第二章 感應式電能表20120806

1、1廣東工業(yè)大學自動化學院電能計量技術主講教師：郭壯志2第二章第二章 感應式電能表感應式電能表 本章主要內容n感應式電能表基本原理感應式電能表基本原理n感應式電能表的誤差特性感應式電能表的誤差特性n感應式電能表的調整裝置感應式電能表的調整裝置 本章學習難點n感應式電能表工作原理感應式電能表工作原理n感應式電能表誤差特性感應式電能表誤差特性30、引論、引論n感應式儀表定義感應式儀表定義利用固定交流磁場與該磁場在可動部分的導體所感應的電利用固定交流磁場與該磁場在可動部分的導體所感應的電流之間的作用力而工作的儀表，稱為流之間的作用力而工作的儀表，稱為感應式儀表感應式儀表。n感應式儀表組成感應式儀表組成

2、測量機構測量機構和和輔助部件輔助部件（基架、底座、外殼、端鈕盒和銘牌）（基架、底座、外殼、端鈕盒和銘牌）組成。組成。4第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理一、單相感應式電能表的結構一、單相感應式電能表的結構n測量機構測量機構由驅動元件（由驅動元件（電流線圈、電壓線圈電流線圈、電壓線圈）、轉動元件（）、轉動元件（鋁盤鋁盤）、）、制動元件（制動元件（永久磁鐵永久磁鐵）、上軸承、下軸承、計度器組成。）、上軸承、下軸承、計度器組成。n輔助元件輔助元件由基架、外殼、端鈕盒、銘牌（由基架、外殼、端鈕盒、銘牌（標明主要參數(shù)標明主要參數(shù)）組成。）組成。5第一節(jié)感應式電能表結構和工作

3、原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理上軸承上軸承下軸承下軸承蝸輪蝸輪蝸桿蝸桿轉軸轉軸6第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理二、單相感應式電能表的驅動力二、單相感應式電能表的驅動力n基本原理基本原理電磁感應原理（電磁感應原理（電磁場理論電磁場理論）正弦變化的電流產(chǎn)生正弦變化的磁場正弦變化的電流產(chǎn)生正弦變化的磁場通電導體在磁場中會受到力的作用通電導體在磁場中會受到力的作用n載流導體電磁力方向判別方法載流導體電磁力方向判別方法左手定則左手定則載流導體載流導體SN受力方向受力方向7第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理n 右手螺旋定則（安培定則）右

4、手螺旋定則（安培定則）通電直導線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電通電直導線中的安培定則（安培定則一）：用右手握住通電直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁直導線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向；感線的環(huán)繞方向； 通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電通電螺線管中的安培定則（安培定則二）：用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的一端是通電螺線管的N極。極。8n單相感應式電能表磁通分布單相感應式電能表磁通分布電壓線圈產(chǎn)生磁通電壓線圈產(chǎn)生磁

5、通A)磁通磁通B)磁通磁通電流線圈產(chǎn)生磁通電流線圈產(chǎn)生磁通A)磁通磁通 ，沿電流鐵芯、回磁極到電流鐵芯另一邊。，沿電流鐵芯、回磁極到電流鐵芯另一邊。B)磁通磁通第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理電流鐵芯氣隙轉盤氣隙電壓鐵芯氣隙轉盤氣隙中心柱上磁軛兩邊柱回磁極 氣隙轉盤氣隙IF中心柱上磁軛兩邊柱下磁軛I UF U 9第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理 在電流線圈交變工作磁通和電壓線圈交變磁通的共同作用下，產(chǎn)在電流線圈交變工作磁通和電壓線圈交變磁通的共同作用下，產(chǎn)生作用力矩，推動感應式電能表轉盤轉動。生作用力矩，推動感應式電能表轉盤轉動。

6、10n移進磁場移進磁場基本假設基本假設 電壓鐵芯和電流鐵芯工作在不飽和狀態(tài)，則在正弦交流電電壓鐵芯和電流鐵芯工作在不飽和狀態(tài)，則在正弦交流電壓和電流的作用下，壓和電流的作用下， 各工作磁通的波形按正弦規(guī)律變化。各工作磁通的波形按正弦規(guī)律變化。 忽略電流磁通回路中的損耗，則電流磁通忽略電流磁通回路中的損耗，則電流磁通 與負載電流與負載電流 同相位。同相位。 電壓線圈的感抗很大，電壓工作磁通電壓線圈的感抗很大，電壓工作磁通 滯后電壓滯后電壓 約約90度。度。 負載為感性，其功率因數(shù)角為負載為感性，其功率因數(shù)角為 。第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理IIUU 11以電流

