🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Kỹ thuật đo đếm điện năng Ebooks Nhóm Zalo PGS.TS. NGUYỄN HỮU CÔNG (Chủ biên) PGS.TS. NGUYỄN THANH HÀ - ThS. NGUYỄN PHƯƠNG HUY ThS. NGÔ PHƯƠNG THANH KĨ THUẬT ĐO ĐẾM ĐIỆN NĂNG (Sách chuyên khảo) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN NĂM 2013 MÃ SỐ:01 10 − ĐHTN-2013 2 MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 7 Chương I - MÁY BIẾN DÒNG, BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG ........................... 9 1.1. Đại cương về máy biến đổi đo lường ............................................................ 9 1.1.1. Giới thiệu tổng quan ...................................................................................... 9 1.1.2. Cấu tạo và những đặc trưng đo lường cơ bản của máy biến dòng và biến áp đo lường ................................................................................................... 10 1.2. Máy biến dòng, biến áp đo lường ................................................................ 17 1.2.1. Phân loại chung ............................................................................................. 17 1.2.2. Máy biến dòng đo lường .......................................................................... 17 1.2.3. Máy biến áp đo lường ................................................................................ 21 1.3. Kiểm định máy biến dòng, biến áp đo lường ........................................ 24 1.3.1. Tổng hợp các phương pháp xác định sai số ................................. 24 1.3.2. Nguyên lý cấu tạo thiết bị kiểm định máy biến dòng và biến áp đo lường .................................................................................................................................. 26 1.3.3. Kiểm định máy biến áp đo lường ....................................................... 28 1.3.4. Kiểm định máy biến dòng trong mạch bảo vệ ........................... 32 Chương II - ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH XOAY CHIỀU ..... 36 2.1. Đo công suất tác dụng trong mạch một pha ........................................... 36 2.2. Đo công suất tác dụng trong mạch 3 pha ................................................. 39 2.2.1. Tổng quát ........................................................................................................... 39 2.2.2. Các phương pháp đo công suất tác dụng ....................................... 40 2.3. Đo công suất phản kháng ................................................................................... 46 2.3.1. Tổng quát ........................................................................................................... 46 2.3.2. Các phương pháp đo công suất phản kháng ................................ 47 3 Chương III - ĐO NĂNG LƯỢNG TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG ...... 51 3.1. Công tơ điện cảm ứng ........................................................................................... 51 3.1.1. Khái niệm dụng cụ đo cảm ứng ........................................................... 51 3.1.2. Nguyên lý làm việc và cấu tạo chung của cơ cấu đo cảm ứng . 51 3.1.3. Công tơ cảm ứng một pha ....................................................................... 56 3.1.4. Sai số cơ bản và đường cong phụ tải của công tơ ................... 77 3.1.5. Sai số phụ của công tơ. .............................................................................. 86 3.1.6 .Công tơ cảm ứng ba pha ........................................................................... 90 3.2. Công tơ điện tử .......................................................................................................... 93 3.2.1. Nguyên tắc của phép đo điện năng .................................................... 93 3.2.2. Ứng dụng đo đếm theo biểu giá ........................................................... 96 3.2.3. Cấu hình, thông tin và lưu trữ số liệu ............................................ 102 3.3. Kiểm định công tơ ................................................................................................ 106 3.3.1. Phạm vi áp dụng ......................................................................................... 106 3.3.2. Các phép kiểm định .................................................................................. 106 3.3.3. Phương tiện kiểm định ............................................................................ 107 3.3.4. Điều kiện kiểm định ................................................................................. 108 3.3.5. Tiến hành kiểm định ................................................................................ 110 3.3.6. Xử lý chung .................................................................................................. 119 Chương IV - MẠCH ĐO LƯỜNG ......................................................................... 119 4.1. Tổng quát ................................................................................................................... 120 4.2. Phân tích mạch và sơ bộ kiểm tra mạch đo lường .......................... 120 4.3. Xây dựng đồ thị véc tơ ...................................................................................... 137 4.3.1. Dùng oátmét một pha hoặc cosφ mét ............................................ 137 4.3.2. Dùng hộp bộ đo lường VAF – 85M hoặc 4303 ...................... 141 4.4. Các trường hợp đặc biệt .................................................................................... 142 4.5. Các sơ đồ mạch đo lường Y đủ được sử dụng phổ biến .............. 144 Chương V - HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐỌC CÔNG TƠ TỪ XA...... 172 5.1. Tổng quan hệ thống AMR ............................................................................. 172 5.1.1. Lịch sử phát triển ...................................................................................... 172 4 5.1.2. Kiến trúc chung của AMR ................................................................... 176 5.1.3. Các phần tử chính trong hệ thống AMR ..................................... 181 5.1.4. Lợi ích và những khó khăn khi triển khai công nghệ AMR .......................................................................................... 183 5.2. Phân loại các hệ thống AMR theo môi trường truyền thông ... 186 5.2.1. Một số môi trường truyền thông cho AMR .............................. 186 5.2.2. Các tiêu chí lựa chọn môi trường truyền thông cho AMR ........ 186 5.2.3. Triển khai AMR dựa trên mạng điện thoại công cộng (PSTN) .... 188 5.2.4. Triển khai AMR thông qua truy nhập di động GSM .......... 192 5.2.5. AMR trên kênh vô tuyến công suất thấp (Low power Radio)196 5.2.6. AMR trên kênh vô tuyến công suất lớn (High power Radio) . 199 5.2.7. AMR qua kênh truyền thông điện lực Power line communications ..................................................................................................................... 201 5.3. Hệ thống AMR qua đường dây điện lực hạ thế CollectricTM 205 5.3.1. Giới thiệu Công nghệ ........................................................................... 205 5.3.2. Bộ tập trung – Concentrator ............................................................... 206 5.3.3 Thiết bị phát từ xa một chiều – RTU .............................................. 207 5.3.4. Thiết bị đo xa 2 chiều PRTU ............................................................. 207 5.3.5. Máy tính cầm tay ....................................................................................... 209 5.3.6. Main Computer ........................................................................................... 210 5.3.7. Các thiết bị khác ......................................................................................... 210 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 216 5 6 LỜI GIỚI THIỆU Đo đếm điện năng là một yêu cầu quan trọng của ngành điện lực. Bất kì một Công ty điện lực nào thì chỉ tiêu kinh doanh cũng được đặt ra hàng đầu, chỉ tiêu kinh doanh có hai vấn đề là giá thành và tổn thất. Cuốn sách này cung cấp kiến thức cơ bản về thiết bị và phương pháp đo đếm điện năng nhằm mục đích giới thiệu cho bạn đọc nắm được cách lắp đặt, vận hành và quản lý việc kinh doanh điện nhằm quản lý được tổn thất thương mại. Nội dung tài liệu tập trung phân tích nguyên lý của công tơ cảm ứng và công tơ điện tử, nguyên lý của các bộ biến đổi điện áp và dòng điện; từ đó chỉ ra những vấn đề dẫn đến sai số; phân tích kỹ nguyên lý phương pháp và các sơ đồ cơ bản đo công suất và năng lượng trên hệ thống điện hiện nay. Ngoài ra, việc ứng dụng các công nghệ cao vào quản lí điện năng sẽ giảm chi phí nhân công và đặc biệt sẽ giảm được tổn thất thương mại trong quá trình truyền tải. Vì vậy tài liệu cũng giới thiệu hệ thống tự động đọc công tơ điện từ xa và truyền thông qua đường dây điện lực (AMR). Hệ thống này mới được thử nghiệm tại một vài công ty Điện lực và nó còn mới mẻ đối với ngành điện. Cuốn sách chuyên khảo này phục vụ cho sinh viên các ngành Hệ thống điện, Điều khiển và tự động hóa, Kỹ thuật điện,… của các trường Đại học, Cao đẳng. Ngoài ra, tài liệu cũng giúp ích cho các cán bộ kỹ thuật đang vận hành, quản lý hệ thống điện và cán bộ có quan tâm đến lĩnh vực đo công suất và năng lượng điện. 7 Tài liệu này được viết với kinh nghiệm nhiều năm đã giảng dạy về đo lường điện ở trường đại học, đồng thời đã trao đổi với các cán bộ kỹ thuật đang vận hành trong thực tế để đảm bảo tính sát thực của các thiết bị đo, các phương pháp và sơ đồ đo đếm công suất và năng lượng điện. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng tài liệu sẽ không tránh khỏi những khiếm khuyết. Chúng tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp và các bạn sinh viên để lần tái bản sau được hoàn thiện hơn. Mọi góp ý xin được gửi về Nhà xuất bản Đại học Thái nguyên; địa chỉ: phường Tân Thịnh, thành phố Thái Nguyên. Tác giả 8 Chương I MÁY BIẾN DÒNG, BIẾN ÁP ĐO LƯỜNG 1.1. Đại cương về bộ biến đổi đo lường 1.1.1. Giới thiệu tổng quan Bộ biến đổi đo lường được định nghĩa là thiết bị cung cấp một đại lượng ở đầu ra có mối liên hệ xác định với đại lượng ở đầu vào. Ví dụ: Máy biến dòng, máy biến áp, cặp nhiệt điện, v.v… Trong thực tiễn đo lường điện thường có nhu cầu phải biến đổi các đại lượng điện cần đo thành các đại lượng điện có giá trị tương ứng lớn hay nhỏ hơn tùy yêu cầu đo. Các bộ biến đổi đo lường điện thường được phân thành hai loại: Thụ động và chủ động. - Loại thụ động: Được cấu thành từ các phần tử thụ động như: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm, v.v… Đặc trưng cơ bản của nó là công suất tín hiệu đầu ra bao giờ cũng nhỏ hơn công suất tín hiệu đầu vào. Có thể sơ bộ liệt kê danh mục các loại này bao gồm: Sun, biến trở, phân áp, phân dòng kiểu điện dung hoặc điện cảm, máy biến dòng, máy biến áp, v.v… Chức năng chính của chúng là biến đổi các đại lượng đo là dòng điện và điện áp, đồng thời làm nhiệm vụ phân cách mạch điện. - Loại chủ động: Là loại ngoài biến đổi giá trị đại lượng đo, nó còn làm tăng công suất tín hiệu đầu ra so với công suất tín hiệu đầu vào, các bộ biến đổi kiểu này bao gồm: Các bộ khuếch đại đo lường, các bộ tạo nguồn chủ động và biến đổi dòng điện. Kết cấu của các bộ biến đổi đo lường có thể là riêng biệt hoặc kết hợp với các phương tiện đo và cũng có thể thêm vào những chức năng khác. Trường hợp tách riêng biệt thì những đặc trưng đo lường được 9 tiêu chuẩn hoá và không phụ thuộc vào các đặc trưng của phương tiện đo và dĩ nhiên là việc kiểm tra những bộ biến đổi đó sẽ được thực hiện hoàn toàn theo các chức năng riêng. Đặc trưng đo lường quan trọng nhất của các bộ biến đổi là hệ số biến đổi danh nghĩa S, được xác định bằng tỷ số của tín hiệu đầu ra XR trên tín hiệu đầu vào XV. X R = (1.1) SX V Sự khác biệt giữa hệ số biến đổi thực ST và hệ số biến đổi danh nghĩa S sẽ đặc trưng cho sai số của các bộ biến đổi. Sai số tương đối của bộ biến đổi được tính theo công thức sau: S S T.100(%) − δ = (1.2) S Trong thực tế, khi sử dụng các bộ biến đổi đo lường kiểu thụ động, người ta thường dùng khái niệm tỷ số biến đổi K thay cho hệ số biến đổi S. 1 = (1.3) KS 1.1.2. Cấu tạo và những đặc trưng đo