电磁测量第六章

电动系仪表是交直流两用表，在交流指示仪表中准确度最高(可达0.05级)、频率范围也较宽(使用频率上限可达10000Hz)。电动系测量机构工作原与磁电系测量机构类似，不同的是与被测电流相互作用而产生转动力矩的磁场不是永久磁铁产的磁场，而是通有电流的固定线圈产生的磁场。电动系测量机构除能测量电流、电压外，还能测量电功率、功率因数及频率等。电动系仪表在电气测量指示仪表中占有极其重要的位置。,第六章电动系仪表,电动系测量机构,l一固定线圈2活动线圈3游丝4指针5空气阻尼器叶片6空气阻尼箱,定义:利用载流线圈间电磁力作用而产生转动力矩的测量机构。1.电动系测量机构的结构固定线圈1和活动线圈2构成驱动装置。固定线圈1由两段线圈构成，平行排列，可以串联，可以并联，两段线圈间留有空隙，以便穿过转轴，且通电流时产生比较均匀的磁场。常见的固定线圈是圆筒形的。矩形线圈用于无定位结构仪表中，可以减小仪表的高度。活动线圈2同转轴固定在一起可在固定线圈里转动。使活动部分重量轻、运动灵活，活动线圈要用比较细的导线绕制。而固定线圈用比较粗的导线绕制，为了增强线圈中的磁场，固定线圈的匝数也较多。,电动系测量机构的结构,l固定线圈2活动线圈3游丝4指针5空气阻尼器叶片6空气阻尼箱,游丝3是控制装置，与磁电系机构一样，同时兼作活动线圈的导流引入线。阻尼叶片5和阻尼箱6构成的空气阻尼器为阻尼装置。固定在转轴上的指针4和标尺构成读数装置。电动系测量机构相当于用载流固定线圈代替磁电系测量机构中的永久磁铁。,电动系测量机构的工作原理,电动系测量机构的磁场由固定线圈中的电流产生，磁场方向随电流而变。当固定线圈和活动线圈都通入交流时，可动部分的平均转矩使它有一定的偏转。直流电流I1通入固定线圈1时，线圈中产生磁场，磁感强度为B1，方向由右手定则确定。B1的大小与I1成正比。直流电流I2经游丝通入活动线圈2时，活动线圈在固定线圈所产生的磁场B1中受到转动力矩M的作用，M与B1及电流I2成正比。转动力矩M的大小与两个线圈中的电流的乘积成正比，即,电动系测量机构的工作原理,在转动力矩M的作用下，活动部分将产生偏转，从而使游丝变形而产生反作用力矩Mf当Mf=M时，活动部分处于平衡位置，指针指示的偏转角为1.K1是决定于测量机构结构(如线圈的形状、尺寸等)的一个常数。2.关于f()，磁场是均匀的，则决定转矩的力F的分力将随而变；磁场是不均匀的，则力F本身就随而变。f()表示转矩因磁场分布情况而随变化的一个函数,则随各种电动系仪表而异。但对于确定的仪表，f()便是确定的。,电动系测量机构的工作原理,当电流I1和I2的方向同时改变时，活动线圈所受的转动力矩的方向不变，测量机构也是既可以测量直流又可以测量交流的。当固定线圈和活动线圈中通以同频率的正弦电流时，设固定线圈通入流i1为活动线圈通入电流i2为转动力矩的瞬时值m为由于仪表活动部分有惯性，指针的偏转取决于平均转动力矩M:,电动系测量机构的工作原理,当Mf=D=M时，活动部分的偏转角:,正弦电流i1的有效值,i1和i2之间的相位差,正弦电流i2的有效值,当电动系测量机构的线圈通入同频率的正弦电流时，其活动部分的偏转角与通过两线圈的电流的有效值的乘积成正比，且与两电流之间的相位差的余弦成正比。,当固定线圈和活动线圈中通以不同频率的正弦电流时，设固定线圈中通入电流i1为活动线圈中通入电流i2为p、q正整数。则活动线圈所受到的平均力矩M为,电动系电流表,使活动部分重量轻、运动灵活，活动线圈W2要用比较细的导线绕制，且动圈电流还要通过游丝引入，故动圈容许通过的电流不大。