第一章 交流感应式电能表的结构和工作原理

1、第一章,第一章,交流感应式电能表的结构和工作原理,第一节,单相交流感应式有功电能表的结构,第二节,单相交流感应式有功电能表的工作原理,第三节,三相交流感应式电能表的结构,第四节,计度器的积算原理,第一节,单相交流感应式有功电能表的结构,感应式电能表的优点：,结构简单、工作可靠、维护方便、,调整容易。,缺点：,体积大、制造精度不容易提高。,第一节,单相交流感应式有功电能表的结构,一,、,电能表的分类,二,、,电能表的结构,一,、电能表的分类,1.,按使用电源性质分类,可分为交流电能表和直流电能表,2.,按结构和原理分类,可分为感应式电能表和电子式电能表,3.,按准确度等级分类,可分为普通安装式电

2、能表,(0.2,、,0.5,、,1.0,、,2.0,、,3.0,级,),和携带式精密级电能表,(0.01,、,0.02,、,0.05,、,0.1,、,0.2,级,),4.,按用途分类,可分为工业与民用电能表及特殊用途电能表,二,、电能表的结构,电能表一般由测量机构和辅助部件这两,大部分组成,（一）测量机构,(,图,1-1,）,测量机构是电能表实现电能测量的核心部,分,它由驱动元件,、转动元件,、制动元件、,轴承和计度器五大部分组成。,二,、电能表的结构,1,驱动元件,(,电磁元件,),包括电压元件和电流元件,二,、电能表的结构（测量机构）,它的作用是接受被测电路的电压和电流，,并产生交变磁通，

3、此交变磁通通过转盘时，,在转盘内产生感应电流，交变磁通和感应电,流相互作用，产生驱动力矩，使转盘转动。,二,、电能表的结构（测量机构）,（,1,）电压元件,?,由电压铁芯,1,、电压线圈,13,和回磁极,12,组成。,?,电压铁芯采用,0.35,0.5mm,厚的硅钢片叠成。,?,电压线圈的特点是匝数多、线径细。,?,电压线圈接到被测电路的电压回路，与负载是并联连接。,?,电能表接入被测电路后，不论有无负载电流，电压线圈总是带,电，成年累月地消耗电能,，一般要求功率消耗不超过,1.5W,。,?,回磁极固定在电压铁芯上，它的作用是构成电压工作磁通回路。,二,、电能表的结构（测量机构）,（,2,）电

4、流元件,?,由电流元件由电流铁芯,2,和电流线圈,14,组成。,?,电流铁芯是由,0.35,0.5mm,厚优质硅钢片叠成“U”形，电流线圈,通常分为匝数相等的两部分，分别绕在“U”形铁芯的两柱上，,其绕向相反，以保证电流磁通在铁芯内的方向相同，如图,1-3,所,示。,?,电流线圈的特点是匝数少、线径粗。,?,电流线圈接到被测电路后，与负载是串联连接。,二,、电能表的结构（测量机构）,驱动元件的布置形式,驱动元件相对于转盘的位置，可分为切线式和辐射式两种。,切线式驱动元件垂直于转盘半径方向放置，如图,1-4(a),所示；辐,射式驱动元件平行于转盘半径方向放置，如图,1-4(b),所示。,2,转动

5、元件,?,由转盘,3,和转轴,4,组成，,转盘用纯铝板制成，转盘边缘涂以,计算转数的标记。转轴一般用铝或铜合金棒制成，转轴上,装有蜗杆，蜗杆与计度器,9,上的蜗轮,7,相啮合，转轴上还装,有钢丝制成的防潜针，用以防止潜动。,?,转动元件的作用是在电能表工作时，把转盘转动的转数传,递给计度器。,二,、电能表的结构（测量机构）,3,制动元件,?,由永久磁铁及其调整装置组成。,?,它的作用是产生与驱动力矩方向相反的制动力矩，以便使转盘的,转动速度与被测电路的功率成正比。,?,制动元件按永久磁铁的结构形式及,其在转盘上的布置方式，可分为,如图,1-6,所示的几种。,二,、电能表的结构（测量机构）,二,