lường cơ bản của máy biến dòng và biến áp đo lường Để phục vụ cho việc đo đếm điện năng, bên cạnh các công tơ điện còn sử dụng các loại thiết bị phụ khác là máy biến dòng và máy biến áp đo lường. Máy biến dòng và máy biến áp đo lường gọi tắt là BI và BU, là những bộ biến đổi dòng điện và điện áp cần đo thành những dòng điện, điện áp có giá trị tương ứng theo một tỷ lệ nhất định đã được chuẩn hoá để phục vụ cho nhu cầu đo và mở rộng giới hạn các phương tiện đo, đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các trang thiết bị khác. Ngoài ra chúng còn được sử dụng vào chức năng của mạch bảo vệ. BI và BU thông dụng thường là loại có một hệ số biến đổi (một vào, một ra) và có cấu tạo đơn giản gồm: Một cuộn dây sơ cấp W1 và 10 một cuộn dây thứ cấp W2 cách điện với nhau, đặt chung trên một lõi sắt từ. Như vậy khi đóng điện sẽ có chung một dòng từ thông Ф0 chạy qua (hình 1.1) U I1 BI I2 A W1 Φ0 W2 BU Ztải W1 Φ0 W2 U2 V Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và cách đấu BI, BU trong mạch đo Để dùng riêng cho mạch điện 3 pha, người ta còn chế tạo BU ba pha gồm có số lượng các cuộn sơ cấp và thứ cấp khác nhau, trên hình 1.2 là trường hợp minh họa của một BU ba pha có 3 cuộn dây sơ cấp và 3 cuộn dây thứ cấp. A B C X Y Z x y z a b c V V Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo nguyên lý và cách đấu BU 3 pha 11 Để tăng độ cách điện và giảm độ tăng nhiệt, đối với những loại BU có điện áp sơ cấp trên 1 kV người ta sử dụng dầu biến thế làm dung môi cách điện. Quan hệ giữa điện áp và số vòng của BU được thể hiện qua đẳng thức: U w 1 1 = (1.4) U w 2 2 Trong đó: w1 và w2 là số vòng của các cuộn dây sơ và thứ cấp. Còn ở BI quan hệ giữa dòng điện và số vòng dây (gọi là Ampe vòng) được thể hiện như sau: 1 1 2 2 I w I w = (1.5) Theo (1.5) thì tỷ lệ giữa dòng điện trong cuộn dây và số vòng của cuộn dây đo luôn có một tỷ lệ tương quan hài hoà giữa cuộn sơ và thứ cấp, điều này có nghĩa là những BI có dòng sơ cấp I1 lớn hơn dòng thứ cấp I2 theo một tỷ lệ nào đó thì số vòng dây trong cuộn sơ cấp w1 phải nhỏ hơn số vòng dây trong cuộn thứ cấp w2 theo tỷ lệ tương ứng với tỷ lệ dòng điện, ứng với qui luật này thì tiết diện dây trong cuộn cũng phải khác nhau và nó phụ thuộc vào giá trị dòng điện danh định. Những BI có dòng sơ cấp 75 A trở lên, để tiện cho khâu lắp đặt khi đưa vào sử dụng, người ta thường sử dụng lõi sắt từ có dạng hình xuyến và số vòng dây của cuộn sơ cấp là một vòng, như vậy khi lắp đặt chỉ cần xuyên thanh cái qua lỗ hình xuyến mà không phải quấn nhiều vòng dây qua lỗ. Theo tiêu chuẩn ứng dụng tại Việt Nam thì dòng điện thứ cấp I2 thường được tiêu chuẩn hoá là 5 A và tiết diện dây thường là như nhau cho tất cả các loại. Trên đây đã đề cập đến số vòng dây trong từng cuộn sơ cấp và thứ cấp của BI và BU. Đó là yếu tố ảnh hưởng lớn tới thành phần sai số về mô đun, còn về thành phần sai số góc pha thì yếu tố quan trọng là chất lượng của lõi sắt từ. Cách đấu dây trong mạch đo lường và điều kiện làm việc của BI và BU có nhiều điểm khác nhau, dưới đây liệt kê một số điểm khác nhau cơ bản: 12 a) Cuộn sơ cấp của của BI mắc nối tiếp trong mạch đo lường còn cuộn sơ cấp của BU mắc song song. b) BI làm việc trong chế độ bình thường là chế độ xem như ngắn mạch thứ cấp , còn ở BU ngắn mạch thứ cấp là không được phép (ngắn mạch sự cố). Ở BU hở mạch thứ cấp là chế độ làm việc bình thường, còn BI hở mạch thứ cấp là không được phép vì khi đó mạch thứ cấp sẽ có điện áp cao, gây nguy hiểm cho người và làm hỏng cách điện của thiết bị. c) Cảm ứng từ ở BI luôn thay đổi còn ở BU là không đổi (khi điện áp ổn định). d) Dòng điện trong cuộn thứ cấp của BI giới hạn qui định (ví dụ loại 5A hoặc 1A) không phụ thuộc giá trị tổng trở của tải trong mạch thứ cấp, nhưng lại phụ thuộc vào dòng sơ cấp, còn ở BU dòng điện trong cuộn thứ cấp phụ thuộc vào tổng trở của tải, và khi đó dòng thứ cấp thay đổi kéo theo sự thay đổi của dòng sơ cấp. Riêng về sai số của cả BI và BU đều liên quan đến giá trị của tải trong cuộn thứ cấp. Các phương tiện đo lường được mắc trong mạch thứ cấp của BI và BU, nếu không lắp lẫn được thì trên mặt số của các loại phương tiện này đều có qui định tỷ số biến đổi và khắc vạch theo tỷ số biến đổi đó. I Đối với BI: 1 = (1.6) KI I 2 U Đối với BU: 1 = (1.7) KU U 2 Đối với các loại BI và BU lắp lẫn phải căn cứ theo số chỉ của phương tiện đo mắc trong mạch thứ cấp và tỷ số biến đổi của BI và BU, từ đó ta có thể biết được các giá trị của đại lượng cần đo của mạch sơ cấp. I1 = KI I2 và U1 = KU U2 (1.8) Thông thường mỗi BI và BU được chế tạo có một hoặc nhiều tỷ số biến đổi, tuỳ thuộc vào chức năng sử dụng, những BI và BU dùng trong 13 mạch trung thế thì trong cấu tạo của chúng còn có thêm những cuộn phụ phục vụ cho mạch rơle bảo vệ. Ngoài các giá trị dòng điện và điện áp danh định, tỷ số biến đổi danh nghĩa, BI và BU còn có những thông số quan trọng khác như dung lượng (tổng trở mạch ngoài có thể mắc vào BI và BU), sai số (cấp chính xác) và chúng liên quan chặt chẽ với nhau. Một đặc trưng đo lường khác biệt và rất quan trọng khi so sánh BI và BU với các loại máy biến đổi đo lường khác là sai số của BI và BU được xác định bằng hai thành phần là: Sai số về mô đun và sai số về góc pha. Sai số về môn đun là sai lệch tỷ số biến đổi giữa dòng điện (điện áp) sơ cấp với dòng điện (điện áp) thứ cấp tính theo % đại lượng biến đổi, thường gọi là sai số dòng (BI) hoặc sai số điện áp (BU). Sai số này được biểu thị bằng công thức: KI I f % .100% − Đối với BI: 2 1 = (1.9) I I 1 KU U f % .100% − Đối với BU: 2 1 = (1.10) U U 1 Dạng tổng quát: K K f % .100%; = 1 − K I t t = (Đối với BI); (1.11) KI t 2 U 1 = (Đối với BU) KU t 2 Trong đó: I1(U1): cường độ dòng điện (điện áp) sơ cấp. I2(U2): cường độ dòng điện (điện áp) thứ cấp. K: hệ số biến đổi danh định của BI (BU). Kt: hệ số biến đổi thực tế của BI (BU). 14 Sai số góc pha của BI (BU): Là góc lệch pha giữa véc tơ dòng điện (điện áp) sơ cấp với véc tơ dòng điện (điện áp) thứ cấp. Sai số góc sẽ dương nếu véc tơ dòng điện (điện áp) thứ cấp vượt pha trước véc tơ dòng (điện áp) sơ cấp và ngược lại, sai số góc sẽ âm nếu véc tơ dòng điện (điện áp) thứ cấp chậm pha so với véc tơ dòng điện (điện áp) sơ cấp. Sai số góc biểu thị bằng phút (‘) hoặc radian (rad) hay centi Radian. Cả hai thành phần sai số đều do tổn hao năng lượng trong lõi sắt từ và các cuộn dây gây ra, chúng phụ thuộc chủ yếu vào dòng điện (điện áp) sơ cấp và tải của mạch thứ cấp. Đối với các phép đo công suất và năng lượng điện, ngoài sai số do tỷ số biến đổi của BI và BU, thành phần sai số góc cũng đóng vai trò quan trọng vì chúng có ảnh hưởng đến thành phần góc lệch pha. Sự phụ thuộc giữa sai số của BI và BU vào tải trong mạch thứ cấp và đặc tính của tải được trình bày trên hình 1.3 và 1.4. fI%; δI(phút) 80 1,5 1,0 0,5 0 0,5 1,0 1,5 60 40 20 Cosφ2=1,0 Cosφ2=0,8 1 2 3 4 Cosφ2=1 Cosφ2=0,8 f1% I2 A Cosφ2=0,8 Cosφ2=1 Cosφ2=0,8 2 f1%÷δ1(phút) δI Cosφ2=1 Hình 1.3. Sai số dòng và sai số góc của BI Trên hình 1.3 là đồ thị sai số dòng điện fI và sai số góc δI ở những giá trị khác nhau của tải mắc trong mạch thứ cấp (trường hợp ở tải 15 1,8 Ω và 0,6 Ω ), ở các chế độ dòng thứ cấp khác nhau và ở những đặc tính khác nhau của tải, ở đây trình bày hai trường hợp điển hình khi Cosφ = 1 và Cosφ = 0,8. Tương tự như vậy đối với BU trên hình 1.4 là đồ thị sai số điện áp fU và sai số góc δ U ở những giá trị khác nhau của tải Y mắc trong mạch thứ cấp (trường hợp ở các giá trị tải Y từ 0 đến 50 VA) và ở những đặc tính khác nhau của tải, ở đây trình bày 3 trường hợp điển hình khi Cosφ = 1, Cosφ = 0,8 và Cosφ = 0,5. fU % 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2 Y 10 20 30 40 50 Cosφ2=0,5 -0,3 δU (phút) 15’ 10’ Cosφ2=0,8 Cosφ2=1 Cosφ2=0,8 5’ Cosφ2=1 Y 0 -5’ -10’ -15’ 16 10 20 30 40 5,8A Hình 1.4. Sai số điện áp và sai số góc BU 1.2. Máy biến dòng, biến áp đo lường 1.2.1. Phân loại chung Theo tiêu chuẩn về đặc trưng kỹ thuật, BI và BU được chế tạo thành hai loại chính dùng trong đo lường và dùng trong mạch bảo vệ, nếu phân loại theo mục đích sử dụng thì cũng có thể phân làm 2 loại: loại dùng trong phòng thí nghiệm và loại lắp đặt tĩnh tại. Loại dùng trong phòng thí nghiệm: Thường có cấp chính xác cao và có nhiều tỷ số biến đổi, chúng được dùng để thực hiện các phép đo đếm, thử nghiệm, ngoài ra còn dùng làm chuẩn để kiểm định các loại BI (BU) có cấp chính xác thấp hơn. Loại lắp đặt tĩnh: Thường có cấp chính xác thấp hơn, được sử dụng trong các tủ bảng điện ở các trạm điện phục vụ cho khâu đo đếm ở các lộ nguồn tải điện và cấp điện cho các ngành kinh tế quốc dân. Nếu phân loại BI và BU dùng trong mạch bảo vệ, chúng thuộc nhóm lắp đặt tĩnh tại, có ký hiệu cấp chính xác riêng. Thông thường để tiện cho việc sử dụng và lắp đặt người ta chế tạo theo đặc trưng kỹ thuật riêng cho mục đích bảo vệ nhưng lại kết hợp chung trong cùng một BI, BU đo lường. Trong trường hợp này sẽ có một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp, cuộn dùng cho mạch đo lường sẽ có công suất chịu tải (dung lượng) nhỏ hơn nhưng cấp chính xác cao hơn còn cuộn dùng cho mục đích bảo vệ có dung lượng lớn hơn nhưng cấp chính xác thấp hơn. Do những đặc trưng kỹ thuật rất đặc thù ở chức năng của mạch bảo vệ, ở đây người ta chủ yếu quan tâm nhiều đến sai số hỗn hợp ở ngưỡng giới hạn dòng danh định và vì thường sử dụng sơ đồ tương đương để xác định loại sai số này. 1.2.2. Máy biến dòng đo lường 1.2.2.1. Máy biến dòng đo lường lắp đặt tĩnh Theo TCVN 5928 – 1995 (IEC 185 - 1996) máy biến dòng có cấp chính xác 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3; 5. Cường độ dòng sơ cấp nằm trong dãy số từ 1 A đến 40.000 A, cường độ dòng thứ cấp là 5 A hoặc 1 A và 2 A. Tải mạch thứ cấp nằm 17 trong dãy số (2,5; 5; 10; 15; 30) VA; ngoài ra còn có loại BI được chế tạo với tải thứ cấp nằm trong dãy số (40); (50); (60); (75); (100) VA ở hệ số công suất Cosφ = 0,8 (số trong ngoặc là những giá trị tải điện cảm, mạng tĩnh). BI tĩnh tại thường được chế tạo với hệ số biến đổi làm việc ở tần số 50 hoặc 60 Hz. Người ta thường phân biệt BI cao thế và BI hạ thế mà điểm khác nhau cơ bản là độ cách điện giữa các cuộn dây với nhau và với vỏ máy và điện áp danh định của máy. Giá trị điện áp này nằm trong dãy số từ 0,66 kV đến 750 kV. Thông số kỹ thuật của BI qui định ở bảng 1.1. Bảng 1.1 Cấp chính xác BI I100 I n (%) Giới hạn sai số cho phép Tải mạch thứ cấp Cosφ = 0,8L (%) Dòng điện Góc (%) Phút radian 0,1 10 20 100 - 120 ± 0,25 ± 0,2 ± 0,1 ± 10 ± 8 ± 5 ± 0,30 ± 0,24 ± 0,15 25 - 100 0,2 10 20 100 - 120 ± 0,50 ± 0,35 ± 0,2 ± 20 ± 15 ± 10 ± 0,60 ± 0,45 ± 0,3 25 - 100 0,5 10 20 100 - 120 ± 1,0 ± 0,75 ± 0,5 ± 60 ± 45 ± 30 ± 1,8 ± 1,35 ± 0,9 25 - 100 1 10 20 100 - 120 ± 2 ± 1,5 ± 1 ± 120 ± 90 ± 60 ± 3,6 ± 2,7 ± 1,8 25 - 100 3 50 - 120 ± 3 Không qui định 50 - 100 5 50 - 150 ± 5 Không qui định 50 - 100 18 Chú thích Riêng với BI dùng trong phòng thí nghiệm có cấp chính xác cao hơn 0,1 sai số được xác định ở những giá trị qui định trong bảng 1.1 và ngoài ra còn thêm ở giá trị dòng điện từ 5 % đến 100 % dòng danh định và phạm vi giới hạn của tải như sau: - Giá trị tải từ 25 % đến 100 % tải danh định với hệ số công suất bằng 0,8 cảm kháng. - Giá trị từ 5 % đến 10 % từ danh định hệ số công suất bằng 1. 