将电动系测量机构中的动圈W2和定圈W1串联或并联，并且配置一定的分流电阻，便构成了电动系电流表。,量限小于0.5A的电流表,被测电流可以全部通过动圈，固定线圈1和活动线圈2串联。W1表示定圈的每一段绕组，W2表示动圈绕组。通过定圈和动圈的电流是相同的，即转动力矩的瞬时值为(i1与i2间相位差=0)则平均转矩为,量限小于0.5A的电流表,活动部分处于平衡位置时，M=Mf=D，指针的偏转角为不论I的波形如何，只要I是周期变化的电流，其指针的偏转角都与该电流的有效值的平方成正比。即电动系电流表可以测量直流电流、正弦交流电流以及周期非正弦电流的有效值。电动系电流表的标尺分度是不均匀的。如果适当选择动圈和定圈的尺寸，可使偏转角较大时的减小，从而在一定范围内获得比较均匀的刻度。,量限大于0.5A的电流表,动圈与定圈并联的方式，动圈及游丝不容许通过较大电流，则动圈不能与定圈串联。动圈支路中串入R，使动圈和定圈中电流相等。指针偏转角，但量限却扩大了一倍。电动系电流表都是做成双量限的。,1.动圈与定圈中的电流不相等，但存在着固定的分流关系，且波形是相同的。2.动圈与定圈之间存在互感，感抗均随频率而变，不同频率会使分流关系改变，引起频率误差。3.频率补偿措施减小频率误差。4.电动系电流表的频率范围较宽，其上限频率一般能达2500。,固定线圈与活动线圈的串并联换接以及与活动线圈并联分流电阻来实现更大量限的双量限电流表,频率补偿,6.3电动系电压表,电动系测量机构中的动圈与定圈串联，再与一定的附加电阻串联，便构成了电动系电压表。附加电阻Rf远大于定圈和动圈的感抗，动圈和定圈中电流有效值I。,频率补偿,1.指针的偏转角与被测电压有效值的平方成正比，标尺分度不均匀。2.可测直流电压及正弦交流和周期非正弦交流电压。,6.4电动系仪表的技术特性,一、准确度高二、灵敏度低三、频率特性好四、抗外磁场干扰能力弱五、内部功耗大六、刻度不均匀七、过载能力小八、结构复杂、成本高,6.4电动系仪表的技术特性,1.准确度高由于电动系测量机构的磁路中没有铁磁物质，基本上不存在磁滞和涡流效应，准确度高。一般为0.51.0级，较高的为0.2级，高的可达0.1级。目前，在交流指示仪表中，电动系仪表的准确度最高。所以它常作为校准交流指示仪表用的标准仪表。2.灵敏度低测量机构的磁路是以空气为介质，空气的磁阻很大，磁场较弱，只有线圈中通以足够大的电流时，才能产生足够的磁场使活动部分偏转。3.频率特性好电动系仪表的磁路中无铁磁物质，可测量交、直流，周期非正弦量。电动系仪表目前一般都是按直流刻度。作交流测量时，由于动圈和定圈有一定的电感(自感和互感)，当被测电流频率改变时，会引起一定的频率误差，但可在与活动线圈串联的部分电阻上并联电容来补偿频率误差。频率特性好，一般为152500Hz，能扩展到500010000Hz。,采用磁屏蔽或无定位结构减小外磁场的影响。无定位结构采用两个相同的固定线圈和两个相同的活动线圈；两个活动线圈装在同一转轴上，空间位置相差180；两个固定线圈和两个活动线圈皆反向串联。两定圈所产生的磁场在空间方向相反，但两个动圈各自受到的转动力矩大小相等，方向一致，总的力矩是相加的。在外界均匀磁场作用下，若一个定圈中的磁场加强，则另一个定圈中的磁场必然在相同程度上减弱，它们所产生的合成转矩仍不变。因而外磁场对活动部分的偏转没有影响。,4.抗外磁场干扰能力弱,6.4电动系仪表的技术特性,5.