Kỹ Sư Điện Nhất Định Phải Biết Những Thiết Bị Này! (Phần 2)

Là một kỹ sư điện khi vận hành và bảo trì. Dòng điện thì vô hình, nhưng bạn phải tìm ra vấn đề, và sửa chữa nhanh chóng và giữ an toàn cho mọi người.
Làm sao đây? Với những thiết bị đo lường chuyên dụng, bạn sẽ như có “siêu năng lực” để nhìn thấu dòng điện! Ở phần 1, chúng ta đã khám phá bút thử điện, ampe kìm và đồng hồ vạn năng.
Hôm nay, cùng mình tìm hiểu về năm thiết bị khác không kém phần quan trọng: máy hiện sóng, máy phân tích công suất. Hãy cùng tìm hiểu qua những u chuyện thực tế!
1. Máy hiện sóng (Oscilloscope) – “Máy quay phim” của dòng điện
Anh Nam là một kỹ sư điện , được gọi đến sửa một chiếc máy in công nghiệ bị in sai màu. Anh kiểm tra dây cáp, nguồn điện, mọi thứ đều ổn, nhưng vấn đề vẫn không rõ.
Cuối cùng, anh sử dụng máy hiện sóng ra, cắm đầu dò vào mạch điều khiển, và trên màn hình hiện lên một đường sóng “nhảy múa” bất thường. Nhờ đó, anh phát hiện tín hiệu từ bộ xử lý bị lỗi do con chip bị hỏng.

Chức năng
Máy hiện sóng là một công cụ đo điện áp và các yếu tố khác bằng cách đo các tín hiệu điện dao động theo thời gian, chuyển đổi chúng thành đồ thị và hiển thị kết quả dưới dạng sóng trên màn hình.Máy hiện sóng là một thiết bị có lịch sử lâu đời và được phát minh vào cuối thế kỷ 19 như một dụng cụ đo lường sử dụng ống tia âm cực. Kể từ đó, nó đã phát triển và vẫn được nhiều kỹ sư sử dụng cho đến ngày nay.

Nguyên lý hoạt động
Máy hiện sóng là thiết bị hiển thị dạng sóng của tín hiệu điện theo thời gian. Nguyên lý ban đầu dựa trên ống tia cực âm (CRT): chùm tia electron bị điều khiển bởi các tấm lệch dọc (hiển thị độ lớn tín hiệu) và tấm lệch ngang (hiển thị theo thời gian), từ đó tạo thành dạng sóng trên màn hình.
Ngày nay, máy hiện sóng kỹ thuật số đã thay thế loại analog. Loại kỹ thuật số không dùng tia electron mà sử dụng bộ chuyển đổi A/D để số hóa tín hiệu, xử lý bằng vi xử lý và hiển thị lên màn hình.

Sơ đồ trên cho thấy cấu hình cơ bản của máy hiện sóng.
Tín hiệu điện đầu vào được đưa vào bộ khuếch đại dọc, sau đó điều khiển tấm lệch dọc để chùm tia electron di chuyển theo chiều lên/xuống (biểu diễn độ lớn tín hiệu).
Một phần tín hiệu cũng được dùng để tạo xung kích hoạt, kích hoạt mạch tạo sóng răng cưa (sawtooth generator), rồi được khuếch đại bởi bộ khuếch đại ngang và điều khiển tấm lệch ngang, giúp tia electron quét theo chiều ngang (trục thời gian).Sự phối hợp giữa hai hướng lệch này tạo nên dạng sóng hiển thị trên màn hình.

Phân loại máy hiện sóng
Loại tương tự (Analog)
Như tôi đã giải thích trước đó, loại tương tự là máy hiện sóng sử dụng cơ chế của ống tia âm cực.
Nó nhanh chóng để thu thập và hiển thị các tín hiệu mới, đồng thời tốt trong các phép đo thời gian thực. Tuy nhiên, nó không thích hợp để quan sát các hiện tượng hiếm khi lặp lại hoặc hiện tượng một lần, và nó không thường được sử dụng vì cần thời gian và công sức để lưu trữ dữ liệu đo lường, chẳng hạn như nhu cầu chụp màn hình.

