第3章-电气测量课件.ppt

第三章功率和电能的测量,第一节功率和电能的测量方法第二节电动系功率表第三节低功率因数功率表第四节三相功率的测量第五节感应系电能表及电能的测量第六节三相有功电能表第七节三相无功电能表和无功电能的测量第八节电子式单相电能表第九节电子式三相电能表第十节电子式单相复费率电能表第十一节集中抄表与电子式IC卡预付费电能表,ElectricalMeasure,本章要点,本章介绍电动系功率表、低功率因数功率表、三相功率表、感应系电能表的原理与使用方法,其中工作原理可作一般了解，测量方法以及测量时的电路连线，包括单相与三相，有功与无功的功率表、有功与无功电能表都必须熟练掌握。本章第八、九节介绍电子式电能表的原理与电路结构，由于电测仪表广泛应用电子电路，通过电子电能表的电路结构，进一步了解仪表中电子器件的使用方法。,第一节功率和电能的测量方法,一、功率测量方法1.直接法：用电动系或数字的单相功率表测量单相功率。用单相功率表接成两表法或三表法或用三相功率表测量三相功率，两表法或三表法虽然有求和过程，但一般仍将它归为直接法。2.间接法：直流通过测量电压、电流间接求得功率。交流则需要通过电压、电流和功率因数求得功率。二、电能测量方法1.直接法：直接测量电能，直流可使用电动系电能表，交流用感应系或电子电能表。2.间接法：电能测量一般不用间接法，只有在功率稳定不变的情况下用功率表和计时时钟进行测量。,三、变换式功率表常用的功率表多采用电动系，由于电动系仪表的生产工艺比较复杂，抗干扰能力低，所以近年来利用磁电系表芯做成的变换式功率表。表的结构如图。,四、变换式功率表的工作原理变换式功率表先通过由两个互感器组成的取样电路，检测负载的电压与电流，由于两个互感器的一次绕组接法相反，使得互感器二次绕组的电流与负载的u、i关系如下式所示。,半导体二极管是一个非线性元件，适当调整R0和R1然后利用半导体二极管的平方律特性，使得磁电系指示仪表的两端电压与负载的u、i乘积即功率成正比。完成功率到电压的变换。并在标尺上刻以功率值。,返回本章首页,二极管平方律特性,第二节电动系功率表,一、工作原理电动系仪表是测量功率的最常用仪表，测功率时仪表的固定线圈与负载串联，反映负载电流I，可动线圈与负载并联，反映负载电压U，按电动系仪表工作原理，可推出可动线圈的偏转角正比于负载功率P。,如果U、I为交流，同样可推出可动线圈的偏转角正比于交流负载功率P。,二、扩大功率表电流量程扩大功率表量程可分别为扩大电流量程或扩大电压量程，扩大电流量程可将两个固定线圈从串联改为并联，量程可相应扩大一倍。,固定线圈串联固定线圈并联但功率表的固定线圈只有两个，因此这种办法只能扩大量程一倍。,功率表的选择和使用方法,三、扩大功率表电压量程扩大电压量程可改变可动线圈的串联附加电阻，阻值不同时，可得到不同的电压量程，但工程上使用的电压等级都是按标准规定的，所以功率表的电压量程也都取标准值。,例：D26W型便携式单相功率表的电流量程为510A，电压量程为150300600V，其功率量程有：P1=5150=750WP2=5300=1500WP3=5600=3000WP4=10150=1500WP5=10300=3000WP6=10600=6000W这里的功率是指负载的功率因数cosj1时的情况。而感性或容性负载的cosj1，所以，上述量程是指最大功率量程。,例:有一感性负载，额定功率为600W，额定电压为220V，cosj0.8。现要用功率表去测量它实际消耗的功率，试选择所用功率表的量程。解因为负载额定电压为220V，应选功率表电压量程为300V。负载额定电流为A故确定选用电流量程为5A，电压量程为300V，功率量程为3005=1500W的功率表。