7、工作磁通為參考軸，各工作磁通及其在轉盤內的電以電流工作磁通為參考軸，各工作磁通及其在轉盤內的電流間的相位關系如圖所示，它們的瞬時值為：流間的相位關系如圖所示，它們的瞬時值為：第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理sinIIwt sin(180 )IIwt sin()UUwt 2sin(90 )PIPIiIwt2 sin(90 )PIPIiIwt2sin(90)PUPUiIwt磁通和感應電動勢、感應電流相量圖磁通和感應電動勢、感應電流相量圖12各工作磁通隨時間的變化關系曲線如下所示：各工作磁通隨時間的變化關系曲線如下所示：移進磁場在轉盤內感應電流，產(chǎn)生驅動力矩來帶動轉盤

8、移進磁場在轉盤內感應電流，產(chǎn)生驅動力矩來帶動轉盤向移進磁場的方向移動，即從相位超前的磁通位置移向向移進磁場的方向移動，即從相位超前的磁通位置移向相位滯后的磁通位置。相位滯后的磁通位置。第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理波形圖移進磁場13n 驅動力矩驅動力矩 電磁力與作用力臂的乘積即為使轉盤轉動的驅動力矩。電磁力與作用力臂的乘積即為使轉盤轉動的驅動力矩。 p p pm c iQM形成形成驅動力矩瞬時值驅動力矩瞬時值表達式表達式第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理形成IfUf形成14 由于轉盤的轉動慣量較大，因此轉盤的轉動方向決定于瞬時轉矩

9、在一個周由于轉盤的轉動慣量較大，因此轉盤的轉動方向決定于瞬時轉矩在一個周期的平均值，即期的平均值，即 作用在轉盤上的瞬時力矩有兩個，分別為：作用在轉盤上的瞬時力矩有兩個，分別為： 一個周期內的平均轉矩如下一個周期內的平均轉矩如下: : 0(1/)TMTmdtsinsin()ppt iItpp若，則0(1/2 )sinsin()cosTppppMIttd tKI 11U PI22I PUm = cim = cicossinco s()sin11PIU1PIUo22PUI2PUIM = K I= K I M = K I90 += -K I第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作

10、原理15QQQ1Q2MMMMMMQ121 PIU2 PUIM =M -M =K Isin +K Isin作用在轉盤上的總為兩力矩之差，設驅動力矩使轉盤沿逆時針方向旋轉，則與方向一致的力矩取正值，與方向相反 的力矩取負 值，得 PIIPUUIU I, MsinI QK 因為感應電流，所以驅動力矩為 上式式感應電能表驅動力矩的基本公式，它表明：電能表的驅動力矩與穿過轉盤上式式感應電能表驅動力矩的基本公式，它表明：電能表的驅動力矩與穿過轉盤的兩個磁通以及它們之間的相位角的正弦的乘積成正比。的兩個磁通以及它們之間的相位角的正弦的乘積成正比。 第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作

11、原理16 驅動力矩與負載功率的關系驅動力矩與負載功率的關系 在感應式電能表中，確定了驅動力矩和負載功率的關系才可以實現(xiàn)電能的準確計量。電壓線圈電壓U可近似地認為： 4.44UUUfUU ( 2 )/IIMIR第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理 在一定的電壓線圈匝數(shù)和一定的電源頻率下，電壓磁通大致與外加電壓成正比，即 根據(jù)磁路歐姆定律，流經(jīng)電流線圈的負載電流I和電流工作磁通 的關系為： III 代入驅動力矩的表達式，得 sinQMKUI 單相電能表要準確實現(xiàn)有功電能計量需要使驅動力矩與有功功率 成正比，即： cosUIP sincosQMKUIKUIK P17n 當

