功率表电能表的介绍与使用

第三章功率和电能的测量ElectricalMeasure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、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：测量功率可直接用电动系功率表、数字功率表或三相功率表，测量三相功率还可以用单相功率表接成两表法或三表法，虽然有求和过程，但一般仍将它归为直接法。2.间接法：直流可通过测量电压、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率表和记时时钟进行测量。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，所以近年来发展了利用磁电系表芯做成的变换式功率表，表的结构如图。三、变换式功率表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up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四、变换式功率表的工作原理第二节电动系功率表一、工作原理 测量功率时，电动系仪表的固定线圈与负载串联，反映负载电流I，仪表的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负载功率P。二、扩大功率表电流量程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，因此这种只能扩大量程一倍。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。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的，所以功率表的电压量程也都取标准值。三、扩大功率表电压量程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”四、功率表正确接线适用于负载较大的场合适用于负载较小的场合五、功率表的错误接线电源端*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返回本章首页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1.若按功率选用，指针略有摆动，通过功率表的电流就会超过该表的电流额定值。2.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。而功率因数为0.1时，最大功率只有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影响读数。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，额定电流加大之后，表耗功率就会增大，而功率表的读数中包含表耗功率。因此要采取措施使测量出来的功率值中不包含表耗功率。解决办法是利用补偿线圈产生附加力矩，减小功率表读数，并且要使减小值正好等于表耗功率引起的读数增加。方法是在电压电路中，串联一个补偿线圈（反向绕在电压电路的电流线圈上），使它产生附加力矩以抵消表耗功率。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。二、带补偿电容的低功率因数功率表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，解决功率示值太小的问题。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，如果使用光指示装置，则可得到更高的仪表灵敏度。三、采用张丝结构低功率因数功率表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。返回本章首页四、使用低功率因数功率表的注意点：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。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，即三表法：将两只或三只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，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。返回本章首页二、用三相功率表测三相功率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、工作原理铝盘在电流线圈和电压线圈作用下产生的转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CPqPKqPKqMPKMWWTW=====www,,即率的正比关系可求得转速与功矩时当转动力矩等于制动力。,π2,2π2π2π与电能成正比所转动过的转数上式表示铝盘经过时间即可得乘以等式两边各除以NtWCNtCPtt==w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第六节三相有功电能表二、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，将铝盘装在一个公共轴上，使转数直接反映三相电能。积算器的示值就是三相总电能，连接方法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,适用于三相四线制，DX2型三相无功电能表,适用于三相三线制。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，极性相反一、三相四线制无功电能的测量DX1型三相无功电能表测量无功电能的原理：QKMMMIUKMIUKMUUUUIIIIIIUKMIUKM，III、IIIIIIWCPCPCPLLWCPLLWCPLCABCABCBABCBACBABWCPABBCWCPBCCBBAABBCA3)30ºsin(3)30ºsin(33/3/)]30º(90ºcos[)]30º(90ºcos[212121=+=+=--========+-=-+=-=-=······总力矩两组线圈对铝盘产生的可推出由于力矩分别由下式决定两组线圈对铝盘产生的正比成将分别与则两组线圈的合成磁场通过附加线圈的电流为为若通过基本线圈的电流jjjj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60°，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，将单相电能表读数乘以，等于三相三线制无功电能。这可由鋁盘所受的平均转矩推出。四、三相有功电能表测三相无功电能（P85）返回本章首页第八节电子式单相电能表一、电子式单相电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频率调节步进电机驱动频率调节三、AD7755外接电路对AD7755需要提供两组直流电源，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.求得从F1、F2输出的脉冲频率：根据计数器的电表常数。设配套用的计数器的电表常数为100imp/kWh，电能表的电压为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。） 四、AD7755外接电路计算设电流通道取样电阻为350μΩ，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的允许值。3.求电压取样电路的电压值：设基准电压为2.5当，为3.4，按产品目录提供的公式，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-R16为分压电阻。返回本章首页 2.求电流通道取样电压：1.三相电子电能表的结构常用的三相电子电能表，一般不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。第九节电子式三相电能表2.三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。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。3、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。4、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。5.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，其步骤与单相计算基本相同。 第一步求F1、F2输出的脉冲频率根据计数器每千瓦小时转数，及电能表的额定功率，求得F1、F2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输出的脉冲频率第二步求电流通道取样电压：通常不能让取样电压超过允许值，ADE7752的允许有效值为176mV，取样电压取允许值的一半88mV，若负载电流为100A，互感器变比为2500:1，二次绕组电流为100/2500，可求得二次绕组应接的负载电阻为2.2Ω，即（100/2500）×2.2Ω=0.088V。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。外接电路计算第十节电子式单相复费率电能表利用微处理器设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。三、控制电路控制电路的外围部件 1．液晶显示器显示器有33个显示电极和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。 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。返回本章首页控制单元的功能