,四、功率表正确接线由于电动系功率表指针的偏转方向与两线圈中电流的方向有关，为防止指针反转，规定了两线圈的电源（发电机）端，用符号“*”表示。功率表正确接线应遵守“电源端”守则，即接线时应将“电源端”接在电源的同一极性上。,电源（发电机）端守则,电流线圈：使电流从电流线圈的电源（发电机）端流入，电流线圈与负载串联。电压线圈：保证电流从电压线圈的电源（发电机）流入，电压线圈支路与负载并联。,功率表的正确接线(a)电压线圈前接(b)电压线圈后接,五、功率表的错误接线,电源端*不接同一极性的错误,可动线圈与固定线圈间存在电位差的错误,六、功率表的读数,便携式功率表一般都有几种电流和电压量程，但标度尺却只有一条，因此功率表的标度尺上只标有分格数，而不标瓦特数。当选用不同的量程时，功率表标度尺的每一分格所表示的功率值不同。通常把每一分格所表示的瓦特数称为功率表的分格常数。,如果功率表中没有附加的分格常数表，其分格常数C也可按下式计算,求得功率表的分格常数C后，便可求出被测功率,PC,图功率表前面板示意图,1电压接线端子,4指针零位调整器,2电流接线端子,3标度盘,5转换功率正负的旋钮,图D26型仪表,例：若选用一只功率表，它的电压量程为300V、电流量程为5A，标度尺满刻度格数为150格，用它测量某负载消耗的功率时，指针偏转80格。求负载消耗的功率。解：先求功率表的分格常数被测功率,返回本章首页,第三节低功率因数功率表,用一般功率表测量低功率因数的功率存在如下问题：在低功率因数的情况下，电流大功率小，若按功率选用，电流的额定值太小。若按电流选用，在满电流的情况下，也只能使用功率表标尺的前几个小格，无法准确读数。以测量功率因数为0.1，额定电压为500V，额定电流为10A，功率为500W的电路为例。选用500V、500W的的普通功率表，额定电流只有1A。选用500V、10A的普通功率表，其最大示值为5000W。500W只能使用标尺的前1/10部分。可见测量低功率因数的功率表必须具备大电流和低功率示值两个特点。在结构上必须采取一些措施，一方面提高仪表的灵敏度，使它能测量低功率，另一方面要提高功率表的电流额定值，在加大电流额定值的时候，还要注意不使表耗功率太大。,一、带补偿线圈的低功率因数功率表这种功率表主要着眼于解决表耗问题。本来功率表的读数中就包含有表耗功率，但一般功率表，表耗功率比功率示值小很多，可以忽略，而低功率因数功率表，因为采用大额定电流，表耗功率较大，又采用小功率示值，使得示值中所含的表耗功率所占比例加大，造成读数的误差，因此在加大额定电流的同时，要采取措施消除示值中的表耗功率部分。解决办法是在电压电路中，串联一个补偿线圈产生附加力矩以抵消表耗功率。使得所减少的读数值正好等于表耗功率读数的增加值。,补偿线圈,二、带补偿电容的低功率因数功率表,由于功率表的电压线圈存在感抗，通过电压线圈的电流与电压的相位差为，功率表指针偏转角为,上式与无感抗的功率表指针偏转角相比其误差为,功率因数越低，越大，造成的误差就越大，对于测量低功率因数的功率，十分不利，加接补偿电容后，可消除感抗影响，使减少，误差下降。,补偿电容,D34W型功率表,主要用于直流电路中测量小功率或交流50赫兹电路中测量功率。（1）该表准确度等级为0.5级，额定功率因数cos0.2。基本技术特性如下：a）仪表串联电路的额定电流为双量限，供应下列五种规格：0.250.5A；0.51A；12A；2.55A；510A。b）仪表并联电路的额定电压为三量限，供应下列各种规格：25/50/100V；50/100/200V；75/150/300V；150/300/600V。（2）连接方法,三、采用张丝结构低功率因数功率表1.采用张丝结构低功率因数功率表，是从提高灵敏度方面着眼，解决功率示值的问题。