第四章 电动系仪表与功率测量 第一节 电动系测量机构 一、结构和工作原理 二、技术特性 第二节 电动系电流表、电压表 一、电动系电流表 二、电动系电压表 第三节 电动系功率表 一、电动系功率表构成 二、功率表的选择及使用方法 三、低功率因数功率表,第四节 三相交流电路中有功功率的测量 一、三相功率的测量方法 二、三相有功功率表 第五节 三相交流电路中无功功率的测量 思考题,第四章 电动系仪表与功率测量 第一节 电动系测量机构 一、结构和工作原理 1.结构 电动系测量机构和磁电系以及电磁系测量机构不同，它不是利用通电线圈儿和磁铁（或铁片）之间的电磁力，而是利用两个通电线圈之间的电动力来产生转动力矩的，其结构如图4l所示。它有两个线圈，即固定线圈和可动线圈，固定线圈1分为两个部分，平行排列，这样使固定线圈两部分之间的磁场比较均匀；可动线圈2与转轴固定连接，一起放置在固定线圈的两部分之间。游丝用来产生反作用力矩，同时也作为可动线圈电流的引入引出通道，阻尼力矩由空气阻尼器用来产生。 图4-1 电动系测量机构的结构示意图 l-固定线圈；2-可动线圈；3-指针；4-游丝 5-空气阻尼器叶片；6-空气阻尼器外盒,2工作原理 电动系测量机构的工作原理如图42所示。 1）两线圈通入直流时 当固定线圈和可动线圈分别通入直流电流I1 和I2时，可动线圈将受到力矩的作用而发生偏转，这是因为通电的可动线圈正处在固定线圈产生的磁场之中。根据固定线圈电流I的方向，便可决定它的磁场B的方向。根据可动线圈电流I的方向，用左手定则便可定出可动线圈受力F的方向，由力F所形成的转动力矩是可动线圈的电流I和固定线圈的磁场（其磁感应强度为B）相互作用产生的。当电流I不变时，磁感应强度B愈大，转矩就愈大；而当B不变时，电流I愈大，转矩也愈大。也就是说，转动力矩M和BI的乘积成正比，即：,M= （式41） 考虑到线圈磁场中没有铁磁性物质，在固定线圈匝数一定的情况下， B1应和产生它的电流I 成正比，即： B （式42） 因此转动力矩为： M= （式43） 式中，k是一个与线圈的结构、尺寸和偏转角有关的系数。这是由于固定线圈内的磁场并不完全均匀的缘故，当角变化（即可动线圈位置改变）时，磁感应强度就要发生变化，磁感应强度发生变化就会引起转动力矩的变化。同时，从图42还可以看出，即使磁场是均匀的，形成转矩的力F（F在线圈平面垂直方向上的分力）也将随角的变化而变化。因此，电动系测量机构的转动力矩不仅与电流I 及I 的乘积有关，还与偏转角有关。 反作用力矩由游丝产生的，设游丝的反作用系数为D，则当可动部分偏转角时，产生的反作用力矩为MD=D。根据力矩平衡的条件，有： MD= M 即 D= 则 （式44） 式（44）说明，当两线圈通入直流时，角可以衡量I I 乘积的大小。根据图42可以看出，如果同时改变电流I 和I 的方向，力F的方向仍然保持不变，因而转动力矩的方向也不会发生改变，由此可见电动系测量机构也可以用来测量交流。,图42 电动系测量机构的工作原理,2）两线圈通入交流时 设通过固定线圈电流和可动线圈的电流分别为 式中 为i1与i2之相位差角。 则测量机构的瞬时转动力矩为： = = 考虑到仪表可动部分的惯性，偏转角将决定于瞬时转矩在一个周期内的平均值，即平均转矩的大小。上式第二项在一个周期内的平均值为零，因此，平均力矩 为： = （式4-5） 式中， 和 分别为通过固定线圈和可动线圈交流电流的有效值， 角则是这两个电流的相位差,根据平衡条件 有 故得 (式46) 式（44）说明，当电动系测量机构用于交流电路时，其可动部分的偏转角不仅和交流电流的有效 的乘积有关，还于两个电流相位差的余弦 的大小有关，这是与该机构用于直流电路时不同的地方，应值得注意。 