6、、电能表的结构（测量机构）,它由上、下轴承组成。,上轴承位于转轴,上端，起定位和导向作用。,图,1-7,为一种常,见的上轴承结构。,下轴承位于转轴下端，,用以支撑转动元件的全部重量。,4,轴承,二,、电能表的结构（测量机构）,二,、电能表的结构（测量机构）,4,轴承,现代电能表的轴承结构主要有两种。,（,1,）钢珠宝石轴承。,它又可分为单宝石和双宝石轴承，,其结构的基本类型有三种，如,图,1-8,所示。,（,2,）磁力轴承。,它的类型主要有两种，如,图,l-9,所示。,磁推轴承利用下轴承采用的磁铁之间的排斥力支撑转动,元件，而磁悬轴承利用上轴承采用的磁铁之间的吸引力，,将转动元件悬浮于空间。,

7、二,、电能表的结构（测量机构）,二,、电能表的结构（测量机构）,5,计度器,计度器的作用是累计电能表转盘的转数，并通过齿轮比换算,为电能单位的指示值。目前，计度器主要有两种形式：指针式和,字轮式。,它们的板面如,图,1-10,所示。较常见的为字轮式计度器，,其结构如,图,1-11,所示。,字轮式计度器有一个重要的参数即,传动比,。,二,、电能表的结构（测量机构）,计度器的传动比是指其末位,字轮转一圈时转盘的转数。,二,、电能表的结构（测量机构）,二,、电能表的结构（测量机构）,（二）辅助部件,它包括底座、表盖、基架、端钮盒和铭牌。,1,底座,底座的作用是将电能表基架、端钮盒及表盖固定在它,的上

8、面，并供电能表安装固定用。,2,表盖,表盖起密封和保护作用，通过透明部分可以看到转盘,转动和计度器的示数。,二,、电能表的结构（辅助部件）,3,基架,基架的作用是用来支撑和固定测量机构及调整装置。,4,端钮盒,它的作用是用来将测量机构的电流、电压线圈与被测,电路相连接。,5,铭牌,铭牌可以固定在计度器框架上，也可附在表盖上，示,意图如图,1-12,所示。铭牌上标志的含义分别说明如下：,二,、电能表的结构（辅助部件）,二,、电能表的结构（辅助部件）,二,、电能表的结构（辅助部件）,(1),计量单位名称或符号。,(2),字轮式计度器的窗口。,如有功电能表为“千瓦时”,或“kWh”,无功电能表为,“

9、千乏时”或“kvarh”。,整数位和小数位用不同颜色,区分，中间有小数点。,二,、电能表的结构（辅助部件）,（,3,）电能表的名称及型号。,如单相电能表、,DD862-4,型，我国对电能表,型号的表示方式规定如表,1-1,所示。,二,、电能表的结构（辅助部件）,表示用途分类：,A-,安培小时计；,D-,多功能；,H-,总耗；,M,-,脉冲；,S-,全电子式；,Y-,预付费；,F-,复费率,二,、电能表的结构（辅助部件）,（,4,）基本电流和额定最大电流，其中基本电流用,I,b,表示；额定最大电流用,max,表示。,如,5,（,20,）,A,，即电能表基本电流为,5,，,额定最大电流为,20,。

10、若电能表常,数中已考虑互感器变比，还应标明互感,器变比，如,1000,5,。,(5),额定电压，指的是确定电能表有关特性的电压值，以,Ue,表示。,?,三相三线电能表以相数乘以线电压表示，如,3,380V,；,?,三相四线电能表则以相数乘以相电压线电压表示，,如,3,220,380V,；,?,单相电能表则以电压线路接线端上的电压表示，如,220,；,?,如果电能表通过测量用互感器接入电路，并且在常数中已考,虑互感器变比时，应标明互感器变比，如,3,6000/100V,。,二,、电能表的结构（辅助部件）,二,、电能表的结构（辅助部件）,(6),额定频率，我国工业频率规定为,50,z,。,(7),

11、电能表常数，指的是电能表计度器的指示数和,转盘转数之间的比例常数，用,C,表示,如,C,720,/,（kWh），说明转盘转了,720,，计,度器的指示数增加1kWh。,(8),准确度等级（精度），以圆圈中的等级数字表示，,无标志时，单相电能表视为,2.0,级。,(9),耐受环境条件的能力，分为,P,、,S,、,A,、,B,四组。,(10),条形码,电能表的质量是以准确度等级、过负载能力和一次使,用寿命等几项指标为主要标志。,二,、电能表的结构（辅助部件）,是一组黑白相间的条纹组成的标志。它能将电能表,铭牌上的所有信息按一定的规律设置成一组条形码，通,过条形码扫描器可将电能表的信息输入计算机，由

