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第5章电气量的测量,电流的测量,电压的测量,概述,序,电能的测量,功率的测量,电阻的测量,电感和电容的测量,5.0序,电量和电参数的测量是电气测量的基础。本章主要介绍电压、电流，功率和电能等电参数的测试方法。,本章重点：交流电压的测量方法，高电压测量的方法，交流电路中功率的测量，高电压系统功率的测量方法,5.1概述,电压和电流是反映电路和设备工作状态的重要特征量，是电量测量的主要对象。,电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量,a.表征电信号能量的三个基本参数：电压、电流、功率,其中：电流、功率电压，再进行测量,b.电路工作状态：,饱和与截止，线性度、失真度电压表征,非电测量中，物理量电压信号，再进行测量,如：温度、压力、振动、(加)速度,测量电流的最常用的方法是用电流表进行直接测量。,测量电压的最常用的方法是用电压表进行直接测量。,用于测量电压的直读式测量指示仪表,直读式的电测量指示仪表测量误差为2.5%0.1%。,使用这一类的测量电压和电流，已能满足一般工程和实验的需要。,5.2仪用互感器,在电气工程测量中，经常需要测量高电压(如110kV)和大电流(如1000A)，由于仪表的量限不能无限制的扩大，使得我们不能用一般仪表直接去测量。这时就需要使用一种能按比例变换被测交流电压或电流的仪器，称为互感器。其中变换交流电压的称为电压互感器，变换交流电流的称为电流互感器。互感器既是电力系统中一次系统与二次系统间的联络元件，同时也是隔离元件。他们将一次侧的高电压、大电流变成二次侧标准的低电压和小电流，分别用以向测量仪表、继电器的电压线圈和电流线圈等供电，供测量、监视、控制及继电保护使用。,5.2.1电流互感器,一、电流互感器的工作原理与工作特性,电流互感器的工作原理与变压器类似，其一次绕组N1串联接入一次电路，二次绕组与负载串联。工作时，二次回路始终是闭合的，由于二次绕组所接的负载阻抗很小，正常工作状态接近短路，并且电流互感器一次电流的大小与二次回路阻抗无关。其原理图如下：,(一)工作原理,电流互感器接线图,(二)工作特性,(1)一次电流的大小决定于一次侧负载，与二次侧负载无关；二次侧电流在理想情况下仅取决于一次侧电流(2)正常运行时，二次侧绕组近似短路工作状态(3)二次回路不允许开路(4)一次电流变化范围很大(5)一次绕组匝数N1很少，二次侧匝数N2较多,二、电流互感器运行工况对误差的影响,1、一次侧电流I1的影响,电流互感器的一次侧电流I1对铁心导磁率有很大影响，铁心的磁场强度H和磁感应强度B之间为非线性关系。I1减小，导磁率减小，误差增大，当I1倍于其额定值时，铁心开始饱和，值下降，误差增加。,2、二次侧负载阻抗对误差的影响,实际上，当I1不变时，I1随二次侧负载阻抗的增大而减小，因而使励磁电流I1增大，误差也随之增大。,3、电流互感器二次侧绕组不允许开路,三、电流互感器的接线方式及注意事项,1、电流互感器的极性,2、电流互感器的接线方式,(a)一相式接线,(b)两相V型接线,3、电流互感器使用注意点,(c)三相星形接线,5.2.2电压互感器,一、电压互感器的工作原理与工作特性,电压互感器(TV)是将高电压变成低电压的设备，分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器两种，电磁式电压互感器原理与变压器相同。,(1)与测量电路并联(2)一次侧电压不受电压互感器二次侧负载的影响(3)二次侧绕组近似工作在开路状态(4)二次侧绕组不允许短路,(二)工作特性,(一)工作原理,一、电压互感器接线,在三相电力系统中，通常需要测量的电压有线电压、相对地电压和发生单相接地故障时的零序电压。