第三章功率和电能的测量

1、第三章 功率和电能的测量 l第一节第一节 功率和电能的测量方法功率和电能的测量方法 l第二节第二节 电动系功率表电动系功率表 l第三节第三节 低功率因数功率表低功率因数功率表 l第四节第四节 三相功率的测量三相功率的测量 l第五节第五节 感应系电能表及电能的测量感应系电能表及电能的测量 l第六节第六节 三相有功电能表三相有功电能表 l第七节第七节 三相无功电能表和无功电能的测三相无功电能表和无功电能的测 量量 l第八节第八节 电子式单相电能表电子式单相电能表 l第九节第九节 电子式三相电能表电子式三相电能表 本章要点本章要点 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

2、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、九节介绍静止式电子电能表的原 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。 第一节第一节 功率和电能的测量方法功率和电能的测量方法 一、直流功率的测量一、直流功率的测量 1.用电流表和电压表测量直流功率（间接测量） P=UI 2.用功率表测量直流功率 3.用数字功率表测量直流功率 4.用直流电位差计测量直流功率 （直接测量） 用直流电位差计测量直流功率用直流电位差计测量直

3、流功率 准确度比较高的测量方法，可用来校验 功率表，或作为功率精密测量之用。 二、单相交流功率的测量二、单相交流功率的测量 1.用间接法测量单相交流功率 有功功率 P=UIcos 无功功率 Q=UIsin 视在功率 S=UI 2.用功率表测量单相交流功率 三、变换式功率表三、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

4、次绕组的电流与负载的u、i关系如下式 所示。 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up 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。 )( )( 2 1 2 2 1 1 i R u N N i i R u N N i A A ) 1 4()()()( 2 0 2 2 1 2 02 2 0121 ui R R N N KRiKRiKuuu A p 返回本章首页 二极管平方律特性 五、三相功率的测量五、三相功率的测量 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。

5、六、电能测量方法六、电能测量方法 1.直接法：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：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记时时钟 进行测量。可用此法校准电能表。 第二节第二节 电动系功率表电动系功率表 一、工作原理一、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。 PK R U KIIKI P 21 PK IUK R tU tIKiiK P P co

6、s sin2 )sin(2 21 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。 三、扩大功率表电压量程三、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。 四四、功率表正确接线功率表正确接

7、线 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。 *号表示“电源端” 五五、功率表的错误接线功率表的错误接线 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、功率表量程的选择六、功率表量程的选择 功率功率表表量程量程包括功率、电压、电流三个因素。 功率量程功率量程表示负载功率因数cos =1，电流和电 压均为额定值额定值时的乘积。 功率表量程功率表量程选择实际就是选择电流和电压的额 定值。 实际测量功率时，为保护功率表，应接入电流 表和电压表，以监视负载的电流和电压使之不 超过功率表的额定电压和额定电流。 七、功率表的读数七、功

8、率表的读数 被测功率数值大小，需用功率表常数功率表常数进行换算， 而不能直接从标尺上读取。功率表常数功率表常数C,表示 每一分格的瓦数。 有了功率表常数，再根据所读出的格数，便可 求出被测功率的瓦数。 P= C 例例 UH IH C = m 八、正确接线的选择八、正确接线的选择 电压电路二端的电压为负载电压U与电流线圈压降之和， 即 UWV=U+UWA=U+IRWA 功率表的读数为： PW=P+I2RWA 为减小测量误差，应使I2RWA尽量小， 此电路适用于RWAR，及负载电阻较大的场合。 电流线圈的电阻 八、正确接线的选择八、正确接线的选择 电流线圈的电流等于负载电流与电压电路电流之和， 即

9、 IA=I+IWV=I+U/RWV 功率表的读数为： PW=P+U2/RWV 为减小测量误差，应使U2/RWV尽量小， 此电路适用于RWV远大于R，及负载电阻较小的场合。 电压电路的电阻 第三节第三节 低功率因数功率表低功率因数功率表 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

10、、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大电流和低功低功 率示值率示值两个特点。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

11、 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 ，tg 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

12、。 )cos(cos cos 1 21 ad R U KI IKI 1cos)sin tg(cos cos cos-)-cos( cos 补偿电容 三、采用张丝结构低功率因数功率表三、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、使用低功率因数功率表的注意点：四、使用低功率因数功率表的注意点： 低功率因数功率表提供三个额定值，即

13、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 1.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 2.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，电流线圈的电流可能超 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。 返回本章首页 第四节第四节 三相功率的测量三相功率的测量 一、用单相功率表测三相功率一、用单相功率表测三相功率 一表法测一表法测 三相对称的负载功率三相对称的负载功率 适用于电压、负载对称的系统适用于电压、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。 PP 3 二表法二表法 测三相三线制的功率测

14、三相三线制的功率 适用于三相三线制适用于三相三线制，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。 21 )cos()cos(PPIUIUIUIUP BBCBBCAACAAC 1.两只功率表读数之和等于三相交流总功率。 2.两功率表对应的瞬时功率之和，等于三相总的瞬时功率。 3.两功率表平均功率之和也等于三相总的平均功率。 二表法二表法 P=ULILcos(30)+ULILcos(30 + ） 1.负载对称并为阻性时，=0，则两表读数相等。即 P=P1+P2=2P2（或2P1） 2.负载对称且功率因数为0.5（即=60），则有一 只功率表读数为0。即

15、P=P1+P2=P1（或P2） 3.负载对称且功率因数小于0.5 （即 60），则 其中一只功率表读数为负值。 即 P=P1+（ P2）=P1 P2 两表法测三相功率，总功率应为两表读数的代数和。两表法测三相功率，总功率应为两表读数的代数和。 三表法三表法 测三相四线制的功率测三相四线制的功率 适用于三相四线制，电压、负载不对称的系适用于三相四线制，电压、负载不对称的系 统统，被测三相总功率为三表读数之和，即 321 PPPP 二、用三相功率表测三相功率二、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