12、计算,机自动建立每只电能表的档案。,第二节,单相交流感应式有功电能表的工作原理,一、,转盘转动原理及驱动力矩表达式,二、,制动力矩,三、,转盘的转数和负载消耗电能的关系,四、,单相感应式电能表的相量图,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,当电能表接入被测电路并接通负载后，则转盘便开始不,停地转动，转盘所以能转动，就是因为受到某种电磁力形成,的驱动力矩作用，即转盘是个导体，其上有电流通过,(,形成了,载流导体,),，在磁场作用下受力矩作用而转动。,1,通过转盘的磁通,当电能表的电压线圈和电流线圈接到被测电路后，,相应地在电压铁芯和电流铁芯中产生了磁通，按右手螺,旋法则可以分别确定出磁通的方向，如图

13、,1-14,所示。,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,电压线圈,2,通以电压,u,时，线圈中有,i,U,通过，按图,1-14,所示的电压、电流正方向，根据右手螺旋法则，确定出磁通,U,的正方向。磁通所通过的路径是一个闭合回路，据此分,析出磁通,U,的路径分成两部分：,上磁轭,中心柱,下磁轭,两边柱,（,2,）磁通,U,。,它通过的路径是,中心柱,上磁轭,两边柱,回磁极,气隙,气隙,转盘,（,1,）磁通,UF,。,它通过的路径是由中心柱出发经上磁轭，,再沿两边柱到下磁轭，然后回到中心柱形成闭合回路，即,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,?,磁通,U,路径穿过转盘

14、，称为电压工作磁通，磁通,UF,路径不,穿过转盘，称为电压非工作磁通。,当负载电流,i,通过电流线圈,4,时，产生了磁通,I,，它也分为,两部分。,（,1,）磁通,I,，,它通过的路经是,（,2,）磁通,IF,它通过的路径一部分是沿电流铁芯、回磁极到电流铁芯,另一边柱构成回路；另一部分是电流线圈的漏磁通，沿气隙,而闭合。,同理，穿过转盘的磁通,I,称为电流工作磁通。,电流铁芯,气隙,转盘,气隙,气隙,转盘,气隙,电压铁芯,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,电压工作磁通,U,一次穿过转盘，电流工作磁,通,I,从不同位置两次穿过转盘构成回路，对转盘,而言，相当于有大小相等方向相反的两个电流工,作磁

15、通,I,和,I,通过转盘，如图,l-15,所示。,现规定：磁通从下往上通过转盘为,N,极，以“ ”,表示，磁通从上往下通过转盘为,S,极，以“”表示，,所以转盘上三个磁极的位置分别为,A1,（,N,极）、,A2,（,N,极）、,A3,（,S,极）。,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,交变的工作磁通,I,、,I,和,U,穿过转盘时，各工作磁,通产生相应迟后,90,o,的感应电动势,e,PI,、,e,PI,和,e,PU,以及感应,电流,i,PI,、,i,PI,和,i,PU,，这就是转盘上电流产生的原因。,2,旋转磁场,由于磁通,I,、,I,和,U,随时间按正弦规律变化，可画,出各工作磁通随时间变化

16、的关系曲线，如图,1-17,（）所示。,当磁通穿过转盘时，在转盘上呈现的磁极极性及磁通量的大,小也在变化，对时间,t,1,至,t,4,各瞬时来说，它们的变化情况如,图,1-17,（,b,）所示。,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,从图,1-17,（,b,）中得到，穿过转盘磁通最大值从磁极,A1,向磁极,A3,逐渐移动，在一个周期内，它经过了所有,3,个磁,极，我们可看作有个磁场不断重复地从磁极,A1,移向,A3,，这,就是旋转磁场。,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,3,驱动力矩,M,Q,它表明：,电能表的驱动力矩和穿过转盘的两个工作磁通,以及它们之间相位差的正弦值乘积成正比。,?,sin,U