12、電能表的負載功率不變時，轉盤就受到當電能表的負載功率不變時，轉盤就受到一個大小和方向不變的驅動力矩的作用。一個大小和方向不變的驅動力矩的作用。為使轉盤在恒定的功率下作等速旋轉，就為使轉盤在恒定的功率下作等速旋轉，就需要對轉盤施加一個與驅動力矩大小相等、需要對轉盤施加一個與驅動力矩大小相等、方向相反的反作用力矩，這個反作用力矩方向相反的反作用力矩，這個反作用力矩就是就是制動力矩制動力矩。設置永久磁鐵就是對轉盤。設置永久磁鐵就是對轉盤產(chǎn)生一個制動力矩，使轉盤轉速保持和負產(chǎn)生一個制動力矩，使轉盤轉速保持和負載功率成正比的關系。載功率成正比的關系。TTTMF h制動力矩表達式制動力矩表達式2TTTTM

13、Knh制動力矩的形成制動力矩的形成第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理n制動力矩制動力矩TFn 因為制動力因為制動力 而感應電流而感應電流 所以：所以：TTTIFTTIn n 制動力矩總是與轉速制動力矩總是與轉速n n成正比變化，故能阻止轉盤加速轉動。這正是要保證成正比變化，故能阻止轉盤加速轉動。這正是要保證電能表正確工作必須滿足的另一個主要條件。電能表正確工作必須滿足的另一個主要條件。18第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理第一節(jié)感應式電能表結構和工作原理n 轉盤轉速與負載消耗電能的關系轉盤轉速與負載消耗電能的關系 N=nT=APT=AW 根據(jù)上述公式可看出，負載消耗

14、的電能與轉盤的轉數(shù)成正比。根據(jù)上述公式可看出，負載消耗的電能與轉盤的轉數(shù)成正比。n 電能表常數(shù)、電能表功率、電能表轉數(shù)間關系電能表常數(shù)、電能表功率、電能表轉數(shù)間關系 （1）直接接入）直接接入 （2）間接接入）間接接入NN3600 100010003600NnNAPTP NNNNNNUIPUIK KPUINNNN3600 10003600 1000UInnAK K PP19n 誤差原因誤差原因：電能表在工作過程中除驅動力矩和制動力矩外，還有：電能表在工作過程中除驅動力矩和制動力矩外，還有抑制力矩、摩擦力矩和補償力矩等附加力矩的作用，將破壞轉盤抑制力矩、摩擦力矩和補償力矩等附加力矩的作用，將破壞轉

15、盤轉速和負載功率成正比的關系，引起電能表計量誤差。轉速和負載功率成正比的關系，引起電能表計量誤差。n 誤差分類誤差分類 基本誤差：基本誤差：電能表在規(guī)定電壓、頻率和溫度條件下，測得的相對電能表在規(guī)定電壓、頻率和溫度條件下，測得的相對誤差值。誤差值。 附加誤差：附加誤差：電能表在運行過程中，由于電壓、頻率和溫度等外界電能表在運行過程中，由于電壓、頻率和溫度等外界條件變化所產(chǎn)生的誤差。條件變化所產(chǎn)生的誤差。20一、電能表的負載特性曲線1、影響負載特性曲線的因素、影響負載特性曲線的因素n負載特性曲線：負載特性曲線：電能表的基本誤差隨著負載電流和負載功率因電能表的基本誤差隨著負載電流和負載功率因數(shù)的變

16、化的曲線，也稱為數(shù)的變化的曲線，也稱為基本誤差特性曲線基本誤差特性曲線。n影響負載特性曲線的因素：影響負載特性曲線的因素： (1)抑制力矩的影響抑制力矩的影響 a) 抑制力矩抑制力矩：轉盤連續(xù)轉動時，除制動磁通形成的制動力矩外，：轉盤連續(xù)轉動時，除制動磁通形成的制動力矩外，還切割交流電流、電壓工作磁通，在轉盤中產(chǎn)生感應電流，與還切割交流電流、電壓工作磁通，在轉盤中產(chǎn)生感應電流，與交變的磁通相互作用，也形成阻礙轉盤轉動的力矩，此力矩與交變的磁通相互作用，也形成阻礙轉盤轉動的力矩，此力矩與所作用的磁通的平方成正比。所作用的磁通的平方成正比。 nKMnKMUUUIII22,21b) 電流抑制力矩 隨