,a)V-V接线,b)三相三柱电压互感器接线,V-V接线可用来测量线电压，不可测量相电压，广泛应用于35kV以下的电网中；三相三柱电压互感器接线只可用来测量线电压，不可测量相对地电压。,一、电压测量的特点,5.3电压测量,各种波形：纯正弦波、失真的正弦波，方波，三角波，梯形波；随机噪声。,1频率范围广：零频（直流）109Hz,低频：1MHz以下；高频（射频)：1MHz以上。,2测量范围宽,微弱信号：心电医学信号、地震波等，纳伏级(10-9V),超高压信号：电力系统中，数百千伏。,3电压波形的多样化,在多级系统中，输出级阻抗对下一输入级有影响,4阻抗匹配,直流测量中，输入阻抗与被测信号源等效内阻形成分压，使测量结果偏小。,交流测量中，输入阻抗的不匹配引起信号反射。,5测量精度的要求差异很大,10-1至10-9,6测量速度的要求差异很大,静态测量：直流(慢变化信号),几次/秒；,动态测量：高速瞬变信号，数亿次/秒(几百MHz),精度与速度存在矛盾，应根据需要而定。,7抗干扰性能,工业现场测试中，存在较大的干扰。,二、电压测量方法的分类,高电压可以进行降压处理，而低电压及微小电压的测量常常采用测量放大器放大，将其变化为中电压进行测量。直流电压的测量，相对的说，要简单一些。,测量电压是测电路中两点间的电位差。,为了尽可能减小电压表负载效应的影响，电压表的内阻或内阻抗(亦称电压表的输入阻抗)应尽可能大。测量时，应将电压表并联在被测对象的两端。,三、直流电压的测量,测量时，注意极性，电压表的正端钮要接在电路中电位较高的一端。,1)磁电系电压表测量,磁电式电压表可测几十毫伏至几千伏的电压。,(一)直接测量,2)数字电压表、数字万用表测量,其准确度比磁电系电压表高，输入电阻也比磁电系电压表高，约为10M。,3)直流电位差计测量,直流电位差计是利用补偿原理进行测量的，测量时不从电路取出电流，也无电流注入被测电路，因而，主要用于电压的精确测量。,注：对于直流高压，采用电阻分压器测量,(二)间接测量,一般不必采用间接法，只是在某些特殊情况下，为了操作方便或其他原因才用间接法测量。内阻比较大的电源，欲测其空载电压，一般采用间接测量的方式。采用图示接法。,a)b),高阻值负载电压的测量,先按照图a)测出电压U，然后按图b)串联一个电位器R，调节R的数值，使电压表读数U刚好为U的一半,测量方法,其中，Rv电压表的内阻；Ri电源的内阻；R串联电位器的电阻值；Ux被测电源的空载电压。,(1),(2),四、交流电压的测量,测量方案主要有两种：,1）平均值,3）有效值,2）峰值,表征交流电压的基本参量(直流量的概念)：,1)通过交直流变换器，将交流电压转换成相应的直流电压进行测量；,2)根据定义，采用数字化测量技术进行,(一)交流电压平均值的测量,平均值的数学定义：,T是周期。平均值就是交流信号中直流分量的大小。,1.交流电压平均值的概念,全波：,半波：,交流电压测量中的平均值,通常指经过全波或半波整流后的波形。,一般若无特指，均为全波整流,2.交流电压平均值的测量,为了获得转换精度高、线性度好、频率范围宽和动态过程短的检波效果。,平均值在电路上的实现常用线性检波器。,(1)平均值检波原理,通常采用运算放大器的负反馈特性克服二极管检波的非线性，构成线性检波器，也称平均值检波器。,反相半波检波器,半波线性检波器的输出特性,平均值检波器提供一个直流输出，该输出与已整流的输入信号平均值成正比。,输入信号运放输出二极管检波器的输出ui0，uo0D2，D1uo=-R2ui/R1其中，D1为检波二极管。,1.工作原理,D1的作用：接至运放组成的反相比例放大器的深度负反馈环内，所以有效的克服了非线性。,D2的作用：为了防止当ui0时，由于D1截止，造成运算放大器的开环使用。,2.误差分析,1)非线性误差,输入阻抗Ri不是无穷大开环放大倍数Ad不是无穷大输出电阻也并不是零,a).当uiR2R1，所以上式改写为：,第一项为希望得到的线性检波；第二项为Ad不是无穷大而引起的误差；第三项为二极管压降uD引起的误差。