17、,I,Q,K,M,?,?,?,?,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,从以上讨论中我们得到电能表转盘的旋转方向决定于旋,转磁场方向，若改变旋转磁场方向，电能表的转向也随之改变。,因此，若电流磁通方向改变（即电流线圈中电流方向改变）或,电压磁通方向改变（即电压线圈中电流方向改变），都将改变,电能表的转动方向。,4,驱动力矩和负载功率的关系,若忽略电能表电压线圈中的阻抗压降，则加在电压线圈上,的电压,U,与电压线圈中的感应电动势,E,相平衡，即,又根据磁路欧姆定律，流经电流线圈的负载电流,I,和电流工,作磁通,I,的关系为,要使电能表能正确地测量有功电能，就要求驱动力矩,M,Q,必,须正比于被测负载

18、的有功功率,f,W,E,U,U,U,?,?,?,44,.,4,U,U,K,U,?,?,m,I,I,R,IW,2,?,?,I,K,I,I,?,?,KP,KUI,KUI,M,Q,?,?,?,?,?,cos,sin,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,由此可见，单相有功电能表正确计量的条件应,满足：,（,1,）电流工作磁通,I,正比于负载电流,I,。,（,2,）电压工作磁通,U,正比于电压,U,。,（,3,）,90o,，这一条件称为正交条件。,从上面的讨论中，可以得出以下结论：,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,（,1,）两个交变的磁通彼此在时间上有不同的相,位，在空

19、间上有不同的位置，才能产生驱动力,矩。,（,2,）转盘的转动方向是由时间上超前的磁通指,向迟后的磁通。,二、制动力矩,为了使转盘在恒定的负载功率下做等速,旋转，就需对转盘施加一个与驱动力矩大小,相等、方向相反的反作用力矩，称为制动力,矩，为此设置永久磁铁。,二、制动力矩,图,1-19,表示出永久磁铁和转,盘的相对位置，永久磁铁,1,中的磁通,T,从,N,极出发经过,气隙,转盘,气隙,永久磁,铁的,S,极，然后再沿永久磁,铁的磁轭回到,N,极构成回路，,此磁通是不随时间变化的。,制动力矩,M,T,。它等于,因为制动力,F,T,= K,1,T,I,T,，而感应电流,I,T,=K,2,T,n,，所以

20、,T,T,T,h,F,M,?,?,n,K,h,n,K,h,n,K,K,M,T,T,T,T,T,T,T,T,T,2,2,2,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,二、制动力矩,制动力矩总是和转盘转速,n,成正比变,化，故能阻止转盘加速转动。,公式表明,三、转盘的转数和负载消耗电能的关系,转盘稳速转动时，驱动力矩等于制动力矩，即,M,Q,M,T,设在某段时间,T,内，负载功率不变，又设在,T,时间,内转盘转过的转数为,N,，则,N,nT,在一定时间内，负载所消耗的电能和电能表的转,数成正比，,因此，通过记录转盘转数的计度器，可以,显示出负载在一定时间内所消耗的电能。,T,T,T,h,n,K,

21、KP,?,?,?,2,CP,P,h,K,K,n,T,T,T,?,?,?,?,?,2,CW,CPT,nT,N,?,?,?,四、单相感应式电能表的相量图,单相电能表的相量图，实际上就是驱动元件,的相量图，它由并联电路和串联电路的相量图组,成。通过相量图表明电压、负载电流与电能表内,各磁通之间的相位关系，以便从中找到满足,90,o,的条件。,以电压线圈中的电流为参考相量,，画出相量图,如图,1-20,所示。,四、单相感应式电能表的相量图,第三节,三相交流感应式电能表的结构,三相电能表是由单相电能表发展而成的，同样由,驱动元件、转动元件、制动元件和计度器等部件组,成。三相电能表的结构与单相电能表的结构

22、,主要区,别在于,：,每只三相电能表都有两组或三组电磁元件，它们产,生的驱动力矩是共同作用在一个转动元件上，并由一,个计度器指示三相电路消耗的总电能。,第三节,三相交流感应式电能表的结构,一、,三相三线电能表,二、,三相四线电能表,一、三相三线电能表,三相三线电能表有两组电磁元件，它的转动元件可分为双,转盘和单转盘两种。,1,两元件双转盘式三相三线电能表,图,1-22,（,a,）,是两元件双转盘式三相三线电能表的结构示意图。,它的特点是：,两组电磁元件分别作用在每一个转盘上，两个转盘同,轴，作用在转动元件上的驱动力矩决定于两组电磁元件,产生驱动力矩的代数和。,2,两元件单转盘式三相三线电能表,