1.2.2.2. Máy biến dòng đo lường dùng trong phòng thí nghiệm Thường được chế tạo với các cấp chính xác 0,01; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2, v.v… Để đơn giản hoá và thống nhất, ở Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới đều áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế IEC. Đối với các BI dùng trong phòng thí nghiệm có cấp chính xác cao hơn 0,1 người ta căn cứ theo các thông số kỹ thuật ứng với cấp chính xác qui định trong bảng 1 rồi nhân thêm với hệ số thập phân tương ứng với cấp chính xác đó. Ví dụ: Nếu ta cần thông số kỹ thuật của BI trong phòng thí nghiệm có cấp chính xác 0,02 phải lấy các thông số kỹ thuật ứng với cấp chính xác 0,2 trong bảng rồi nhân với hệ số 0,1. BI dùng trong phòng thí nghiệm thường có nhiều tỷ số biến đổi, người ta thực hiện bằng cách đơn giản là thay đổi số vòng dây cuộn sơ cấp. Loại BI này có nhiều giá trị dòng sơ cấp, những giá trị này được chọn trong dãy số từ (0,1÷800) A và từ (1÷60) kA. Giá trị dòng thứ cấp được định mức là 5 A tuy nhiên cũng có một số loại được chế tạo theo nhu cầu riêng và ở một số tiêu chuẩn của các quốc gia khác, cường độ dòng thứ cấp được qui định là 1 A hoặc 2 A tần số 50 hoặc 60 Hz. Tải của mạch thứ cấp hay còn gọi là dung lượng nằm trong dải: 2,5; 5; 10; 15 V.A. 19 Điện áp danh định hay điện áp làm việc của BI là điện áp giữa cuộn sơ cấp so với cuộn thứ cấp và vỏ do nhà chế tạo qui định cho từng loại cụ thể và những giá trị điện áp này nằm trong giới hạn: (0,66; 3; 10; 35) kV. Các thông số kỹ thuật của BI dùng trong phòng thí nghiệm được qui đinh trong bảng 1.1 và nhân thêm với hệ số thập phân tương ứng với cấp chính xác của nó. 1.2.2.3. Máy biến dòng dùng trong mạch bảo vệ Được chế tạo với các cấp chính xác 5P và 10P. Như đã trình bày ở trên, chức năng bảo vệ thường được chế tạo riêng hoặc có thể được kết hợp chung trong cùng một máy biến dòng đo lường loại lắp đặt tĩnh tại. Ngoài ký hiệu cấp chính xác được qui định riêng, các thông số khác như: tỷ số biến đổi, dung lượng, tần số… cũng tương tự như BI đo lường. Đặc điểm khác biệt mà chúng ta cần lưu ý ở BI dùng trong mạch bảo vệ có qui định 2 loại sai số là: Sai số dòng điện (sai số đo lường) ở dòng sơ cấp danh định và sai số hỗn hợp ở giới hạn dòng sơ cấp danh định. Các thông số kỹ thuật qui định trong bảng 1.2. Bảng 1.2 Cấp chính xác Sai số dòng điện sơ cấp danh định (%) Sai số dòng điện sơ cấp danh định Sai số hỗn hợp ở giới hạn dòng điện sơ cấp có cấp chính xác danh định (%) Phút centiradian 5P ± 1 ± 60 ± 1,8 5 10P ± 3 - - 10 Để đơn giản hoá hãy xem ví dụ sau: Máy biến dòng dùng trong mạch bảo vệ có ký hiệu 5P 20, tỷ lệ biến đổi 100/5. Số 5 chỉ sai số hỗn hợp δ ở giới hạn dòng sơ cấp danh định 20 (20 x 100 A) = 200 A P chỉ máy biến dòng dùng trong mạch bảo vệ (chữ viết tắt trong Tiếng Anh: Protection) Số 20 chỉ số lần tăng đến ngưỡng giới hạn dòng sơ cấp danh định (20 lần) là 2000 A Khi dùng ở mạch bảo vệ, cuộn sơ cấp có khả năng chịu được dòng điện tăng đến 20 lần (2000 A) và sai số hỗn hợp ở ngưỡng giới hạn này phải nằm trong phạm vi ± 5 %. Cũng BI này nhưng sai số đo lường ở dòng sơ cấp danh định 100 A phải trong giới hạn ± 1 % và ± 6 %. 1.2.3. Máy biến áp đo lường Cũng như máy biến dòng đo lường theo mục đích sử dụng, máy biến áp đo lường phân làm hai loại: Loại lắp đặt tĩnh tại và loại dùng trong phòng thí nghiệm. 1.2.3.1. Máy biến áp đo lường lắp đặt tĩnh Theo TCVN 6097 – 1996 (IEC 186 - 1987) máy biến áp đo lường có các cấp chính xác: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 3. Đặc trưng kỹ thuật của BU như sau: - Làm việc ở lưới điện tần số 50 hoặc 60 Hz. - Điện áp sơ cấp danh định là những giá trị nằm trong giới hạn hệ thống điện áp chuẩn được qui định theo TCVN 181 – 1996 (IEC - 38) trong dải từ 0,38 kV đến 750 kV, áp dụng cho máy biến áp ba pha hoặc giữa các pha trong hệ thống ba pha. Điện áp thứ cấp danh định (tuỳ thuộc vào thực tế nơi sử dụng) thường qui định ở những giá trị tiêu chuẩn hoá và chúng được coi như giá trị chuẩn đối với máy biến áp ba pha mà máy biến áp một pha trong hệ thống một pha hoặc được nối giữa pha với pha trong hệ thống ba pha. Các giá trị đó là: 100 V (điện áp dây), (100/ 3 ) V (điện áp pha) và (100/3) V dành cho những nhu cầu đặc biệt khi có thêm cuộn phụ. 21 Tương tự như vậy còn có các giá trị điện áp thứ cấp danh định: • 110 V; 110 3 V và 110/3 V. • 115 V; 115 3 V và 115/3 V. • 120 V; 120 3 V và 120/3 V. • 200 V; 200 3 V và 200/3 V. • 220 V; 220 3 V và 220/3 V. • 230 V; 230 3 V và 230/3 V. Như vậy, tùy thuộc vào cấu tạo và chức năng đối với máy biến áp một pha nếu sử dụng trong mạng điện áp dây sẽ ký hiệu điện áp dây hoặc là một pha đơn để sử dụng một pha với đất trong hệ thống 3 pha có điện áp sơ cấp danh định là một số nằm trong giới hạn giá trị chuẩn của điện áp sơ cấp chia cho và điện áp thứ cấp danh định phải là một trong những giá trị nêu trên chia cho 3 . Vì vậy, giá trị của tỷ số biến đổi điện áp danh định vẫn duy trì mà không bị thay đổi. Về mặt cấu tạo có hai loại BU: Loại một pha và ba pha, riêng loại ba pha được phân ra: Loại ba pha hai cuộn dây với hai cuộn thứ cấp và loại ba pha ba cuộn dây với hai cuộn thứ cấp trong đó có một cuộn chính và một cuộn phụ. Công suất danh định của tải mạch thứ cấp được qui định nằm trong dẫy số: 5, (10), 15, (25), 30, (50), 75, (100), 150, (200), 300, (400), 500 V.A. Số trong ngoặc là những giá trị ưu tiên. Trong điều kiện làm việc bình thường của máy biến áp đo lường, khi giá trị điện áp sơ cấp thay đổi trong phạm vi từ 0,8 đến 1,2 lần so với điện áp sơ cấp danh định, giới hạn sai số cho phép được qui định trong bảng 1.3. 22 Bảng1.3 Cấp chính xác Giới hạn sai số cho phép Công suất tải mạch tứ cấp Cosφ = 0,8 L (%) Điện áp (%) Góc Phút Centiradian 0,1 0,1 5 0,15 25 ÷ 100 0,2 0,2 10 0,30 25 ÷ 100 0,5 0,5 20 0,60 25 ÷ 100 1,0 1,0 40 1,20 25 ÷ 100 3,0 3,0 Không qui định 25 ÷ 100 1.2.3.2. Máy biến áp đo lường dùng trong phòng thí nghiệm BU dùng trong phòng thí nghiệm có cấp chính xác 0,1; 0,2 và cao hơn. Với cấp chính xác trên 0,1 thì sai số điện áp và góc được xác định căn cứ theo các giá trị qui định trong bảng 3 nhân với cùng một số thập phân tương ứng với cấp chính xác và các giá trị sai số được xác định ở phạm vi và giới hạn như sau: - Phạm vi điện áp từ 5 % đến 100 % điện áp danh định, giá trị tải từ 25 % đến 100 % tải danh định, hệ số công suất bằng 0,8 cảm kháng. - Phạm vi điện áp từ 5 % đến 10 % điện áp danh định, hệ số công suất bằng 1 (ngoài các qui định nêu trên qui định này được áp dụng thêm cho BU có cấp chính xác trên 0,1). - Máy biến áp dùng trong mạch bảo vệ BU dùng trong mạch bảo vệ cấp chính xác 3P và 6P. Trong phạm vi từ 5 % điện áp danh định và ở điện áp danh định nhân với hệ số điện áp danh định (1,2; 1,5 hoặc 1,9) và giá trị tải trong phạm vi từ 25 % đến 100 % tải danh định, hệ số công suất bằng 0,8 cảm kháng, các giá trị về sai số được qui định ở bảng 1.4. Tại 2 % điện áp danh định, giá trị tải trong phạm vi từ 25 % đến 100 % tải danh định, hệ số công suất bằng 0,8 cảm kháng, các giá trị sai 23 số của BU dùng trong mạch bảo vệ được phép lớn gấp 2 lần giá trị qui định trong bảng 1.4. Bảng 1.4 Cấp chính xác Giới hạn sai số cho phép Điện áp (%) Góc Phút centiradian 3P 3,0 120 3,5 6P 6,0 240 7,0 1.3. Kiểm định máy biến dòng, biến áp đo lường 1.3.1. Tổng hợp các phương pháp xác định sai số Các phương pháp xác định sai số bộ biến đổi đo lường được trình bày trên hình 1.5. Phương pháp đơn giản nhất trên hình 1.5a, theo đó ta phải đồng thời đo các đại lượng đầu vào và đầu ra, rồi tính sai số của bộ biến đổi theo công thức (1.1);(1.2) nêu trong mục 1.1.1. Nếu thực hiện phương pháp này ta chỉ có thể xác định được sai số biến đổi về mô đun mà không thể xác định được sai số góc khi biến đổi các đại lượng điện xoay chiều. Đây là nhược điểm chính của phương pháp này. Một nhược điểm nữa của phương pháp là không thể đo đồng thời các giá trị đại lượng đầu ra và đầu vào trên cùng một phương tiện đo nên cũng gây ra sai số phép đo. Ở một số bộ biến đổi khác ta có thể đo trực tiếp hệ số biến đổi hoặc thông qua các hàm biến đổi có liên quan đến các đại lượng biến đổi ví dụ điện trở của Sun. Trong trường hợp này ta chỉ cần sử dụng một phương tiện đo là đủ. Phương pháp được trình bày trên hình 1.5b. Phương pháp tối ưu và phổ cập hiện nay là sử dụng các bộ biến đổi chuẩn đi cùng thiết bị so sánh tạo nên thiết bị đồng bộ khi so sánh các đại lượng đầu ra của bộ biến đổi, như vậy sẽ cho phép ta đo trực tiếp giá trị các loại sai số của bộ biến đổi. Hình 1.5c trình bày nguyên lý của phương pháp, theo đó các đại lượng đầu vào XV sẽ đồng thời được 24 đưa vào bộ biến đổi chuẩn và bộ biến đổi cần kiểm định, các bộ biến đổi này phải có cùng một tỷ số biến đổi. Thiết bị so sánh sẽ làm nhiệm vụ so sánh đại lượng đầu ra XR của các bộ biến đổi và xác định độ sai lệch ∆XR giữa bộ biến đổi chuẩn và bộ biến đổi cần kiểm định theo tỷ lệ tương quan với sai số của bộ biến đổi cần kiểm định. Độ sai lệch sẽ được đo bằng dụng cụ đo đặc biệt đã được khắc vạch sẵn theo các giá trị sai số. Phương pháp này đòi hỏi phải sử dụng hợp bộ đo lường tương đối phức tạp nhưng nó đảm bảo được chất lượng cũng như năng suất của việc kiểm định. Nguyên lý và phương pháp thực hiện sẽ được trình bày cụ thể trong phần dưới đây. a) P1 P2 BĐ b) XV XV XR BĐ0 P BĐ XR c) XV ∆XR P BĐX XRX Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp xác định sai số bộ biến đổi Các ký hiệu trên hình vẽ: P: phương tiện đo BĐ: bộ biến đổi XV,XR: tín hiệu đầu vào, ra Không phân biệt BI (BU) dùng trong phòng thí nghiệm hay lắp đặt tĩnh tại, BI (BU) sử dụng ở mạch hạ thế, khi kiểm định phải sử dụng một trong các loại thiết bị kiểm định chuyên dụng như sau: 25 • Kiểu P 599, AIT hoặc K 507 do CHLB Nga sản xuất. • Kiểu TG, DST hoặc ATS của hãnh KDK Nhật Bản. • Thiết bị của hãng Tellex Thụy Sĩ hoặc Zera CHLB Đức. • Thiết bị của hãng AVO International (Hoa Kỳ). 1.3.2. Nguyên lý cấu tạo thiết bị kiểm định máy biến dòng và biến áp đo lường Khi so sánh hai véc tơ dòng điện (điện áp) dạng tổng quát của phép so sánh, ta có: (1.12) X 0 ∆ = − I I I Để đơn giản hoá và thuận tiện cho việc so sánh, ta áp dụng δx δ0 δ phương pháp chiếu trục, phép so sánh được thực hiện trên hai trục tọa độ vuông góc nhau. Trong đó có một trục đồng pha (trục sai số %) và một trục lệch pha I0 (U0) ∆If (∆Uf) I2 (U2) Ix(Ux) ∆Iδ (∆Uδ) 90 0(trục sai số góc pha). Hình 1.6a .Đồ thị véc tơ thể hện nguyên lý đo Căn cứ theo trục tọa độ, ta có: (1.13) I I I ∆ = ∆ + ∆ δ F Đây là hai thành phần sai số cần quan tâm. Thiết bị kiểm định máy biến dòng và máy biến áp đo lường được cấu tạo dựa trên cơ sở lý thuyết vừa nêu. Trên thiết bị này người ta áp dụng phương pháp đo vi sai, so sánh BI (BU) cần kiểm định, gọi tắt là BI (BU) kiểm và BI (BU) chuẩn có cùng một tỷ số biến đổi. Thiết bị kiểm BI (BU) gồm 2 thành phần chính: Thành phần đồng pha với BI (BU) chuẩn và thành phần lệch pha 90 0 với BI (BU) chuẩn. 26 Thành phần đồng pha với BI (BU) chuẩn để xác định sai số tỷ số biến đổi (%) (sai số đại lượng). Thành phần B1 và Rf trên hình 1.6b và 1.6c. Thành phần lệch pha 90 0 với BI (BU) chuẩn để xác định sai số góc (phút góc hoặc Radian). I1 I0 BI0 BIx N RA Z Rf Rδ P q Ix o N ∆I B1 B2 Hình 1.6b . Sơ đồ nguyên lý khi kiểm định máy biến dòng Ký hiệu trên sơ đồ: BI0: Máy biến dòng chuẩn BIX: Máy biến dòng kiểm Z: Hộp tạo tải để tạo tải trong mạch thứ cấp của biến dòng kiểm N: Chỉ thị không RA: Điện trở vi sai Rf: Biến trở đồng pha (khắc độ theo %) Rδ: Biến trở lệch pha 90o (khắc độ theo phút góc) B1: Biến áp ngăn cách B2: Biến áp dịch pha. 27 Để kiểm định được BI (BU) ngoài thiết bị kể trên, điều kiện tiên quyết là phải có BI (BU) chuẩn có cùng một tỷ số biến đổi như BI (BU) kiểm. Tuy nhiên với sự phát triển kỹ thuật và ứng dụng công nghệ cao ngày nay người ta đã chế tạo ra các bộ bù tỷ số biến đổi hoặc bù bằng phần mềm, khi so sánh trên máy so sử dụng các bộ vi sử lý nhằm hạn chế đến mức tối đa việc phải sử dụng nhiều chuẩn BI (BU). Thành phần ∆Iδ của hiệu số các dòng điện ∆I lệch pha 1/4 chu kỳ (90 0) so với dòng điện I0, nó tỷ lệ với tang của góc lệch pha giữa các véc tơ Ix và I0. Góc δ là hiệu số giữa các sai số góc của BI chuẩn và BI kiểm. Tỷ số giữa thành phần ∆Iδ so với dòng I0 biểu thị bằng đơn vị phút góc (khi góc δ rất nhỏ và dòng I0 và Ix gần bằng nhau) sẽ đúng bằng giá trị góc δ. ∆ ∆ δ δ δ = δ − δ = = 360.60. I I 3438 x 0 Π (1.14) 2 .I I 0 0 Sai số góc sẽ dương nếu dòng Ix vượt pha so với dòng I0 và nếu âm nếu dòng Ix chậm pha so với I0. Thiết bị kiểm định BI (BU) đo được các thành phần của ∆I vừa nêu trên và cho phép tính toán được hiệu số của các sai số dòng điện và góc của BI chuẩn và BI kiểm, biểu thị bằng % và phút, trực tiếp trên thang đo của thiết bị. Nhờ bộ dịch pha T2 độ giảm điện thế trên biến trở Rδ lệch pha so với dòng I0 một góc 90 0. Giá trị và dấu của điện áp trên các biến trở phụ thuộc vào vị trí con trượt trên biến trở đã khắc vạch và tạo ra trên biến trở đồng pha. UPO = ± A. I0. Rf (1.15) Còn trên biến trở lệch pha 90 0: UNO = ± B. I0. Rδ (1.16) 28 Trong đó A và B là các hệ số tỷ lệ. Khi kiểm định máy biến dòng, ta xoay các núm vặn của 2 biến trở để đạt được trạng thái cân bằng (không có dòng qua bộ chỉ thị không) khi đó, điện áp trên điện trở vi sai ∆I. RA cân bằng với các điện áp của điện trở Rf và Rδ ở trạng thái cân bằng đó ta có điện áp UPO cân bằng với thành phần đồng pha của dòng I0. ∆If. RA = ± A. I0. Rf (1.17) Và nếu điện áp UNO cân bằng với thành phần điện áp lệch pha 90 của dòng I0 ∆Iδ. RA = ± B. I0. Rδ (1.18) Như vậy ở trạng thái cân bằng, sai số dòng điện biểu thị bằng % được xác định theo ông thức. I R f % .100% A .100% ∆ f = = ± (1.19) I R 0 A Sai số góc biểu thị bằng đơn vị góc được xác định theo công thức : I R .3438 B ∆ δ δ δ = = ± (phút) (1.20) I R 0 A Từ các công thức (1.19) và (1.20) ta thấy các giá trị điện trở Rf và Rδ của các biến trở trong thiết bị khi ở trạng thái cân bằng sẽ tỷ lệ với các giá trị sai số dòng điện f và sai số góc δ. Như vậy khi khắc vạch các thang đo của thiết bị ứng với các giá trị điện trở vừa nêu trên sẽ cho phép đọc kết quả trực tiếp là hiệu các sai số dòng điện và góc của BI chuẩn và BI kiểm định. 1.3.3. Kiểm định máy biến áp đo lường Sơ đồ nguyên lý của thiết bị kiểm định máy biến áp đo lường trình bày trên hình 1.6. Cuộn sơ cấp của BU chuẩn và BU kiểm được mắc song song với nhau. Các BU này phải có cùng một tỷ số biến đổi. Cuộn thứ cấp của chúng được mắc đối nhau qua bộ phân áp R2. 