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1、第二章 感应式电能表,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,本章的主要内容：,第二节 感应式电能表的误差特性,第三节 感应式电能表的调整装置,第四节 感应式电能表的调整装置,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,利用固定交流磁场与该磁场在可动部分的导体所感应的电流之间的作用力而工作的仪表，称为感应式仪表。常用的单相电能表就是一种感应式仪表。尽管单相电能表的型号繁多，但其结构基本相同，都是由测量机构和辅助不见（基架、底座、外壳、端钮盒和铭牌）组成。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,一、单相感应式电能表的结构,1、测量机构,1）驱动元件：包括电压元件和电流元件，作用 是在交变的电压和电流产生
2、的交 变磁场穿过转盘时，该磁通与其 在转盘中感应的电流相互作用，产生驱动力矩，使转盘转动。,电压元件：电压元件由电压铁芯电1、电压 线圈2和回磁极12组成。绕在电压铁芯上的 电压线圈与负载相并联，不论有无负载电流，电压线圈总是消耗功率的，一般其消耗功率 控制在0.5-1.5W之内。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,电流元件：电流元件由电流铁芯3和电流线圈4 组成。绕在电流铁芯上的电流线圈与负载相串 联，因此通过电流线圈的电流就是负载电流。电流线圈采用0.35mm厚的“U”形高硅钢片叠 成，电流线圈的特点是：匝数少，通常分为相 等匝数的两部分，分别绕在“U”形铁芯上，其 绕制方向应使电流、
3、磁通在铁芯内部的方向相 同。它的安匝数一般在60-150安匝范围内，线 圈线径一般按电流密度为3-5A/mm2考虑。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,切线式：电压铁芯垂直于转盘半径方向平面放置；辐射式：电压铁芯平行于转盘半径方向放置；切线式驱动元件比辐射式的结构简单、体积小、便于安装及大批量生产，并具有较好的技术性能，因此，得到了广泛的采用。,电能表驱动元件的布置方式,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,切线式驱动元件分类,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,2）转动元件：由转盘5和转轴6组成，转盘在驱动元件所产生的驱动力矩下连续转动。3）制动元件：由永久磁铁及其调整装置组成，永久磁
4、铁产生的磁通被转动着的转盘切割时，与在转盘中所产生的感应电流相互作用形成转动力矩，使转盘的转速与被测功率成正比变化。4）轴承：电能表的轴承分为上轴承和下轴承下轴承8位于转轴6下端，支撑转动元件的全部重量，减小转动时的摩擦，其质量好坏对电能表的准确度和使用寿命有很大的影响。下轴承9位于转轴6的上端，不承受转动元件的重量，只起导向作用。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,5）计度器：计度器又称积算机构，用来累计转盘的转数，以显示所测定的电能。常用的有字轮式和指针式。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,2、辅助部件,1）基架：用于支撑和固定测量机构，对电能表的性能有一定的影响，故基架应有足够
5、的机械强度。2）外壳：由底座与表盖等组合而成，底座用来组装测量结构，常用钢板或塑料压制而成，表盖有用铝板冲压成的，也有用玻璃、胶木或塑料压制而成。3）端钮盒：用于连接电能表的电流、电压线圈和被测电路，其中的铜质端钮盒表面要有良好的镀层，这个端钮盒要有足够的机械强度和良好的绝缘。4）铭牌：铭牌附在表盖上或固定在计度器的框架上，它应标明制造厂、表型、额定电压、标定电流、额定最大电流、频率、相数、准确度等级以及电能表常数等。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,二、单相感应式电能表的工作原理,1、转盘驱动原理与驱动力矩表达式,运行中的电能表，其转盘之所以转动，就是因为受到电磁力形成的 驱动力矩的作
