第二章 感应式电能表20120806

1、1 广东工业大学自动化学院 电能计量技术 主讲教师：郭壮志 2 第二章第二章 感应式电能表感应式电能表 本章主要内容 n感应式电能表基本原理感应式电能表基本原理 n感应式电能表的误差特性感应式电能表的误差特性 n感应式电能表的调整装置感应式电能表的调整装置 本章学习难点 n感应式电能表工作原理感应式电能表工作原理 n感应式电能表误差特性感应式电能表误差特性 3 0、引论、引论 n感应式仪表定义感应式仪表定义 利用固定交流磁场与该磁场在可动部分的导体所感应的电利用固定交流磁场与该磁场在可动部分的导体所感应的电 流之间的作用力而工作的仪表，称为流之间的作用力而工作的仪表，称为感应式仪表感应式仪表。

2、 n感应式仪表组成感应式仪表组成 测量机构测量机构和和辅助部件辅助部件（基架、底座、外壳、端钮盒和铭牌）（基架、底座、外壳、端钮盒和铭牌） 组成。组成。 4 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 一、单相感应式电能表的结构一、单相感应式电能表的结构 n测量机构测量机构 由驱动元件（由驱动元件（电流线圈、电压线圈电流线圈、电压线圈）、转动元件（）、转动元件（铝盘铝盘）、）、 制动元件（制动元件（永久磁铁永久磁铁）、上轴承、下轴承、计度器组成。）、上轴承、下轴承、计度器组成。 n辅助元件辅助元件 由基架、外壳、端钮盒、铭牌（由基架、外壳、端钮盒、铭牌（标明主要参数标明主

3、要参数）组成。）组成。 5 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 上轴承上轴承 下轴承下轴承 蜗轮蜗轮 蜗杆蜗杆 转轴转轴 6 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 二、单相感应式电能表的驱动力二、单相感应式电能表的驱动力 n基本原理基本原理电磁感应原理（电磁感应原理（电磁场理论电磁场理论） 正弦变化的电流产生正弦变化的磁场正弦变化的电流产生正弦变化的磁场 通电导体在磁场中会受到力的作用通电导体在磁场中会受到力的作用 n载流导体电磁力方向判别方法载流导体电磁力方向判别方法左手定则左手定则 载流导体载流导体 S N 受力方向受力方向 7 第

4、一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 n 右手螺旋定则（安培定则）右手螺旋定则（安培定则） 通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电 直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁 感线的环绕方向；感线的环绕方向； 通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电 螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那 一端是通电螺线管的一端是

5、通电螺线管的N极。极。 8 n单相感应式电能表磁通分布单相感应式电能表磁通分布 电压线圈产生磁通电压线圈产生磁通 A)磁通磁通 B)磁通磁通 电流线圈产生磁通电流线圈产生磁通 A)磁通磁通 ，沿电流铁芯、回磁极到电流铁芯另一边。，沿电流铁芯、回磁极到电流铁芯另一边。 B)磁通磁通 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 电流铁芯气隙转盘气隙电压铁芯 气隙转盘气隙 中心柱上磁轭两边柱回磁极 气隙转盘气隙 IF 中心柱上磁轭两边柱 下磁轭 I UF U 9 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 在电流线圈交变工作磁通和电压线圈交变磁通的共同作用

6、下，产在电流线圈交变工作磁通和电压线圈交变磁通的共同作用下，产 生作用力矩，推动感应式电能表转盘转动。生作用力矩，推动感应式电能表转盘转动。 10 n移进磁场移进磁场 基本假设基本假设 电压铁芯和电流铁芯工作在不饱和状态，则在正弦交流电电压铁芯和电流铁芯工作在不饱和状态，则在正弦交流电 压和电流的作用下，压和电流的作用下， 各工作磁通的波形按正弦规律变化。各工作磁通的波形按正弦规律变化。 忽略电流磁通回路中的损耗，则电流磁通忽略电流磁通回路中的损耗，则电流磁通 与负载电流与负载电流 同相位。同相位。 电压线圈的感抗很大，电压工作磁通电压线圈的感抗很大，电压工作磁通 滞后电压滞后电压 约约90度

