Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 4: Đo lường điện

8/2/2012 BMNL 96 Chương 4: Đo lường điện 4.1. Khái niệm chung Đo lường điện có thể đo các đại lượng điện như dòng điện, điện áp, công suất ngoài ra còn đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, quang thông, áp suất 4.1.1. Sai số và cấp chính xác Nguyên nhân gây sai số: - Sai số cơ bản: là sai số vốn có của dụng cụ đo do quá trình chế tạo dụng cụ. Ví dụ như ma sát trên trục trụ, vạch chia độ trên mặt dụng cụ không chính xác - Sai số phụ: là sai số do phương pháp đo không chính xác + Điều kiện môi trường khi đo khác với điều kiện chuẩn + Cá nhân người đo có một số tật như nhìn lệch + Một số trường hợp ngẫu nhiên do những thay đổi bất thường trong quá trình đo. 8/2/2012 BMNL 97 Có 2 loại sai số: sai số tuyệt đối và sai số tương đối Nếu gọi A là trị số đúng của đại lượng cần đo. Gọi A’ là trị số đo được thì độ lệch gọi là sai số tuyệt đối. gọi là sai số tương đối. Cấp chính xác Để đánh giá một dụng cụ đo chính xác cao hay thấp người ta quy định ra cấp chính xác Cấp chính xác của dụng cụ đo là trị số lớn nhất cho phép tính theo phần trăm của sai số cơ bản với trí số lớn nhất của thang đo. Theo tiêu chuẩn của Việt Nam dụng cụ đo được chế tạo theo tám cấp chính xác, đó là: cấp 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 và 4 A A%A D=D 'AAA -=D 8/2/2012 BMNL 98 Ví dụ: Một Voltmet có số đo lớn nhất là 450V, cấp chính xác là 1 thì sai số tuyệt đối lớn nhất vốn có của dụng cụ đó là: - Những dụng cụ đo có cấp chính xác từ 0,05 đến 0,5 là loại cấp chính xác dùng trong phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học. - Loại dụng cụ có cấp chính xác từ 2,5 đến 4 là dụng cụ có cấp chính xác thấp dùng trong nhà máy, trong phòng thực tập ở nhà trường. - Loại dụng cụ có cấp chính xác từ 1 đến 1,5 là loại dụng cụ có cấp chính xác vừa, thường được dùng trong sản xuất, nhà máy, xí nghiệp. V5,4 100 1.450A == 8/2/2012 BMNL 99 4.1.2. Các bộ phận chủ yếu của dùng cụ đo và phân loại Mỗi dụng cụ đo thường có hai bộ phận cơ bản là mạch đo và cơ cấu đo: - Mạch đo dùng để biến đổi các đại lượng cần đo thành những đại lượng như dòng điện, điện áp tác dụng trực tiếp lên cơ cấu đo. - Cơ cấu đo gồm phần động và phần tĩnh. Phần tĩnh làm nhiệm vụ biến đổi điện năng đưa vào thành cơ năng tác dụng lên phần động. Phần động gắn liền với trục, kim góc quay của kim xác định trị số của đại lượng cần đo. 8/2/2012 BMNL 100 4.1.3. Cách kí hiệu dụng cụ đo Kí hiệu theo đại lượng đo: - Ampemet: A - Voltmet: V - Oatmet: W - Ômmet: W - Công tơ met kWh - Tần số: Hz 8/2/2012 BMNL 101 4.2. Đo các đại lượng điện 4.2.1. Đo dòng điện Để đo dòng điện người ta dùng Ampemet. Trong mạch điện Ampemet được mắc nối tiếp với phụ tải. Để cho phép đo được chính xác điện trở trong RA của cơ cấu đo rất nhỏ để tổn hao công suất trong Ampemet do hiệu ứng Jun – Lenxơ DPA = RA.I2 là không đáng