6、用。即转盘是个导体，在转盘上穿过磁通，导体中便有电流通过，在磁场力作用下受到电磁力所形成的驱动力矩的作用而转动。,由电工原理知，载流导体在磁场内受到的电磁力 的作用，根据左手定则电磁力的表达式为：,（1）穿过转盘的磁通 右图所示为电能表各磁通的分布情况，电压线圈2加上电压U时，线圈中有电流通过，产生了磁通。它又可以分为两部分：,电能表各磁通的分布情况,磁通，它的通过路径是：还有一部分是经空气隙而闭合的漏磁通。,b.磁通，它的通过路径是：,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,a.磁通，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。,气隙的磁阻大
7、，铁芯的磁阻小，因此，磁通 约大于磁通 36倍。从上面的磁通通过的路径的分析中可以得出，磁通 穿过转盘的称为电压工作磁通；磁通 不穿过转盘，称为电压非工作磁通。当负载电流 通过电流线圈4时，产生了磁通，它也可以分为两部分：,b.磁通，它通过的路径是：,穿过转盘的磁通 称为电流工作磁通；不穿过转盘的磁通，称为电流非工作磁通。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,（2）移进磁场假设：电压铁芯和电流铁芯工作在饱和状态，则在正弦交流电压和电流的作用下，各工作磁通的波形按正弦规律变化。忽略电流磁通回路中的损耗，则电流磁通 与负载电流 同相位。电压线圈的感抗很大，电压工作磁通 滞后电压 约。负载为感性，
8、其功率因数角为。以电流工作磁通为参考轴，各工作磁通及其在转盘内的电流间的相位关系如右图所示，它们的瞬时值为：,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,各工作磁通随时间的变化关系曲线如下所示：,移进磁场在转盘内感应电流，产生驱动力矩来带动转盘向移进磁场的方向移动，即从相位超前的磁通位置移向相位之后的磁通位置。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,（3）驱动力矩电磁力与作用力臂的乘积即为使转盘转动的驱动力矩。,驱动力矩瞬时值表达式,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,由于转盘的转动惯量较大，因此转盘的转动方向决定于瞬时转矩在一个周期的平均值，即,第一节 感应
9、式电能表的结构和工作原理,上式式感应电能表驱动力矩的基本公式，它表明：电能表的驱动力矩与穿过转盘的两个磁通以及它们之间的相位角的正弦的乘积成正比。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,（4）驱动力矩与负载功率的关系,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,代入驱动力矩的表达式，得,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,2、制动力矩,当电能表的负载功率不变时，转盘就受到一个大小和方向不变的驱动力矩的作用。为使转盘在恒定的功率下作等速旋转，就需要对转盘施加一个与驱动力矩大小相等、方向相反的反作用力矩，这个反作用力矩就是制动力矩。设置永久磁铁就是对转盘产生一个制动力矩，使转盘转速保持和负载功率成正比
10、的关系。,制动力矩表达式,制动力矩的形成,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,制动力矩总是与转速n成正比变化，故能阻止转盘加速转动。这正是要保证电能表正确工作必须满足的另一个主要条件。,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,3、转盘转速与负载消耗电能的关系,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,第一节 感应式电能表的结构和工作原理,4、单相感应式电能表的相量图,第二节 感应式电能表的误差特性,由电能表的工作原理可知，在任何负载条件下，只有与负载功率成正比的驱动力矩和制动力矩作用在转盘上，电能表才能正确计量电能。但实际除了这两种基本力矩，还有抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用，这样就
11、破坏了转盘的转速和负载功率成正比的关系，引起了电能表的误差。基本误差：电能表在规定电压、频率和温度条件下，测得的相对误差值。附加误差：电能表在运行过程中，由于电压、频率和温度等外界条件变化所产生的误差。,第二节 感应式电能表的误差特性,一、电能表的负载特性曲线,1、影响负载特性曲线的因素,电能表的基本误差随着负载电流和负载功率因数的变化的曲线，通常称为电能表的负载特性曲线或基本误差特性曲线。影响负载特性曲线的因素有以下几个方面：,（1）抑制力矩的影响,抑制力矩：转盘在驱动力矩的作用下连续转动时，除了切割制动磁通而形成的制动力矩外，还切割交流电流、电压工作磁通，在转盘中产生感应电流，与交变的磁通
