第一章交流感应式电能表的结构和工作原理ppt课件.ppt

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1、第一章,电能计量技术,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

2、式电能表 (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，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

3、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0.350.5mm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0.350.5mm厚优质硅钢片叠成“U”形，电流线圈通常分为匝数相等的

4、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

5、。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 、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

6、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。,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

7、。,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

8、。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“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

9、构（辅助部件）,（4）基本电流和额定最大电流，其中基本电流用Ib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。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10005。,(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3380V；三相四线电能表则以相数乘以相电压线电压表示， 如3220380V；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36000/100V。,二 、电能表的结构（辅助部件）

10、,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50z。 (7)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C720/（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

11、扫描器可将电能表的信息输入计算机，由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

12、，如图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iU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：,（2）磁通U。它通过的路径是,（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，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）

13、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。,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

14、通I、I和U穿过转盘时，各工作磁通产生相应迟后90o的感应电动势ePI、ePI和ePU以及感应电流iPI、iPI和iPU，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t1至t4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

15、场。,一、转盘转动原理及驱动力矩表达式,3驱动力矩MQ 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。,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

16、为 要使电能表能正确地测量有功电能，就要求驱动力矩 MQ必须正比于被测负载的有功功率,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

17、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MT。它等于因为制动力FT= K1TIT，而感应电流IT =K2Tn，所以,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MQMT 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NnT 在一定时间

18、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。,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90o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主要区别在于：,每只三相电能

19、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

20、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1-2

21、3（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CJ 三、电能表常数C、计度器系数CJ 和传动比k之间的关系,一、计度器容量,我们把计度器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，

22、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（TZ），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CJ,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CJ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

23、器系数CJ,为了方便电量的抄读，应取CJ为10的整数次幂。 当0，则CJ为10、102、103等，这时，应在铭牌上标以10、100、1000等字样； 当0，则CJ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CJ1，这时，铭牌上可不作标记。,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,根据电能表常数C、计度器系数CJ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N1，根据计度器传动比的定义，则有,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

24、（10m1）个字，所以计度器翻转一次转盘应转的转数为 （1-28）,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,3计度器传动时间的计算 传动时间是指末位字轮走一个字所需的时间。根据式（1-28）不难写出电能表在任意功率下运行时计度器改变x个字所需时间Tx的计算公式，即 （1-29）,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,【例 1-1】 某直接接入式单相电能表, 其计度器字轮为五位，Ue=220V，Ib=5A，Imax=20A，ne=792r/h，k=720r，求： (1) 电能表常数； (2)计度器系数； (3) 计度器容量； (4) 电能表在最大功率下运行时计度器的传动时间。,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,解 ：首先求出额定功率和额定最大功率 （1）根据式（1-20）计算电能表常数 （2）计度器系数为,三、电能表常数C、计度器系数CJ和传动比k之间的关系,（3）根据式（1-28）计算得 （4）根据式（1-29）计算得,