内部功耗大由于灵敏度低，电动系电流表的内阻较大，而电压表的内阻较小，所以仪表内部功耗较大。6.刻度不均匀指针的偏转角与电流和电压的有效值的平方成正比，因此标尺分度是不均匀的。7.过载能力小绕制动圈的导线较细，而且动圈电流是通过游丝引入的，所以过载能力小。8.结构复杂、成本高电动系仪表一般为便携式仪表，大多在实验室中使用，准确度高的作为交流标准表在计量室中使用。,铁磁电动系仪表的最大优点是功率消耗较小，转动力矩较大。将固定线圈绕在铁芯上（电磁铁）。在同样电流下能得到较强的磁场，从而转动力矩大，灵敏度高，表内功耗也较小，抗外磁场干扰能力强，不需要防御外磁场的装置，简化仪表的结构。,6.5铁磁电动系仪表,1.能够用来直接测量电功率的仪表叫做功率表。2.直流电路中的电功率与电压、电流的乘积有关；3.正弦电流电路中的电功率(又称有功功率)除与电压、电流的有效值有关外，还与电压、电流之间的相位差的余弦有关。能够直接测量电功率的仪表必须能够反映出它们之间的乘积关系，而电动系测量机构能够满足这个要求，所以目前的功率表大多数为电动系仪表。,6.6电动系功率表及其使用,功率决定于电压和电流。正弦电流电路中设负载的复阻抗，电压和电流的有效值相量分别为、，则负载吸收的有功功率为,一、功率表的结构和工作原理,1.固定线圈用较粗的导线绕制，并与负载串联，电流通过负载，构成电流回路或串联回路，固定线圈称为电流线圈或串联线圈；2.活动线圈用细导线绕制，与适当的附加电阻Rf串联后并联到负载两端，通过它的电流的大小与负载电压成正比，构成并联回路或电压回路，活动线圈称为电压线圈或并联线圈。,一、功率表的结构和工作原理,1固定线圈2活动线圈,电流线圈与负载串联，通过电流线圈的电流i1就是负载电流i，即,当电流线圈的阻抗远小于负载阻抗，电压支路的感抗远小于支路的电阻RV时，认为通过电压线圈的电流是,适当选择动圈和定圈的尺寸，使f()应不随而变，f()作为不变的常量包含到比例系数KP中。,功率表的标尺刻度是均匀的。,多量限功率表测量线路,功率表般为多量限的，表面的刻度通常不标明瓦特数，而只有分格常数。在不同电流、电压量限时，每一分格代表的瓦特数不同。通常把每一格所代表的瓦特数称为功率表的分格常数，用C来表示。,功率表的读数,P=CD,功率表的正确使用,1.正确选择功率表的量限不仅要注意其瓦特数，更重要的是，被测负载的电流值不能超过功率表的电流量限，电压值不能超过功率表的电压量限。,2.功率表的接线要正确功率表内部有电流支路(定圈)和电压支路(动圈和附加电阻)两部分，这两部分电路在功率表中是分开的，各自引出两个端钮。同时分别在一个电流端钮和一个电压端钮上标有“”、“”或“”等符号，它们称为电流线圈和电压线圈的“同极性端”或“发电机端”。,电动系功率表的接线端钮和符号,接线的总的原则：功率表的电流支路与负载串联；电压支路与负载并联。第一条接线规则同极性端接线规则，即电流线圈和电压线圈的“”端钮必须接在电源的同一极性上(即应该同是高电位端或同是低电位端)，故“”端称为“同极性端”。电压的“”端都是规定为直接与动圈联接的一端。第二条接线规则发电机端接线规则，即电流线圈和电压线圈的“”端应同为电流的引入端或流出端，按此规则接线，功率表的指针正向偏转，否则，功率表指针反向偏转。故“”端又称为“发电机端”。,（1）接线规则,功率表的接线方式,功率表的接线方式,功率表指针的偏转方向是由电流线圈和电压线圈中的电流共同决定的，改变任一线圈的电流方向，指针的偏转都要反向。