29 U1 C R1 BU0 BUX R2 T3 N γ Y P O N Rf Rδ T1 T2 Hình 1.6c. Sơ đồ nguyên lý khi kiểm định máy biến áp đo lường Ký hiệu trên sơ đồ: BU0: máy biến áp đo lường chuẩn. BUX: máy biến áp đo lường kiểm định. Y: hộp tải chuẩn để tạo tải trong mạch thứ cấp của BU kiểm định. N: chỉ thị không. Rf và Rδ: các bộ biến trở đồng pha và lệch pha. R2 : bộ phân áp. Nếu sai số của hai BU khác nhau thì qua bộ phân áp R2 sẽ xuất hiện hiệu điện áp. Thành phần hiệu điện áp trùng pha với véc tơ điện áp thứ cấp của BU chuẩn U0 sẽ xác định hiệu các sai số điện áp của BU chuẩn và BU kiểm định biểu thị bằng %. ∆ U f = − = (1.21) f % f f .100% x 0 U 0 Thành phần hiệu điện áp lệch pha 900 so với điện áp U0 sẽ xác định hiệu các sai số góc của BU chuẩn và BU kiểm định biểu thị bằng phút góc. 30 ∆ δ U δ = δ − δ = (1.22) x 0 3438U 0 Để kiểm định các máy biến áp đo lường, người ta cũng sử dụng mạch đo như trong sơ đồ kiểm định máy biến dòng đo lường bao gồm máy biến thế T1 với biến trở Rf và bộ dịch pha T2 với biến trở Rδ. Mạch đo này được liên kết với mạch thứ cấp của BU chuẩn qua biến thế phụ T3 và qua đó tạo ra được sự cân bằng điện áp trên các biến trở và điện áp sụt trên bộ phân áp R2. Nhờ điện trở R1, mắc song song với tụ điện C trong mạch sơ cấp của biến thế phụ mà dòng thứ cấp của nó sẽ trùng pha với điện áp thứ cấp của BU chuẩn U0. Vì thế nên pha của điện áp trên biến trở Rf và pha của điện áp thứ cấp của BU chuẩn cũng sẽ trùng nhau. Nếu biểu thị K là tỷ số giữa điện áp sơ cấp và dòng thứ cấp của biến thế phụ T3, thì khi đạt được sự cân bằng mạch đo trên các biến trở ta có. U 0 = ± (1.23) U A.R PO f K U Và 0 = ± δ (1.24) U B.R NO K Trong thực tế, hiệu điện áp trên bộ phân áp R2 là rất nhỏ và bằng n lần so với U0. Do vậy khi mạch đo cân bằng thì sai số về điện áp (tính theo %) và sai số góc (tính theo phút góc) sẽ được xác định theo công thức. ∆ U n f = = ± (1.25) f 100 A R f U K ∆ U n δ δ = = ± (1.26) 3438 B R δ U K 0 Trong đó n là giá trị phân áp so với U0, được xác lập trên bộ phân áp R2 Như vậy khi mạch đo cân bằng và đạt được cân bằng tỷ lệ: 1 n R K ∆= thì cũng chính trên thang đo mà theo đó ta xác định được các 31 loại sai số khi kiểm định máy biến dòng, ta cũng sẽ xác định được hiệu các sai số về điện áp và góc của BU chuẩn và BU kiểm định. BU0 U u 6600V6110V BTS u v ~ U v100V u u 6600V 100V V v BUX T Hình 1.7. Sơ đồ mạch bù tỷ số biến đổi chẵn, không cộng thêm sai số phụKý hiệu trên sơ đồ: BU0: máy biến áp chuẩn. BUX: máy biến áp kiểm định. T: hộp tải chuẩn. BTS: bộ bù tỷ số biến đổi. Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý. Việc bù sự chênh lệch tỷ số giữa BI (BU) chuẩn hoặc BI (BU) kiểm bằng phần mềm trong chế độ kiểm tự động đã cho phép không cần bắt buộc phải dùng chuẩn có cùng một hệ số biến đổi. Tuy nhiên hướng này chỉ có thể thực hiện trên các loại bàn kiểm có máy so kiểu điện tử, ứng dụng kỹ thuật vi xử lý và chạy theo chương trình do nhà chế tạo biên soạn. 32 ~ BTS 6600V BU0 U V U u 110V v u 0.10v 0.02v 0.01v 1.0v 0.6v 0.1v 10v 3v 1v 100v 60v 30v BTS u v u Bàn 6600V 110 3 V máy so V BUX T v v Hình 1.8. Sơ đồ mạch bù tỷ số biến đổi lẻ, phải cộng thêm sai số phụ Ký hiệu trên hình: BU0: máy biến áp chuẩn. BUX: máy biến áp kiểm định. T: hộp tải chuẩn. BTS: bộ bù tỷ số biến đổi. 1.3.4. Kiểm định máy biến dòng trong mạch bảo vệ Như đã đề cập ở trên, BI dùng trong mạch bảo vệ có hai loại sai số: sai số đo lường và sai số hỗn hợp trong đó sai số hỗn hợp đóng vai trò quan trọng nhất đối với chức năng bảo vệ. Việc xác định sai số đo lường tiến hành trên các loại thiết bị và cùng phương pháp như đã nêu trong mục 1.3.3. Thực chất của việc xác định sai số hỗn hợp là xác định hiệu ứng của ảnh hưởng dòng điện dò, đây là chỉ tiêu mà ta chưa biết trước được, nhưng có thể đo trực tiếp 33 theo sơ đồ nguyên lý trình bày trong hình 1.9, bằng cách so sánh với một BI chuẩn có cùng tỷ số biến đổi như BI kiểm định. Yêu cầu kỹ thuật đặt ra là sai số hỗn hợp của BI chuẩn trong điều kiện bất lợi nhất không được vượt quá 0,2 % . N A1 IN(V) A2 X Zb IB(V) Hình 1.9. Sơ đồ đo trực tiếp để xác định sai số hỗn hợp Để xác định sai số hỗn hợp bằng phương pháp đo trực tiếp, ta phải thực hiện theo sơ đồ nguyên lý trên hình 1.9. Theo sơ đồ này Ampe mét A1 đo dòng thứ cấp Is (N) của BI chuẩn N và cũng là để kiểm ra dòng sơ cấp IP. Ampe mét A2 đo dòng điện IC là dòng gây sai số hỗn hợp và cũng chính là giá trị hiệu dụng của độ chênh lệch giữa dòng thứ cấp IS (N) của BI chuẩn N và dòng thứ cấp Is (X) của BI kiểm định X. Sai số hỗn hợp được xác định theo công thức. I C δ = ⋅ (1.27) HH % 100% I (N) S Ta có nhận xét là nếu theo cách này, BI chuẩn phải có khả năng chịu trong cùng một điều kiện kiểm tra ở giới hạn của ngưỡng dòng sơ cấp như BI kiểm định. Đây cũng chỉ là sơ đồ lý thuyết vì trong thực tế việc thực hiện theo sơ đồ này là không thể vì rất ít có BI chuẩn nào vừa đảm bảo độ chính xác cao trong khi lại phải có khả năng cùng chịu quá tải lớn như khả năng chịu quá tải khi tăng dòng sơ cấp nên ngưỡng giới hạn dòng sơ cấp danh định của biến dòng bảo vệ. Theo qui định đã nêu 34 ở trên, ở điều kiện kiểm tra, sai số của BI chuẩn không được vượt quá 0,2 % là điều kiện khó thực hiện. Do vậy khi xác định sai số hỗn hợp người ta thường sử dụng một sơ đồ đo tương tự để thay thế. Sơ đồ nguyên lý này được trình bày trên hình 1.10. N1 X IN(V)Zb IS(V) IB(V) Z A N2 1A2 Hình 1.10.Sơ đồ tương đương thay thế phương pháp đo trực tiếp để xác định sai số hỗn hợp Trong đó, thay cho việc sử dụng một BI chuẩn của sơ đồ trước, ta phải sử dụng hai BI chuẩn N1 và N2 và chúng phải đáp ứng các điều kiện kỹ thuật sau đây: a) Dòng sơ cấp của BI chuẩn N1 phải có cùng giới hạn như giới hạn dòng sơ cấp của BI kiểm định. b) Dòng sơ cấp của BI chuẩn N2 phải có cùng giá trị như giới hạn dòng thứ cấp của BI kiểm định. c) Tỷ số biến đổi của BI chuẩn N2 nhân với tỷ số biến đổi của BI kiểm phải bằng tỷ số biến đổi của BI chuẩn N1; d) Cấp chính xác của BI chuẩn N1 và N2 phải là 0,1 hoặc cao hơn. e) Giá trị tải của BI chuẩn N1 và BI chuẩn N2 không được nhỏ hơn giá trị qui ước bằng giá trị điện áp trên cuộn thứ cấp khi xác định sai số 35 hỗn hợp, trong điều kiện bất lợi nhất khi IC tương ứng với giới hạn sai số hỗn hợp của BI kiểm X nhân với giới hạn dòng thứ cấp của chúng. Thành phần trở kháng Zb phải chọn sao cho tổng giá trị dẫn xuất tải của BI kiểm Zb phải phù hợp với trở kháng cuộn sơ cấp của BI chuẩn N2 và liên quan với nó là trở kháng cuộn thứ cấp. Trong sơ đồ trên hình 1.10 Ampe mét A1 đo lường thứ cấp IS (N1) của BI chuẩn N1 và cũng để kiểm tra dòng sơ cấp IP. Ampe mét A2 đo dòng IC là dòng gây sai số hỗn hợp và cũng chính là giá trị hiệu dụng của độ chênh lệch giữa dòng thứ cấp IS (N1) của BI chuẩn N1 và dòng thứ cấp IS (N2) của BI chuẩn N2. Sai số hỗn hợp được xác định theo công thức: I C δ = ⋅ (1.28) HH % 100% I (N ) S 1 Ví dụ: Kiểm định BI bảo vệ loại 5P20 có tỷ số biến đổi 400/5 KX = 80 - Điều kiện kiểm định: IP(x) = 8000 A (ngưỡng dòng sơ cấp BI kiểm định X tăng lên 20 lần: 400 A × 20 = 8000 A; IS(x) = 100 A (dòng thứ cấp của BI kiểm X tăng 20 lần: 5 A×20 = 100 A). - Chọn BI chuẩn N1 loại có tỷ số biến đổi 10000/5 (hoặc 8000/5) Như vậy KN1 = 2000 (hoặc 1600) Tính KN2 × 80 = 2000 (hoặc KN2 x 1600) Như vậy phải chọn KN2 = 25 (hoặc 20) Ta chọn BI chuẩn N2 có tỷ số 125/5 (hoặc100/5) Các con số trong ngoặc là số liệu có thể được lựa chọn theo một cách khác nhưng không tối ưu bằng. Sau khi thực hiện việc kiểm tra, ví dụ Ampe mét A2 đo được dòng điện IC = 0,25 A Như vậy sai số hỗn hợp được xác định là: 0,25 % 100% 5% δ = ⋅ = 5 36 Chương II ĐO CÔNG SUẤT TRONG MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU 2.1. Đo công suất tác dụng trong mạch một pha Đối với mạch một chiều, công suất tác dụng được xác định căn cứ vào việc đo dòng điện và điện áp trên tải. Căn cứ vào số chỉ của Ampe mét và Vôn mét, công suất tác dụng được tính. P =UI (2.1) Đối với mạch điện xoay chiều một pha, công suất tác dụng được tính. 1 T = = Ι ϕ ∫ (2.2) P u i dt U cos T Trong đó: t t 0 ut, it: giá trị tức thời của điện áp và dòng điện. U, I: trị hiệu dụng của điện áp và cường độ dòng điện. φ: góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện hay còn gọi là góc tải. Trong thực tế sử dụng để đo công suất mạch một chiều và xoay chiều, ta thường dùng các loại Oát mét sau đây: - Oát mét kiểu điện động là loại đạt độ chính xác cao, đo được công suất tác dụng một chiều và xoay chiều, dải tần số đến 2000 Hz. - Oát mét kiểu sắt điện động thường được sử dụng ở những nơi tĩnh tại, cấp chính xác thấp, đo được công suất tác dụng xoay chiều tần số công nghiệp, nếu dùng để đo công suất mạch một chiều sẽ có sai số lớn do hiện tượng từ trễ. - Oát mét kiểu cảm ứng, chỉ dùng ở mạch điện xoay chiều, cấp chính xác thấp. 37 Ngoài ra còn có Oát mét điện tử và Oát mét kiểu nhiệt điện thường được sử dụng để đo công suất ở giải tần số cao. Khi sử dụng Oát mét kiểu điện động để đo công suất tác dụng ở mạch điện xoay chiều, ngoài sai số do điện năng tiêu thụ ở mạch dòng và mạch áp còn phải kể tới sai số do góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện qua cuộn áp như hình 2.1 ( Ký hiệu góc lệc đó là φu) Thành phần sai số góc này biểu thị bằng công thức . γP% = k.ϕu tgϕ.100% W * 1Iɺ I a) ɺ * Rp b) ϕu Uɺ u 2 I I ɺ ɺ = Uɺ 2Iɺ Rtải ϕ I I ɺ ɺ ≈ 1 Hình 2.1. a) Sơ đồ mắc Oát mét điện động b) Đồ thị véc tơ dòng điện của Oát mét Điều này cho thấy rằng: sai số khi dùng Oát mét điện động phụ thuộc vào cấu trúc của Oát mét (ϕu) và tính chất của phụ tải (tgϕ). Do vậy khi đo phải chọn loại Oát mét có hệ số công suất danh định phù hợp với đối tượng đo. Chú ý: - Góc quay α = K1Scosϕ, nếu ta đổi đầu 1 trong 2 cuộn dây dòng hoặc áp, thì góc lệch pha ϕ' = ϕ ± π, đó α' = K1Scosϕ' = – α. Oát mét sẽ quay theo chiều ngược lại, vì vậy ta nói rằng Oát mét có cực tính, các đầu dây cùng cực tính thường được đánh dấu (*) để nối chúng với nhau - Góc quay α của Oát mét tỉ lệ với công suất tác dụng trên phụ tải song thang chia độ của Oát mét thường không chia theo đơn vị công suất mà chia thành một số vạch nhất định. Giá trị của mỗi vạch chia được đặc trưng bởi hệ số của Oát mét CW: 38 U I C =α (2.3) wk Trong đó: dmk dmk dm Udmk, Idmk: điện áp và dòng điện định mức ứng với thang đo thứ k nào đó. αdm: số vạch trên chia trên toàn thang đo. Oát mét điện động có thể có nhiều giới hạn đo, mỗi giới hạn có một hệ số CW tương ứng. Công suất đo được tính bằng tích của hệ số CW trên thang đo tương ứng với số vạch chia mà kim chỉ thị thể hiện P = CWk.