,当Ad时，后两项误差均可忽略。,b)当ui0时，线性检波电路等效如图所示。,式中，RL为线性检波器的负载电阻。,只要Ad很大，uo输出便近似为零。另外此时要求D2的反向电阻必须足够大。,运放,二极管D2,2)其他误差,一般检波二极管的工作频率很高，但集成运放随着工作频率增高，开环放大倍数下降，从而产生频率附加误差。,在实际工作中，常需要测量交流电压的有效值。,在测量正弦波信号时，这类检波器经校准显示的值与真均方根值检波器相同。测量其它波形时，平均值响应检波器产生的数值与真均方根值检波器不同。因此，除了正弦波信号，在对其它信号进行精确测量时不应使用平均值响应检波器。,二极管D1,(二)交流电压峰值的测量,对于交流电压或一些脉冲信号常常需要进行峰值的测量。当输入信号的波峰系数一定时，将信号的峰值保持一段时间，然后进行测量，该变换电路就成为峰值检波器或者峰值保持器。因此波峰系数为：,对于正弦交流电压的波峰系数为：,峰值在电路上的实现常用峰值检波器。,波峰系数,峰值检波器原理,常见的最基本的峰值检波器是由一个二极管和一个保持电容组成的，分别串联和并联两种，如图所示。,基本峰值检波器,串联,并联,1.工作原理,在t=0时刻，ui正向时，经二极管D向保持电容C充电，当ui上升到最大值后，由于二极管D的作用使输出uo保持峰值不变。且要求：,慢放电,快充电,式中，放电回路的时间常数d充电回路的时间常数Tmax被测信号的最大周期Tmin被测信号的最小周期Rd二极管正向导通电阻Rs等效信号源的内阻,从波形图可以看出：峰值检波电路的输出存在较小的波动。,由于检波二极管的非线性；导通时，二极管两端存在着管压降；随着温度的变化，给峰值检波器带来较大的误差。,2.误差分析,正峰值检波器,正峰值检波器,二极管,使用运算放大器的峰值检波器，可以校正二极管的非线性和改善管压降对精度的影响。,3.改进,4峰值检波器的实用电路,同相型多重反馈峰值检波电路,其理由是：当ui0时，D2截止，D1导通，A1的输出经R2,D1,R1向电容C充电；Rf组成深度电压负反馈，减小了二极管D1的非线性误差；D2是防止ui600,一只功率表反偏,电流线圈接头调换,对于测量电源电压对称的，任意负载的三相三线制电路的三相功率。,接法,(2)差接电流二功率表法,“线路”测量三相功率,最大误差较用普通二表法测量的误差小,对于任意负载的三相三线制电路，三相电网中普遍采用三相功率表直接测量。,(3)三相有功功率表,3三相四线制电路功率的测量,任意负载情况下，可以用三只单相功率表测量三表法,接线,用三只功率表测量任意负载下三相四线电路的功率,四、三相电路无功功率的测量,三相电路无功功率等于各相无功功率的总和：,当三相对称时：,式中，U、I相电压、相电流；相电压与相电流的相位差；U1、I1线电压、线电流。,1，用跨相900接线法测量,三表跨相900,接线方式,a)接线图,b)相量图,三表跨相900接线法测量三相无功功率,三只功率表的读数之和为：,使用范围：电源对称，负载不对称的三相三线或四线制的电路。,一表跨接法,电源电压与负载对称,三表跨接法,三只功率表读数相同,可用一只功率表即可测出三相无功功率,一表跨接法,读数,使用范围：电源对称，负载对称的三相三线或四线制的电路。,两表跨接900接线法测量法,接线方式,假设，接入两表为A相和C相，其读数为：,故三相无功功率：,电源电压与负载对称,2，人工中性点接线法,电源电压对称，负载不对称的三相三线系统。,两表人工中性点接线法测量,接线,a)接线图b)相量图,两表人工中性点接线法测量三相无功功率,注意点：配置的附加电阻Rad，使得两只功率表电压回路的电阻与Rad完全相等，以保证加到功率表电压回路都是对称三相电压。,5.6电能的测量,一、单相交流电路中电能的测量,单相交流电路中常使用单相感应系电能表测量电能。,低电压小电流的单相交流电路,直接接入线路,量限不能满足要求,互感器接入,电能是有功功率的随时间的积累。