如果负载是吸收有功功率（即负载中电压与电流的相位差90)，则按图(a)、（b)接线，功率表指针都是正向偏转。如果按此接线时，发现功率表指针反向偏转，则并非接线有错，而是此时的负载实际上发出有功功率(即被测负载实际上为一等效电源)，这时需要改变电流支路两个端钮的接线，变为图(c)、(d)接线方式，功率表指针才能正向偏转，同时应将读数取为负值。,在有些功率表上装有电压线圈的“换向开关”，它可以改变流过电压线圈的电流方向，而不改变电压线圈和附加电阻Rf的相对位置，总是符合第一条规则。,功率表的接线方式,电压支路前接的方式，由于在电压支路上所加的电压包括了电流线圈的压降和负载上的压降，因此所测得的功率中包含了电流线圈所消耗的功率，所以它适用于负载阻抗Z远大于电流线圈阻抗ZA(即ZZA)的情况。电压支路后接的方式，由于电流线圈中的电流包括了电压支路的电流和负载电流，因此所测得的功率中包含了电压支路所消耗的功率，所以它适用于负载阻抗Z远小于功率表电压支路阻抗ZV(即ZZV)的情况。一般采用电压支路前接的方式。,(2)接线方式,多量限功率表接法,(a)两段电流线圈串联(b)两段电流线圈并联(c)多量限功率表的电压支路,如果用普通的功率表测量功率因数cos很低的负载的功率时，将产生很大的测量误差。第一：由于指针偏转小，有很大的读数误差；第二:由于仪表测量机构的转矩小，仪表本身的摩擦误差、角误差以及仪表本身的功耗等所引起的误差也不可忽略。在测量低功率因数负载的功率时必须采用专门制造的低功率因数功率表。,6.7低功率因数功率表,一、提高功率表的灵敏度，以减小读数误差适当减小游丝的反作用力矩系数，或采用张丝结构、改变线圈的形状和匝数，提高功率表的灵敏度，即使负载的功率因数cos很低，也能引起指针较大的偏转，减小读数误差。二、采用补偿线圈，消除功率表内部功耗引起的误差在功率表的电压支路中串一个线圈（补偿线圈）。此线圈的结构与匝数和电流线圈相同，也是固定的，它绕在电流线圈上面，但绕线的方向与电流线圈相反。通过补偿线圈的电流就是电压支路的电流，而所建立的磁场与电流线圈的磁场方向相反，因而抵消了由于电流线圈中包含电压支路电流所增加的那部分磁场，这样就补偿了“电压支路后接”时所引起的功率误差。,减小误差的特殊措施,三、采用补偿电容，减小角误差角误差是由电压线圈的感抗引起的。只要在功率表电压支路附加电阻Rf的一部分上并联电容C，使电压支路由感性变为纯电阻性，便可减少角误差，,低功率因数功率表的分格常数为,有补偿线圈的低功率因数功率表有补偿电容的低功率因数功率表,相位表(又叫功率因数表)，可测量电压和电流的相位差或电路的功率因数cos。一、电动系相位表的结构及工作原理属“比率表”测量机构，具有一个固定线圈和两个可动线圈。固定线圈A仍分成两部分，以便穿过转轴，但线圈较长，使线圈内部的磁场近于均匀；两个可动线圈B1、B2交叉放置，并固定在同一转轴上，可以自由转动，它们的线圈平面彼此间夹角为。两个动圈B1、B2中的电流分别和定圈A的磁场作用产生力矩。一个是转动力矩(使可动部分顺时针方向转动的力矩)，一个是反作用力矩(逆时针方向转动的力矩)，它们的方向是相反的，当它们的大小相等时可动部分就静止在平衡位置上。不需要产生反作用力矩的游丝，活动线圈的电流用薄金属带引入。,6.8电动系相位表,固定线圈内磁场均匀，两个转矩Ml、M2与无关，则f()为常量，包含到K1、K2中。当两个活动线圈结构完全相同时，K1=K2，则,线圈电流向量图,相位表接入被测电路的具体线路,设被测电