功率表的原理和接线分析.pdf

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仪表既能测量直流电路又可测量交流电路。当电动系仪表用于直流电路的测量时，由电工 基础可知，转动力矩 M 与电流 I l 和 I 2 的乘积成正 比，即 M()c I lI 2 式中 M一 动圈所受到的转动力矩 I l，I 2-一 定 圈和动圈 中的电流 当用于交流电路的测量时有 M()c I JI 2C OS 1 l 式中M 一 动圈所受到的转动力矩的平均值 I l，I 2 一 定圈和动圈中的电流有效值 1 l 一定圈 中 电流，l 与 动圈 中电流，2 之 间的相 位差角 当可动部分偏转一角度 a而达到平衡位置时，其游丝产生的反作用力矩 M f=D Q 式中 D 一 游丝的反作用力矩系数(偏转角度 a 可均匀地刻度在仪表的标度尺上)根据力矩 平衡原理 M=Mf 可 得下式：当用于直流电路测量时 Q()c I lI 2 当用 于交 流电路测量 时 a()c I lI 2C OS 1 l 当电动系仪表用于功率测量时，其定圈串联接 入被测电路，而动圈与附加电阻串联后并联接入被 测电路。众所周知，根据国家标准的规定，在测量 线路中，用一个圆加一条水平粗实线和一条竖直细 实线来表示电压与电流相乘的线圈，如图 所示。通过定圈的电流就是被测电路的电流 I，动圈支路 两端 的电压就是 被测 电路两端 的 电压。2 0 0 1 年 9月 第 3期 电站设备 自动化 位差 相等，如图 2所示。由前式 a o c I l I 2 c o s()可得 a o c u I c o s O=P 即电动系功率表用于交流电路的功率测量时，其可 动部分的偏转角 a 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x,HB 正弦交流电路同样适用。负载 I 2 图 1 电 动 系 统 功 率 表 原 理 图 下面我们就讨论 电动系功率表的工作原理。(1)当用于直流电路的功率测量时，通过定 圈的电流 I l 与被测电路电流相等，即 I l=I，而动圈 中的电流 I 2 可由欧姆定律得到，即 I 2=U R 2，由于 电流线圈两端的电压降远小于负载两端的电压 u，故可以认为电压支路两端的电压与负载电压 u 是 相等的。上式中 R：是电压支路总电阻，它包括动圈 电阻和附加电阻，对于一个已制成的功率表来 说，R 2 是一常数。由前面公式 a。C I l I 2 可得 a。CUI=P 即电动系仪表用于直流电路的测量时，其可动部分 的偏转角 U 正 比于被测负载功率 P。(2)当用于交流电路的功率测量时，通过定 圈的电流，l 等于负载电流，即 f ：f 而通过 动圈 的电流 I 2 与负载电压 u成 正 比，即 I U|Z 2 式中 z：电压支路的总阻抗。由于电压支路 中附加电阻的阻值总是比较大，在工作频率不太高时，动圈的感抗相比之下可以忽 略不计。因此，可以近似认为动圈电流，z 与负载 电压 是同相的，即：与 之间的相位差等于零，而。与 j 2 之间的相位差 1lr跟，l 与U之间的相 图 2功 军 表 向 量 圈 综上所述，电动系功率表不论用于直流或交流 电路的功率测量，其可动部分的偏转角均与被测电 路的功率成正 比。因此电动系仪表的标度尺刻度是 均匀 的。2 功率表的选择及使用方法 2 1 要正确地选择功率表的量限，也就是正确地选 择功率表的电流量限和电压量限，所选功率表的电 流量限及电压量限不应小于负载的工作电流及工 作电压。2 2 功率表的正确接法必须遵守“发电机端”的接 线规则，即 (a)功率表标有“的电流端必须接至电源 的一端，而另一电流端则接至负载端。电流线圈是 串联接 人 电路 的。(b)功率表标有“的电压端钮可以接至电 流端钮的任意一端，而另一个电压端钮则跨接至负 载的另一端。功率表的电压支路是并联接人被测电 路 的。如果功率表的接线正确，但指针却反转，这是 因为负载端实际含有电源，反过来向外输出功率。此时应将电流端钮换接。2 3 功率表接线方式的正确选择 3 0 电站设备 自动化 2 0 0 1年 9月 第 3期 功率表有两种不同的扣 苣 线方式，即电压线圈前 接和电压线圈后接，如图 3和图 4所示。、爿 c B 爿 c 厂 、_、-=A 一-。I B 图 3 电压线圈前接 负载 _ 爿 c B 卑 厂 、I B。