二、技术特性 1）准确度高：由于电动系仪表中没有铁磁物质，基本上不存在涡流和磁滞的影响，所以其准确度很高，准确度可以达到 0.10.5级。 2）可以交直流两用：在交流测量中，其频率范围比较广，额定工作频率为 152500Hz，扩大频率范围能达到500010000 Hz，同时还可以用来测量非正弦电流。 3）它不仅可以精确地测量电压、电流、和功率，还可以用来测量功率因数、频率、电容、电感和相位差等。 4）易受外磁场影响：这是由于电动系仪表的固定线圈磁场较弱的缘故。在一些准确度较高的仪表中，要采用磁屏蔽的装置，或者采用无定位结构，以消除外磁场对测量的影响。 5）仪表本身消耗的功率较大：为了产生工作磁场，必须保证线圈有足够大的安匝数（NI），因此，其本身消耗的功率较大。,6）过载能力小：与磁电系仪表相同，可动线圈中的电流需由游丝导入，所以过载能力较差。 7）电动系电流表、电压表的标度尺刻度不均匀，标尺的起始部分刻度很密，读数困难，但功率表的标度尺刻度是均匀的。 第二节 电动系电流表、电压表 把电动系测量机构中的固定线圈和可动线圈作适当的连接，并配以一定的元件就构成了电动系电流表和电压表。 一、电动系电流表 把电动系测量机构的固定线圈和可动线圈直接串联起来接入被测 电路，为了区别电动系仪表中的固定线圈和可动线圈，在线路图中一 般用圆圈加一水平粗实线表示固定线圈，加一细实线表示可动线圈， 如图4-3所示，就构成了一个最简单的电动系电流表，由于流过固定线 圈和可动线圈的电流相等，根据式（44）可知，电动系电流表指针 的偏转角正比于被测电流的平方，即： 所以，电动系电流表标度尺的刻度具有平方规律，其起始部分刻 度较密，而靠近上量限部分较疏。由于可动线圈电流由游丝导入，所 以这种两个线圈直接串联的电流表只能用于测量0.5A以下的电流。如 果测量较大电流，通常是将定圈和可动线圈并联，或用分流电阻对可 动线圈分流来实现。 电动系电流表通常做成双量程的可携式仪表，通过改变线圈的联 接方式和可动线圈的分流电阻可以改变其量程。图4-4为D26A型双 量程电流表的原理电路。当量程为I时，用连接片将端钮1和2短接，此 时可动线圈Q和电阻R串联，并被电阻（R和R）所分流。固定线圈的 两个分段Q和Q互相串联后再和可动线圈电路串联。当量程为2I时， 用连接片短路端钮2和3及1和4（如图中虚线所示），此时可动线圈Q 和电阻（R和R）串联后被电阻 R所分流，然后再与固定线圈 Q和Q的 并联电路相串联。 由于测量机构的磁路是空气，磁阻很大，所需的励磁安匝数很大。所以，电动系电流表的线圈匝数不能太少，和电磁系电流表一样，其内阻较大，功率消耗也较大。,图43 电动系电流表原理电路 l固定线圈； 2一可动线圈,图44 D26A型电流表电路,二、电动系电压表 将电动系测量机构的固定线圈和可动线圈串联后，再和附加电阻串联，就构成了电动系电压表如图45所示。由于线圈中电流和加在仪表两端的被测电压成正比，因此，仪表的偏转角和被测电压的平方有关，其标尺也具有平方的特性。 电动系电压表一般做成多量程的可携式仪表，通过改变附加电阻值的大小便可以改变其量程。图46为三量程电压表的电路。由于线圈电感的存在，当被测电压的频率变化时，将引起内阻抗的变化而造成误差。但可以通过并联电容的方法来补偿这种误差，图中与附加电阻R并联的电容C就是用来补偿这种频率误差的，故称C为频率补偿电容。当电压表接入频率补偿电容后，可以用于较宽频率范围的测量。 由于电压表测量时的电流较小，所以电动系电压表的线圈匝数较多。但由于通过测量机构的电流不能太小，所以串联的附加电阻就不能太大，这限制了电动系电压表内阻的提高，测量时仪表消耗的功率比较大。 第三节 电动系功率表 用在电路中测量功率的仪表是功率表。