Loại kỹ thuật số (Digital)

Loại kỹ thuật số là phiên bản nâng cao của loại tương tự và tín hiệu đầu vào được chuyển đổi thành giá trị kỹ thuật số bằng chuyển đổi AD và hiển thị. Các tính năng bao gồm khả năng nắm bắt và hiển thị các hiện tượng đơn lẻ và khả năng dễ dàng lưu trữ kết quả đo dưới dạng dữ liệu điện tử.

Loại tín hiệu hỗn hợp (Mixed-Signal)
Thuật ngữ tín hiệu hỗn hợp chỉ đơn giản là sự kết hợp của tín hiệu tương tự và kỹ thuật số.

Cách sử dụng
Máy hiện sóng Hioki là công cụ lý tưởng để đo và phân tích tín hiệu điện áp và dòng điện trong hệ thống ba pha. Dưới đây là hướng dẫn chi tiết để sử dụng máy một cách hiệu quả:

1. Kết nối đầu dò và cảm biến vào mạch ba pha

• Cắm đầu dò điện áp vào các điểm đo trên dây pha L1, L2, L3 và dây trung tính (nếu có) để đo điện áp giữa các pha hoặc pha-trung tính.
• Kẹp cảm biến dòng điện vào từng dây pha L1, L2, L3 để đo dòng điện chảy qua mỗi pha.
• Đảm bảo các đầu dò và cảm biến được nối chắc chắn, đúng thứ tự pha, và phù hợp với định mức điện áp/dòng điện của mạch.

2. Điều chỉnh thang đo và thiết lập các thông số

• Xoay núm điều chỉnh thang thời gian (time/div) để hiển thị chu kỳ sóng phù hợp, ví dụ 10ms/div cho tần số 50Hz.
• Điều chỉnh thang điện áp (volts/div) để sóng hiển thị rõ ràng, ví dụ 100V/div cho điện áp pha-pha khoảng 380V.
• Khi đo dòng điện với cảm biến dòng, chọn thang đo trên ampe kìm dựa trên giá trị dòng điện dự kiến:
  Nếu dòng điện nhỏ (dưới 10A), chọn thang đo 10A.
  Nếu dòng điện lớn (trên 100A), chọn thang đo 200A hoặc 1000A (tùy model).
• Thiết lập thời gian lấy mẫu (sampling rate) phù hợp, ví dụ 1ms để đo tín hiệu nhanh hoặc 10ms cho tín hiệu chậm, để đảm bảo độ chính xác.
• Đặt phạm vi đo (range) sao cho phù hợp với điện áp (ví dụ 600V) và dòng điện (ví dụ 100A) của mạch ba pha, tránh vượt quá định mức.
• Kích hoạt chế độ đa kênh để theo dõi đồng thời tín hiệu từ cả ba pha trên màn hình.
  Quan sát và phân tích sóng trên màn hình
• Xem hình dạng sóng của điện áp và dòng điện trên từng pha để kiểm tra sự đồng bộ hoặc lỗi như méo sóng, nhiễu.
• Kiểm tra tần số và biên độ để xác định xem có bất thường không, ví dụ dòng điện pha L3 thấp hơn các pha khác.
• Điều chỉnh khung thời gian trên màn hình bằng cách kéo hoặc zoom để xem chi tiết một phần sóng cụ thể, giúp phân tích chính xác hơn.
• Ghi chú hoặc lưu dữ liệu nếu máy hỗ trợ để phân tích chi tiết sau này.
  Đảm bảo an toàn khi đo
• Kiểm tra mạch điện ba pha ở trạng thái an toàn, ngắt nguồn nếu cần thiết trước khi kết nối.
• Không cắm đầu dò hoặc cảm biến vào điện áp/dòng điện cao vượt quá định mức của máy Hioki (thường là 1000V hoặc 100A, tùy model).
• Tránh chạm vào dây dẫn hoặc đầu dò khi máy đang hoạt động để phòng nguy hiểm.

2. Máy phân tích công suất (Power Analyzer) – “Kế toán viên” của hệ thống điện
Chị Lan quản lý một nhà máy may, nhận thấy hóa đơn tiền điện tăng vọt dù sản lượng không đổi. Chị gọi kỹ sư đến kiểm tra, và họ mang theo máy phân tích công suất. Sau khi kẹp vào dây dẫn của máy khâu công nghiệp, máy báo hệ số công suất chỉ đạt 0.6 – quá thấp! Hóa ra, động cơ tiêu tốn nhiều điện “vô ích” dẫn đến hiệu suất sử dụng điện năng giảmđáng k.Nhờ lắp thêm tụ bù, hệ số công suất tăng lên 0.9, giúp tiết kiệm hàng triệu đồng tiền điện mỗi tháng!