kể. Hình 4.1. Sơ đồ nối dây Ampemet trong mạch điện 8/2/2012 BMNL 102 1. Đo dòng điện một chiều Có thể dùng Ampemet một chiều hoặc xoay chiều. Trong bốn loại cơ cấu trình bày ở trên, cơ cấu kiểu từ điện có độ nhạy và độ chính xác lớn nhất. Mở rộng thang đo bằng cách ghép song song với cơ cấu đo một điện trở sơn RS. Hình 4.2. Mở rộng thang đo của Ampemet cơ cấu đo từ điện 8/2/2012 BMNL 103 Gọi IA là dòng điện lớn nhất có thể chạy qua cơ cấu đo, hệ số mở rộng thang đo bằng kA = I/Ia. Điện trở của cơ cấu đo và điện trở của sơn là RA, RS Theo định luật Ohm ta có:IS. RS = IA. RA đ A s A A AA s As I I1k1k I I I I I IIII +=đ-=-=đ-= A S A SA A I I 1 I II K += + = 1k RR R R1k R R1k R R I I A S S A S A S A A S - =đ=-đ+=đ= 8/2/2012 BMNL 104 2. Đo dòng điện xoay chiều Thường dùng trong các loại Ampemet xoay chiều có cơ cấu đo kiểu điện từ hay điện động hoặc kiểu từ điện có chỉnh lưu. Hình 4.3. Mở rộng thang đo của Ampemet điện từ và điện động a. Cuộn dây phần tĩnh khi chưa mở rộng thang đo b. Cuộn dây phần tĩnh sau khi mở rộng thang đo Để mở rộng thang đo Ampemet xoay chiều, người ta chia cuộn dây phần tĩnh của cơ cấu đo thành hai hay nhiều đoạn chấn hoàn toàn giống nhau rồi đấu song song các đoạn đó với nhau.Nhưng yêu cầu lực từ hoá không thay đổi. 8/2/2012 BMNL 105 Đo dòng điện xoay chiều Để mở rộng thang đo nhiều hơn người ta dùng máy biến dòng điện. Cuộn dây sơ cấp của máy biến dòng mắc nối tiếp với mạch điện cần đo, còn cuộn dây thứ cấp mắc nối tiếp với Ampemet có dòng điện thích hợp với cuộn dây của cơ cấu đo. Gọi I1 là dòng điện cần đo và I2 là dòng điện Ampemet hệ số biến dòng điện của máy biến dòng. Hệ số biến dòng k chính là hệ số mở rộng thang đo kA. Hình 4.4. Nối máy biến dòng 8/2/2012 BMNL 106 4.2.2. Đo điện áp Người ta dùng voltmet để đo điện áp của mạch điện Voltmet được mắc song song với mạch điện cần đo. Để cho phép đo được chính xác tổn hao công suất trong Voltmet phải rất nhỏ, ta có: Do đó dòng điện trở trong của Voltmet phải rất lớn. Đó là sự khác nhau cơ bản giữa Voltmet và Ampemet. Hình 4.5. Cách mắc Voltmet V 22 VV R/UI.RP == 8/2/2012 BMNL 107 1. Đo điện áp một chiều Có thể dùng Voltmet 1 chiều hoặc xoay chiều. Voltmet kiểu từ điện có cấp chính xác và độ chạy cao nhất nhưng giới hạn thang đo của Voltmet nhất là Voltmet kiểu từ điện rất nhỏ nên phải mở rộng thang đo bằng cách nối tiếp điện trở phụ RP vào cuộn dây phần tĩnh của cơ cấu đo. Hình 4.6. Mở rộng thang đo vôn mét bằng điện trở phụ RP 8/2/2012 BMNL 108 Đo điện áp một chiều Gọi kv là hệ số mở rộng thang đo của Voltmet ta có: U là điện áp cần đo UV là điện áp đặt vào cơ cấu đo Ta có U = UV + UP V v U U k = ( ) vvp v p vv pv v p v v R.1kRR R 1 R.I R.I 1 U U 1 U Uk -=đ+=+=+== 8/2/2012 BMNL 109 2. Đo điện áp xoay chiều Có thể dùng cơ cấu đo kiểu điện từ, điện động hay từ điện có chỉnh lưu. Loại điện từ tuy có độ chính xác thấp nhưng được dùng rộng rãi trong công nghiệp