16、 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。 返回本章首页 两元件三相功 率表结构 第五节第五节 感应系电能表及电能的测量感应系电能表及电能的测量 一、感应系电能表感应系电能表结构结构 1.驱动元件 2 .制动元件 3.积算机构 二、工作原理二、工作原理 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 CP q PK qPK W W , , 即功率的正比关系 可求得转速与矩时当转动力矩等于制动力 。 )( 2 , 2 2 2 成正比与电能所转过的转数上式表示铝盘经过时间 电能表常

17、数 即可得乘以等式两边各除以 WNt C WCW C N tCPt t qMPKM TW 三、电能表的正确使用三、电能表的正确使用 1.正确选择额定电压、额定电流和准确度。 2.电能表的正确接线 返回本章首页 单相交流电能表接线 第六节第六节 三相有功电能表三相有功电能表 一、三相有功电能表的结构一、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

18、为例，其结构 如图。 二元件二铝盘 二元件单铝盘 二、三相有功电能表的接线二、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。 返回本章首页 第七节第七节 三相无功三相无功电能表和电能表和无功无功电能的测量电能的测量 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

19、称 的三相四线制 适用于三相三线制 一、三相四线制无功一、三相四线制无功电能的测量电能的测量 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：型三相无功电能表测量无功电能的原理： 。， QKMMM IUKM IUKM UUUUIIIIII IUKM IUKM ，III、III III WCPCPCP LLWCP LLWCP LCABCABCBABLCBA CBABWCP ABB

20、CWCP BCCBBAAB BCA 电能总力矩同样正比于无功时可以证明在负载不对称 即总力矩正比于无功电能两组线圈对铝盘产生的 力矩分别为称时每组线圈对铝盘的可推出电源对称负载对 由于 别由下式决定：圈对铝盘产生的力矩分三相负载对称，两组线 设三相电源对称，成正比的合成磁场将分别与 ，两组线圈通过附加线圈的电流为为若通过基本线圈的电流 3 )30sin(3 )30sin(3 3/3/ )30(90cos )30(90cos ， 21 2 1 2 1 二、三相三线制无功二、三相三线制无功电能的测量电能的测量 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

21、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。 三、用单相电能表测三、用单相电能表测 对称的三相三线制的无功电能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。 返回本章首页 3 Q K IUK IUKM W ABCW ABCWCP 3 sin )90cos( 四、用三相有功电能表测量三相无功电能四、用三相有功电能表测量三相无功电能 按下图接法，当三相三线制负载对称时。作用于电能表鋁盘的平 均转矩为 QK IUK IUKM W LLW LLWCP 3 2 sin2 )90cos()90co

22、s( 第八节第八节 电子式单相电子式单相电能表电能表 一、电子式单相能表结构一、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。 电子式单相电能表组成电子式单相电能表组成 1.电压、电流取样电路 2.乘法器 3.功率频率转换器（Pf转换） 4.步进电机计数器（驱动字轮） 2 1 2 1 T T T T uidtpdtW 二、电子式单相电能表的专用集成电路二、电子式单相电能表的专用集

23、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。 高通滤波器 晶振连接点 增益调节 电流取 样输入 基准电压输入 电压取样输入接步进电机输出校验脉冲 电能输入 输出判别 步进电 机驱动 频率调 节 校验脉冲 频率调节 电源 复位 三、三、AD7755AD7755外接电路外接电路 四、四、AD7755AD7755外接电路计算外接电路计算 1. 芯片电源：芯片电源：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。 2.取样电阻计算：取样电阻计算：使用

24、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）求从F1、F2输出的脉冲频率：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。） Hz06111. 0 s h 3600 1 10A220Vimp/kWh100 F f 2）求电流通道取样电压：）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，

25、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）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 f1.4 值当S0=1、S1=0 时为3.4,可求出 4）求电压取样电路的分压电阻）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 mV5 . 335010 1 AU mV9 .248 06.8 4 .11 2 2 fGU Uf U REFF 1454 4 220 2 RRR RU 3. 确定高频脉冲的频率确定高频脉冲的频率 fCF=K Ff 4. 确定反相

26、输出端确定反相输出端REVP的工作方式的工作方式 5. 确定晶振频率确定晶振频率 返回本章首页 一、电子式三相电能表的专用集成电路一、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 计数脉冲输出 三相取样输入 三相求和 第九节第九节 电子式三相电能表电子式三相电能表 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

27、能也类似。 二、电子式三相电能表的电路组成二、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.必须对必须对 三相电压、三相电压、 电流取样。电流取样。 2.对于大对于大 负荷的电负荷的电 能表要用能表要用 互感器取互感器取 样。样。 三、电子式三相电能表的取样电路三、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：求第一步：求F1、F

28、2输出的脉冲频率输出的脉冲频率 可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/kWh, 可求得工作于额定状态时F1、F2输出的脉冲频率 Hz833.1Hz 3600 10066 1 F f 外接电路计算 第二步：选择电流通道配用的电流互感器第二步：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I2=100/250

29、0=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U1=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2.2 R=88mV/0.04A=2.2 外接电路计算 第三步第三步 求电压取样电路的电压值：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 流通道取样电压为以上第二步求出的电式中 可求得 时 1 5 . 11 2 1 2 5 . 1 328. 6 ） 01110(29.76 U fU Uf U

30、、SCF、SSf REFF 第四步第四步 根据取样电压选择电压互感器，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。 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控制电路的外围部件 1液晶显示器 显示器有3