α - Để loại trừ khả năng quá tải của cuộn dòng và cuộn áp, khi đo nên sử dụng thêm Ampe mét và Vôn mét để theo dõi. Ngoài sai số cơ bản, khi Oát mét làm việc ở điều kiện không tiêu chuẩn, các đại lượng ảnh hưởng vượt quá giá trị tiêu chuẩn quy định, sẽ xuất hiện thêm sai số phụ do các đại lượng ảnh hưởng gây nên. Đối với Oát mét , đại lượng ảnh hưởng quan trọng nhất là nhiệt độ và tần số, lý do là: Khi nhiệt độ môi trường thay đổi, các chi tiết và linh kiện ở mạch áp như: điện trở, điện cảm sẽ thay đổi làm thay đổi giá trị dòng điện trong mạch áp; các loại lò xo, dây treo cũng bị biến dạng dẫn đến những sai số phụ khác. Tần số lưới điện thay đổi cũng gây nên sai số phép đo vì phần lớn các chi tiết ở dụng cụ đo được chế tạo bằng kim loại, chúng lại nằm trong từ trường biến thiên do các cuộn tĩnh gây ra nên khi tần số thay đổi sẽ xuất hiện thêm những dòng điện cảm ứng, gây tổn thất. Các tổn thất này có thể coi như một mạch rẽ song song của cuộn tĩnh. Đối với những dụng cụ đo dùng cho mạch điện xoay chiều, để loại trừ sai số phụ, người ta hạn chế đến mức tối đa việc sử dụng các chi tiết bằng vật liệu sắt từ như các loại ốc vít giữ cuộn dây được thay bằng đồng, chiều quấn cuộn dây, cách đặt và sắp xếp các cuộn dây theo hướng cũng được chú ý. 39 Thông thường Oát mét được chế tạo theo những giới hạn đo đã được tiêu chuẩn hoá như dòng điện đến 10 A, điện áp trên 600 V. Để đo được công suất mạch điện xoay chiều có * * BU W cường độ dòng điện trên 10 A và điện áp trên 600 V người ta phải sử dụng thêm các thiết bị phụ là các máy biến dòng và biến áp đo lường ký hiệu là BI BI Hình 2.2. Mắc Oát mét qua BI và BU và BU. Theo quy định sử dụng thì cấp chính xác của BI và BU bao giờ cũng phải cao hơn cấp chính xác của Oát mét . Khi đo gián tiếp ta phải tính toán sai số theo nguyên tắc tính sai số của hàm khi biết các sai số của đối số [1]. Sơ đồ đấu dây khi đo gián tiếp được trình bày trên hình 2.2. Trong trường hợp này công suất đo được sẽ bằng tích của số chỉ Oát mét Pw với hệ số biến đổi của BI và BU ( KI và KU) P = PW. KI. KU (2.4) 2.2. Đo công suất tác dụng trong mạch 3 pha 2.2.1. Tổng quát Đối với mạch ba pha đối xứng, công suất tổng của cả mạch là: - Theo đại lượng pha: P3pha = PA + PB + PC =3UfIfcosϕ (2.5a) - Theo đại lượng dây: P3pha = d d 3U I cosϕ (2.5b) Trong đó: PA, PB, PC: công suất ở từng pha A, B, C. Id, Ud: dòng điện và điện áp dây. If, Uf: dòng điện và điện áp pha. φ: góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp pha. 40 Trường hợp tổng quát, mạch 3 pha không đối xứng, công suất tác dụng trong mạch điện 3 pha có giá trị bằng tổng công suất tác dụng trong từng pha: P3pha = PA + PB + PC = = UAIAcosφA + UBIBcosφB + UCICcosφC (2.6) Riêng trong mạch 3 pha 3 dây công suất tác dụng có thể biểu thị bằng một trong ba biểu thức sau đây: P3pha = UAC.IA.cosφ1 + UBC.IB.cosφ2 (2.7) P3pha = UAB IA cosφ3 + UCB IC cosφ4 (2.8) P3pha = UBA IB cosφ5 + UCA IC cosφ6 (2.9) Trong đó: A, B, C chỉ thứ tự pha; φ1,… φ6 là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp tương ứng. Trong mạch điện 3 pha, công suất tác dụng được đo bằng Oát mét . Số lượng Oát mét và sơ đồ đấu dây phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Mạch 3 pha 3 dây hay 3 pha 4 dây; - Mạch 3 pha đối xứng hay không đối xứng; - Sơ đồ đấu dây của tải là tam giác hay hình sao. Ta xét một số phương pháp sử dụng Oát mét để đo công suất tác dụng. 2.2.2. Các phương pháp đo công suất tác dụng 2.2.2.1. Mạch 3 pha đối xứng, phương pháp dùng một Oát mét một pha Áp dụng cho cả mạch 3 pha 3 dây hoặc 3 pha 4 dây với điều kiện là mạch 3 pha phải đối xứng. Trên hình 2.3 (a, b, c) trình bày các phương án khác nhau, tuỳ thuộc vào kiểu đấu tải là tam giác hay hình sao để chọn phương án cho thích hợp. Trong mạch 3 pha có điểm trung tính, công suất tác dụng được xác định theo sơ đồ hình 2.3a. Tương tự như vậy là cách đo công suất áp dụng cho tải kiểu tam giác (hình 2.3b). Cả hai trường hợp trên Oát mét đều chỉ công suất của một pha. Muốn tính được công suất cả mạch 3 pha phải nhân với hệ số 3. 41 Trong trường hợp không có điểm trung tính có thể đo công suất bằng 2 cách trình bày trên hình 3.3.c. Cách 1: Dùng Oát mét W1 và công tắc chuyển mạch K để đưa lần lượt điện áp dây UAB, UAC vào cuộn áp của W1 A C a) * W *Z Z Z * W b) A B Z * Z Z B c) A B C * W1 * K C * W2 * 1 2 R1 RW2 R2 Hình 2.3. Sơ đồ đo công suất tác dụng mạch 3 pha dùng 1 Oát mét Mạch dòng chỉ có một dòng điện IA chạy qua. Đồ thị véc tơ được trình bày trên hình 3.4a ta có biểu thức công suất đo được ở các vị trí của công tắc. - Vị trí 1: P1W1 = UAC IA cos(300 – φ) = Ud Id cos(300 – φ) (2.10) - Vị trí 2: P2W1 = UAB IA cos(300 + φ) 42 AB Uɺ CIɺ Uɺ AC Uɺ A Uɺ C CB Uɺ Hình 2.4 Iɺ A Uɺ B BIɺ AC Uɺ BA Uɺ = Ud Id cos(300 + φ) (2.11) Công suất tác dụng của mạch 3 pha bằng tổng các chỉ số của Oát mét ở hai vị trí. P3pha = P1W1 + P2W1 = 2Ud Id cosφ cos300 = 3 Ud Id cosφ (2.12) Cách 2: Đo công suất 1 pha bằng Oát mét W2 bằng cách tự tạo điểm trung tính giả để đưa điện áp pha vào cuộn áp cho Oát mét W2 Điều kiện tạo ra trung tính giả là: R1 = R2 = RW2 với RW2 là giá trị điện trở mạch áp của Oát mét W2. Công suất tác dụng của cả mạch 3 pha sẽ là. P3pha = 3UI cosφ = 3PW2 (2.13) 2.2.2.2. Mạch 3 pha 3 dây – phương pháp dùng 2 Oát mét một pha hoặc Oát mét 3 pha 2 phần tử Trên hình 2.5 trình bày 3 sơ đồ đấu Oát mét . Căn cứ các biểu thức (2.7), (2.8) và (2.9) ta nhận thấy mọi sơ đồ ở đây đều đồng nhất và có thể sử dụng bất kỳ sơ đồ nào ở đây để đo công suất tác dụng. Xét công suất tức thời trong mạch ba pha là. p3pha = uAiA + uBiB + uCiC. (2.14) Đối với mạch ba pha ba dây, vì không có dây trung tính nên dòng điện trung tính bằng không nghĩa là: iA + iB + iC = 0 ⇒ iC = – (iA + iB). Vậy: p3pha = uAiA + uBiB – uC(iA + iB) = uAiA + uBiB – uCiA – uC iB = iA(uA – uC) + iB(uB – uC) = iAuAC + iBuBC. (2.15) Vậy công suất tác dụng ba pha là. P U I cos(U , I ) U I cos(U , I ) P P 3f AC A AC A AB A AB A W1 W2 = + = + ɺ ɺ ɺ ɺ (2.16) 43 Như vậy ta có thể dùng hai Oát mét một pha có các sơ đồ như hình 2.5 để đo công suất trong mạch ba pha. Thực tế cũng dựa trên nguyên tắc này người ta chế tạo Oát mét ba pha hai phần tử. * W1 A B C a) * * W2 * * W1 A B C * W1 * * W2 A B C * * W2 b) c) * * Hình 2.5. Sơ đồ đo công suất tác dụng 3 pha 3 dây bằng 2 Oát mét 1 pha Ta cần chú ý rằng công suất tác dụng của mạch 3 pha 3 dây không phụ thuộc vào sơ đồ đấu của tải là tam giác hay hình sao và đặc tính của tải có đối xứng hay không. Công suất này luôn luôn bằng tổng đại số của số chỉ 2 Oát mét đấu theo 1 trong các sơ đồ hình 2.5. Điều đáng chú ý là nếu sử dụng 2 Oát mét có cùng số vạch chia và giá trị vạch chia như nhau thì trong trường hợp tải đối xứng và mang tính chất thuần trở, số chỉ của 2 Oát mét sẽ như nhau và bằng một nửa công suất tác dụng của cả mạch, còn nhìn chung, số chỉ của hai Oát mét sẽ khác nhau, kể cả khi tải đối xứng mà không thuần trở. Đồ thị về sự phụ thuộc giữa số chỉ của từng Oát mét và công suất tác dụng của cả mạch 3 pha vào đặc tính của tải được trình bày ở hình 2.6. 44 Căn cứ theo đồ thị và tương ứng với các biểu thức nêu trên ta thấy, nếu phụ tải đối xứng và mang tính điện cảm thì ở các giải của hệ số công suất các Oát mét có số chỉ như sau: + Cosφ = 1 (φ = 0): hai Oát mét có số chỉ như nhau, bằng 0,866UdId + Cosφ > 0,5 (φ < 600): hai Oát mét đều có số chỉ dương. + Cosφ = 0,5 (φ = 600): Oát mét thứ nhất chỉ 0, Oát mét thứ hai chỉ 0,866UdId + Cosφ < 0,5 (φ > 600): Oát mét thứ nhất chỉ số chỉ âm + Cosφ = 0 (φ = 900): hai Oát mét có số chỉ bằng 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40 P/UI 0-600300-900600 -30 0 900 nhau về giá trị nhưng Oát mét thứ nhất có số chỉ âm. -60 Hình 2.6 Góc φ 2.2.2.3. Mạch 3 pha 4 dây, phương pháp 3 Oát mét một pha hoặc Oát mét 3 pha 3 phần tử Sơ đồ đấu dây trình bày ở hình 2.7. Công suất tác dụng của cả mạch bằng tổng công suất tác dụng của từng pha: * W1 W1 A * iA * W1 * * * B C O iB iC Tải 3 pha Hình 2.7. Sơ đồ đo công suất tác dụng mạch 3 pha bằng 3 Oát mét 1 pha 45 P3pha = PA + PB + PC = UAIAcosφA + UBIBcosφB + UCICcosφC (2.17) Ở đây mỗi Oát mét chỉ thị công suất của một pha. Phương pháp dùng một, hai hoặc ba Oát mét áp dụng chủ yếu trong điều kiện phòng thí nghiệm. Trong thực tế sử dụng, người ta đã chế tạo ra Oát mét 3 pha loại một, hai, hoặc 3 phần tử mà nguyên lý của nó tương tự phương pháp dùng một, hai hoặc ba Oát mét nêu trên. Loại Oát mét 3 pha một phần tử rất ít phổ cập vì loại mạch do có tải hoàn toàn đối xứng là rất hiếm. Ứng dụng rộng rãi nhất là loại Oát mét 3 pha 2 phần tử dùng trong mạch 3 pha 3 dây và Oát mét 3 pha 3 phần tử dùng trong mạch 3 pha 4 dây. Trong cấu tạo của chúng đều có chung một phần động, trên đó tác động mô men tổng hợp của tất cả các phần tử cấu thành. A BI B BI C BU BU W1 W2 * *** Hình 2.8. Sơ đồ đấu 2 Oát mét qua BI và BU Để mở rộng giới hạn đo trong mạch điện 3 pha người ta cũng sử dụng BI và BU như trong mạch điện một pha và công suất của cả mạch bằng số chỉ của Oát mét nhân với hệ số biến đổi BI và BU. Đối với mạch 3 pha cao thế, ngay cả khi cường độ dòng điện của tải không vượt quá dòng danh định, người ta vẫn phải sử dụng BI và BU, trong trường hợp này chúng đóng vai trò cách ly mạch đo và dụng cụ đo khỏi điện áp cao. Trên hình 2.8 trình bày sơ đồ đấu 2 Oát mét hoặc Oát mét 3 pha 2 phần tử qua BI và BU. 46 2.3. Đo công suất phản kháng 2.3.1. Tổng quát Công suất phản kháng và điện năng phản kháng có một ý nghĩa lớn cả về mặt kỹ thuật lẫn hiệu quả kinh tế đối với việc sản xuất truyền tải và sử dụng điện năng [2]. Vì vậy việc đo đếm công suất phản kháng và điện năng phản kháng là không thể thiếu. Trong mạch điện 1 pha vì công suất phản kháng không đáng kể nên việc đo này chỉ tiến hành trong điều kiện phòng thí nghiệm theo những sơ đồ đặc biệt để nghiên cứu. Công suất phản kháng và điện năng phản kháng chỉ có ý nghĩa thực tiễn ở những hộ tiêu thụ điện 3 pha lớn. Công suất phản kháng trong mạch điện 3 pha được xác định theo công thức. Q3pha = QA + QB + QC (2.18) Nếu mạch điện 3 pha đối xứng. Q3pha = 3 UIsinφ = 3 UdIdsinφ (2.19) Để đo được công suất phản kháng, người ta đã chế tạo dụng cụ đo đặc biệt gọi là var mét, thực chất cấu tạo của nó không khác Oát mét , nên ta cũng có thể sử dụng Oát mét thông thường để đo công suất phản kháng theo những sơ đồ đấu dây thích hợp. Sơ đồ đấu var mét để xác định công suất phản kháng không khác sơ đồ đấu Oát mét . Nguyên tắc chung, để xác định công suất phản kháng ta phải tạo lập được góc lệch pha giữa véc tơ dòng điện và điện áp bằng (900 – φ) trong quá trình đo, khi đó. Cos(900 – φ) = Sinφ (2.20) Hình 2.9 trình bày sơ đồ đấu dây và đồ thị véc tơ theo điều kiện vừa nêu trên. Giả sử mạch 3 pha đối xứng và theo cách đấu như hình 2.9, trên cơ sở đồ thị véc tơ ta nhận thấy số chỉ của Oát mét sẽ tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. 47 * A * CA Uɺ BC Uɺ Uɺ A φ Iɺ A AB Uɺ a) B C b) Hình 2.9 Uɺ C BC Uɺ Uɺ B Pw = UBC IA cos(UBC, IA) = UBC IA cos(900 – φ) (2.21) = UBC IA sinφ = Ud Id sinφ = Q3pha 3 Suy ra: Q 3P 3U I sin 3pha W d d = = ϕ (2.22) 2.3.2. Các phương pháp đo công suất phản kháng Tuỳ thuộc vào mạch đo, đặc tính của tải, chủng loại và số lượng dụng cụ đo được sử dụng, người ta thường áp dụng các phương pháp sau đây để đo công suất phản kháng. 2.3.2.1. Dùng hai Oát mét đấu theo sơ đồ đo công suất tác dụng Chọn một sơ đồ đo công suất tác dụng bất kỳ nêu ở hình 2.5. Theo phương pháp này, nếu chọn PW1 là số chỉ của Oát mét vượt pha và PW2 là số chỉ của Oát mét chậm Iɺ pha, và ta coi mạch 3 pha gần đối C AC Uɺ .U AB Uɺ A φ Iɺ A AC Uɺ BC Uɺ xứng. Ta có đồ thị véc tơ như hình 2.10. Trong đó: P U I cos(U , I ) = φ BC Uɺ Iɺ B W1 AC A AC A 0 = − ϕ U I cos(30 ) d d P U I cos(U ,I ) = W2 BC B BC B 0 = + ϕ U I cos(30 ) d d 48 Hình 2.10 Lấy hiệu số giữa chúng: 09 0 P P U I cos(30 ) U I cos(30 ) W1 W2 d d d d − = −ϕ − + ϕ Q 3pha = ϕ = (2.23) U I sin3 d d Suy ra: Q (P P ). 3 3pha W1 W 2 = − (2.24) Như vậy để nhận được công suất phản kháng của cả mạch ta phải lấy hiệu số của số chỉ Oát mét vượt pha và số chỉ Oát mét chậm pha nhân với hệ số 3 . 