7、。度。 负载为感性，其功率因数角为负载为感性，其功率因数角为 。 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 I I U U 11 以电流工作磁通为参考轴，各工作磁通及其在转盘内的电以电流工作磁通为参考轴，各工作磁通及其在转盘内的电 流间的相位关系如图所示，它们的瞬时值为：流间的相位关系如图所示，它们的瞬时值为： 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 sin II wt sin(180 ) II wt sin() UU wt 2sin(90 ) PIPI iIwt 2 sin(90 ) PIPI iIwt 2sin(90) PUPU iIwt

8、磁通和感应电动势、感应电流相量图磁通和感应电动势、感应电流相量图 12 各工作磁通随时间的变化关系曲线如下所示：各工作磁通随时间的变化关系曲线如下所示： 移进磁场在转盘内感应电流，产生驱动力矩来带动转盘移进磁场在转盘内感应电流，产生驱动力矩来带动转盘 向移进磁场的方向移动，即从相位超前的磁通位置移向向移进磁场的方向移动，即从相位超前的磁通位置移向 相位滞后的磁通位置。相位滞后的磁通位置。 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 波形图移进磁场 13 n 驱动力矩驱动力矩 电磁力与作用力臂的乘积即为使转盘转动的驱动力矩。电磁力与作用力臂的乘积即为使转盘转动的驱动力矩。

9、p p p m c i Q M 形 成 形 成 驱动力矩瞬时值驱动力矩瞬时值 表达式表达式 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 形成 I f U f 形成 14 由于转盘的转动惯量较大，因此转盘的转动方向决定于瞬时转矩在一个周由于转盘的转动惯量较大，因此转盘的转动方向决定于瞬时转矩在一个周 期的平均值，即期的平均值，即 作用在转盘上的瞬时力矩有两个，分别为：作用在转盘上的瞬时力矩有两个，分别为： 一个周期内的平均转矩如下一个周期内的平均转矩如下: : 0 (1/) T MTmdt sinsin() pp t iIt pp 若，则 0 (1/2 )sinsin()c

10、os T pppp MIttd tKI 11U PI 22I PU m = ci m = ci cossin co s()sin 11PIU1PIU o 22PUI2PUI M = K I= K I M = K I90 += -K I 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 15 QQ Q1Q2 MM MMMM Q121 PIU2 PUI M =M -M =K Isin +K Isin 作用在转盘上的总为两力矩之差，设驱动力矩使转盘沿逆时针方向旋转， 则与方向一致的力矩取正值，与方向相反 的力矩取负 值，得 PIIPUU IU I, Msin I Q K 因为感应电流

11、，所以驱动力矩为 上式式感应电能表驱动力矩的基本公式，它表明：电能表的驱动力矩与穿过转盘上式式感应电能表驱动力矩的基本公式，它表明：电能表的驱动力矩与穿过转盘 的两个磁通以及它们之间的相位角的正弦的乘积成正比。的两个磁通以及它们之间的相位角的正弦的乘积成正比。 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 16 驱动力矩与负载功率的关系驱动力矩与负载功率的关系 在感应式电能表中，确定了驱动力矩和负载功率的关系才可以实现电能的准确计量。 电压线圈电压U可近似地认为： 4.44 UU Uf U U ( 2 )/ IIM IR 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结

12、构和工作原理 在一定的电压线圈匝数和一定的电源频率下，电压磁通大致与外加电压成正比，即 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 的关系为： I I I 代入驱动力矩的表达式，得 sin Q MKUI 单相电能表要准确实现有功电能计量需要使驱动力矩与有功功率 成正 比，即： cosUIP sincos Q MKUIKUIK P 17 n 当电能表的负载功率不变时，转盘就受到当电能表的负载功率不变时，转盘就受到 一个大小和方向不变的驱动力矩的作用。一个大小和方向不变的驱动力矩的作用。 为使转盘在恒定的功率下作等速旋转，就为使转盘在恒定的功率下作等速旋转，就 需要对转盘施加一个与驱