Chức năng
Công suất điện là tốc độ truyền năng lượng điện giữa hai điểm trong hệ thống, tính trên mỗi đơn vị thời gian.Theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học, năng lượng không thể được tạo ra hoặc phá hủy, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác.
Trong thực tế, không có hệ thống điện nào là hoàn hảo. Luôn có tổn thất – phổ biến nhất là nhiệt.Ví dụ: nếu một dây dẫn trở nên ấm lên khi dòng điện chạy qua, điều đó có nghĩa là một phần năng lượng đã bị chuyển thành nhiệt và không còn thực hiện được công việc hữu ích.
Điều này làm giảm hiệu suất của toàn hệ thống.

Máy phân tích công suất (Power Analyzer) là thiết bị dùng để đo lường và phân tích công suất điện trong hệ thống. Nó định lượng tốc độ truyền năng lượng điện, bao gồm các thông số như điện áp, dòng điện, công suất hữu dụng (W), công suất phản kháng (VAR), hệ số công suất (PF) và cả năng lượng tiêu thụ theo thời gian.

Nguyên lý hoạt động
Lượng điện năng trong công thức sau:

Phương trình cơ bản này có thể được biến đổi bằng định luật Ohm. Theo định luật Ohm, dòng điện chạy qua điện trở tuyến tính tỷ lệ thuận với điện áp và tỷ lệ nghịch với điện trở của mạch điện ở nhiệt độ không đổi. Định luật Ohm có thể được viết theo một số cách.

Tuy định luật Ohm rất hữu ích trong các mạch dòng điện một chiều (DC) – nơi mà điện áp và dòng điện ổn định theo thời gian, nhưng nó không đủ để mô tả chính xác trong các mạch dòng điện xoay chiều (AC).

Trong mạch AC, điện áp và dòng điện thay đổi liên tục theo chu kỳ, do đó định luật Ohm chỉ cho bạn biết công suất tức thời tại một thời điểm, chứ không phản ánh đầy đủ bản chất dao động của dòng điện.

P: Đơn vị công suất là watt (W)
i: Đơn vị hiện tại là ampe (A)
u: Đơn vị điện áp là vôn (V)
T: Thời gian chu kỳ tính bằng giây (s)
Hãy hình dung phương trình này trong một biểu đồ.

Do điện áp và dòng điện trong AC liên tục thay đổi theo thời gian, công suất cũng dao động – và phần quan trọng cần tính đến là công suất trung bình trong một chu kỳ. Nói cách khác, công suất thực trong AC được xác định bằng giá trị trung bình của công suất tức thời trong suốt một chu kỳ điện (T).

Vì thế, để tính toán chính xác công suất trong hệ thống AC, bạn phải biết tần số (f) của dòng điện – vì nó quyết định độ dài của mỗi chu kỳ và ảnh hưởng đến cách điện áp và dòng điện tương tác theo thời gian.

Hiểu về đo lường điện năng

Trong hệ thống điện xoay chiều, người ta cần đo ba đại lượng công suất:

1. Công suất thực
   Công suất thực, là phần năng lượng được tiêu thụ để thực hiện công việc hữu ích như tạo ra chuyển động, ánh sáng hoặc nhiệt.
   
   
2. Công suất phản kháng
   Công suất phản kháng là phần năng lượng dao động qua lại giữa nguồn và tải, không trực tiếp tạo ra công cơ học nhưng vẫn cần thiết để duy trì hoạt động của các thiết bị như động cơ hoặc máy biến áp.
   
   
3. Công suất biểu kiến
   Công suất biểu kiến là tổng hợp của cả công suất hoạt động và công suất phản kháng, phản ánh tổng lượng công suất mà hệ thống phải truyền tải.

Ba đại lượng này tạo thành tam giác công suất: hai cạnh vuông góc lần lượt biểu diễn phần hoạt động và phần phản kháng; cạnh huyền là phần biểu kiến. Từ tam giác đó, ta rút ra khái niệm:

Hệ số công suất
Hệ số công suất phản ánh mức độ hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng của hệ thống. Khi hệ số công suất gần bằng một, hệ thống hoạt động hiệu quả vì gần như toàn bộ công suất biểu kiến được chuyển thành công suất hữu ích. Ngược lại, khi hệ số công suất tiến gần về không, sự lệch pha lớn khiến công suất phản kháng chiếm ưu thế và hiệu quả hệ thống giảm.