2.3.2.2. Phương pháp dùng 2 Oát mét đấu dòng nọ, áp kia A B C * * W1 W2 * * Hình 2.11 AB Uɺ Uɺ C Iɺ C Uɺ A b2 b1 Iɺ A Uɺ B BC Uɺ Đấu Oát mét theo sơ đồ trên hình 2.11, lấy tổng số chỉ của 2 Oát mét ta có. P P U I cos(U , I ) U I cos(U ,I ) W1 W2 BC A BC A AB C AB C + = + ɺ ɺ ɺ ɺ = + U I cos b U I cos b BC A 1 AB C 2 (2.25) Từ đồ thị véc tơ ta nhận thấy nếu tải đối xứng 0 1 2 b b 90 = = − ϕ (2.26) Từ đó: 0 2 P P 2U I cos(90 ) 2U I sin Q + = − ϕ = ϕ = (2.27) W1 W2 d d d d 3pha 3 49 Suy ra: 3pha W1 W23 Q (P P ).2 = + (2.28) Như vậy nếu theo phương pháp này, để nhận được công suất phản kháng phải lấy tổng các số chỉ của Oát mét nhân thêm với hệ số 2/3 . Hai phương pháp vừa nêu trên chỉ dùng và áp dụng được cho mạch đo có tải đối xứng hoặc gần đối xứng. 2.3.2.3. Phương pháp dùng 2 Oát mét và tạo trung tính giả Đấu 2 Oát mét theo sơ đồ hình 2.12. A B * W2 * CA Uɺ Uɺ φ Iɺ A −Uɺ a) C Iɺ W2 b) C * A Uɺ C Uɺ B AB Uɺ C * RW2 R RW1 Hình 2.12 BC UɺA Iɺ Việc tạo điểm trung tính giả phải tuân theo điều kiện sau: R = RW1 = RW2 (2.29) Với RW1 và RW2 là giá trị điện trở mạch áp của Oát mét . Lấy tổng các số chỉ của 2 Oát mét ta có 0 0 P P U I cos(60 ) U I cos(120 ) W1 W2 C A A C + = − ϕ + − ϕ (2.30) 1 3 1 3 UI( cos sin cos sin ) = ϕ + ϕ − φ + ϕ 2 2 2 2 d dQ = ϕ = ϕ = 3UIsin U I sin3 Suy ra: Q (P P ). 3 3f W1 W2 = + (2.31) 50 Theo phương pháp này muốn nhận được công suất phản kháng phải lấy tổng số chỉ của 2 Oát mét nhân thêm với hệ số 3 . 2.3.2.4. Dùng 3 Oát mét Thường áp dụng để đo công suất phản kháng trong mạch 3 pha 3 dây và 3 pha 4 dây. Đấu Oát mét theo sơ đồ hình 2.13. A * * * W1 W2 B C O * * * Hình 2.13 W3 Dựa theo cách chứng minh nêu ở trên hình 2.9 ta có: Q Q Q =3pha 3pha = ; 3pha P ; W1 3 P3 W2 = (2.32) P3 W3 Lấy tổng các số chỉ của 3 Oát mét ta có: 3Q 3pha P P P3 + + = W1 W2 W3 P P P Q3 + + W1 W2 W3 3pha = (2.33) Như vậy, công suất phản kháng của cả mạch sẽ bằng tổng các số chỉ của 3 Oát mét chia cho hệ số 3 . Đáp ứng nhu cầu thực tế sử dụng, người ta đã chế tạo ra các loại var mét 2 phần tử và 3 phần tử, hoặc 2 phần tử có thêm 1 cuộn dòng phụ có kết cấu phù hợp với mạch đo, trong đó có tính cả các hệ số phải nhân thêm. Do vậy trong quá trình thực hiện phép đo công suất phản kháng, ta chỉ cần đọc kết quả trực tiếp theo var mét mà không cần phải nhân thêm với bất kỳ hệ số nào. 51 52 Chương III ĐO NĂNG LƯỢNG TÁC DỤNG VÀ PHẢN KHÁNG 3.1. Công tơ điện cảm ứng 3.1.1. Khái niệm dụng cụ đo cảm ứng Dụng cụ đo cảm ứng được dùng trong mạch điện xoay chiều và chia thành hai loại. - Dụng cụ đo cảm ứng một từ thông - Dụng cụ đo cảm ứng nhiều từ thông Loại thứ nhất chỉ có một từ thông biến đổi tác động với dòng điện cảm ứng trên phần động. Loại thứ hai có nhiều từ thông tác động với các dòng điện cảm ứng do chúng sinh ra trên phần động và tạo nên mô men quay. Cơ cấu đo cảm ứng một từ thông chỉ ứng dụng để chế tạo các Ampe mét, Vôn mét hoặc lôgômet. Cơ cấu đo cảm ứng nhiều từ thông có thể chế tạo Ampe mét, Vôn mét, Oát mét và công tơ điện. Ngày nay công tơ điện kiểu cảm ứng vẫn được dùng rộng rãi để đo năng lượng điện trong mạch điện xoay chiều và đó là ứng dụng chủ yếu của cơ cấu đo cảm ứng. 3.1.2. Nguyên lý làm việc và cấu tạo chung của cơ cấu đo cảm ứng 3.1.2.1. Loại một từ thông Hình 3.1 vẽ một dạng nguyên lý cấu tạo của cơ cấu đo cảm ứng một từ thông. Phần tĩnh gồm cuộn dây có mạch từ 1, phần động gồm đĩa quay 2 có dạng không đối xứng gắn với một trục quay, trên đó có lò xo phản, kim chỉ thị (trong hình vẽ không trình bày). 53 1 2 F1 0 F F2 Hình 3.1. Nguyên lý cấu tạo cơ cấu đo cảm ứng một từ thông Khi có dòng điện chạy vào cuộn dây 1 sẽ tạo nên từ thông biến thiên xuyên qua đĩa 2, do đó trên đĩa xuất hiện dòng điện cảm ứng. Do tác động tương hỗ giữa từ thông và dòng điện cảm ứng trên đĩa tạo nên lực điện từ F . Lực F này không qua tâm quay O của đĩa 2. Ta có thể và F2 . Lực F1 phân tích F thành hai lực thành phần F1 hướng về tâm vuông góc với bán kính quay O nên không tạo mô men quay, còn lực F2 quay OA tạo nên mô men có tác dụng làm quay đĩa:Mq = F2.OA Lực điện từ F có thể xác định theo biểu thức. F = KΦI2cos( Φ, I2), (3.1) với I2 là dòng điện cảm ứng trên đĩa quay có trị số bằng. Iz Zφ E K 2 2 Trong đó: = = 2 2 Z2: tổng trở của đĩa quay. E2: sức điện động cảm ứng trên đĩa. 54 Vì E2 chậm sau Φ một góc 900 nên. X, 2 cos (Φ, I2) = - sin( E2, I2) = - Z 2 Trong đó X2 là điện kháng của đĩa quay. Do đó biểu thức 3.1 có thể viết dưới dạng sau: X 2 2 F KZ = − φ (3.2) 2 Biểu thức (3.2) cho thấy mô men quay tỷ lệ với bình phương từ thông xuyên qua đĩa quay, nhưng do cấu tạo đĩa quay có hình dáng không đối xứng nên khi đĩa quay từ thông xuyên qua nó giảm dần do đó mà mô men quay không tăng lên theo quy luật trên và gần như tỷ lệ bậc nhất với dòng điện qua cuộn dây I, nghĩa là Mq = K.I Ở vị trí cân bằng ta có: Mq = Mp K.I = D.α Do đó phương trình đặc tính thang đo có dạng. KI α = D 3.1.2.2. Loại nhiều từ thông Hình 3.2 trình bày sơ đồ cấu tạo cơ cấu đo cảm ứng 2 từ thông có đĩa quay. Các phần tử cơ bản gồm có: Hai cuộn dây tĩnh 1 và 2 cho dòng điện cần đo chạy qua, đĩa quay 3, trục quay 4, và lò xo phản 5. Khi có các dòng điện xoay chiều i1 và i2 chạy qua cuộn dây 1 và 2 sẽ tạo nên hai từ thông biến thiên Φ1(t) và Φ2(t) xuyên qua đĩa 3. Các từ thông này biến thiên theo qui luật hình sin và lệch pha nhau một góc ψ. Trị số tức thời các từ thông trên có dạng. Φ1(t)= Φ1m Sinωt (3.3) Φ2(t) = Φ2m Sin(ωt- ψ) (3.4) Trong đó: Φ1m và Φ2m là biên độ cực đại và ψ là góc lệch pha giữa các từ thông Φ1(t) và Φ2(t) 55 Hình 3.2. Cơ cấu đo cảm ứng hai từ thông Sự biến thiên của từ thông Φ1(t) và Φ2(t) sẽ sinh ra hai sức điện động cảm ứng trên đĩa quay là e1 và e2. Trị hiệu dụng của e1 và e2 tỷ lệ với từ thông Φ1 và Φ2; góc pha của e1 và e2 chậm sau các từ thông tương ứng một góc 900. Do đó trị số tức thời của sức điện động cảm ứng có dạng. 0 1 1 1m e C f Sin( t 90 ) = φ ω − 0 2 2 2m e C f Sin( t 90 ) = φ ω − ψ − Trị số hiệu dụng của dòng điện cảm ứng trên đĩa bằng Ε Ε Ι = và 2 1 12 Rd Ι = 22 Rd Trong đó Rd là điện trở tương đương của đĩa quay. Trị số tức thời của các dòng điện cảm ứng trên đĩa là. C 1 0 = φ ω − (3.5) i f Sin( .t 90 ) 12 1m R d C 2 0 i f Sin( .t 90 ) = φ ω − ψ − (3.6) 22 2m R d Từ hình 3.2b ta thấy dòng điện cảm ứng trên đĩa i12 có một phần đi qua vùng từ thông Φ2(t) và dòng điện cảm ứng i22 có một phần đi qua vùng từ thông Φ1(t). Do đó dòng điện i12 tác động tương hỗ với từ thông Φ2(t) sinh ra lực F1 và dòng điện i22 tác động tương hỗ với từ thông 56 Φ1(t) sinh ra lực F2 và tạo nên các mô men tương ứng là M1 = K1F1 và M2 = K1F2. Các mô men này được bố trí có chiều ngược nhau, hiệu hai mô men này làm đĩa quay. Mq = M1 – M2 = K1(F1 – F2) Vì lực điện từ F tỷ lệ với dòng điện cảm ứng trên đĩa và từ thông tác động tương hỗ với nó nên ta có. F = K2IB. Biểu thức của trị số tức thời các mô men M1 và M2 có dạng. M (t) K F (t) K K i B (t) K i B (t) K i (t) 1 1 1 1 2 12 2 3 12 2 4 12 2 = = = = φ Tương tự: M (t) K i B (t) K i (t) 2 3 22 1 4 22 1 = = φ . Thay thế các giá trị của i12, i22, Φ1(t) và Φ2(t) vào trên ta được.   C C M (t) K f Sin( .t 90 ) Sin( t ) f Sin( t 90 ) Sin t 1 0 1 0 = φ ω − φ ω −ψ − φ ω −ψ− φ ω   q 4 1m 2m 2m 1m R R   d d Biến đổi các biểu thức lượng giác ta có: 0 0 Sin ( t – 90 )sin ( t – ) – sin ( t – 90 )sin t ω ω ψ ω ψ − ω = − ω ω ψ + ω ψ ω = cos t sin ( t – ) cos ( t – )sin t 1 1 [sin (2 t ) - sin ] [sin (2 t ) + sin ] sin =− ω −ψ ψ + ω −ψ ψ = ψ 2 2 Như vậy, biểu thức trên có dạng rút gọn: K M (t) f Sin 5 = φ φ ψ (3.7) q 1m 2m R d Từ (3.7) ta thấy rằng dù từ thông có dòng điện cảm ứng trên đĩa biến thiên tuần hoàn, trị số tức thời của mô men quay là một số không đổi (Trị số M1(t) và M2(t) biến thiên theo qui luật hình sin nhưng hiệu của chúng thì không đổi về dấu và trị số, do đó trị số trung bình của mô men quay cũng không đổi. Vì trị số biên độ cực đại từ thông Φ1m và Φ2m tỷ lệ với trị hiệu dụng của chúng Φ1 và Φ2 nên biểu thức mô men quay trung bình có thể viết. 57 K M f Sin 6 = φ φ ψ (3.8) q 1 2 R d Khi phần động ở vị trí cân bằng Mq = Mp, ta có: Kf Sin D K 6 Rφ φ ψ = α = α 1 2 7 d Do đó phương trình đặc tính thang đo của dụng cụ đo cảm ứng hai từ thông có dạng. Kf Sin α = φ φ ψ (3.9) 81 2 R d Từ 3.9 rút ra những nhận xét sau: - Để tạo mô men quay cơ cấu đo cảm ứng phải có ít nhất hai từ thông biến thiên hoặc hai thành phần của một từ thông lệch pha nhau về không gian và thời gian. - Mô men quay lớn nhất khi góc lệch pha giữa hai từ thông ψ = 900. - Mô men quay của cơ cấu đo cảm ứng phụ thuộc vào tần số, Mq = 0 khi f = 0, nghĩa là cơ cấu đo cảm ứng chỉ dùng trong mạch điện xoay chiều. - Mô men quay phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ thay đổi làm Rd thay đổi, do đó Mq thay đổi theo. Thực nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ thay đổi 10 0C số chỉ của dụng cụ cảm ứng thay đổi 4 %. 3.1.3. Công tơ cảm ứng một pha 3.1.3.1. Cấu tạo Công tơ cảm ứng một pha là loại dụng cụ đo năng lượng điện trong mạch điện xoay chiều một pha. Tuy có hình thức cấu tạo khác nhau, song chúng đều có những chi tiết như: - Cuộn dây điện áp 1 và cuộn dây dòng điện 2. - Đĩa nhôm 3 và trục quay 4 - Nam châm vĩnh cửu 5 tạo mô men phản - Cơ cấu đếm 6 58 * Cuộn dây điện áp và cuộn dây dòng điện Cuộn dây điện áp còn gọi là cuộn dây song song vì nó nối song song với phụ tải vào điện áp lưới điện. Cuộn dây song song có mạch từ làm bằng các lá thép kỹ thuật điện để tránh tổn hao dòng điện xoáy. Số vòng dây của nó thay đổi theo điện áp đặt vào cuộn dây ấy tức phụ thuộc điện áp định mức của công tơ. Loại điện áp định mức U = 110V, số vòng dây WU = 3000 ÷ 4000 vòng, loại U = 220V, WU = 6000 ÷ 7000 vòng với dây đồng có đường kính từ 0,12 ÷ 0,14mm. Cuộn dây dòng điện còn gọi là cuộn dây nối tiếp vì nó nối tiếp với phụ tải có dòng điện chảy qua. Cuộn dây nối tiếp có số vòng dây ít hơn nhiều so với cuộn dây song song, số vòng dây chừng WI = 20 ÷ 30 vòng dây có đường kính lớn (1,4 ÷ 2) mm với dòng điện định mức của công tơ Idm = 5A, dây lớn hơn nếu dòng điện định mức lớn hơn và số vòng dây ít hơn, đảm bảo số ampe - vòng của cuộn dây nối tiếp WI = (90 ÷ 150) AV. Cuộn dây nối tiếp được phân thành hai nửa có mạch từ bằng thép lá kỹ thuật điện và bố trí phía dưới đĩa quay, còn cuộn dây song song bố trí phía trên đĩa quay. Vị trí tương đối giữa hai cuộn dây này có hai phương án bố trí. - Cuộn dây song song và nối tiếp với mạch từ của chúng cùng nằm trên mặt phẳng theo phương tiếp tuyến với đường tròn đĩa quay (hình 3.3b). Hình 3.3. Cấu tạo của công tơ điện cảm ứng một pha và vị trí tương đối giữa các cuộn dây song song và nối tiếp 59 - Cuộn dây song song và nối tiếp đặt vuông góc nhau, một trong hai cuộn nằm trong mặt phẳng theo phương hướng kính của đĩa quay (hình 3.3c). Do kết cấu mạch từ, trong cuộn dây song song từ thông Φ∑U do dòng điện qua cuộn dây sinh ra sẽ phân thành hai thành phần: thành phần ΦU xuyên qua đĩa nhôm (gọi là từ thông chính hay từ thông làm việc vì có tác dụng tạo mô men quay) và từ thông ΦL khép kín mạch không xuyên qua đĩa nhôm (gọi là từ thông phụ vì không tạo mô men quay). Sở dĩ mạch từ cuộn dây song song có cấu tạo như vậy là để tạo nên góc lệch pha giữa từ thông ΦU của mạch song song với từ thông ΦI của mạch nối tiếp là 900, đó là điều kiện cần thiết số chỉ của công tơ kiểu cảm ứng tỷ lệ với lượng điện năng mà tải tiêu thụ . Nếu xem xét ký lưỡng, từ thông do cuộn dây nối tiếp sinh ra cũng phân thành hai thành phần: Từ thông làm việc ΦI xuyên qua đĩa và từ thông không làm việc không xuyên qua đĩa ΦS (xem hình 3.9). Số lượng các cuộn dây song song và nối tiếp có từ 1 đến 3, công tơ 1 pha chỉ cần 1 cuộn dây song song và 1 cuộn dây nối tiếp, công tơ 3 pha dùng trong mạch điện 3 pha 3 dây có 2 cuộn song song và 2 cuộn nối tiếp, trong mạch điện 3 pha 4 dây có 3 cuộn dây song song và 3 cuộn dây nối tiếp. * Nam châm vĩnh cửu tạo mô men phản Để tạo mô men phản trong công tơ người ta dùng nam châm vĩnh cửu tương tự như việc tạo mô men cản dịu kiểu cản ứng từ trong các cơ cấu đo cơ điện. Nam châm vĩnh cửu có nhiều dạng khác nhau trên hình 3.4, mô tả cấu tạo của một dạng nam châm vĩnh cửu tạo mô men phản gồm: nam châm vĩnh cửu (1), gông từ (2) và vít điều chỉnh 3. Nam châm vĩnh cửu được bắt chặt vào khung cố định của cơ cấu đo, nhưng có thể xê dịch vị trí dọc theo đường bán kính của đĩa quay và có thể điều chỉnh khe hở giữa hai cực của nam châm với đĩa quay để thay đổi mô men. Chất lượng của nam châm có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của công tơ, trong đó yêu cầu và tính ổn định từ tính theo thời gian và nhiệt độ là rất quan trọng. 