在电路理论中我们已经知道，在直流电路中，功率是被测电路电压和电流的乘积（ ）；在交流电路中，功率除是电路电压和电流的乘积外，还与被测电路的电流与电压之间的相位差的余弦，即电路的功率因数 有关（ ）。由前面的分析可知，电动系测量机构通入交流时，本身具有相敏特性，因此，它可以构成测量功率用的功率表。 一、电动系功率表构成 1工作原理 把电动系测量机构的可动线圈与附加电阻串联后并联接入被测电路用来反映电压，固定线圈串联接入被测电路用中来反映电流，便可构成电动系功率表。根据国家标准规定，在测量线路中，用一个圆加一条水平粗实线来表示电流线圈，用一条竖直细实线来表示电压线圈，如图 47所示。显然，通过固定线圈的电流就是被测电路的电流I，所以通常称固定线圈为电流线圈；可动线圈支路两端的电压就是被测电路两端的电压，所以通常称可动线圈为电压线圈，而可动,图46 三量限电压表的测量电路,图45 电动系电压表原理电路图,线圈支路也被称为电压支路。 电动系功率表测量直流电路的功率和交流电路的功率的工作原理如下： 1）测量直流电路的功率 如图 47所示，通过固定线圈的电流I1与被测电路电流相等，即 I1=I，而可动线圈中的电流I2可由欧姆定律确定，即 。由于电流 线圈两端的电压降远小于负载两端的电压U，所以电流线圈两端的电压降 可以忽略不计，可认为电压支路两端的电压与负载电压U是相等的。上式中R2是电压支路总电阻，它是可动线圈电阻和附加电阻Rfj的总和。对于已制成的功率表，R2是一个常数。 由式（44）可以得出 （式4-7）,图47 电动系功率表的原理电路图,可见用电动系功率表测量直流电路功率时，其可动部分的偏转角于被测负载功率P成正比，表盘刻度是均匀的。 2）测量交流电路的功率 通过固定线圈的电流I1等于负载电流 I（有效值），即I1=I。而通过可动线圈的电流I2与负载电压U成正比，即 ， 为电压支路的总阻抗。 由于电压支路中附加电阻值比较大，如果工作频率不太高，则可动线圈的感抗与Rfj相比之下可以忽略不计，因此，可以近似认为可动线圈电流与负载电压U同相，即I2与U之间的相位差等于零，电压支路是纯电阻性质（这是构成有功功率表的必要条件），此时I1 (I)与I2之间的相位差与I1(I)与U之间的相位差恒相等，如图48所示。 由式（47）可得： （式4-8）,图48 电压、电流相量图,可见用电动系功率表测量交流电路的功率时，其可动部分的偏转角与被测电路的有功功率P成正比。虽然这一结论是在正弦交流电路的情况下得出的，但它也适用于非正弦交流电路。 综上所述，不论用电动系功率表测量直流电路的功率还是用电动系功率表测量交流电路的功率，其可动部分的偏转角均与被测电路的功率成正比。因此，电动系功率表的标度尺刻度是均匀的。,2.多量限功率表 一般便携式电动系功率表都是多量限的功率表，通常有两个电流量限，两个或三个电压量限。通常用以下方法来改变电动系功率表的量限： 1）通过串联或并联电流线圈的两个完全相同的绕组的方法来构成电流的两个量限，如图4-9所示。如果两个绕组串联时的电流量限为 I 则两个绕组并联时的电流量限为 2I 。一般是通过用连接片改变额定电流来转换电流量限的。 2）功率表的电压量限的改变用与电压表相同的方法，即在电压支路中串联不同的附加电阻，如图4-10所示。这种功率表的电压电路有四个端钮，其中标有“*”号的为公共端钮。 需要注意的是，功率表的不同量限是通过选择不同的电流量限和电压量限来实现的。例如，D9W14型功率表的额定值为5/10 A 和150/300 V，那么功率量限可以有四种选择： 5 A、 150 V量限：功率量限为 750 W； 5 A、 300 V量限：功率量限为 1500 W； 10 A、 150 V量限：功率量限为 1500