第三章(功率和電能的測量)

第三章功率和電能的測量第一節(jié)功率和電能的測量方法第二節(jié)電動系功率表第三節(jié)低功率因數(shù)功率表第四節(jié)三相功率的測量第五節(jié)感應(yīng)系電能表及電能的測量第六節(jié)三相有功電能表第七節(jié)三相無功電能表和無功電能的測量第八節(jié)靜止式電子電能表第九節(jié)電子式三相電能表

ElectricalMeasure本章要點本章介紹電動系功率表、低功率因數(shù)功率表、三相功率表、感應(yīng)系電能表的原理與使用方法,其中工作原理可作一般了解，測量方法以及測量時的電路連線，包括單相與三相，有功與無功的功率表、有功與無功電能表都必須熟練掌握。本章第八、九節(jié)介紹靜止式電子電能表的原理與電路結(jié)構(gòu)，由于電測儀表廣泛應(yīng)用電子電路，通過電子電能表的電路結(jié)構(gòu)，進一步了解儀表中電子器件的使用方法。

第一節(jié)功率和電能的測量方法一、功率測量方法

1.直接法：測量功率可直接用電動系功率表、數(shù)字功率表或三相功率表，測量三相功率還可以用單相功率表接成兩表法或三表法，雖然有求和過程，但一般仍將它歸為直接法。

2.間接法：直流可通過測量電壓、電流間接求得功率。交流則需要通過電壓、電流和功率因數(shù)求得功率。二、電能測量方法

1.直接法：直接測量電能，直流可使用電動系電能表，交流用感應(yīng)系或電子電能表。

2.間接法：電能測量一般不用間接法，只有在功率穩(wěn)定不變的情況下用功率表和記時時鐘進行測量。三、變換式功率表

常用的功率表多采用電動系，由于電動系儀表的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，所以近年來發(fā)展了利用磁電系表芯做成的變換式功率表，表的結(jié)構(gòu)如圖。四、變換式功率表的工作原理變換式功率表先通過由兩個互感器組成的取樣電路，檢測負載的電壓與電流，由于兩個互感器的一次繞組接法相反，使得互感器二次繞組的電流與負載的u、i關(guān)系如下式所示。然后利用半導(dǎo)體二極管的平方律特性，使得磁電系指示儀表的兩端電壓與負載的u、i

乘積即功率成正比。完成功率到電壓的變換。并在標尺上刻以功率值。返回本章首頁二極管平方律特性第二節(jié)電動系功率表

一、工作原理

測量功率時，電動系儀表的固定線圈與負載串聯(lián)，反映負載電流I，儀表的可動線圈與負載并聯(lián)，反映負載電壓U，按電動系儀表工作原理，可推出可動線圈的偏轉(zhuǎn)角正比于負載功率P。如果U、I

為交流同樣可推出可動線圈的偏轉(zhuǎn)角正比于負載功率P。

二、擴大功率表電流量程擴大功率表量程可分別為擴大電流量程或擴大電壓量程，擴大電流量程可將兩個固定線圈從串聯(lián)改為并聯(lián)，量程可相應(yīng)擴大一倍。

固定線圈串聯(lián)固定線圈并聯(lián)

但功率表的固定線圈只有兩個，因此這種辦法只能擴大量程一倍。

三、擴大功率表電壓量程擴大電壓量程可改變可動線圈的串聯(lián)附加電阻，阻值不同時，可得到不同的電壓量程，但工程上使用的電壓等級都是按標準規(guī)定的，

所以功率表的電壓量程也都取標準值。

四、功率表正確接線

功率表正確接線應(yīng)遵守“電源端”守則，即接線時應(yīng)將“電源端”接在電源的同一極性上。*號表示“電源端”

五、功率表的錯誤接線電源端*不接同一極性的錯誤可動線圈與固定線圈間存在電位差的錯誤返回本章首頁

WAV**電壓、電流量程的選擇要保證其電壓、電流不應(yīng)超過表計的電壓、電流量程。為防止功率表的電壓線圈和電流線圈過載，用功率表測功率時，一般要接入相應(yīng)的電壓表和電流表。如右圖所示。功率表的讀數(shù)UN——功率表的電壓量程；IN——功率表的電流量程；m——功率表標尺的滿刻度讀數(shù)功率表的量程第三節(jié)低功率因數(shù)功率表用一般功率表測量低功率因數(shù)的功率存在如下問題