60 Hình 3.4. Cấu tạo nam châm vĩnh cửu tạo mô men phản * Đĩa quay và trục quay Đĩa quay làm bằng nhôm có đường kính từ (80 ÷ 100) mm, chiều dày đĩa (0,5 ÷ 1,5) mm. Đĩa gắn chặt với trục quay 5 bằng phương pháp ép. Đầu trên và dưới của trục quay có gối đỡ. Gối đỡ dưới có ảnh hưởng rất nhiều đến độ chính xác của công tơ vì vậy cần có cấu tạo đặc biệt. Hình 3.5 mô tả gối đỡ dưới. Hình 3.5. Cấu tạo gối đỡ trục quay của cơ cấu Cấu tạo đầu dưới của trục quay 1 có dạng hình chóp nón đặt trong một ống 2 có ép chặt một viên bi dưới 3, viên bi và ống 2 tựa trên một gối đỡ 4 lõm hình cầu, nhờ có lò xo 5 và lắp đậy 6 có ren, ta có thể điều chỉnh trục quay và phần động lên xuống. Trong buồng B có chứa dầu 61 bôi trơn đầu trục quay để giảm ma sát giữa trục và gối đỡ. Viên bi 3 có kích thước nhỏ để giảm ma sát, nhưng không thể quá nhỏ vì quá nhỏ ứng suất tác dụng trên gối đỡ 4 vượt quá ứng suất giới hạn cho phép làm trụ đỡ chóng hỏng. Thường bán kính viên bi bằng 0,5 mm. Gối đỡ trên không chịu lực như gối đỡ dưới, nó có tác dụng định vị trục quay, ma sát giữ đầu trục và gối đỡ tương đối nhỏ. Cấu tạo gối đỡ trên hình 3.5b. Đầu trên trục quay có khoan một lỗ 7 để chứa dầu bôi trơn, nắp 8 có lỗ phía trên bắt chặt vào đầu trục quay, bên ngoài nắp 8 và nắp 9 có gắn một kim cố định 10 chui qua lỗ của nắp 8 và nằm trong lỗ 7. Cấu tạo gối đỡ của trục công tơ như trên ma sát lớn, nên sai số lớn. Để loại trừ sai số do ma sát giữa đầu trục và gối đỡ, nhằm nâng cao độ chính xác của công tơ điện, ngày nay người ta dùng gối đỡ kiểu nam châm treo (hình 3.6). Hình 3.6. Cấu tạo gối đỡ kiểu nam châm treo của công tơ điện Đầu trên của trục quay 1 đặt trong một nam châm hình trụ 2 (ghép chặt). Trong lòng nam châm 2 có một vòng nhỏ 3 để định vị kim 4 từ nắp 5 phía trên chui xuống. Nắp 5 làm bằng hợp kim nhôm có gắn chặt một nam châm vĩnh cửu 6 hình ống bao ngoài nam châm 2. Do sự bố trí cực tính của nam châm tĩnh 6 và nam châm quay 2 ngược nhau nên hình thành lực hút giữa 2 nam châm đó. Trọng lượng bản thân phần động có khuynh hướng kéo nam châm 2 tụt xuống nhưng nhờ có lực hút giữa nam châm 2 và 6 giữ cho phần động nằm ở vị trí cân bằng. Đầu trục quay dưới do không tỳ lên gối đỡ nên không gây nên sai số ma sát đồng thời giảm được công suất tiêu hao, nâng cao độ chính xác và tuổi thọ của công tơ. 62 * Bộ đếm số vòng quay của đĩa Một trong những bộ phận quan trọng của công tơ điện là bộ đếm số vòng quay của đĩa. Bộ đếm có cấu tạo như hình 3.7. Hình 3.7. Cấu tạo bộ đếm số vòng quay của đĩa Bộ đếm gồm có một con lăn (thường từ 5 đến 6 con lăn) mỗi con lăn mang số từ 0 đến 9, quay tự do xung quanh một trục. Giữa các con lăn liên kết với nhau dựa trên nguyên tắc là khi một con lăn quay hết một vòng thì con lăn bên trái nó quay được một phần mười vòng. Như vậy giá trị mỗi con số trên con lăn bên trái bằng mười lần giá trị mỗi con số trên con lăn bên phải. Mỗi con số trên con lăn tận cùng bên phải có giá trị nhỏ nhất thì con lăn tận cùng bên trái mỗi con số có giá trị đơn vị lớn nhất. Trong thời gian máy đếm làm việc chỉ có con lăn thứ nhất (tức con lăn ở tận cùng bên phải) quay liên tục các con lăn tiếp theo 2, 3, 4, 5, và 6 chỉ quay đi phần mười vòng khi con lăn trước nó quay hết một vòng. Cách cấu tạo như trên giảm nhỏ ma sát trong bộ đếm rất nhiều. Trục quay của đĩa và bộ đếm liên hệ với nhau qua hệ thống bánh xe răng khía. 3.1.3.2. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của công tơ về cơ bản như đã trình bày ở mục trước (cơ cấu cảm ứng nhiều từ thông). Do có những đặc điểm riêng về cấu tạo và nhiệm vụ nên ta cần xét chi tiết hơn để hiểu được quá trình làm việc của nó. 63 * Mô men quay Hình 3.8 mô tả cách phân bố các đường sức của cuộn dây song song ΦU; cuộn dây nối tiếp ΦI và các dòng điện cảm ứng do chúng sinh ra trên đĩa quay. Từ thông làm việc ΦU do cuộn dây song song sinh ra xuyên qua đĩa một lần còn từ thông làm việc của cuộn dây nối tiếp xuyên qua đĩa 2 lần theo hướng ngược nhau +ΦI và –ΦI. Các từ thông ΦU và ΦI tác động tương hỗ với dòng điện cảm ứng i2U sinh ra hai lực điện từ cùng trị số và cùng phương, do đó có thể coi như một lực F1 là tổng hợp lực của hai lực trên. Từ thông ΦU tác động với dòng điện cảm ứng i2I và sinh ra lực F2. Hình 3.8. Phân bố đường sức từ của các dòng điện cảm ứng i1U và i2U Trị số trung bình của F1 và F2 xác định: F C Cos 1 1 I 2U 1 = ϕ Ι ε (3.14) F C Cos 2 2 U 2I 2 = ϕ Ι ε (3.15) Trong đó ε1 và ε2 theo thứ tự là góc lệch pha giữa ΦI và I2U, giữa ΦU và I2I. Tổng hợp lực của F1 và F2 tạo nên mô men quay. Để xét mối quan hệ giữa mô men quay Mq với các yếu tố sinh ra nó ta xây dựng đồ thị véc tơ của công tơ. * Đồ thị véc tơ mạch cuộn dây nối tiếp. Cuộn dây nối tiếp có dòng điện tải chạy qua và tạo nên từ thông Φ∑I. Từ thông này chia thành hai thành phần: Từ thông ΦI xuyên qua 64 đĩa nhôm gọi là từ thông làm việc và từ thông ΦS không xuyên qua đĩa nhôm, gọi là từ thông tản (hình 3.9). IrωI ΦS U~ ΦI I -E∑I E∑I φI ΦI UI I αI αS ΦS IµI IaS IµS Φ∑I IaI Hình 3.9. Đồ thị véc tơ của mạch cuộn dây nối tiếp Giả sử véc tơ dòng điện I lệch với trục hoành một góc nào đấy. Từ thông tản ΦS chậm sau dòng điện I một góc αS là do có tổn hao từ trễ và dòng điện xoáy trên đường đi của ΦS, góc αS nhỏ, chỉ khoảng (1 ÷ 2)0. Từ thông làm việc ΦI cũng chậm sau dòng điện I một góc αI. Góc αI lớn hơn góc αS vì trên đường đi của từ thông ΦI ngoài tổn hao từ trễ, tổn hao do dòng điện xoáy (không lớn) còn có thêm tổn hao công suất tác dụng trên đĩa quay, góc αI có trị số từ (5÷ 15)0. Đối với từ thông ΦS dòng điện I có thể phân tích thành hai thành phần vuông góc nhau: Dòng điện từ hoá IµS tạo nên từ thông ΦS và dòng điện tổn hao tác dụng Ias. Đối với từ thông ΦI cũng vậy, dòng điện I có thể phân tích thành hai thành phần vuông góc nhau: Dòng điện từ hoá IµI tạo nên từ thông ΦI và dòng điện tổn hao tác dụng IaI. Tương tự như vậy dòng điện I có thể phân tích đối với từ thông tổng Φ∑I (dòng điện Iµ∑І và Ia∑І trên hình không vẽ). Tổng hợp hai véc tơ ΦI và ΦS ta được véc tơ Φ∑І góc giữa các từ thông ΦI và ΦS phụ thuộc vào góc αS và αI và tỷ số giữa từ thông ΦS và ΦI. 65 Sức điện động cảm ứng E∑І chậm sau từ thông Φ∑І một góc 900 và có trị số xác định theo biểu thức. 4, 44.f .W . Ε = φ ΣΙ Ι ΣΙ Trong đó: f: tần số dòng điện qua cuộn dây. WI: số vòng cuộn dây nối tiếp. Sức điện động này cân bằng với điện áp rơi trên hai cực cuộn dây. Phương trình cân bằng điện áp như sau: UΙ Ι = Ι −Ε r ∑Ι trong đó rI điện trở cuộn dây nối tiếp. Véc tơ điện áp rơi IrI cùng pha với véc tơ I và - E∑І, ngược với véc tơ sức điện động E∑І một góc 1800. Tổng hợp hai véc tơ IrI và -E∑І được véc tơ điện áp UI. Khi dòng điện chạy qua cuộn dây nối tiếp, điện áp rơi trên cuộn dây này thường bằng (0,1 ÷ 0,5) V. Góc lệch φI giữa dòng điện I và điện áp UI quyết định bởi tỷ số giữa điện trở thuần của cuộn dây nối tiếp rI và điện kháng của cuộn dây ấy, góc φI thường có trị số (30 ÷ 45)0. Tổng tổn thất công suất tác dụng trong mạch cuộn dây nối tiếp là: P U . .Cos Ι Ι Ι = Ι ϕ Thành phần tổn thất công suất tác dụng trong cuộn dây nối tiếp: 2 P .r W I = Ι Ι Phần còn lại là tổn thất công suất tác dụng trên đĩa quay. Từ thông làm việc ΦI tạo nên sức điện động cảm ứng E2I trên đĩa và chậm sau ΦI một góc 900, dòng điện cảm ứng I2I tương ứng chậm sau E2I một góc θI. * Đồ thị véc tơ mạch cuộn dây song song Sơ đồ nguyên lý cấu tạo mạch cuộn dây song song như hình 3.10a. Từ thông tổng Φ∑U do dòng điện IU chảy qua cuộn dây song song phân thành hai thành phần ΦU và ΦL. Từ thông Φ∑U chậm sau IU một góc α∑U. 66 Do đó tổn hao trong lõi thép của mạch từ, từ thông ΦL chậm sau IU một góc αL = (1 ÷2)0. Đối với từ thông ΦL dòng điện IU có thể phân thành hai thành phần vuông góc nhau: Dòng điện từ hoá IµL tạo nên từ thông ΦL và dòng điện tổn hao IaL trong mạch từ của từ thông ΦL đi qua. Tương tự như vậy đối với từ thông ΦU, dòng điện IU cũng có thể phân tích thành hai thành phần: IµU và IaU và đối với từ thông tổng Φ∑U do dòng Iµ∑U và Ia∑U cũng tương tự. Từ thông ΦU chậm sau IU một góc αU. Góc tổn hao αU của từ thông ФU lớn hơn góc tổn hao αL của từ thông ФL (αU > αL), vì phải kể thêm tổn hao công suất tác dụng trên đĩa quay. Trong công tơ cảm ứng, ФL thường bằng (3 ÷ 5) ФU và góc αU = (20 ÷ 25)0. Trong cuộn dây song song từ thông ФΣU tạo nên sức điện động EΣU chậm sau nó một góc 900 có giá trị bằng. E 4, 44.f .w . ∑ ∑ U U U = ϕ Ta có quan hệ: Ε = Ε + Ε ∑ U L U Trong đó: EL và EU là sức điện động tạo ra bởi các từ thông tương ứng là ФL và ФU. Điện áp U đặt trên cuộn dây song song cân bằng với điện áp rơi trên cuộn dây IUrU và sức điện động EΣU sinh ra trong cuộn dây ấy. Do đó véc tơ U là tổng hình học các véc tơ thành phần IUrU và -EΣU (hình 3.10b). Từ thông ФU xuyên qua đĩa và tạo nên sức điện động cảm ứng E2U trên đĩa quay, E2U chậm sau ФU một góc 900 và dòng điện cảm ứng trên đĩa quay I2U chậm sau E2U một góc θU. Tổng tổn thất công suất tác dụng trong mạch cuộn dây song song. P UI Cos U U U = φ Trong đó φU là góc lệch pha giữa U và IU có trị số từ (75 ÷ 80)0 Chế độ làm việc của cuộn dây song song quyết định bởi trị số điện áp định mức đặt trên cuộn dây ấy, còn cuộn dây nối tiếp quyết định 67 bởi trị số định mức của dòng điện tải qua nó. Do đó chế độ làm việc của hai cuộn dây hoàn toàn khác nhau. IU U ΦU ΦL -E αwu ∑U U φu β IaL IU ΦL α∑u a) E∑U Φ Iµu IauIµ b) Φ∑u Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch cuộn dây song song và đồ thị véc tơ Ví dụ với cuộn dây nối tiếp khi đã xác định dòng điện làm việc và tổng từ trở của mạch, từ thông tổng sinh ra trong mạch cuộn dây này bằng. 2. .w Ι Ι ϕ = ∑Ι ∑ Z C Còn trong cuộn dây song song tổng từ thông ФΣU thực tế không phụ thuộc vào từ trở của mạch từ, nó được xác định từ biểu thức sau: U 4, 44.f.w. ≈ Ε = ϕ 2U U ∑ * Đồ thị véc tơ của công tơ Tổng hợp hai đồ thị véc tơ cuộn dây song song và nối tiếp trên ta được đồ thị véc tơ của công tơ. Để tiện cho việc nghiên cứu các chế độ làm việc của nó ta bỏ qua những thành phần không cần thiết. Ví dụ đối với đồ thị véc tơ cuộn dây nối tiếp ta chỉ quan tâm các véc tơ U, IU, ФΣU, ФU, E2U và I2U. Đồ thị véc tơ của công tơ được trình bầy trên hình 3.11. Xây dựng đồ thị véc tơ của công tơ cảm ứng ta giả thiết rằng tải không phải là thuần trở, dòng điện tải I chậm sau điện áp U một góc φ. 68 U Iux Iur -E I φ αI IU ε0 ε1 ΦI ΦL ΨU θI Ψ Φ∑U Φu I2U E2U I2I E2I Hình 3.11. Đồ thị véc tơ của công tơ cảm ứng Từ đồ thị véc tơ trên ta có các quan hệ sau: - Góc hợp bởi từ thông Ф1 và I2U là ε1 = 900 + ψ + θU - Góc hợp bởi từ thông ФU và I2I là ε2 = 900 – ψ + θI Trong đó ψ là góc hợp bởi hai từ thông làm việc ФU và ФI vì vậy biểu thức (3.14) và (3.15) có thể viết. F1 = -C1 ФI I2U sin (ψ + θU ) (3.16) F2 = C2 ФU I2I sin (ψ + θI ), (3.17) Từ các biểu thức trên cho thấy F1 và F2 có trị số khác dấu, chúng có chiều đối nhau. Tổng hợp lực của F1 và F2 làm đĩa quay có giá trị bằng. F = C2ФUI2ISin(ψ – θI) + C1ФII2USin(ψ + θU) (3.18) Các dòng điện cảm ứng trên đĩa quay I2U và I2I tỷ lệ với các từ thông tương ứng ФU và ФI và tỷ lệ với tần số f của dòng điện lưới. I2U = CUfФU I2I = CIfФI 69 Trong đó CU và CI là hệ số tỷ lệ liên quan với kích thước của đĩa quay và cách bố trí các cực từ. Thay các giá trị của I2U và I2I vào (3.18) ta được. F = C2CIfФIФUSin(ψ – θI) + C1CUfФIФUSin(ψ + θU) Một cách gần đúng xem θI = θU = θ và do các từ thông phân bố đối xứng nên ta có thể viết. C2CI = C1CU = Cf Sau khi đơn giản và biến đổi biểu thức trên có dạng: F = CffФIФUSinψ Cosθ (3.19) Giả sử rằng cosθ là hằng số, mô men quay đo lực F tác động lên đĩa quay có dạng: Nq = CfФIФUSinψ (3.20) . Vì U ≈ E = 4,44fWUФ∑U và ϕ = ϕ + ϕ ∑ U U L Nên ta có: U ≈ C3.f.