23、图,1-22,（,b,）,是两元件单转盘式三相三线电能表的结构示意图。,它的特点是,：,一、三相三线电能表,两组电磁元件共同作用在一个转盘上，重量较双转,盘轻，摩擦力矩小，对提高电能表的灵敏度和延长使,用寿命等有好处。,一、三相三线电能表,二、三相四线电能表,在三相四线电能表中，有三组电磁元件，共用一个转动机构，,它可以有双转盘式或三转盘式。,1,三元件双转盘式三相四线电能表,图,1-23,（,a,）,是三元件双转盘式三相四线电能表的结构示意图。,它的特点是,：,有三组电磁元件，其中一组电磁元件单独作用在一个,转盘，另外两组电磁元件共同作用在一个转盘上，两,转盘同轴。作用在转轴上的驱动力矩取决

24、于三组电磁,元件产生的驱动力矩的代数和。,二、三相四线电能表,2,三元件三转盘式三相四线电能表,图,1-23,（,b,）,是三元件三转盘式三相四线电能表的结构示意图。,它的结构特点是,：,每组电磁元件都分别单独作用于一个转盘，三个转盘,同轴，这样可以减少各相之间电磁干扰及潜动力矩。它,的缺点在于外形尺寸大，材料浪费多，由于转动元件的,重量增加，使下轴承的摩擦力矩增大，导致驱动力矩增,加，影响电能表的寿命。,二、三相四线电能表,第四节,计度器的积算原理,一、,计度器容量,二、,计度器系数,C,J,三、,电能表常数,C,、计度器系,数,C,J,和传动比,k,之间的关系,一、计度器容量,我们把计度器

25、中最右侧的一位字轮，称为末位字轮，把最左侧,的一位字轮，称为首位字轮。,当首位字轮转一周，则计度器各位字轮的示数都完成了从“0”,到“9”的改变，这时，我们称计度器翻转了一次。,计度器翻转一次所需时间，是由通过电能表,的功率、计度器字轮的位数、计度器的传动比和,转盘的额定转速等决定，用计度器容量来说明。,一、计度器容量,?,计度器容量是这样定义的：,电能表在额定最大,功率下运行，计度器各位字轮的示数都从“0”变,到“9”所需要的时间（,T,Z,），单位为,h,（小时）。,?,不同国家对不同型式电能表的计度器容量都作了,规定。,我国规定计度器容,量应不小于,1500h,。,二、计度器系数,C,J

26、,?,为了使计度器示数变为以kWh为单位的电量数，一般应,乘以一个换算系数，该换算系数称为计度器系数或计度,器倍率。,?,计度器系数,C,J,的物理意义是：,字轮上一个字代表以“kWh”为单位的电量数。,二、计度器系数,C,J,?,为了方便电量的抄读，应取,C,J,为,10,的整数次幂。,当,0,，则,C,J,为,10,、,10,2,、,10,3,等，这时，应在铭牌,上标以,10,、,100,、,1000,等字样；,当,0,，则,C,J,为,10,-1,、,10,-2,、,10,-3,等，这时，可预,先在计度器窗口上设置小数位，并以不同的颜色与整,数位相区别；,当,0,，则,C,J,1,，这时

27、，铭牌上可不作标记。,三、电能表常数,C,、计度器系数,C,J,和传动比,k,之间的关系,根据电能表常数,C,、计度器系数,C,J,和传动比,k,的定,义，不难写出下列关系,1,校核电能表常数的计算,假设计度器末位字轮改变一个字时的转盘转数,为,N,1,，根据计度器传动比的定义，则有,J,C,k,C,10,?,10,1,k,N,?,C,C,C,N,J,a,?,?,?,?,?,10,10,),1,(,1,2,计度器容量的计算,设计度器字轮的位数为,m,位，则计度器翻转一次应改变,（,10,m,1,）个字，所以计度器翻转一次转盘应转的转数为,（,1-28,）,C,C,N,N,J,m,m,?,?,?,?,?,),1,10,(,),1,10,(,1,max,max,max,),1,10,(,1000,1000,P,K