《功率电能测量》PPT课件.ppt

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1、第三章 功率和电能的测量,第一节 功率和电能的测量方法第二节 电动系功率表第三节 低功率因数功率表第四节 三相功率的测量第五节 感应系电能表及电能的测量第六节 三相有功电能表第七节 三相无功电能表和无功电能的测量第八节 电子式单相电能表第九节 电子式三相电能表第十节 电子式单相复费率电能表第十一节 集中抄表与电子式IC卡预付费电能表,Electrical Measure,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、

2、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 功率和电能的测量方法,一、功率测量方法 1.直接法：用电动系或数字的单相功率表测量单相功率。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。2.间接法：直流通过测量电压、电流间接求得功率。交流则需要通过电压、电流和功率因数求得功率。二、电能测量方法 1.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：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

3、率表和记时时钟进行测量。,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 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 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。,返回本章首页,二极管平方律特性,第二节 电动系功率表,一、工作原理 电动系仪表是测量功率的最

4、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。,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。,磁电系仪表结构,功率的测量,测量功率时采用电动式仪表。测量时将仪表的固定线圈与负载串联，反映负载中的电流，因而固定线圈又叫电流线圈；将可动线圈与负载并联，反映负载两端电压，所以可动线圈又叫电压线圈。,分格常数：,被测功率：,磁电系仪表工作原理 可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，可认为驱动力矩等于反作用力矩，并推出仪

5、表偏转角与电流关系为,若与被测电压并联，仪表的内阻为 R，则仪表偏转角与电压关系为,一表法：用一个单相功率表测得一相功率，然后乘以3即得三相负载的总功率。,二表法：用两只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为两个功率表的读数之和。若负载功率因数小于0.5，则其中一个功率表的读数为负，会使这个功率表的指针反转。为了避免指针反转，需将其电压线圈或电流线圈反接，这时三相总功率为两个功率表的读数之差。,三表法：用3只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为3个功率表的读数之和。,用二元功率表和三元功率表测量三相总功率，三相总功率均可直接从表上读出。,电能的测量,驱动机构用来产生转动力矩，包括电压线圈、电

6、流线圈和铝制转盘。当电压线圈和电流线圈通过交流电流时，就有交变的磁通穿过转盘，在转盘上感应出涡流，涡流与交变磁通相互作用产生转动力矩，从而使转盘转动。,制动机构用来产生制动力矩，由永久磁铁和转盘组成。转盘转动后，涡流与永久磁铁的磁场相互作用，使转盘受到一个反方向的磁场力，从而产生制动力矩，致使转盘以某一转速旋转，其转速与负载功率的大小成正比。积算机构用来计算电度表转盘的转数，以实现电能的测量和计算。转盘转动时，通过蜗杆及齿轮等传动机构带动字轮转动，从而直接显示出电能的度数。,电度表,单相电度表接线时，电流线圈与负载串联，电压线圈与负载并联。单相电度表共有四根连接导线，两根输入，两根输出。电流线

7、圈及电压线圈的电源端应接在相（火）线上，并靠电源侧。,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 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、功率表正确接线 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、功率表的错误接线

8、,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,第三节 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、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和低功率示值两个特点。在结构上必

9、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 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

10、 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,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，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。,补偿电容,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

11、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：低功率因数功率表提供三个额定值，即额定电压、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 三相功率的测量,一、用单相功率表测三相功率 一表法 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。,二表法 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

12、为线电压，三相总功率等于两表读数之和。,1.负载对称并为阻性时，两表读数相等。2.负载对称且功率因数为0.5，有一只功率表读数为0。3.负载对称且功率因数小于0.5，一只功率表读数为负值。,三表法 适用于三相四线制，电压、负载不对称的系统，被测三相总功率为三表读数之和，即,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 感应系电能表及电能的测量,一、感应系电能表结构,二、工作原理 铝盘

13、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,返回本章首页,第六节 三相有功电能表,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。以二元件为例，其结构如图。,二元件单铝盘,二元件二铝盘,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