12、相互作用，也会形成阻碍转盘转动的力矩。此力矩与所作用的磁通的平方成正比。,第二节 感应式电能表的误差特性,第二节 感应式电能表的误差特性,（2）摩擦力矩的影响,抑制力矩：电能表的制动元件在驱动力矩作用下，要靠上、下轴承的支撑转动，并通过齿轮传动机构带动计度器记录所测得的电能值。因此，当转动元件旋转时，转轴与转轴之间、计度器的传动齿轮之间，必然产生一个与驱动力矩方向相反的力矩，即摩擦力矩。,摩擦力矩总是阻碍转盘的转动，使电能表出现负误差。随着驱动力矩的增大，由摩擦力矩引起的误差比例将减小。反之，当电能表轻载运行时，摩擦力矩的相对影响较大。,第二节 感应式电能表的误差特性,（3）电流铁芯磁化曲线非
13、线性的影响,电流铁芯的磁化曲线,第二节 感应式电能表的误差特性,（4）补偿力矩,轻载补偿装置,补偿力矩：电能表在轻载时，除了电流抑制力矩、摩擦力矩引起的负误差外，还有电流铁芯磁化曲线的非线性影响所引起的负误差。因此，在电能表的结构中设置轻载调整装置，使其产生和驱动力矩相同的附加力矩，该力矩称为补偿力矩。补偿力矩的平均值为：,补偿力矩与加在电能表上的电压和铜片A的位置有关。当电能表在额定电压下运行时，补偿力矩只决定于铜片A的位置。所以不管电能表是否接有负载，补偿力矩都是存在的，与负载电流的大小无关。,第二节 感应式电能表的误差特性,2、负载特性曲线,（1）负载特性曲线,因此，电能表在额定电压、额
14、定频率、规定温度以及 的正常条件下，也会产生误差，这个误差的相对值称为电能表的基本误差。电能表的负载特性曲线：电能表的基本误差随着负载电流和负载功率因数而变化的关系曲线。,第二节 感应式电能表的误差特性,第二节 感应式电能表的误差特性,理想的负载特性曲线,第二节 感应式电能表的误差特性,现代电能表的发展，要求电能表在较宽的负载范围内使用，以适应各种用户的需要。因此，希望负载特性曲线较为平直，且 和 的两条曲线能尽量靠近，这就需要采取改善负载特性曲线，使电能表在较宽的负载范围内误差不超过允许值。,第二节 感应式电能表的误差特性,（1）改善负载特性曲线常用的方法,轻负载电流范围内，电能表的负载特性
15、主要取决于电流铁芯非线性影响引起的负误差，所得的特性是不够理想的，甚至是不够稳定的，因此可采用以下方法改善：,在大负载电流范围内，电能表的负载特性主要取决于电流抑制力矩引起的负误差，因此可采用以下方法改善：,第二节 感应式电能表的误差特性,二、电能表的附加误差,1、电压影响,电能表的附加误差：电能表所在的外界条件与规定的工作条件是不同的，例如电压、温度、频率可能偏离规定值，安装时相序、垂直度不符合规定等。外界条件改变后，电能表产生的误差称为电能表的附加误差。,电压附加误差：当加于电压线圈两端的电压发生变化时，将引起电压铁芯中磁通的变化，而在磁通路径上，涡流损耗和磁滞损耗 也有变化，致使电压磁通
16、大小以及工作磁通之间的相位关系发生变化，因而引起驱动力矩、电压抑制力矩、补偿力矩等的变化，从而产生电压附加误差。,电压误差特性曲线,第二节 感应式电能表的误差特性,电压误差随着电压的升高向负的方向变化。轻载时由于补偿力矩的影响，同样的电压变化值，电能表呈现的正负误差值比额定负载下要小。为减小电压变化对电能表误差的影响，一般采取以下措施：,第二节 感应式电能表的误差特性,2、温度的影响,制动磁通的变化：,第二节 感应式电能表的误差特性,下图,DT8型有功电能表的温度误差特性,内相角的变化,第二节 感应式电能表的误差特性,为减小温度变化对电能表误差的影响，一般采取以下措施：,第二节 感应式电能表的
17、误差特性,3、频率的影响,电压工作磁通的变化：,第二节 感应式电能表的误差特性,电压抑制力矩的变化：,轻负载补偿力矩的变化：,第二节 感应式电能表的误差特性,4、其他附加影响,自热影响；电流、电压波形畸变的影响；倾斜影响。总之，电能表的附加误差除了上述因素的影响外，还有不稳定运行的影响、负载功率因数的影响、三相电压不对称的影响、相序的影响等。,第三节 感应式电能表的调整装置,每只单相电能表应该有满载调整装置、相位角调整装置、轻载调整装置及防潜装置。三相电能表还应有平衡调整装置。各种调整装置应满足下列要求：1）应该有足够的调整范围及调整精度；2）调整装置之间的相互影响要小；3）应保证调整方便、操
18、作简单、固定牢靠和足够稳定等。,第三节 感应式电能表的调整装置,一、满载调整装置,在额定电压、额定频率、标定电流和 的条件下，调整电能表的制动力矩，改变转盘转速的机构，称为满载调整装置。原理：靠调整制动磁铁来改变制动力矩，使电能表的负载特性曲线上下平行移动。欲使电能表的转盘匀速转动，必须使驱动力矩等与制动力矩。因为,第三节 感应式电能表的调整装置,1、改变作用力臂的满载调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,2、改变制动磁通的满载调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,3、改变制动磁铁的磁通在转盘中感应电流大小的满载调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,二、相位角调整装置,第三节 感应
