第三章(功率和電能的測(cè)量)

第三章功率和電能的測(cè)量第一節(jié)功率和電能的測(cè)量方法第二節(jié)電動(dòng)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(cè)量第五節(jié)感應(yīng)系電能表及電能的測(cè)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(cè)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(diǎn)本章介紹電動(dòng)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(cè)量方法以及測(cè)量時(shí)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(cè)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(jìn)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(cè)量方法一、功率測(cè)量方法

1.直接法：測(cè)量功率可直接用電動(dòng)系功率表、數(shù)字功率表或三相功率表，測(cè)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(cè)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(cè)量方法

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

2.間接法：電能測(cè)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(shí)時(shí)鐘進(jìn)行測(cè)量。三、變換式功率表

常用的功率表多采用電動(dòng)系，由于電動(dòng)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(gè)互感器組成的取樣電路，檢測(cè)負(fù)載的電壓與電流，由于兩個(gè)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(fù)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(fù)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(biāo)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(dòng)系功率表

一、工作原理

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

為交流同樣可推出可動(dòng)線圈的偏轉(zhuǎn)角正比于負(fù)載功率P。

二、擴(kuò)大功率表電流量程擴(kuò)大功率表量程可分別為擴(kuò)大電流量程或擴(kuò)大電壓量程，擴(kuò)大電流量程可將兩個(gè)固定線圈從串聯(lián)改為并聯(lián)，量程可相應(yīng)擴(kuò)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(gè)，因此這種辦法只能擴(kuò)大量程一倍。

三、擴(kuò)大功率表電壓量程擴(kuò)大電壓量程可改變可動(dòng)線圈的串聯(lián)附加電阻，阻值不同時(shí)，可得到不同的電壓量程，但工程上使用的電壓等級(jí)都是按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，

所以功率表的電壓量程也都取標(biāo)準(zhǔn)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(shí)應(yīng)將“電源端”接在電源的同一極性上。*號(hào)表示“電源端”

五、功率表的錯(cuò)誤接線電源端*不接同一極性的錯(cuò)誤可動(dòng)線圈與固定線圈間存在電位差的錯(cuò)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(jì)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(cè)功率時(shí)，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(biāo)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(cè)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(dòng)，通過功率表的電流就會(huì)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(biāo)尺的前幾個(gè)小格，無法準(zhǔn)確讀數(shù)。以測(cè)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(shí)，最大功率只有500W，只能使用標(biāo)尺的前1/10部分?？梢姕y(cè)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(gè)特點(diǎn)。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(cè)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(shí)候，還要注意不使表耗功率影響讀數(shù)。一、帶補(bǔ)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(huì)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(cè)量出來的功率值中不包含表耗功率。解決辦法是利用補(bǔ)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(gè)補(bǔ)償線圈，使它產(chǎn)生附加力矩以抵消表耗功率。

二、帶補(bǔ)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(duì)于測(cè)量低功率因數(shù)的功率，十分不利，加接補(bǔ)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(shí)，也能有較大示值。這是因?yàn)閺埥z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(diǎn)：

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

1.若被測(cè)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(cè)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(cè)量功率時(shí)最好再用一個(gè)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(cè)量一、用單相功率表測(cè)三相功率

一表法：

適用于電壓、負(fù)載對(duì)稱的系統(tǒng)。三相負(fù)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(fù)載對(duì)稱并為阻性時(shí)，兩表讀數(shù)相等。2.負(fù)載對(duì)稱且功率因數(shù)為0.5，有一只功率表讀數(shù)為0。3.負(fù)載對(duì)稱且功率因數(shù)小于0.5，一只功率表讀數(shù)為負(fù)值。三表法：適用于三相四線制，電壓、負(fù)載不對(duì)稱的系統(tǒng)，被測(cè)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(dòng)線圈裝在一個(gè)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(biāo)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(cè)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(cè)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(dòng)力矩與負(fù)載功率成正比，由永久磁鐵產(chǎn)生的制動(dòng)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(gè)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(cè)量

無功功率一般無需測(cè)量，但電力系統(tǒng)為了限制用戶濫用無功電能，對(duì)裝機(jī)容量大的用戶，采取無功電能收費(fèi)政策，促使用戶采取措施提高功率因數(shù)。為此要對(duì)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(cè)量對(duì)三相四線制系統(tǒng)，測(cè)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(dòng)元件有兩個(gè)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(cè)量無功電能的原理：

二、三相三線制無功電能的測(cè)量測(cè)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(jìn)電動(dòng)機(jī)和字輪也有單獨(dú)的部件產(chǎn)品，所以電子電能表實(shí)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(jiǎn)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(zhǔn)電壓輸入直流電源晶振連接點(diǎn)增益調(diào)節(jié)復(fù)位高通濾波器接步進(jìn)電機(jī)輸出校驗(yàn)脈沖電能輸入輸出判別校驗(yàn)脈沖頻率調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)節(jié)三、AD7755外接電路四、AD7755外接電路計(jì)算

對(duì)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(zhǔn)電壓由IC4產(chǎn)生。使用時(shí)要根據(jù)電能表的額定電流、額定電壓選擇取樣電阻，并進(jìn)行調(diào)節(jié)，取樣電阻計(jì)算步驟如下：

1.求得從F1、F2輸出的脈沖頻率：根據(jù)計(jì)數(shù)器的電表常數(shù)。設(shè)配套用的計(jì)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(shí)的脈沖頻率。（若工作電流未達(dá)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(gè)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(zhǔn)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(jī)及相關(guān)接口，只要在電能表專用集成電路之后，用字輪進(jìn)行計(jì)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(duì)三相計(jì)量后求和。其結(jié)構(gòu)與單相同。但三相多為高壓、大負(fù)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(jì)數(shù)脈沖輸出

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

第一步求F1、F2輸出的脈沖頻率根據(jù)計(jì)數(shù)器每千瓦小時(shí)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(fù)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(fù)載電阻為2.2Ω，即（100/2500）×2.2V=0.088V。