13、动力矩大小相等、需要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，这个反作用力矩方向相反的反作用力矩，这个反作用力矩 就是就是制动力矩制动力矩。设置永久磁铁就是对转盘。设置永久磁铁就是对转盘 产生一个制动力矩，使转盘转速保持和负产生一个制动力矩，使转盘转速保持和负 载功率成正比的关系。载功率成正比的关系。 TTT MF h 制动力矩表达式制动力矩表达式 2 TTTT MKnh 制动力矩的形成制动力矩的形成 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 n制动力矩制动力矩 T F n 因为制动力因为制动力 而感应电流而感应电流 所以：所以： TTT IF TT I

14、n n 制动力矩总是与转速制动力矩总是与转速n n成正比变化，故能阻止转盘加速转动。这正是要保证成正比变化，故能阻止转盘加速转动。这正是要保证 电能表正确工作必须满足的另一个主要条件。电能表正确工作必须满足的另一个主要条件。 18 第一节感应式电能表结构和工作原理第一节感应式电能表结构和工作原理 n 转盘转速与负载消耗电能的关系转盘转速与负载消耗电能的关系 N=nT=APT=AW 根据上述公式可看出，负载消耗的电能与转盘的转数成正比。根据上述公式可看出，负载消耗的电能与转盘的转数成正比。 n 电能表常数、电能表功率、电能表转数间关系电能表常数、电能表功率、电能表转数间关系 （1）直接接入）直接

15、接入 （2）间接接入）间接接入 N N 3600 1000 10003600 N nN A PT P NNN NNN UI PUI K K PUI NN NN 3600 10003600 1000 UI nn A K K PP 19 n 误差原因误差原因：电能表在工作过程中除驱动力矩和制动力矩外，还有：电能表在工作过程中除驱动力矩和制动力矩外，还有 抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用，将破坏转盘抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用，将破坏转盘 转速和负载功率成正比的关系，引起电能表计量误差。转速和负载功率成正比的关系，引起电能表计量误差。 n 误差分类误差分类 基本误差：基本

16、误差：电能表在规定电压、频率和温度条件下，测得的相对电能表在规定电压、频率和温度条件下，测得的相对 误差值。误差值。 附加误差：附加误差：电能表在运行过程中，由于电压、频率和温度等外界电能表在运行过程中，由于电压、频率和温度等外界 条件变化所产生的误差。条件变化所产生的误差。 20 一、电能表的负载特性曲线 1、影响负载特性曲线的因素、影响负载特性曲线的因素 n负载特性曲线：负载特性曲线：电能表的基本误差随着负载电流和负载功率因电能表的基本误差随着负载电流和负载功率因 数的变化的曲线，也称为数的变化的曲线，也称为基本误差特性曲线基本误差特性曲线。 n影响负载特性曲线的因素：影响负载特性曲线的因

17、素： (1)抑制力矩的影响抑制力矩的影响 a) 抑制力矩抑制力矩：转盘连续转动时，除制动磁通形成的制动力矩外，：转盘连续转动时，除制动磁通形成的制动力矩外， 还切割交流电流、电压工作磁通，在转盘中产生感应电流，与还切割交流电流、电压工作磁通，在转盘中产生感应电流，与 交变的磁通相互作用，也形成阻碍转盘转动的力矩，此力矩与交变的磁通相互作用，也形成阻碍转盘转动的力矩，此力矩与 所作用的磁通的平方成正比。所作用的磁通的平方成正比。 nKMnKM UUUIII 22 , 21 b) 电流抑制力矩 随负载电流的三次方变化，驱动力矩 随电流 的一次方变化，当负载电流变化时，将破坏它们之间的比例关 系，出