19、式电能表的调整装置,1、改变电流工作磁通相位角的调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,2、改变电压工作磁通相位角的调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,3、改变电压非工作磁通相位角的调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,三、轻载调整装置,为了改变轻负载范围内的负载特性曲线而调整补偿力矩的机构，称为轻载调整装置。原理：与产生补偿力矩的原理相同，即在电压铁芯的磁极附近设置可移动的导磁或不导磁金属部件，以使电压磁通对转动元件的对称轴成不对称分布，导致两部分电压工作磁通在时间和空间上不同，从而形成移进磁场，产生补偿力矩。常用的轻载调整装置有下述两种类型：,第三节 感应式电能表的调整装置,1
20、、移动金属框（片）的轻载调整装置,2、移动铁磁部件的轻载调整装置,第三节 感应式电能表的调整装置,四、灵敏度和防潜动装置,1、灵敏度,第三节 感应式电能表的调整装置,2、潜动及防潜动装置,以下列举分离式驱动元件电能表产生潜动力矩的四种基本情况，图纸箭头表示潜动力矩的方向：,第三节 感应式电能表的调整装置,（1）电压铁芯倾斜形成潜动力矩,第三节 感应式电能表的调整装置,（2）电流铁芯倾斜形成潜动力矩,第三节 感应式电能表的调整装置,（3）回磁极位移形成潜动力矩,回磁极驱动元件的对称轴向右位移。电压工作磁通在转盘的右边范围内，引起较大的感应电流和有功损耗，所以形成的潜动力矩由左边指向右边，即同回磁
21、极的位移方向相同。,第三节 感应式电能表的调整装置,（4）电压辅助磁路径上的气隙不相等形成潜动力矩,第三节 感应式电能表的调整装置,（1）防潜装置,第三节 感应式电能表的调整装置,（2）电能表的转盘上钻孔,第三节 感应式电能表的调整装置,五、平衡调整装置,小 结,电能表是用来测量电能输出量和负载所消耗电能量的一种仪表装置。它由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器等组成。实际运行中，电能表在驱动力矩和制动力矩的共同作用下转动；另外还有抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用，还会受到电流铁芯非线性的影响，使得电能表的转速发生了变化，从而产生了电能表的基本误差。当外界条件如：电压、频率、
22、温度等发生变化时，电能表产生的误差时附加误差。电能表的负载特性曲线说明了电能表的基本误差随负载电流和负载功率因数变化的关系。每只电能表的负载特性时不同的，都应有备用装置，以便将电能表的误差调到满足预定的负载特性曲线。单相电能表应有满载调整装置、相位角调整装置、轻载调整装置及防潜装置，三相电能表还有平衡调整装置。,复习思考题,2-1 单相感应式电能表的电压元件和电流元件在结构上有什么特点？2-2 回磁极的作用是什么？正在运行的电能表，若回磁极突然断裂，电能 表的转速有何变化？为什么？2-3 移进磁场是如何形成的？2-4 电能表的转盘制动的条件是什么？转动方向如何？2-5 制动力矩是如何形成的？电
23、能表在没有接入负载时，制动力矩是否存 在？制动力矩的方向与制动磁铁的磁极性有何关系？2-6 为什么计度器的读数能反映负载所消耗的电能？2-7 绘出感应式电能表的实际相量图和理想相量图，并说明电能表正确测 量电能的条件。2-8 为什么各分量电能表每月要为总电能表要交1kWh的电费？2-9 什么是电能表的基本误差和附加误差？2-10 电能表的附加力矩有那些？造成的误差是基本误差还是附加误差？2-11 补偿力矩时如何形成的？补偿力矩与负载电流有何关系？,复习思考题,2-12 什么是电能表的负载特性曲线？怎样用负载特性曲线分析电能表的特 性？2-13 电能表的附加误差有那些？误差方向时如何变化的？2-14 大用户电能表每3个月左右校表一次，若当天校表夏天使用，那么调 整时应使电能表的误差偏负些还是偏正些？为什么？（功率因数等于 1.0的条件下）2-15 电能表的调整装置有哪些？2-16 满载调整装置调那个力矩？为什么？2-17 为什么要设置相位角调整装置？2-18 若电流铁芯选用了更优质的硅钢片，它的磁滞和涡流损耗很小，此时 应该如何调整电压铁芯的 角，才能满足？2-19 什么叫潜动？产生潜动的原因是什么？如何坚持潜动是否存在？如何 采取措施防潜？,