,单相电能表经互感器接入电路,有时只需要电流互感器接入，有时需要同时接入电路和电压互感器。,举例：测量380V单相负载(例如380V电焊机)的有功电能,两只单相有功电能表的代数和就是负载消耗的有功电能。,a)接线图b)相量图单相有功电能表计量380V单相负载有功电能,二、三相交流电路中电能的测量,电力系统中普遍使用三相有功电能表测量三相交流电路中电能。对于三相三线制电路，采用三相二元件式电能表；对于三相四线制电路，采用三相三元件式电能表；,a)直接接入b)经电流互感器接入,三、无功电能的测量,三相电网中普遍使用三相无功电能表测量电能。,特点：单相、3相3线、3相4线功率测量交流电压、交流电流、视在功率、无功功率、电能以及功率因素、频率等测量真有效值测量，在非正弦电流时，能准确地测量有功电流。,从测量的角度考虑，一般根据被测电压的数值分为高、中、低三个范围。,电压测量范围,电压表的负载效应,如图所示。由于电压表有内阻Ru，接入电压表实际相当于并联上一个电阻为Ru的“负载”，将改变电路中的电压、电流值，使测出的电压值小于未接电压表时的实际电压值，造成测量误差，这种现象叫做电压表的负载效应。,电压表的负载效应,电压表内阻,便携式电压表常为多量程的，方法是内部附加电阻采用分段抽头式接线，如图所示。,多量程便携式电压表,第k档量程(电压上限值为Uk)，电压表内阻为：,电压表在某一档量程的内阻，等于电压表的每伏欧数乘以该档的电压量程。,磁电系电压表,指针式的磁电系直流电压表,mV级V级,直流电位差计测电源电动势,试验方法：测量时调节电阻R，用于选定辅助电源Uw供给的工作电流I(亦称为辅助电流)，转换开关S置于位置N时，标准电压源En接入，调节标准电阻Rn，使检流计P指为零，此时，标准电压源的电压En补偿了工作电流I在电阻R1(Rn的一部分)上的电压降。即：,再将开关S置于位置x，接入被测电源Ex，保持工作电流I不变，调节补偿电阻Rc，使得检流计P指零。同理：,由以上两式可得出被测电源电动势为：,原理电路图,在测量高阻值的电压时，如果没有内阻合适的电压表，为避免因电压表负载效应而产生误差。可将毫安表或微安表与足够大的已知电阻R0串联起来代替电压表，如图所示，被测电压U可由毫安表内阻Rm、读数I0以及已知串联电阻R0计算出：,高阻值负载电压的测量,U=I0(Rm+R0),高阻值负载电压的测量,半波整流,若输入交流电为：,半波整流电路及其波形图,其相应的平均值（即直流平均值，又称直流分量）,全波整流,若输入交流电为：,全波整流电路及其波形图,其相应直流平均值为：,型RC滤波,5.7电阻的测量,(1)欧姆表法,(2)电桥法,(3)伏安表法,一、中值电阻的测量,a)电压表前接,b)电压表后接,图a)接线方式的测量结果,如果考虑仪表内阻的影响，,测量结果：,相对误差：,图b)接线方式的测量结果,如果考虑仪表内阻的影响，,测量结果：,相对误差：,结果讨论,2、越大，误差就越大，所以电压表后接的电路，适用于测量Rx阻值较小的情况。,1、显然，越大，误差就越大，所以电压表前接的电路适用于测量RxRA，即测量较大电阻。,3、当RA和RV已知时，两种接法都可以通过计算来消除误差。,4、伏安法的优点是能在工作状态下测量，这一点对非线性电阻的测量非常重要，另一个优点是适用于对大电容变压器一类具有大电感线圈电阻的测量。,二、小阻值电阻的测量,三、大阻值电阻的测量,四、接地电阻的测量,（2）四端钮结构伏安表法,（1）电桥法,（3）微欧表法,小阻值电阻简称小电阻，是指阻值在1以下的电阻,大阻值电阻简称大电阻，是指阻值在1M以上的电阻,可用伏安法、电桥法等，最常用的是采用接地电阻测量仪,5.8电感、电容的测量,一、电感的测量,电感的测量包括电感线圈的电阻R、电感量L及品质因数Q的测量。,(1)伏安表法,伏安表测电感的原理与伏安法测电阻相同。,测量结果：,U0为直流电压表读数，I0为直流电流表读数。