Ý nghĩa dấu của công suất phản kháng

Tùy theo tính chất của tải, công suất phản kháng có thể mang giá trị dương hoặc âm.

• Dương: tải cảm ứng (chẳng hạn động cơ, cuộn dây) hút năng lượng phản kháng ― dòng điện chậm pha hơn điện áp.
  
  
• Âm: tải điện dung (tụ bù, cáp dài) trả năng lượng phản kháng về nguồn ― dòng điện sớm pha hơn điện áp.
  
  

Một tải thuần trở, ví dụ bóng đèn sợi đốt, có hệ số công suất xấp xỉ một vì điện áp và dòng điện gần như trùng pha, nên hầu như không có thành phần phản kháng.

Khi hệ số công suất tiến về không (dương hoặc âm), góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện càng lớn, đồng nghĩa thành phần phản kháng chiếm ưu thế. Trường hợp cực đoan nhất là giá trị âm một, khi đó điện áp và dòng điện lệch nhau một trăm tám mươi độ.

Cách sử dụng

Máy phân tích công suất là công cụ quan trọng để đo các thông số như công suất, hệ số công suất, sóng hài và chất lượng điện năng trong hệ thống điện, đặc biệt là hệ thống ba pha. Dưới đây là hướng dẫn chi tiết để sử dụng máy một cách hiệu quả:

Kết nối cảm biến vào hệ thống điện ba pha

• Kẹp cảm biến dòng điện (current clamp) vào cả ba dây pha (L1, L2, L3) và dây trung tính (nếu có) của hệ thống điện ba pha.
• Nối các đầu dò điện áp (voltage probe) vào từng dây pha và dây trung tính để đo điện áp chính xác.
• Đảm bảo cảm biến được kẹp chắc chắn, đúng vị trí và phù hợp với dòng điện hoặc điện áp của hệ thống.

Cài đặt chế độ đo phù hợp

• Điều chỉnh thang đo (range) cho phù hợp với điện áp và dòng điện, ví dụ 380V cho điện áp pha-pha hoặc 50A cho dòng điện.
• Nếu cần, bật chế độ phân tích thời gian thực để theo dõi dữ liệu liên tục.

Thực hiện đo và đọc kết quả

• Bật máy và xem kết quả trên màn hình, nơi hiển thị các thông số như công suất tổng, hệ số công suất hoặc mức độ sóng hài của từng pha.
• Phân tích dữ liệu để tìm vấn đề, như hệ số công suất thấp (dưới 0.9) hoặc sóng hài cao gây hao phí năng lượng.
• Nếu máy hỗ trợ, lưu dữ liệu vào USB hoặc phần mềm để phân tích chi tiết sau này.

Đảm bảo an toàn khi đo

• Kiểm tra hệ thống điện ổn định trước khi đo, tránh đo khi có sự cố như chập mạch.
• Đảm bảo cảm biến và đầu dò được nối đúng, không đảo ngược pha hoặc nhầm dây trung tính.
• Không chạm vào dây dẫn hoặc cảm biến khi máy đang hoạt động, đặc biệt trong hệ thống ba pha có điện áp cao.

Kết luận

Máy hiện sóng, máy đo công suất  là những “người bạn đồng hành” của kỹ sư điện. Chúng giúp bạn nhìn rõ dòng điện, tìm lỗi và giữ an toàn cho hệ thống lẫn con người. Nhưng hãy nhớ, điện là một “người bạn” mạnh mẽ nhưng nguy hiểm. Kỹ sư cần đọc kỹ hướng dẫn sử dụng, kiểm tra thiết bị trước khi đo và hỏi ý kiến chuyên gia nếu chưa chắc chắn.

Trong bài viết tiếp theo, mình sẽ tiếp tục giới thiệu thêm nhiều thiết bị đo điện chuyên dụng khác, giúp bạn mở rộng kiến thức và làm chủ hệ thống điện một cách tự tin hơn. Đừng bỏ lỡ nhé!

Xuân Thanh