II. Đo tần số và pha bằng phơng pháp biến đổi thẳng
2. Tần số kế cơ điện
a. Tần số kế và Fazo kế điện động
Đây là dụng cụ đo tần số dựa vào cơ cấu logomet điện động. Logomet điện động có cấu tạo và Nguyên tắc hoạt động nh sau:
Phần động gồm 2 cuộn dây B1, B2 gắn với nhau một góc cố định γ . Dòng điện I1, I2 đi vào B1, B2
Phần tĩnh gồm 1 cuộn dây A đợc tách thành 2 phần nối tiếp. Dòng điện I đi vào A.
Hai cuộn động sẽ quay trong từ trờng B do cuộn tĩnh tạo ra tuỳ theo lực tơng tác đợc sinh ra
giữa B và dòng chạy trong cuộn động. Giả sử chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây nh hình vẽ thì lực đẩy chính là lực sinh ra momen quay M1 và lực điều khiển là lực sinh ra momen cản M2. Vì hai cuộn động đợc gắn cố định với nhau nên khi
+ + +
+
M2 M1
F F
I I2
I1 B
74
momen cản bằng momen quay cuộn động sẽ dừng, nghĩa là kim chỉ sẽ đạt vị trí cân bằng.
ở vị trí cân bằng ta có: )
) , cos(
) , .cos(
(
2 1 2
1
I I
I I I
F I α =
vậy α tỉ lệ với tỉ số 2 dòng chạy trong 2 cuộn động (I1 / I2) và cos(I,I1);
cos(I,I2)
Nhợc điểm: logomet điện động có độ nhạy thấp.
Để tăng độ nhạy cho cơ cấu ngời ta cho thêm lõi thép vào và gọi cơ cấu là chỉ thị sắt điện động.
Cấu tạo của tần số kế điện động
Cuộn tĩnh A nối với cuộn động B2 nên I2
= I và góc (I, I2) = 0
(R2, L2, C2) đợc chọn để cộng hởng
điện áp với tần số fxo là giá trị trung bình của dải tần cần đo.
cos ) .cos (
2 . 2 2
1
2 1 2
1
ψ α ψ
π I F I
C fxo L
=
⇒
=
víi
0 )
) , ( )
2
1 2 1
=
=
2 1
I (I, gãc là
I (I, gãc là ψ
ψ I I
Với các phần tử nh trong mạch ta sẽ có α =F'(fx2), nghĩa là góc lệch của dụng cụ là một hàm của tần số, do đó thang đo có thể khắc độ trực tiếp theo thứ nguyên của tần số là Hz.
Tần số kế có giới hạn đo từ 45Hz – 55Hz; sai số ±1,5% và có thể chế tạo dụng cụ đo tần số cao hơn đến 2500Hz
* Fazomet điện động
Fazomet điện động là dụng cụ đo góc pha và hệ số công suất cosϕ sử dụng cơ cấu chỉ thị logomet điện động.
Sơ đồ Nguyên tắc nh hình bên
Bằng cách chọn giá trị linh kiện phù hợp ta sẽ có
ϕ α =
Nh vậy độ lệch của dụng cụ có thể chỉ thị góc pha ϕ hoặc hệ số cosϕ trên thang khắc độ.
Nhợc điểm của sơ đồ trên là chỉ dùng cho một cấp điện áp. Khi điện áp thay đổi các thông
số của mạch cũng phải thay đổi theo, hơn nữa mạch sử dụng điện cảm L nên cảm kháng phụ thuộc vào tần số và sẽ gây sai số cho kết quả đo. Để khắc phục nhợc
điểm trên ngời ta cải tiến mạch nh sau:
I1 I2 A
B1 B2
Ux~
Tần số kế điện động
C2 C1 L2
R2
Fazomet điện động
* I
*
Ux~
B1 B2 A
I2 I1
R2 L1
Zt
Chia cuộn B1 thành 2 cuộn song song, một cuộn nối với L và một cuộn nối với C. Giá
trị của L và C đợc chọn sao cho L C
. . 1 ω =ω
Khi đó nếu tần số thay đổi điện kháng toàn mạch coi nh không đổi (vì khi điện kháng của nhánh này tăng, điện kháng của nhánh kia sẽ giảm).
Fazomet điện động thông thờng có thông số nh sau:
+ Dải tần số từ 50 – 60 Hz (dải tần số công nghiệp)
+ Thang ®o ϕ tõ 0 – 3600 + cosϕ tõ 0 – 1
+ Cấp chính xác từ 0,2 – 0,5 b. Tần số kế điện từ
Đây là dụng cụ đo tần số sử dụng cơ cấu logomet điện từ với hai cuộn dây tĩnh A, B và 2 lõi thép động đợc gắn trên cùng một trục quay.
Nh đã biết, góc lệch của kim chỉ thị tỉ lệ với bình phơng tỉ số giữa 2 dòng
điện I1 và I2 đi vào 2 cuộn dây.
] ) [( 2
2 1
I F I α =
Dựa trên cơ sở của logomet điện từ
ngời ta chế tạo tần số kế điện từ, trong đó các cuộn dây đợc mắc với R, L, C nh sơ
đồ hình bên. Khi đó trở kháng của các nhánh phụ thuộc vào tần số. Khi tần số thay
đổi trở kháng sẽ thay đổi, do đó các dòng I1, I2 cũng thay đổi theo và kim sẽ lệch góc α thay đổi theo tỉ số
2 1
I
I , nghĩa là tỉ lệ với tần số.
Dải đo của tần số kế điện từ cũng giống nh của tần số kế cơ điện, đó là các dải tần (45Hz – 55Hz), (55 – 65Hz) và (450Hz – 550Hz).
Ngoài ra, ngời ta còn có thể sử dụng cơ cấu đĩa dịch chuyển để đo tần số nh hình bên:
Cho cuộn dây A nối tiếp với một điện trở còn cuộn dây B nối tiếp với một cuộn cảm và cả hai cùng song song với nguồn
điện áp cần đo tần số. Hai cuộn dây sẽ tạo ra lực đẩy ngợc chiều lên hai nửa đĩa kim loại. Cuộn A đẩy theo chiều kim đồng hồ, cuộn B đẩy ngợc chiều kim đồng hồ. Kim sẽ lệch về hớng có lực đẩy nhỏ, nghĩa là rời
I1 I2
Ux~
Tần số kế điện t
L2 L1 R2 C
R1
R
B1A B2 Ux~
*
* I
Fazomet điện động cải tiến
C Zt
R L
76
xa cuộn có dòng lớn hơn chạy qua. Vì sử dụng điện trở nối tiếp với cuộn A nên dòng sẽ không thay đổi theo tần số nh với dòng qua cuộn B. Nghĩa là lực đẩy đĩa kim loại do cuộn A gây ra là một số xác định, góc quay cũng xác định (thông thờng sẽ lấy chuẩn ở tần số 60Hz). Khi tần số vào lớn hơn thì dòng qua cuộn B sẽ nhỏ đi (do trở kháng tăng) lực tác dụng của A lên kim sẽ lớn hơn lực tác dụng của B, do đó kim chỉ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Ngợc lại, khi tần số nhỏ hơn kim sẽ quay ngợc chiều kim đồng hồ vì lực tác dụng của B lên nửa đĩa bên phải lớn hơn lực tác dụng của A lên nửa đĩa bên trái. Vị trí của kim dừng sẽ tơng ứng với tần số cần đo