使得功率较小时，也能有较大示值。这是因为张丝结构不用转轴，摩擦力小，灵敏度高。在同样电流条件下，能得到较大的偏转角度。2.采用张丝结构之后，如果使用光指示装置，则可得到更高的仪表灵敏度。,张丝,四、低功率因数功率表的使用,返回本章首页,要正确接线；要正确读数：低功率因数功率表提供三个额定值，即额定电压、额定电流和额定功率因数。使用时除电压、电流不得超过额定值外，还应注意：若被测功率因数大于额定功率因数，要注意指针是否超过满度；若被测功率因数小于额定功率因数，要注意指针虽未超过满度，电流圈的电流可能超过额定值。为此测量功率时最好再用一个电流表监视电流状态。,第四节三相功率的测量,一、用单相功率表测三相功率一表法适用于电压、负载对称的系统。三相负载的总功率，等于功率表读数的三倍。,对于三相三线完全对称电路来说，则可按上图接线方式测量；但如果被测电路的中点不便于接线，或负载不能断开，则应按下图所示的线路进行测量。图中，电压支路的非发电机端所接的是人工中点，即由两个与电压支路阻抗值相同的阻抗接成丫形，作为人工中点。,二表法适用于三相三线制，通过电流线圈的电流为线电流，加在电压线圈上的电压为线电压，三相总功率等于两表读数之和。考虑它们的相位关系，当三相电路对称时，由图所示相量图可以看出，三相负载的总功率等于,图两表法测量三相三线制负载功率(a)对称三相负载相量图(b)两表法接线图,两表法测量的注意事项：（1）接线时应使两个功率表的电流线圈串联接入电路任意两相线上（如分别串接在A、B相线上），使其通过的电流为三相电路的线电流，两只功率表的电压支路的发电机端必须接至电流线圈所在相线，而另一端则必须接至没有接电流线圈的第三相上,如图(b)。（2）读数时必须把符号考虑在内：1）负载对称为纯阻性时，两表读数相等。2）负载对称且功率因数为0.5，有一只功率表读数为0。3）负载对称且功率因数小于0.5，一只功率表读数为负值。,三表法适用于三相四线制，电压、负载不对称的系统，被测三相总功率为三表读数之和，即,二、用三相功率表测三相功率将两只或三只或单相功率表的可动线圈装在一个公共转轴上即组成两元件或三元件的三相功率表，分别用于三相三线制与三相四线制。其公共转轴的转矩直接反映三相总功率，因此可从标尺上直接读出三相功率。,两元件三相功率表结构,三、三相无功功率表的测量,1、一表跨相法,2、两表跨相法,3、三表跨相法,返回本章首页,第五节感应系电能表及电能的测量,一、电能表的概述1、电能表的分类我国电能表的标准体系可以有以下几种分类。(1)按使用电源的性质分：交流电能表与直流电能表；(2)按用途分：有功电能表、无功电能表和复费率电能表及多功能电能表；(3)按精度等级分：普通级：0.2S，0.2，0.5S，0.5，1.0，2.0，3.0级，用于测量电能；精密级：0.01，0.05级，主要作为校验普通级电能表的校验基准；(4)按结构和工作原理分：机械式电能表和电子式电能表。2、国产电能表型号的含义类别代号+组别代号+设计序号+派生号其代表意义为：1类别代号：D电能表。2组别代号：表示相线；D单相；S三相三线；T三相四线。,表示用途及工作原理：X无功；B标准；A安培小时计；Z最大需量，J直流：F复费率；H总耗；L长寿命；S全电子式；Y预付费；M脉冲；D多功能。3设计序号：用阿拉伯数字表示。4派生号：T湿热、干热两用；TH湿热用；TA干热用；G高原用；H船用；F化工防腐用。例如：DD单相感应式有功电能表，如DD28型、DD862型等。DS三相三线有功电能表，如DS8型、DS864型等。DSSD三相三线全电子式多功能电能表，如DSSD-331型、DSSD-110型等。DT三相四线有功电能表，如DT8型、DT862型等。