡi vì lƣỡi thƣờng bị tụt sâu bên trong sau khi bị điện giật và tiến hành làm hô hấp nhân tạo cho đến khi ngƣời bị nạn hồi tỉnh và thở bình thƣờng mới thôi. Thổi ngạt kết hợp với ấn tim là phƣơng pháp hiệu quả nhất nhƣng cần chú ý là khi nạn nhân bị tổn thƣơng cột sống không nên làm động tác ấn tim. Hình 6-8 minh họa cấp cứu tạm thời nạn nhân bằng hô hấp nhân tạo và ấn tim lồng ngực. 150 Hình 6-8: Hô hấp nhân tạo và ấn tim lồng ngực 151 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP CHƢƠNG 6 1. Dòng điện có tác dụng nhƣ thế nào đối với cơ thể ngƣời? 2. Trị số dòng điện, thời gian, đƣờng đi và tần số của dòng điện giật đối với cơ thể con ngƣời có ảnh hƣởng nhƣ thế nào? 3. Trình bày quy định về điện áp cho phép đối với cơ thể con ngƣời? 4. Điện áp bƣớc là gì? Khoảng cách an toàn xa chỗ chạm đất của dây đang dẫn điện là bao nhiêu để có thể xem điện áp bƣớc bằng không? 5. Hãy nêu các biện pháp bảo vệ an toàn điện và phạm vi ứng dụng của chúng. 6. Có những phƣơng tiện bảo hộ nào để ngăn ngừa các tai nạn về điện? 7. Khi gặp ngƣời bị điện giật cần phải làm gì? Trình bày cách cấp cứu ngƣời bị điện giật. 8. Một mạng điện ba pha điện áp 380/220V có trung tính trực tiếp nối đất, có điện trở nối đất r0  4. Một ngƣời đứng trên nền có điện trở nền dƣới chân ngƣời bằng không, chạm vào một pha nào đó của mạng này. Ngƣời này có điện trở ngƣời R ng 1000 . Nếu coi điện trở cách điện của mạng là lý tƣởng; hãy tính dòng điện đi qua ngƣời. Đáp số: Ing  0.22A 9. Một mạng điện ba pha điện áp 380/220V có trung tính trực tiếp nối đất, có điện trở nối đất r0  4. Một dây pha bị đứt chạm đất có điện trở chỗ chạm đất là 12 . Hãy tính dòng điện chạm đất. Đáp số: Iđ 13.75A 152 PHỤ LỤC BIỂU DIỄN DÕNG ĐIỆN HÌNH SIN BẰNG SỐ PHỨC 1. Cách biểu diễn số phức . Trong mặt phẳng tọa độ phức, một số phức C đƣợc biểu diễn dƣới các dạng sau đây: Dạng đại số: C a jb Dạng lƣợng giác: C Ccos   jCsin  Dạng hàm mũ: C Cej  C  Trong đó j  1 là đơn vị ảo; a là phần thực, jb là phần ảo; C  a 2  b2 là môđun (độ lớn) của số phức b   arctg là argumen (góc). a 2. Một số phép tính đối với số phức a) Hai số phức đƣợc coi là bằng nhau nếu phần thực và phần ảo của chúng tƣơng ứng bằng nhau. b) Cộng và trừ: Khi phải thực hiện các phép tính cộng hoặc trừ các số phức, ta biểu diễn các số phức này dƣới dạng đại số và tiến hành cộng (hay trừ) phần thực với phần thực, phần ảo với phần ảo. Ví dụ: Cho hai số phức A12 a  jb,A  c  jd , và gọi: AAA12. Khi đó ta có: A A1 A 2 (a c) j(b d);A  A 1 A 2 (a c) j(b d) c) Hai số phức đƣợc gọi là liên hợp (liên hợp phức) nếu phần thực của chúng bằng nhau và phần ảo của chúng bằng nhau nhƣng khác dấu.  j  j Ví dụ: A a  jb  Ae có liên hợp phức là A a  jb  Ae  153 * Tích của hai số phức liên hợp cho ta một số thực: A .A a2  b 2  A 2 d) Nhân, chia: Muốn nhân (hoặc chia) hai số phức ta biểu diễn chúng dƣới dạng hàm mũ. Số phức mới có đƣợc sau khi thực hiện phép nhân (hoặc chia) có môđun bằng tích môđun của các số phức thành phần và có argumen bằng tổng (khi thực hiện phép nhân) hoặc hiệu (khi thực hiện phép chia) argumen của các số phức thành phần. j 2 2 b Ví dụ: A1  a  jb  A e 1 với A  a  b ,  arctg 1 1 1 a j 2 2 d A2  c  jd  A e 2 , với A  c  d ,  arctg 2 2 2 c jj12 j12   j Với phép nhân ta có: A A12 A  A1 e A 2 e  A 1 A 2 e hay A Ae với A  A1A2 