17、負載電流的三次方變化，驅動力矩 隨電流的一次方變化，當負載電流變化時，將破壞它們之間的比例關系，出現(xiàn)電流抑制力矩產(chǎn)生的誤差，為電流抑制誤差。c) 電壓抑制力矩 隨負載電壓的三次方變化，電能表一般在接近額定電壓下運行，測定基本誤差在額定電壓下進行，所以電壓抑制力矩 只隨轉速變化，和制動力矩轉速變化的基本作用相同，對電能表不會引起明顯附加誤差。d) 抑制力矩產(chǎn)生的誤差為負誤差。 IMQMUMUM2 323,IIIIUUUUMKnK i MKnK u 22(2)摩擦力矩的影響a)摩擦力矩：當轉動元件旋轉時，轉軸與轉軸之間、計度器的傳動齒輪之間，必然產(chǎn)生一個與驅動力矩方向相反的力矩，即摩擦力矩。b)摩

18、擦力矩總是阻礙轉盤轉動，使電能表產(chǎn)生負誤差，驅動力矩越大誤差越小，否則就越大。(3)電流鐵芯磁化曲線的非線性影響a)輕載時，工作磁通沿0a變化，比理想計算值小，出 現(xiàn)負誤差。b)負載電流增大時，工作磁通沿ab變化，比理想值大， 出現(xiàn)正誤差。c)達到b點時，繼續(xù)增大，將出現(xiàn)負誤差。2ncnbaMmmmm電流鐵芯的磁化曲線電流鐵芯的磁化曲線23（4）補償力矩a) 補償力矩的作用：補償電流抑制力矩、摩擦力矩引起的負誤差及鐵芯磁化曲線產(chǎn)生的負誤差。b) 補償力矩產(chǎn)生方法：在電壓磁極放置銅片。c) 補償力矩從相位超前的磁通移到相位滯后的磁通。輕載補償裝置輕載補償裝置24(1)負載特性曲線 電能表的力矩平

19、衡公式為： 電能表實際以轉速 作勻速轉動。2 2、負載特性曲線、負載特性曲線IUMTBQMMMMMMn電能表的實際負載特性曲線電能表的實際負載特性曲線理想的負載特性曲線理想的負載特性曲線25（2）改善負載特性曲線方法a) 改善輕負載電流范圍負載特性曲線的方法： 選用磁導率高且比較穩(wěn)定的材料作為貼芯材料。 增大電流鐵芯截面，縮短鐵芯長度。 用一部分電壓磁通磁化電流鐵芯，可以增加驅動轉矩。b) 改善大負載電流范圍負載特性曲線的方法： 增大永久磁鐵制動力矩，從而減小電流抑制力矩對總制動力矩的影響。 增加電壓工作磁通，當總驅動力矩不變時，可增加電壓工作磁通，減小電流工作磁通，從而減小電流抑制力矩的負誤

20、差。 電流鐵芯增加磁通路，從而使飽和點低。26二、電能表的附加誤差 電能表的附加誤差：電能表所在的外界條件條件改變后，電能表產(chǎn)生的誤差稱為電能表的附加誤差。1、電壓影響 (1)電壓抑制力矩變化：電壓升高，抑制力矩比驅動力矩增加快，產(chǎn)生負誤差；電壓降低，抑制力矩比驅動力矩減小快，產(chǎn)生正誤差。(2)對電壓鐵芯磁化曲線產(chǎn)生影響：電壓增加電壓工作磁通增加快，產(chǎn)生正誤差，否則產(chǎn)生負誤差。(3)補償力矩變化：電壓升高補償力矩引起正誤差，電壓降低補償力矩引起負誤差。272、溫度影響(1)制動磁通的變化：溫度升高，制動磁通減少，產(chǎn)生正的溫度附加誤差；溫度降低，制動磁通增加，產(chǎn)生負的溫度附加誤差。(2)電壓、電

21、流工作磁通變化：溫度升高時，電能表轉速加快，產(chǎn)生正的溫度誤差。反之，溫度降低，則產(chǎn)生負的溫度誤差。磁通隨著溫度的變化，電流抑制力矩也要變化，但不顯著。溫度對電流工作磁通的影響溫度對電流工作磁通的影響28(3)內向角變化 當溫度升高后：導致轉盤轉速下降，引起負誤差，溫度降低，轉盤轉速加快，引起正誤差。(4)DT8有功電能表綜合誤差特性曲線(5)減小溫度誤差的措施： 制動電磁鐵上加裝補償片-磁性合金片。 電壓、電流工作磁通的路徑上加裝補償片。UUQTRMn DT8型有功電能表的溫度誤差特性型有功電能表的溫度誤差特性293、頻率影響(1)電壓工作磁通變化：頻率降低，電壓磁通減小，驅動力矩降低，產(chǎn)生負