DTF三相四线复费率电能表，如DTF68型、DTF9型等。DX无功电能表，如DX862型、DX863型等。,二、感应系电能表结构,驱动元件：驱动元件由电压元件(电压线圈及其铁心)和电流元件(电流线圈及其铁心)组成。转动元件：转动元件由可动铝盘和转轴组成。制动元件：制动元件是一块永久磁铁，在铝盘转动时产生制动力矩，使铝盘的转速与被测功率成正比。积算机构：积算机构又叫计度器，它由蜗杆、蜗轮、齿轮和字轮组成。,1、测量机构,图电能表计度器结构图,2、补偿调整装置,满载、轻载、相位角调整装置和防潜动装置。,3、辅助部件（外壳、基架、端钮盒和铬牌等）,三、工作原理,感应式单相电能表是利用电磁感应原理工作的，其铁芯的结构如下图（a）所示，电流和磁通如图（b）所示。,电能表的铝盘向什么方向转动，电能表中的磁通和涡流又是如何作用产生转动力矩的呢？,当交流电通过感应式单相电能表的电压线圈时，在电压元件铁芯中产生一个交变磁通u，这一磁通经过伸入铝盘下部的回磁板穿过铝盘构成磁回路，并在铝盘上产生涡流iu。交流电流通过电流线圈时，会在电流元件铁芯中产生一个交变磁通i，这一磁通通过铁芯柱的一端穿出铝盘，又经过铁芯柱的另一端穿人铝盘，从而构成闭合的磁路。电压线圈和电流线圈产生的是两个交变磁通，这两个交变磁通及其产生的涡流相互作用，产生电磁力矩。这个电磁力矩（即转动力矩）推动铝盘转动。同时这两个磁通产生的涡流也与制动永久磁铁产生的磁场相互作用产生制动力矩，制动力矩的大小是随铝盘转速的增大而增大的，与铝盘转速成正比。只有制动力矩与转动力矩平衡时，铝盘才能匀速转动。,铝盘在电流线圈和电压线圈作用下产生的驱动力矩与负载功率成正比，由永久磁铁产生的制动力矩与转速成正比。写成等式为,四、电能表的接线,单相电能表的接线,五、交流电能表常见故障及处理方法,表交流电能表常见故障及处理方法,返回本章首页,第六节三相有功电能表,一、三相有功电能表的结构三相电能表和三相功率表一样，也有二元件和三元件两种结构，二元件用于三相三线制，三元件可用于三相四线制。不论是二元件或三元件都有两种形式，一种是一个公共转轴上装三个铝盘或两个铝盘分别由三个元件或两个元件驱动，另一种转轴上只有一个铝盘由三个元件或两个元件共同驱动。以二元件为例，其结构如图。,二元件单铝盘,二元件二铝盘,二、三相有功电能表的接线感应式三相有功电能表，是利用两只或三只单相有功电能表，驱动一个公共转轴，使转数直接反映三相电能。积算器的示值就是三相总电能，连接方法及使用范围与功率表的两表法或三表法相同。,1、三相二元件电能表的接线三相二元件电能表的直接接线方式如图（a）所示，经电流互感器的接线方法如图(b)、(c)和(d)所示。,图三相二元件电能表接线方法(a)直接接入；(b)经TA接入方法一；(c)经TA接入方法二；(d)经TA接入方法三,2、三相三元件电能表的接线,2、三相三元件电能表的接线三相三元件电能表（用于三相四线制）的接线方式如图所示,图三相三元件电能表接线方法(a)直接接入；(b)经TA接入；(c)经TA和TV接入；(d)三只单相电能表接入三相四线制接法,返回本章首页,三、三相三线有功电能表,三相三线有功电能表（三相三线两元件电能表），可将这种电能表看成是两只单相电能表的组合，其原理结构如图所示。它具有两组电流、电压线圈（即两组驱动元件），两个同轴转动的铝盘，两只制动磁铁，一套计度器。铁芯采用分离形式。电压元仵为半封闭插片结构，性能较稳定，减小了摩擦力矩，有利于提高电能表的灵敏度，三相三线直人式电能表的读数直接反映了三相负载所消耗的电能。三相三线有功电能表的工作原理与单相有功电能表的工作原理基本上相同，三相有功电能表由电流、电压元件产生一移进磁场，同时与制动力矩相互作用，使铝盘在磁场中获得的转速正比于负载的有功功率，从而达到计量电能的目的。