18、现电流抑制力矩产生的误差，为电流抑制误差。 c) 电压抑制力矩 随负载电压的三次方变化，电能表一般在接近 额定电压下运行，测定基本误差在额定电压下进行，所以电压 抑制力矩 只随转速变化，和制动力矩转速变化的基本作用相 同，对电能表不会引起明显附加误差。 d) 抑制力矩产生的误差为负误差。 I M Q M U M U M 2 323 , IIIIUUUU MKnK i MKnK u 22 (2)摩擦力矩的影响 a)摩擦力矩：当转动元件旋转时，转轴与转轴之间、计度器的传动齿轮之间， 必然产生一个与驱动力矩方向相反的力矩，即摩擦力矩。 b)摩擦力矩总是阻碍转盘转动，使电能表产生负误差，驱动力矩越大误

19、差越小， 否则就越大。 (3)电流铁芯磁化曲线的非线性影响 a)轻载时，工作磁通沿0a变化，比理想计算值小，出 现负误差。 b)负载电流增大时，工作磁通沿ab变化，比理想值大， 出现正误差。 c)达到b点时，继续增大，将出现负误差。 2 ncnbaM mmmm 电流铁芯的磁化曲线电流铁芯的磁化曲线 23 （4）补偿力矩 a) 补偿力矩的作用：补偿电流抑制力矩、摩擦力矩引起的负误差 及铁芯磁化曲线产生的负误差。 b) 补偿力矩产生方法：在电压磁极 放置铜片。 c) 补偿力矩从相位超前的磁通移到 相位滞后的磁通。 轻载补偿装置轻载补偿装置 24 (1)负载特性曲线 电能表的力矩平衡公式为： 电能表

20、实际以转速 作匀速转动。 2 2、负载特性曲线、负载特性曲线 IUMTBQ MMMMMM n 电能表的实际负载特性曲线电能表的实际负载特性曲线 理想的负载特性曲线理想的负载特性曲线 25 （2）改善负载特性曲线方法 a) 改善轻负载电流范围负载特性曲线的方法： 选用磁导率高且比较稳定的材料作为贴芯材料。 增大电流铁芯截面，缩短铁芯长度。 用一部分电压磁通磁化电流铁芯，可以增加驱动转矩。 b) 改善大负载电流范围负载特性曲线的方法： 增大永久磁铁制动力矩，从而减小电流抑制力矩对总制动力矩 的影响。 增加电压工作磁通，当总驱动力矩不变时，可增加电压工作磁 通，减小电流工作磁通，从而减小电流抑制力矩

21、的负误差。 电流铁芯增加磁通路，从而使饱和点低。 26 二、电能表的附加误差 电能表的附加误差：电能表所在的外界条件条件改变后，电能表 产生的误差称为电能表的附加误差。 1、电压影响 (1)电压抑制力矩变化：电压升高，抑制力矩比驱动力矩增加快， 产生负误差；电压降低，抑制力矩比驱动力矩减小快，产生正误 差。 (2)对电压铁芯磁化曲线产生影响：电压增加电压工作磁通增加快， 产生正误差，否则产生负误差。 (3)补偿力矩变化：电压升高补偿力矩引起正误差，电压降低补偿力 矩引起负误差。 27 2、温度影响 (1)制动磁通的变化：温度升高，制动磁通减少，产生正的温度附加 误差；温度降低，制动磁通增加，产

22、生负的温度附加误差。 (2)电压、电流工作磁通变化：温度升高时，电能表转速加快，产生 正的温度误差。反之，温度降低，则产生负的温度误差。磁通随 着温度的变化，电流抑制力矩也要变化，但不显著。 温度对电流工作磁通的影响温度对电流工作磁通的影响 28 (3)内向角变化 当温度升高后： 导致转盘转速下降，引起负误差，温度降低，转盘转速加快，引起正误差。 (4)DT8有功电能表综合误差特性曲线 (5)减小温度误差的措施： 制动电磁铁上加装补偿片-磁性合金片。 电压、电流工作磁通的路径上加装补偿片。 UUQ TRMn DT8型有功电能表的温度误差特性型有功电能表的温度误差特性 29 3、频率影响 (1)