và   1  2 . j1 A1 A e A j   j A Với phép chia ta có: B 11  e12  Be với B  1 và j2 Ae A A 2 A2 2 2   1  2 . Ta cũng có thể nhân hai số phức đƣợc biểu diễn dƣới dạng đại số nhƣ thông thƣờng a  jbc  jd ac  jbc  jad  j2bd  (ac  bd)  j(bc  ad) vì j2  1 Khi hai số phức đƣợc biểu diễn dƣới dạng đại số, thƣơng của chúng cũng là một số phức; số này có đƣợc bằng cách nhân số chia và số bị chia với liên hợp phức của số chia. a  jb a  jbc  jd ac  bd   jbc  ad Ví dụ:   c  jd c  jdc  jd c2  d 2 e) Tích của một số phức với e j tƣơng ứng với việc quay vectơ biểu diễn số phức đó một   j góc  ; tích của một số phức với e 2  j tƣơng đƣơng với việc quay vectơ biểu diễn đó  một góc bằng  . 2 3. Biểu diễn các đại lƣợng hình sin bằng số phức Một dòng điện hình sin i  I 2 sint   hoàn toàn xác định khi ta biết đƣợc I (giá trị hiệu dụng),  và  . Do vậy ta có thể biểu diễn các đại lƣợng điện hình sin bằng số 154 phức nhƣ sau: môđun của số phức là trị số hiệu dụng và argumen (góc) của số phức là pha ban đầu. ji Dòng điện phức: I Ie  I i ju Điện áp phức: U Ue  U u Tổng trở phức các nhánh R,XL ,XC mắc nối tiếp là j Z  Ze  Zcos  jZsin   R  jXL  XC  X  X Trong đó Z  R 2  X  X 2 ;  arctg L C . L C R 4. Biểu diễn các đại lƣợng của mạch điện dƣới dạng số phức U -Định luật Ohm I  Z -Định luật Kirchoff 1 cho một nút I0 nút -Định luật Kirchoff 2 cho một vòng kín ZIE machvòng mach vòng Các quy ƣớc về dấu tƣơng tự nhƣ ở mạch điện một chiều. -Tổng trở phức tƣơng đƣơng Ztđ của các tổng trở mắc nối tiếp Ztđ  Z1  Z2  ... Zn trong đó Z1, Z2 ,...,Zn là các tổng trở phức thành phần. -Tổng trở phức tƣơng đƣơng Ztđ của các nhánh mắc song song 1 1 1 1    ... Ztđ Z1 Z2 Zn trong đó là các tổng trở phức của các nhánh tƣơng ứng. 155 5. Cách tính công suất của một mạch điện xoay chiều Gọi U Ue ju là điện áp phức tác dụng vào hai đầu đoạn mạch và I Ieji là dòng điện phức chạy qua đoạn mạch đó. Ta có: * j j j   j UI Ueu Iei  UIeui  UIe Trong đó  là góc lệch pha giữa điện áp U và dòng điện I của mạch điện. UI*  UIej  UIcos  jUIsin   P  jQ UI*  P  jQ 156 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phan Trần Hùng. Điện Kĩ Thuật. Nhà Xuất Bản Đại Học Sƣ Phạm, 2006. 2. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh. Kỹ Thuật Điện. Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 1997. 3. Phan Trần Hùng, Nguyễn Văn Ánh. Vật Lý Kĩ Thuật I. Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2001. 4. Trần Minh Sơ. Kĩ Thuật Điện 2. Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2001. 5. Nguyễn Chu Hùng, Tôn Thất Cảnh Hƣng. Kỹ Thuật Điện I. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP. HCM. 6. Nguyễn Đình Thắng. Giáo Trình An Toàn Điện. Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2008. 7. Nguyễn Văn Chất. Giáo Trình Kỹ Thuật Điện. Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2007. 8. Nguyễn Văn Tuệ. Điện Học Cơ Bản Và Mạch Điện – Mạch Từ. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2003. 9. Nguyễn Thành Vấn. Điện Và Từ. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, 2008. 10. Phan Thị Huệ. Bài Tập Kỹ Thuật Điện – Trắc Nghiệm Và Tự Luận. Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2008. 11. Nguyễn Trọng Thắng, Lê Thị Thanh Hoàng. Giáo Trình Kỹ Thuật Điện. Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2008. 157