,四、三相四线有功电能表,三相四线有功电能表（三相四线三元件电能表），可以看作是三只单相电能表的组合，它具有三组电压、电流元件，两个同轴转动的铝盘上、下排列，上面一只铝盘装有一套驱动元件（即电压、电流线圈），下面一只铝盘装有两组驱动元件，一套计度器。三相四线有功电能表工作时，由三组电流、电压元件产生一移动磁场，作用在铝盘上的总转矩为三组元件产生的转矩之和，使铝盘在磁场中获得的转速正比于负载的有功功率，从而达到计量电能的目的。,第七节三相无功电能表和无功电能的测量,无功功率一般无需测量，但电力系统为了限制用户滥用无功电能，对装机容量大的用户，采取无功电能收费政策，促使用户采取措施提高功率因数。为此要对这种用户加装无功电能表。DX1型三相无功电能表DX2型三相无功电能表。,适用于电源对称的三相四线制,适用于三相三线制,一、三相四线制无功电能的测量对三相四线制系统，测量无功电能可用DX1型无功电能表，该表为两元件结构，两组铝盘装在同一转轴上，读数为三相总无功电能。每一组驱动元件有两个固定电流线圈，即基本线圈与附加线圈，两线圈绕在同一铁心上，匝数相等，极性相反。,DX1型三相无功电能表测量无功电能的原理：,二、三相三线制无功电能的测量测量三相三线制无功电能可用DX2型无功电能表，该表也是二元件结构，可直接读出三相无功电能，该表电压圈串接一电阻,调节R，使电压与工作磁通相位差为60，接线如图。,图无功电能表的接线方法（a）直接接入;（b)经电流互感器接入;（c）经电流互感器、电压互感器接入,三、无功电能表的接线,图无功电能表的接线方法（a）直接接入;（b)经电流互感器接入;（c）经电流互感器、电压互感器接入,四、用单相电能表测对称的三相三线制的无功电能按下图接法，将单相电能表读数除以，等于三相三线制无功电能。这可由鋁盘所受的平均转矩推出。,五、无功电能表的特点,返回本章首页,表交流电能表常见故障及处理方法,第八节电子式单相电能表,第八节电子式单相电能表,一、电子式单相能表结构图中乘法器和频率变换器可选用专用集成电路。步进电动机和字轮也有单独的部件产品，所以电子电能表实际是在电能表专用集成电路和字轮部件的基础上，配置相应的取样电路构成，生产工艺简单，可靠性高，已开始取代过去生产工艺复杂、耗材多的感应系电能表。,二、电子式单相电能表的专用集成电路可供选择的电能表专用集成电路有AD7755、AD7750等芯片，下图为AD7755的结构与引脚示意图。,电流取样输入,电压取样输入,基准电压输入,直流电源,晶振连接点,增益调节,复位,高通滤波器,接步进电机,输出校验脉冲,电能输入输出判别,校验脉冲频率调节,步进电机驱动频率调节,三、AD7755外接电路,四、AD7755外接电路计算AD7755需要两组直流电源，其中片内数字电路、模拟电路所需直流电源由二极管VD2整流并经IC2稳压后提供，基准电压由IC4产生。使用时要根据电能表的额定电流、额定电压选择取样电阻，并进行调节，取样电阻计算步骤如下：1.求从F1、F2输出的脉冲频率：可根据计数器的电表常数推算。设配套用的计数器的电表常数为100imp/kWh（即字轮转动1kWh需要100脉冲推动），电能表的额定电压为220V，额定电流为10A，可求得工作在额定电压、额定电流时的脉冲频率。（若工作电流未达到额定，相应的脉冲频率将减少。）,2.求电流通道取样电压：设电流通道取样电阻选用350，电能表额定电流为10A，可求得取样电压为这个电压不能超过集成电路AD7755的允许值。3.求电压取样电路的电压值:设基准电压为2.5V,按产品目录提供的值当时为3.4,可求出4.求电压取样电路的分压电阻：由于取样电压从220V降压得来，可推出应接入的分压电阻，例如图中R4-R14为分压电阻。