1.若按功率選用，指針略有擺動，通過功率表的電流就會超過該表的電流額定值。

2.若按電流選用，在滿電流的情況下，也只能使用功率表標尺的前幾個小格，無法準確讀數(shù)。以測量功率因數(shù)為0.1的功率為例，若額定電壓為500V，額定電流為10A，選用500V、10A的普通功率表，其最大示值為5000W。而功率因數(shù)為0.1時，最大功率只有500W，只能使用標尺的前1/10部分?？梢姕y量低功率因數(shù)的功率表必須具備大電流和低功率示值兩個特點。在結(jié)構(gòu)上必須采取一些措施，一方面提高儀表的靈敏度，使它能測量低功率，另一方面要提高功率表的電流額定值，在加大電流額定值的時候，還要注意不使表耗功率影響讀數(shù)。一、帶補償線圈的低功率因數(shù)功率表這種功率表主要著眼于解決表耗問題，額定電流加大之后，表耗功率就會增大，而功率表的讀數(shù)中包含表耗功率。因此要采取措施使測量出來的功率值中不包含表耗功率。解決辦法是利用補償線圈產(chǎn)生附加力矩，減小功率表讀數(shù)，并且要使減小值正好等于表耗功率引起的讀數(shù)增加。方法是在電壓電路中，串聯(lián)一個補償線圈，使它產(chǎn)生附加力矩以抵消表耗功率。

二、帶補償電容的低功率因數(shù)功率表

由于功率表的電壓線圈存在感抗，通過電壓線圈的電流與電壓的相位差為，功率表指針偏轉(zhuǎn)角為

上式與無感抗的功率表指針偏轉(zhuǎn)角相比其誤差為

功率因數(shù)越低，越大，造成的誤差就越大，對于測量低功率因數(shù)的功率，十分不利，加接補償電容后，可消除感抗影響，使減少，誤差下降。

三、采用張絲結(jié)構(gòu)低功率因數(shù)功率表

1.采用張絲結(jié)構(gòu)低功率因數(shù)功率表，是從提高靈敏度方面著眼，解決功率示值太小的問題。使得功率較小時，也能有較大示值。這是因為張絲結(jié)構(gòu)不用轉(zhuǎn)軸，摩擦力小，靈敏度高。在同樣電流條件下，能得到較大的偏轉(zhuǎn)角度。

2.采用張絲結(jié)構(gòu)之后，如果使用光指示裝置，則可得到更高的儀表靈敏度。張絲結(jié)構(gòu)的組成可參看第二章第三節(jié)。

四、使用低功率因數(shù)功率表的注意點：

低功率因數(shù)功率表提供三個額定值，即額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)。使用時除電壓、電流不得超過額定值外，還應(yīng)注意

1.若被測功率因數(shù)大于額定功率因數(shù)，要注意指針是否超過滿度

2.若被測功率因數(shù)小于額定功率因數(shù)，要注意指針雖未超過滿度，電流圈的電流可能超過額定值。為此測量功率時最好再用一個電流表監(jiān)視電流狀態(tài)。返回本章首頁第四節(jié)三相功率的測量一、用單相功率表測三相功率

一表法：

適用于電壓、負載對稱的系統(tǒng)。三相負載的總功率，等于功率表讀數(shù)的三倍。二表法：適用于三相三線制，通過電流線圈的電流為線電流，加在電壓線圈上的電壓為線電壓，三相總功率等于兩表讀數(shù)之和。1.負載對稱并為阻性時，兩表讀數(shù)相等。2.負載對稱且功率因數(shù)為0.5，有一只功率表讀數(shù)為0。3.負載對稱且功率因數(shù)小于0.5，一只功率表讀數(shù)為負值。三表法：適用于三相四線制，電壓、負載不對稱的系統(tǒng)，被測三相總功率為三表讀數(shù)之和，即

將兩只或三只或兩只單相功率表的可動線圈裝在一個公共轉(zhuǎn)軸上即組成兩元件或三元件的三相功率表，其公共轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩直接反映三相總功率，因此可從標尺上直接讀出三相功率表。返回本章首頁二、用三相功率表測三相功率兩元件三相功率表結(jié)構(gòu)第五節(jié)感應(yīng)系電能表及電能的測量一、感應(yīng)系電能表結(jié)構(gòu)二、工作原理

鋁盤在電流線圈和電壓線圈作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩與負載功率成正比，由永久磁鐵產(chǎn)生的制動力矩與轉(zhuǎn)速成正比。寫成等式為返回本章首頁第六節(jié)三相有功電能表感應(yīng)式三相有功電能表，是利用兩只或三只單相有功電能表，將鋁盤裝在一個公共軸上，使轉(zhuǎn)數(shù)直接反映三相電能。積算器的示值就是三相總電能，連接方法與功率表的兩表法或三表法相同。返回本章首頁第七節(jié)三相無功電能表和無功電能的測量

無功功率一般無需測量，但電力系統(tǒng)為了限制用戶濫用無功電能，對裝機容量大的用戶，采取無功電能收費政策，促使用戶采取措施提高功率因數(shù)。為此要對這種用戶加裝無功電能表。