22、誤差;頻率升高，電壓磁通增加，驅動力矩增加，產(chǎn)生正誤差。(2)電流工作磁通變化：負載電流不變、頻率升高時，電流有功損耗增加，激磁電流減小，工作磁通減小，產(chǎn)生負誤差。(3)電壓抑制力矩變化：頻率升高，電壓工作磁通減小，抑制力矩減小，電能表轉速加快，產(chǎn)生正誤差。(4)輕負載補償力矩變化：頻率升高，電壓工作磁通減少，補償力矩隨之減小，電能表轉速減慢，引起正誤差。304、其他附加的影響(1)自熱影響；(2)電流、電壓波形畸變的影響；(3)傾斜影響。(4)總之，電能表的附加誤差除了上述因素的影響外，還有不穩(wěn)定運行的影響、負載功率因數(shù)的影響、三相電壓不對稱的影響、相序的影響等。31第三節(jié) 感應式電能表的調

23、整裝置安裝調整裝置的必要性：電能表在設計制造時，由于材料性能不完全相同，制造及裝配等工藝的偏差影響，使得每只電能表的負載特性不完全相同，必須安裝相應的調整裝置，使其誤差調到滿足預定的負載特性曲線。調整裝置需滿足的要求： 應該有足夠的調整范圍及調整精度； 調整裝置之間的相互影響要小； 應保證調整方便、操作簡單、固定牢靠和足夠穩(wěn)定等。32第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置一、滿載調整裝置1、滿載調整裝置：在額定電壓、額定頻率、標定電流和 的條件下，調整電能表的制動力矩，改變轉盤轉速的機構，稱為滿載調整裝置。2、工作原理：靠調整制動磁鐵來改變制動力矩，使電能表的負載特性曲線上下平行移動。3、調整裝置類型

24、 根據(jù)公式 滿載調整裝置的類型主要有： (1)改變作用力臂的滿載調整裝置(2)改變制動磁通的滿載調整裝置(3)改變轉盤感應電流大小的滿載調整裝置cos1.02(/)TTTnKKhP33第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置 改變作用力臂的滿載調整裝置34第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置 改變制動磁通的滿載調整裝置35第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置 改變制動磁鐵的磁通在轉盤中感應電流大小的滿載調整裝置36第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置二、相位角調整裝置1、相位調整裝置：在額定電壓、標定電流和 的條件下，調節(jié)電流工作磁通與電壓工作磁通之間的相位角，使其滿足 的關系，稱為相位調整裝置。2、調整原理：一般通過調

25、整 和 相位，來改變磁通路徑上的有功損耗，來實現(xiàn)相位角的改變。3、調整裝置類型(1)改變電流工作磁通相位角的調整裝置(2)改變電壓工作磁通相位角的調整裝置(3)改變電壓非工作磁通相位角的調整裝置cos0.590IaUa37第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置三、輕載調整裝置1、輕載調整裝置：為了改變輕負載范圍內的負載特性曲線而調整補償力矩的機構，稱為輕載調整裝置。2、工作原理：與產(chǎn)生補償力矩的原理相同，即在電壓鐵芯的磁極附近設置可移動的導磁或不導磁金屬部件，以使電壓磁通對轉動元件的對稱軸成不對稱分布，導致兩部分電壓工作磁通在時間和空間上不同，從而形成移進磁場，產(chǎn)生補償力矩。3、調整裝置類型(1)移動金屬框（片）的輕載調整裝置(2)移動鐵磁部件的輕載調整裝置38第三節(jié) 感應式電能表的調整裝置四、潛動及防潛措施1、潛動：電能計量裝置經(jīng)輕載調整后，可能出現(xiàn)當負載電流為零時，電能表轉盤仍然連續(xù)轉動的現(xiàn)象，稱為電壓潛動，簡稱潛動。2、產(chǎn)生潛動的途徑(1)電壓鐵芯傾斜(2)電流鐵芯傾斜(3)回磁極移動(4)電壓輔助磁通路徑上的氣隙不相等3、防潛措施(1)安裝防潛裝置(2)電能表的轉盤上鉆孔39小結電能表是用來測量電能輸出量和負載所消耗電能量的一種儀表裝置。它由驅動元件、轉動元件、制動元件、軸承和計度器等組成。實際運行中，電能表在驅動力矩