儿 负 载 图 4电压 线 圈后 接、2 3 1 电压线圈前接法适用于负载 电阻远 比电流 线圈 电阻大得 多的情况。因为此 时 电流线 圈中的 电 流虽然等于负载电流，但 电压支路两端的电压包含 负载电压和电流线圈两端的电压，即功率表的渎数 中多 出 了电流线 圈 的功 率消耗 I R。(I 是负 载 电流，R。是电流线圈中的电阻)。如果负载电阻远 比R。大，则 i 2 R 对读数所引起的误差就比较小。2 3 2 电压线圈后接法适用 于负载电阻远 比电压 支路电阻小得多的情况。此时与 2 3 1 中情况相反，虽然电压支路两端的电压与负载电压 u相等，但电 流线圈中的电流却包括负载电流和 电压支路 电流 I ，即读数 中多出了电压支路的功率消耗 u v(R v 是 电压支 路总 电阻)。如果 Rv 远 比负载 电阻 大，则 电压支路的功率消耗对浚数所引起 的误差就 比较 J、。2 4对于多量限的功率表应正确读数，这里不再细 述。3 三相有功功率表的接线 由于工 程上广 泛采 用三 相交流 电，三相交 流 电路功率 的测量也就成了重要 的工作，下面我们就 以有功功率表来介绍。3 1三相功率的测量方法 三相交流电路按其 电源和负载的连接方式的 不 同，有三 相三线制 和三相 四线制两种，而每一种 在运行 时又有 以下几种情 况：厂 完全对称 电路 一电源对称、负载对称。三 相电路 r 简单不对称 一电 源对称，L 不 对 称电 路 一电源、负载 L均不对称 根据三 相电路 的特点，有如下几种测量 方法：(1)一表法 即利用单项功率表直接测量 三相四线制完全对称的电路 中任意一项的功率，然 后乘以 3，便可得出三相所消耗的功率如图 5(a)所 示。对于三相三 线完全对称 电路来 说，可 以按 图 5 (b)接线方式测量，但如果被测电路的中点不便 于接线，或负载不能断开时，就应按图 6所示接线 线路进行测量。图中电压支路的非发电机端所接的 是人工中点，即由两个与电压支路阻抗值相同的阻 抗接成 星形，作 为人工 中点。A B C (a)星 型对 称 负载 接法 2 0 0 1年 9月 第 3期 电站设备 自动化 3 l A B C(b)角型对称负载接法 图 5 一表法测量对称三相电路的有功功率 A B C 图 6 应用人工中点的一表法线路 木 鼍厂 、7 、w 1 a W 2 l 一 I，K l u A c 。、l j Zc 图 7 两表法测量三相功率的线路(2)两表法 在三相三线制电路 中，不论 电路 是否对称，都可 以用 图 7所示 的两表法来测量 它的功率。三相总功率 P为两个功率表读数 P-和 P 2 的代数和，即 P=P I+P 2。应用两表法时，应注意以下两点，一是接线时 应使两只功率表的电流线圈串联接人任意两线，使 其通过的电流为三相电路的线电流。两只功率表的 电压支路的发电机端必须接至电流线圈所在线，而 另一端则必须同时接至没有接电流线圈的第三线。二是读数时应考虑符号。当负载的功率因数大于0 5 时，两功率表读数相加即是三相总功率；当负载 的功率因数小于 0 5时，将有一只功率表的指针反 转，此时应将该表电流线圈的两个端钮反接，使指 针正向偏转，该表的读数应为负，三相总功率就是 两表读数之差。(3)三 表法 在三相 四线制 电路 中，不论 其对称与否，都可以利用三只功率表测量出每一相 的功率，然后三个读数相加即为三相总功率，接线 如 图 8所示。厂 Z 一 W 1 -。_ W 2 l ，Z b W 3 、Zc 图 8 三表法测量三相四线制电路的有功功率 3 2 三相有功功率表的接线 三相有功功率表的工作原理与单相功率表相 同，在结构上分“二元三相功率表”和“三元三相 功率表”。由于我公司外购三相功率表均为二元三 相功率表，所以在这里我们专门介绍二元三相功率 表的接线。二元三相功率表是根据两表法原理构成的，它 有两个独立单元，每一个单元就是一个单相功率 表，这两个单元的可动部分机械地固定在同一转轴 上。因此，用这种仪表测量时，其读数取决于这两 个独立单元共同作用的结果。这种二元三相功率表 适合于测量三相三线制交流电路的功率。二元三相功率表的内部线路如图 9所示。它的 面板上有 7个接线端钮，接线时应遵守两个原则。(如 图 l 0所示)。