vì dễ chế tạo, giá thành không cao. + Để mở rộng thang đo của Voltmet điện từ dưới 600V có thể dùng điện trở phụ RP mắc nối tiếp với cơ cấu đó. + Muốn đo điện áp cao hơn ta dùng máy biến điện áp đo lường có hai cuộn dây. Hai đầu cuộn dây sơ cấp nối với điện áp cần đo còn hai đầu cuộn dây thứ cấp nối với hai đầu Voltmet. Hệ số biến áp của máy biến áp đo lường là . Hệ số mở rộng thang đo chính là hệ số biến áp kv = k. 2 1 U Uk = 8/2/2012 BMNL 110 CT 8/2/2012 BMNL 111 VT 8/2/2012 BMNL 112 4.2.3. Đo công suất 1. Đo công suất trong mạch điện một chiều Để đo công suất tiêu thụ trong phụ tải mạch điện một chiều có thể dùng Ampemet và Voltmet mắc vào mạch điện. Sau đó dùng công thức để tính P = U. I. Ưu điểm là phương pháp này đơn giản, dễ thực hiện. Nhược điểm không đọc trực tiếp được trị số công suất trên thang đo. Hình 4.7. Đo công suất trong mạch điện một chiều 8/2/2012 BMNL 113 2. Đo công suất tác dụng trong mạch điện xoay chiều một pha Để đo công suất tác dụng trong mạch điện xoay chiều 1 pha ta sử dụng oát mét 1 pha. Vì P = U.I.cosj nên không thể dùng mạch đo như trên được mà phải dùng một loại dụng cụ đo gọi là Oatmet một pha. Oatmet thường được chế tạo theo cơ cấu kiểu điện động hoặc kiểu cảm ứng. Có mômen quay tỉ lệ với công suất tác dụng trong mạch: Hình 4.8. Sơ đồ nối oát mét động cơ 1 pha P.kdt.p. T 1.kM 2 0 q == ũ p 8/2/2012 BMNL 114 3. Đo công suất tác dụng trong mạch điện xoay chiều 3 pha Tuỳ theo mạch điện và phụ tải 3 pha có phương pháp đo công suất tác dụng sau: a. Mạch điện 3 pha đối xứng ở dây trung tính (mạch 3 pha 4 dây) chỉ cần dùng một Otamet một pha đo công suất một pha rồi nhân 3: P3pha = 3 . P1pha b. Mạch 3 pha không đối xứng có dây trung tính phải dùng 3 Oatmet một pha đo công suất cho cả 3 pha rồi cộng các trị số đo được lại: P3pha = PA + PB + PC c. Mạch ba pha không có dây trung tính (3 pha 3 dây), phụ tải đối xứng hoặc không đối xứng, phải dùng 2 Oatmet một pha mắc như hình vẽ. Ta sẽ giải thích được tổng công suất tác dụng đo được từ 2 Oatmet 1 pha chính là công suất tác dụng của mạch 3 pha. 8/2/2012 BMNL 115 Đo công suất tác dụng trong mạch điện xoay chiều 3 pha Công suất tức thời qua mỗi Oatmet W1, W2 là: P1 = iA.UAC P2 = iB.UBC Công suất tức thời qua hai Oatmet: P = P1 + P2 = iA.UAC + iB.UBC Vì UAC = UA – UC và UBC = UB – UC nên P = iA (UA –UC) + iB(UB – UC) = iA.UA + iBUB – (iA + iB).UC Theo định luật kirchoff1 trong mạch điện 3 pha 3 dây: iC = - (iA + iB) Vậy P = P1 + P2 = iAUA + iB.UB + iC.UC= PA + PB + PC Nghĩa là công suất tức thời qua hai Oatmet chính bằng tổng công suất tức thời của 3 pha. Vậy công suất tác dụng qua hai Oatmet phải bằng công suất tác dụng của 3 pha. 8/2/2012 BMNL 116 Đo công suất tác dụng trong mạch điện xoay chiều 3 pha Hình 4.9. Đo công suất mạch 3 pha 8/2/2012 BMNL 117 4.2.4. Đo điện năng Để đo điện năng trong mạch điện xoay chiều một pha, người ta dùng công tơ cảm ứng một pha.