可求得,返回本章首页,一、电子式三相电能表的专用集成电路常用的专用集成电路有ADE7752、ADE7754等。ADE7752的内部结构图,三相取样输入,计数脉冲输出,三相求和,第九节电子式三相电能表,ADE7752的引脚图从内部结构图和引脚图可以看出，三相电能表的专用集成电路，是由三组单相电路组成，分别从三组电路测出每相耗用功率，然后通过求和得出三相总耗用功率。每一相的电路结构与原理，跟单相集成电路的结构与原理基本相同，所用的引脚名称于功能也类似。,二、电子式三相电能表的电路组成电路结构与单相主要区别是：1.必须对三相电压、电流取样。2.对于大负荷的电能表要用互感器取样。,三、电子式三相电能表的取样电路三相电子电能表是在单相基础上，分别对三相计量后求和。所以其结构与单相同。但三相多为高压、大负载的用户，所以一般需要通过电流、电压互感器取样。,四、外接电路计算使用三相电能表和单相一样,也要计算取样电阻，其步骤与单相计算方法基本相同。第一步：求F1、F2输出的脉冲频率可根据计数器每转过1千瓦小时所需要的脉冲个数（即电能表计量常数），及电能表的额定功率，求得额定状态下ADE7752的F1、F2引脚输出的脉冲频率。例如电能表的额定功率为66kW，计数器计量常数为100imp/Kw,可求得工作于额定状态时F1、F2输出的脉冲频率,外接电路计算第二步：选择电流通道配用的电流互感器变比及电流互感器的负载电阻:若额定负载电流为100A，互感器变比可取2500:1，二次绕组电流为100/2500=0.04A。用二次绕组负载电阻的输出电压作为ADE7752专用集成电路电流通道的输入电压，该电压不得超过允许值，例如ADE7752的允许电压有效值为176mV，负载电阻压降可取允许值或允许值的一半88mV，若为一半，则二次绕组负载电阻应为2.288mV/0.04A=2.2,外接电路计算第三步求电压取样电路的电压值：设基准电压为2.5V，按ASDE7752产品目录提供的计算公式,第四步根据取样电压选择电压互感器：或与分压电阻结合取得。,五、电子式三相电能表可扩充功能常用的三相电子电能表，一般不需要配置单片机及相关接口，只要在电能表专用集成电路之后，用字轮进行计度即可。但在需要扩充功能的场合，如要计量负向电能或需要对所计的数值进行远程传输时才需要配置单片机及相关接口。,返回本章首页,第十节电子式单相复费率电能表,利用微处理器设置不同时段的起止时间，然后按不同时段测量用电量，存入不同的内存单元，供显示或抄录。下图是DDSF111型复费率电能表的结构示意图。,一、时钟电路复费率电能表利用实时时钟芯片RTC4553A提供实时时间，包括年、月、日、时、分、秒，作为分时计费的时间标准。图3-43为RTC4553内部结构示意图。,二、电能计量电路,电流信号接VIN、VIP端,ADE7755作为计量芯片,电压信号接V2N、V2P端,消耗功率转换的低频脉冲,校验用高频脉冲,三、控制电路控制电路由单片机MC68HC05L16及相关外围电路包括液晶显示器、通信接口和检测电路等组成。,控制电路的外围部件1液晶显示器显示器有33个显示电极和4个背电极，连接到单片机MC68HC05L16的FP、BP有关引脚，并通过红外开关控制翻页，依次显示42种不同的数据。2通信接口远程计算机通过485通信接口向电能表要设置运行参数，或从电能表取出数据。,返回本章首页,第十一节集中抄表与电子式IC卡预付费电能表,一、集中抄表与电能表数据远程传送的几种方式1.红外传输方式：用户电能表通过红外输出信号接口，向抄表者传送表内数据。2.利用RS485串口的传输方式：用户电能表通过RS485串口将表内数据送送抄表中心。3.利用电力线或有线电视网进行传输的方式：用户通过