DX1型三相無功電能表，適用于三相四線制，DX2型三相無功電能表適用于三相三線制。

一、三相四線制無功電能的測量對三相四線制系統(tǒng)，測量無功電能可用DX1型無功電能表，該表為兩元件結(jié)構(gòu)，兩組鋁盤裝在同一轉(zhuǎn)軸上，讀數(shù)為三相總無功電能。每一組驅(qū)動元件有兩個固定電流線圈，即基本線圈與附加線圈，兩線圈繞在同一鐵心上，匝數(shù)相等，極性相反。

DX1型三相無功電能表測量無功電能的原理：

二、三相三線制無功電能的測量測量三相三線制無功電能可用DX2型無功電能表，該表也是二元件結(jié)構(gòu)，可直接讀出三相無功電能，該表電壓圈串接一電阻,調(diào)節(jié)R，使電壓與工作磁通相位差為60°，接線如圖。第八節(jié)靜止式電子電能表一、單相靜止式電子電能表結(jié)構(gòu)

圖中乘法器和頻率變換器可選用專用集成電路。步進電動機和字輪也有單獨的部件產(chǎn)品，所以電子電能表實際是在電能表專用集成電路和字輪部件的基礎(chǔ)上，配置相應(yīng)的取樣電路構(gòu)成，生產(chǎn)工藝簡單，可靠性高，已開始取代過去生產(chǎn)工藝復(fù)雜、耗材多的感應(yīng)系電能表。二、單相靜止式電子電能表的專用集成電路

可供選擇的電能表專用集成電路有AD7755、AD7750等芯片，下圖為AD7755的結(jié)構(gòu)與引腳示意圖。

電流取樣輸入電壓取樣輸入基準電壓輸入直流電源晶振連接點增益調(diào)節(jié)復(fù)位高通濾波器接步進電機輸出校驗脈沖電能輸入輸出判別校驗脈沖頻率調(diào)節(jié)步進電機驅(qū)動頻率調(diào)節(jié)三、AD7755外接電路四、AD7755外接電路計算

對AD7755需要提供兩組直流電源，其中片內(nèi)數(shù)字電路、模擬電路所需直流電源，由二極管VD2整流并經(jīng)IC2穩(wěn)壓后提供，基準電壓由IC4產(chǎn)生。使用時要根據(jù)電能表的額定電流、額定電壓選擇取樣電阻，并進行調(diào)節(jié)，取樣電阻計算步驟如下：

1.求得從F1、F2輸出的脈沖頻率：根據(jù)計數(shù)器的電表常數(shù)。設(shè)配套用的計數(shù)器的電表常數(shù)為100imp/kWh，電能表的電壓為220V，額定電流為10A，可求得工作在額定電壓、額定電流時的脈沖頻率。（若工作電流未達到額定，相應(yīng)的脈沖頻率將減少。）

2.求電流通道取樣電壓：設(shè)電流通道取樣電阻為350μ?，電能表額定電流為10A，可求得取樣電壓為

這個電壓不能超過集成電路的允許值。

3.求電壓取樣電路的電壓值：設(shè)基準電壓為2.5V，當(dāng)按產(chǎn)品目錄提供的為3.4,可求出

4.求電壓取樣電路的分壓電阻：由于取樣電壓從220V降壓得來，可推出應(yīng)接入的分壓電阻，例如圖中R4-R14為分壓電阻。返回本章首頁第九節(jié)電子式三相電能表一、通用型三相電子電能表

1.三相電子電能表的結(jié)構(gòu)：

常用的三相電子電能表，一般不配置單片機及相關(guān)接口，只要在電能表專用集成電路之后，用字輪進行計度即可。

2.三相電能表的取樣電路

三相電子電能表是在單相基礎(chǔ)上，分別對三相計量后求和。其結(jié)構(gòu)與單相同。但三相多為高壓、大負載的用戶，所以一般需要通過電流、電壓互感器取樣。

3.三相電子電能表的專用集成電路

常用的專用集成電路有ADE7752、ADE7754等，圖為ADE7752的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。三相取樣輸入計數(shù)脈沖輸出

4.外接電路計算使用三相電能表和單相一樣,也要計算取樣電阻，其步驟與單相計算基本相同。

第一步求F1、F2輸出的脈沖頻率根據(jù)計數(shù)器每千瓦小時轉(zhuǎn)數(shù)，及電能表的額定功率，求得F1、F2輸出的脈沖頻率。

第二步求電流通道取樣電壓：通常不能讓取樣電壓超過允許值，ADE7752的允許有效值為176mV，取樣電壓取允許值的一半88mV，若負載電流為100A，互感器變比為2500:1，二次繞組電流為100/2500，可求得二次繞組應(yīng)接的負載電阻為2.2Ω，即（100/2500）×2.2V=0.088V。