14、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 三相无功电能表和无功电能的测量,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。正弦交流电路中无功功率Q=UIsin因此只需将电压或电流的的相位移动90即可用一般的功率表测无功功率。通常将功率表內部的电阻器R代以同数值的容性电抗器使动圈中的电流与所加电压相位差90其作用相当于将电压相位移动90此时即可用来测无功功率。,适用于电

15、源对称的三相四线制,适用于三相三线制,一、三相四线制无功电能的测量 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。,二、三相三线制无功电能的测量 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90，接线如图。,三、用单相电能表测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

16、均转矩推出。,返回本章首页,第八节 电子式单相电能表,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。,二、电子式单相电能表的专用集成电路 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。,电流取样输入,电压取样输入,基准电压输入,直流电源,晶振连接点,增益调节,复位,高通滤波器,接步进电机,输出校验脉冲,电能输入输出判别,校验脉冲

17、频率调节,步进电机驱动频率调节,三、AD7755外接电路,四、AD7755外接电路计算 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。使用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F1、F2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。）,2.

18、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，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:设基准电压为2.5V,按 产品目录提供的 值当 时为3.4,可求出 4.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,返回本章首页,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,三相取样输入,计数脉冲输出,三相求和,第九节 电子式三相电能表,ADE7752的引脚图 从内部结构图和引脚图

19、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能也类似。,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.必须对三相电压、电流取样。2.对于大负荷的电能表要用互感器取样。,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 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

20、相同。第一步：求F1、F2输出的脉冲频率 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/Kw,可求得工作于额定状态时F1、F2输出的脉冲频率,外接电路计算第二步：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: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100/2500=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

21、允许电压有效值为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 88mV/0.04A=2.2。,外接电路计算 第三步 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,第四步 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 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

22、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 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,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 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 1液晶显示器 显示器有33个

23、显示电极和4个背电极，连接到单片机MC68HC05L16的FP、BP有关引脚，并通过红外开关控制翻页，依次显示42种不同的数据。2通信接口 远程计算机通过485通信接口向电能表要设置运行参数，或从电能表取出数据。,返回本章首页,第十一节 集中抄表与电子式IC卡预付费电能表,一、集中抄表与电能表数据远程传送的几种方式 1.红外传输方式：用户电能表通过红外输出信号接口，向抄表者传送表内数据。2.利用RS485串口的传输方式：用户电能表通过RS485串口将表内数据送送抄表中心。3.利用电力线或有线电视网进行传输的方式：用户通过电子式载波电能表，将计量数据通过专用载波芯片馈入电力线或有线电视网络，抄表

24、设备通过调制与解调读取用户的用电数据。4.无线信号抄表方式：用于偏远的工厂大用户或装在高空的表计，利用移动通信网络的短信服务（SMS），定时向系统发出用电数据的短信供系统接收。5.通过IC卡传输方式：电费存入IC卡，然后由用户自己把IC卡插入电表，作为耗电依据。,二、IC卡预付费电能表的结构 IC卡预付费电能表结构包括计量和控制两个部分，计量部分采用专用计量芯片（如BL0932），控制部分采用单片机，实现读卡、预付电费用完告警、电费用完断电以及防窃电控制等操作。结构如下图所示。,三、计量单元 若以BL0932为计量芯片，通过电流、电压取样电阻获取耗电信息，经乘法器取得有功功率值，通过功率-频率

25、转换器转换为高频脉冲，用于激励红外LED发出红外信号供校验使用。同时用分频法产生相应的低频脉冲，经MOT引脚输出，用于带动步进电机及字轮显示消耗的电能值。或送单片机计算出用户所消耗的电能,四、控制单元 控制单元包括IC卡读卡插座、数据存储器、显示器以及超负荷与电费用完的警告及切断电路的开关。,控制单元的功能 卡座作为IC卡与单片机通信的接口。存储器用于存储交费数据。当IC卡插入卡座后，通过单片机与IC卡通信，将交费数据转存在存储器。电能表所用的LCD显示器，一般都使用专用的液晶显示器，用于显示耗用电能。超负荷和电费用完，单片机可通过继电器切断供电。如是超负荷，单片机会累计超负荷次数，若在三次以内，则延时后会自动恢复。若是电费用完则由控制继电器将电源切断。,返回本章首页,