23、电压工作磁通变化：频率降低，电压磁通减小，驱动力矩降 低，产生负误差;频率升高，电压磁通增加，驱动力矩增加， 产生正误差。 (2)电流工作磁通变化：负载电流不变、频率升高时，电流有功 损耗增加，激磁电流减小，工作磁通减小，产生负误差。 (3)电压抑制力矩变化：频率升高，电压工作磁通减小，抑制力 矩减小，电能表转速加快，产生正误差。 (4)轻负载补偿力矩变化：频率升高，电压工作磁通减少，补偿 力矩随之减小，电能表转速减慢，引起正误差。 30 4、其他附加的影响 (1)自热影响； (2)电流、电压波形畸变的影响； (3)倾斜影响。 (4)总之，电能表的附加误差除了上述因素的影响外，还有不稳 定运行

24、的影响、负载功率因数的影响、三相电压不对称的影 响、相序的影响等。 31 第三节 感应式电能表的调整装置 安装调整装置的必要性：电能表在设计制造时，由于材料性能 不完全相同，制造及装配等工艺的偏差影响，使得每只电能表 的负载特性不完全相同，必须安装相应的调整装置，使其误差 调到满足预定的负载特性曲线。 调整装置需满足的要求： 应该有足够的调整范围及调整精度； 调整装置之间的相互影响要小； 应保证调整方便、操作简单、固定牢靠和足够稳定等。 32 第三节 感应式电能表的调整装置 一、满载调整装置 1、满载调整装置：在额定电压、额定频率、标定电流和 的 条件下，调整电能表的制动力矩，改变转盘转速的机

25、构，称为满 载调整装置。 2、工作原理：靠调整制动磁铁来改变制动力矩，使电能表的负载 特性曲线上下平行移动。 3、调整装置类型 根据公式 满载调整装置的类型主要有： (1)改变作用力臂的满载调整装置 (2)改变制动磁通的满载调整装置 (3)改变转盘感应电流大小的满载调整装置 cos1.0 2 (/) TTT nKKhP 33 第三节 感应式电能表的调整装置 改变作用力臂的满载调整装置 34 第三节 感应式电能表的调整装置 改变制动磁通的满载调整装置 35 第三节 感应式电能表的调整装置 改变制动磁铁的磁通在转盘中感应电流大小的满载调整装置 36 第三节 感应式电能表的调整装置 二、相位角调整装

26、置 1、相位调整装置：在额定电压、标定电流和 的条件下，调 节电流工作磁通与电压工作磁通之间的相位角，使其满足 的关系，称为相位调整装置。 2、调整原理：一般通过调整 和 相位，来改变磁通路径上的有 功损耗，来实现相位角的改变。 3、调整装置类型 (1)改变电流工作磁通相位角的调整装置 (2)改变电压工作磁通相位角的调整装置 (3)改变电压非工作磁通相位角的调整装置 cos0.5 90 I a U a 37 第三节 感应式电能表的调整装置 三、轻载调整装置 1、轻载调整装置：为了改变轻负载范围内的负载特性曲线而调整 补偿力矩的机构，称为轻载调整装置。 2、工作原理：与产生补偿力矩的原理相同，即

27、在电压铁芯的磁极 附近设置可移动的导磁或不导磁金属部件，以使电压磁通对转动 元件的对称轴成不对称分布，导致两部分电压工作磁通在时间和 空间上不同，从而形成移进磁场，产生补偿力矩。 3、调整装置类型 (1)移动金属框（片）的轻载调整装置 (2)移动铁磁部件的轻载调整装置 38 第三节 感应式电能表的调整装置 四、潜动及防潜措施 1、潜动：电能计量装置经轻载调整后，可能出现当负载电流为零时，电能表转 盘仍然连续转动的现象，称为电压潜动，简称潜动。 2、产生潜动的途径 (1)电压铁芯倾斜 (2)电流铁芯倾斜 (3)回磁极移动 (4)电压辅助磁通路径上的气隙不相等 3、防潜措施 (1)安装防潜装置 (2)电能表的转盘上钻孔 39 小结 电能表是用来测量电能输出量和负载所消耗电能量的一种仪表装置。 它由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器等组成。