ФU Từ đó: U U ϕ = (3.21) C .f 3 Trong cuộn dây nối tiếp, từ thông ФI tỷ lệ với dòng điện I chảy qua cuộn dây ấy: ФI = C4I. (3.22) Từ thông ФI tỷ lệ bậc nhất với dòng điện I nếu mạch từ cuộn dây nối tiếp làm việc trong đoạn đường thẳng của đường cong từ hoá khi I biến thiên từ 0 đến Idm. Muốn vậy mạch từ cuộn dây nối tiếp thường có tiết diện lớn, làm bằng vật liệu có độ thẩm từ cao và phần mạch từ có lõi thép ngắn. Thay các giá trị của ФU và ФI từ (3.21) và (3.22) vào biểu thức mô men quay (3.20) ta được. Mq = C5.U.I.Sinψ. (3.23) Muốn cho mô men quay của công tơ tỷ lệ với công suất tiêu hao của tải P = UIcosφ, nghĩa là để có quan hệ sau: 70 Mq = KP = KUI cosφ (3.24) Thì thoả mãn điều kiện: sinψ = cosφ. Muốn vậy cơ cấu đo của công tơ phải cấu tạo sao cho. Ψ = 900 – φ (3.25) Với φ là góc lệch pha giữa dòng điện I và điện áp U, phụ thuộc vào tính chất phụ tải và không phụ thuộc cấu tạo công tơ. Với phụ tải xác định, 900 – φ là một số không đổi, do đó để thoả mãn điều kiện (3.25) ta phải điều chỉnh góc ψ, góc hợp bởi từ thông ФU và ФI. Điều chỉnh góc ψ có liên quan đến sự phân bố lại từ thông ФU và ФL trong cuộn dây song song và từ thông ФI và ФS trong cuộn dây nối tiếp. Để điều chỉnh góc ψ ta nêu hai biện pháp sau: * Điều chỉnh góc ψ bằng vòng ngắn mạch trên mạch từ cuộn dây nối tiếp ΦI Φ’I αI α'I a) b) W K I Φ∑I RA Ψ0 Ψ’0 ΦU Hình 3.12. Mạch từ cuộn dây nối tiếp của vòng ngắn mạch điều chỉnh góc Hình 3.12 mô tả cấu tạo mạch từ cuộn dây nối tiếp có vòng ngắn mạch điều chỉnh góc ψ và đồ thị véc tơ của ФI và ФU. Trên mạch từ cuộn dây nối tiếp có vòng ngắn Wnm khép kín bằng một điện trở tải RA. Xê dịch vít K trị số điện trở nối với vòng ngắn mạch thay đổi làm thay đổi tổn thất công suất tác dụng trong mạch từ của từ thông Ф∑I và từ thông làm việc ФI dẫn đến thay đổi góc lệch αI giữa dòng điện I qua cuộn dây nối tiếp và từ thông làm việc ФI . 71 Khi tổn thất công suất tác dụng tăng, góc αI tăng và do đó góc ψ giữa ФI và ФU giảm. * Điều chỉnh góc ψ bằng cách thay đổi tổn hao trên mạch từ thông ФL. Hình 3.13. Mạch từ cuộn dây song song có điều chỉnh khe hở mạch từ của từ thông ΦL Để thực hiện điều này ở khe hở mạch từ của từ thông ФL người ta đặt một tấm đồng có thể xê dịch vị trí để thay đổi độ rộng khe hở đó, có nghĩa là thay đổi từ trở của mạch từ này. Từ trở thay đổi tổn hao do công suất trên đường đi của từ thông ФL thay đổi do đó làm cho góc lệch αL giữa dòng điện Ia và từ thông ФI thay đổi. Với ФU không đổi, góc αL tăng nên góc lệch giữa Ф∑U và IU tăng làm cho véc tơ -E∑U và véc tơ điện áp U quay theo chiều kim đồng hồ một góc nào đó. Vì góc hợp bởi dòng điện IU và từ thông ФU không đổi nên góc lệch ψ giữa ФI và ФU giảm. Tóm lại tổn hao tác dụng trên đường đi của từ thông ФL giảm sẽ làm giảm ψ. 72 • Mô men phản Đĩa quay chuyển động trong khe hở giữa hai cực của nam châm vĩnh cửu. Từ thông Фm xuyên qua đĩa luôn luôn bị cắt ngang do đó làm xuất hiện sức điện động, và dòng điện cảm ứng trên đĩa. Dòng điện cảm ứng tác động tương hỗ với từ thông của nam châm vĩnh cửu sinh ra mô men có chiều ngược với chiều quay của đĩa (hình 3.14). Hình 3.14. Nguyên lý tạo mô men phản của công tơ Mô men phản tỷ lệ với bình phương của từ thông Фm và tốc độ quay n của đĩa: Mp = CmФm2n (3.26) Trong đó Cm - Hệ số tỷ lệ: Khi có điện vào cuộn dây song song và nối tiếp, mô men quay xuất hiện làm đĩa quay với vận tốc nhanh dần đều, đồng thời mô men phản Mp cũng xuất hiện và tăng tỷ lệ với tốc độ quay n của đĩa cho tới khi mô men quay cân bằng với mô men phản, đĩa quay với tốc độ đều n0: M nC q =ϕ (3.27) 0 2 m m Gọi N là số vòng mà đĩa quay được sau thời gian t vận tốc quay đều n0 bằng. N nt = (3.28) 0 Thay giá trị của n0 từ (3.28) và Mq từ (3.26) vào (3.27) ta được quan hệ. K N P K P = = C ϕ 2 t 0 t m m 73 KC K =ϕ Trong đó: 0 2 m m Nhưng Pt = A là điện năng của tải tiêu thụ sau thời gian t, nên ta có thể viết. 1 A N C N = = (3.29) K Trong đó: W w 0 1 = là hằng số của công tơ. CK 0 Từ (3.29) cho thấy: - Điện năng tiêu thụ của tải A tỷ lệ với số vòng quay N của đĩa; - Khi hằng số của công tơ đã biết (KW.h/vòng) ta có thể tính được lượng điện năng mà tải đã tiêu thụ. Thực tế số KW.h tải đã tiêu thụ được thể hiện bằng những con số trên bộ đếm. Như vậy bộ đếm thực hiện hai nhiệm vụ: Đếm số vòng quay của đĩa N và làm phép qui đổi từ số vòng quay N sang lượng điện năng A. Thông thường trên mặt số công tơ có ghi giá trị K0. Tuỳ theo cấu tạo của bộ đếm, K0 có những trị số khác nhau: 1200 v/KW.h, hoặc 2400 v/KW.h, v.v.. Các trị số này được xác định với điện áp, dòng điện định mức của công tơ và cosφ = 1. Để đảm bảo số chỉ của công tơ đúng với trị số điện năng phụ tải đã tiêu thụ nhất thiết trước khi sử dụng công tơ phải được kiểm tra và hiệu chỉnh. • Mô men bù Ở trên ta nói rằng khi Mq = Mp đĩa quay với vận tốc đều n0. Đó là điều kiện lý tưởng, còn thực tế còn có một số mô men khác tác động lên cơ cấu đo của công tơ như mô men ma sát giữa đầu trục quay và gối đỡ, mô men ma sát trong bộ đếm, v.v… do đó vận tốc quay của đĩa n khác với vận tốc lý tưởng n0. Như đã biết CW được xác định theo n0, khi n ≠ n0 hằng số CW sẽ thay đổi, do đó số chỉ của công tơ không đúng nữa, đặc biệt khi tải thấp 74 sai số càng lớn, điều đó phụ thuộc vào tỷ số giữa mô men quay và mô men ma sát. Để sai số của công tơ không lớn hơn cấp chính xác của nó khi tải biến đổi từ (10 ÷ 100) % tải định mức, điều cần thiết là phải duy trì cho mô men quay đủ lớn so với mô men ma sát khi tải thấp. Như vậy ở tải định mức mô men quay sẽ quá lớn, công suất tiêu hao của máy đếm tăng lên nhiều. Để khắc phục nhược điểm trên, tăng mô men quay bằng cách tạo thêm mô men phụ cùng chiều với mô men quay, gọi là mô men bù, trị số mô men bù không đổi khi tải thay đổi và có trị số bằng mô men ma sát. Tạo mô men bù có nhiều phương pháp, song phương hướng chung của các phương pháp là tạo nên một từ thông không đối xứng trong mạch từ cuộn dây song song ở phần từ thông làm việc. Hình 3.15 trình bày một biện pháp tạo mô men bù. Trên đường đi của từ thông làm việc cuộn dây song song ta đặt một tấm đồng Đ đặt lệch tâm nối từ tâm đĩa quay đến tâm cực từ thông. φ U'' U' φ Đ IU Mb Đδb Φ’U Φ’’ U Hình 3.15. Cơ cấu tạo mô men bù băng tấm đồng lệch tâm Trong trường hợp này từ thông làm việc tổng ФU của mạch song song có thể chia thành hai thành phần: 'φU và '' φU. Từ thông '' φU xuyên qua tấm đồng Đ và tạo nên một tổn thất do dòng điện xoáy trên tấm đồng ấy còn từ thông 'φU không qua tấm đồng. Do đó từ thông '' φU chậm sau dòng điện IU một góc lớn hơn góc hợp bởi từ thông 'φU và IU . 75 Do từ thông 'φU và '' φU lệch pha nhau một góc δb làm xuất hiện mô men quay, gọi là mô men bù Mb. Mô men bù tỷ lệ với tần số của dòng điện IU, tích hai từ thông 'φU và '' φU và góc lệch pha giữa hai từ thông ấy. ' '' M K f sin b b U U b = ϕ ϕ δ (3.30) Cũng như bất kỳ mô men cảm ứng khác, chiều của mô men bù xác định theo thứ tự pha của từ thông: Đi từ từ thông có góc lệch pha nhỏ đến từ thông có góc lệch pha lớn hơn. Trong ví dụ trên chiều mô men quay đi từ'φUđến '' φU. Các từ thông thành phần để tạo mô men bù tỷ lệ với điện áp đặt vào cuộn dây song song U. Do đó Mb tỷ lệ với bình phương điện áp. Nếu trị số điện áp không đổi, trị số Mb là do vị trí tấm đồng Đ quyết định. Nếu tấm đồng Đ cố định, trị số Mb là hằng số. Từ đây cho thấy rằng do một nguyên nhân nào đó tạo nên sự không đối xứng giữa các từ thông trong mạch từ của từ thông làm việc sẽ làm xuất hiện mô men quay phụ. Ví dụ đầu cực mạch từ cuộn dây song song bị vênh (hình 3.16), từ thông làm việc ФU không thẳng góc với đĩa quay do đó mạch từ tương đương được thay thế như hình 3.16 (nét chấm chấm), từ thông ФU coi như hai từ thông 'φU và '' φUđồng thời tác động lên đĩa quay theo hướng vuông góc. Từ thông '' φU chậm pha nhiều hơn 'φU so với dòng điện IU, do đó chúng lệch pha nhau và tạo nên mô men quay có chiều từ'φUđến '' φU. IU Mb Φ’U Φ’’U Φ”u δb Φ’uI’’u I’u I’’au I’au Hình 3.16. Hiện tượng cực mạch từ bị vênh 76 Còn nhiều nguyên nhân làm xuất hiện mô men phụ này mà ở đây chưa đề cập đến. Mô men phụ này làm cho số chỉ của công tơ không chính xác nữa, thậm chí khi dòng điện tải I = 0 đĩa vẫn quay, đó là hiện tượng tự quay của công tơ và gây nên sai số; cần phải chỉnh công tơ để loại trừ hiện tượng này • Mô men chống tự quay Tốc độ quay của đĩa tự do quay rất nhỏ, nên thực tế số chỉ của công tơ điện tăng lên không lớn. Tuy nhiên hiện tượng tự quay không thể chấp nhận được. Để khắc phục hiện tượng này trong công tơ có thêm bộ phận chống tự quay (hình 3.17). Hình 3.17. Bộ phận chống tự quay của công tơ Bộ phận này gồm hai thanh kim loại nhỏ 1 và 2, hai đầu đối nhau của hai thanh được uốn cong tạo thành khe hở giữa chúng. Thanh 1 gắn với trục quay, thanh 2 gắn với mạch từ cuộn dây song song. Phần từ thông tản của cuộn dây song song được khép kín mạch qua hai đầu thanh kim loại 1 và 2 khi chúng nằm ở vị trí đối nhau. Khi hai thanh 1 và 2 xa nhau từ thông tại điểm a là 150.10-8 vebe khi hai thanh gần nhau từ thông tăng lên 160.10-8 vebe. Như đã biết khi giữa hai chi tiết bằng sắt có một từ thông thì giữa chúng xuất hiện một lực hút. Theo phương trình Macxoen, lực hút này tỷ lệ với bình phương từ thông chảy qua các vật kim loại hút nhau và tỷ lệ ngược với diện tích từ thông chảy qua. Lực hút này được xác định theo biểu thức sau: ϕ 12 F .N = (3.31) S .5000 ϕ 2 Trong đó Ф: tính bằng vebe, SФ tính bằng m2. 77 Thay đổi khoảng cách giữa hai đầu thanh kim loại bằng cách uốn cong hai đầu đối nhau của hai thanh trên, lượng từ thông qua chúng sẽ thay đổi do đó thay đổi được mô men chống tự quay để sao cho cân bằng với mô men bù và không ảnh hưởng đến sai số của công tơ khi tải nhỏ. • Mô men tự hãm Khi đĩa quay các từ thông ФU và ФI bị cắt ngang qua, do đó trên đĩa xuất hiện các dòng điện cảm ứng I2U’ và I2I’ ngoài các dòng cảm ứng I2U và I2I do các từ thông ФU và ФI biến thiên xuyên qua đĩa gây nên. Các dòng điện cảm ứng I2U’ và I2I’ tác động tương hỗ với các từ thông ФU và ФI tạo nên các mô men phụ có chiều ngược với chiều của mô men quay, gọi là mô men tự hãm. Như vậy trong công tơ ngoài mô men phản do nam châm vĩnh cửu sinh ra còn có mô men tự hãm có tác dụng làm đĩa quay chậm lại. Hình 3.18 là đồ thị biểu diễn mô men tự hãm khi đĩa cắt ngang qua từ thông biến thiên Фt nào đó. Các dòng điện cảm ứng do từ thông Фt sinh ra I2t trùng pha với Фt và tác động tương hỗ với Фt sinh ra lực hãm Ft. Lực hãm Ft có trị số biến đổi từ 0 đến Ftmax với tần số bằng hai lần tần số của Фt. Mômmen tự hãm do Ft sinh ra có trị số trung bình bằng. 0 90 180 270 3600 Hình 3.18. Đồ thị của mô men tự hãm AB Uɺ Mthtb = KtФt2n (3.32) Trong đó: Kt: hằng số 78 Фt: từ thông biến thiên. n: tốc độ quay của đĩa nhôm. Từ cơ sở lý luận trên, mô men tự hãm do từ thông làm việc trong mạch song song bằng. MU = KUФU2n (3.33) Tương tự với mạch nối tiếp mô men tự hãm bằng: MI = KIФI2n (3.34) Trong đó KU, KI là những hệ số phụ thuộc điện dẫn của vật liệu làm đĩa quay, vị trí tương hỗ các cực từ ФU và ФI đối với đĩa. 3.1.4. Sai số cơ bản và đường cong phụ tải của công tơ Như đã biết công tơ được hiệu chỉnh ở chế độ tải định mức, ở điều kiện khác định mức công tơ hoạt động bình thường không gây nên sai số nếu thoả mãn hai điều kiện sau: - Mô men quay của công tơ tỷ lệ với công suất của tải - Chỉ có hai mô men cơ bản tác động lên phần động cơ cấu đo: mô men quay và mô men phản. Thực tế hai điều kiện trên không thực hiện được. Ngoài hai mô men cơ bản còn có các mô men khác như mô men ma sát, mô men tự hãm, mô men bù vv… tác động lên phần động của công tơ. Do nhiều nguyên nhân mô men quay không tỷ lệ với dòng điện tải, do đó mà tốc độ quay của đĩa không tỷ lệ với công suất của tải, nghĩa là tốc độ quay thực tế khác tốc độ quay lý tưởng n0, do đó gây nên sai số công tơ. Sai số công tơ xác định theo biểu thức sau: γ = - γms + γb – γth – γpt + γαI – γI Trong đó: γms – sai số do ma sát γb – sai số do mô men bù γth – sai số do mô men tự hãm γpt – sai số do tính chất phi tuyến của mạch từ cuộn dây nối tiếp. 79 γαI – sai số do góc từ hoá thay đổi γI – sai số do trục quay bị lệch 3.1.4.1. Sai số do ma sát Khi phần động công tơ quay xuất hiện các mô men ma sát sau: - Mô men ma sát ở gối đỡ dưới - Mô men ma sát ở gối đỡ trên - Mô men ma sát trong bộ đếm - Mô men ma sát giữa đĩa quay với không khí Một cách gần đúng tổng mô men ma sát trong công tơ có thể biểu thị. Mms = ams + bmsn + cmsn2 (3.35) Trong đó: ams: hệ số đặc trưng cho ma sát gối đỡ và ma sát trong bộ đếm. bmsn + cmsn2: đặc trưng cho ma sát với không khí. Sai số do ma sát của công tơ được biểu thị. M % .100% ms γ = ms q M Từ (3.35) cho thấy rằng mô men ma sát phụ thuộc tốc độ quay của đĩa n, tức phụ thuộc vào dòng điện tải I. Do đó sai số do ma sát không phải là một trị số cố định mà là một đường cong. Hình 3.19 là đường cong sai số do ma sát của công tơ theo tải. 0 100 200 300 400 I -0,1 γms% Hình 3.19. Đường cong sai số ma sát của công tơ I100% dm Vì mô men quay gần như tỷ lệ bậc nhất với phụ tải và mô men quay ứng với tải định mức là Mqđm, hệ số tải là k = I/Idm 80