(1)两个电流线圈 Al，A 3 可以任意串联接人 被测三相三线制电路的两线；使通过线圈的电流为 三相电路的线 电流同时应注意将“发电机端”接 A B C N 3 2 电站设 备自动化 2 0 0 1 年 9月 第 3期 到 电源侧。B1 广一 j _ R 3 _、一 A 、B3 l ：U2 U3 A1、A3 一 电流线圈 B1、B3 一 电压线圈 R1、R 3 电压线圈分流 电阻R fi 1、R 巧 3 一附加电阻 图 9 二元三相功率表的内部线路 图 1 0 二元三相功率表的接线方法 C(2)两 个 电压线 圈 Bl 和 B2 通过 UI端钮 和 U 3 端钮分别接至电流线圈 Al 和 A 3 所在的线上，而 u 2 端钮接至j 三 相三线制电路的另一线上。下 面我们 分别 以 I Dl w 壁及 1 Dl v a r型功 率表 来 阐述有 功及无 功功率表 的接线。如图 l l 所 示，I D1 w 型有 功功率表是 三相两 元件表，第一套元件加的是【，A B电压和，A电流，第二套元件加的是【，c B 电压和，c 电流。I DI W 型 功率表的电压、电流相量图如图 l l(b)所示。A B C 9 0 9 6Q 9 3 8 5 Q 9 0 6 0 0 【R R：】R 3 木 木 广 3 2 0Q 3 2 0Q (a)接线 图 A(b)相 量 图 图 1 1 1 Di w 型功率表接线及相量图 第一套元件所测的功率为 P I=UA B I A c o s(3 0。+A)第二套元件所测的功率为 P z=Uc B I c c o s(3 0。一 c)两套元件所测的总功率为 P=P I+P 2=UA B I A c o s(3 0。+A)+Uc a I c c o s(3 0。c 1=4 3 U I C O S 因此 I DI W 型功率表所测功率为三相有功总 功率。图 l 2 为 I DI v a i 型三相无功功率表的接线及相 量 图。这是一种带 人工 中性 点 的无功 功率 表，也是三 相两元件表，第一套元件加的是【，c 电 压和，A电流，第二套元件加的是 A电压和，c 电 流。两个元件的转动力矩分别为 2 0 0 1 年 9月 第 3期 电站设备 自动化 3 3 A B C 木 C，1 卜、I=(a)接线 图(b)相量 图 图 1 2 l D1 _v a r型无 功功 率 表接 线及 相量 囤 Ml=K1 Uc I A c o s(6 0。-中D=Kl Uc I A s i n(3 0。+A)M2=K2 UA I cc o s(1 2 0。-中c)一K2 UA I cs i n(3 0。-(D c)总转矩 M=Ml+M2 在 KI=K 2，且三相 电路 完全对 称时，经过公式 推导可知，合成转矩为 M=K 3 U p h I p h s i n O=K It 3 u p h I p h s in(I)=Q。总 无 功 功 率。根 据 公 式 蒋 两 元 件 所 测 的 无功功率乘 以 3后，才是全部无功功率。但这种 表定刻度时已经考虑了 3的关系，所以 I DI v a r 型表可以直接读出三相无功功率。结束 语 通过上述分析，电动系仪表既可用于直流测 量，也可以用于交流测量。根据三相电路的特点，分别有不 同的测量方法，完全能够满足系统的要 求，在电力系统 中有着广泛 的应用。参 考文献 l 电气测 量 福 建机 电学校 主编 2 变电运行技 术 问答 华 北电业管理局主编 收稿 日期2 0 01 年 7月 作者简介 汝萍女主要从事微机 类新产品的质量审查及静 态型产品在检验 中出现的技术性问题的处理工作 王海玉 男 主要从事水电站 自动化控制及保护设计方面的工作 徐 玉平 男 主要从事继电保护工程方面的工作(上接第 2 4页)调节十分平滑，稳定。同时，为了保证水压反馈信 号的准确，可对该信号设置滤波时间常数，还可以 对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方 便。该设备 自 2 0 0 0年 1 0月在该小区运行以来，一 直保持 良好的运行状态，管网水压非常稳定，受到 了小 区用户 的一致好评。参考 文献 变频 器世界 ACS 4 0 0用户手册 收稿 日期 2 0 0 1年 6月 作 者 简介 张 向东 男 主要从事舌簧器件开发 和变频器应用设 计方面工作 钟媛媛女主要从事舌簧器件开发 和变频器应 用设计方面工作 王伟女主要从 事舌簧 器件开发和变频 器应 用设计方面工作