感应式电能表

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1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。2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。3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、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。4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。切线式驱动元件辐射式驱动元件电能表驱动元件的布置方式5分离式封闭式组合式第一节感应式电能表的结构和工作原理分离式：耗用硅钢片较少，便于检修。但是沿电压、电流铁芯的各个磁路气隙和铁芯本身的对称性不易控制，往往造成同一类型电能表的计量特性不一致，容易产生电压、电流潜动，检修时尽量避免拆卸。封闭式：可以利用电压工作磁通磁化电流铁芯，改善轻载时的特性，同一类型电能表计量特性的重复性较好，不易产生电压、电流潜动，但是冲制铁芯耗用的钢材较多，绕制和检修电压、电流线圈困难。组合式：比封闭式较易装配电压、电流线圈。切线式驱动元件分类6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。7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。8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。9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：10（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11a.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，铁芯的磁阻小，因此，磁通约大于磁通3～6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12（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，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：

磁通和感应电动势、感应电流相量图第一节感应式电能表的结构和工作原理13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：波形图移进磁场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。14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。

形成形成驱动力矩瞬时值表达式15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

16第一节感应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。

17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

18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

19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的关系。制动力矩表达式制动力矩的形成20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。21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22第一节感应式电能表的结构和工作原理23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单相感应式电能表相量图单相电能表理想相量图24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。25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。26第二节感应式电能表的误差特性27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。28第二节感应式电能表的误差特性（3）电流铁芯磁化曲线非线性的影响电流铁芯的磁化曲线29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。30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。31第二节感应式电能表的误差特性32第二节感应式电能表的误差特性33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。34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：电流铁芯选用初始磁导率较高且比较稳定的材料，如D41~D43等牌号的硅钢片。增大电流铁芯的截面，缩短铁芯长度，从而在同样的负载电流下，最大电流铁芯的磁通。用一部分电压工作磁通磁化电流铁芯，以提高电流铁芯的初始磁通，从而避开了磁化曲线起始的弯曲部分，减小了非线性误差。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：增加永久磁铁的制动力矩，降低转盘的转速，这样就能相对的减小电流抑制力矩在总制动力矩中所占的比例。增加电压工作磁通。电流铁芯增加磁分路。35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36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：在非工作磁通路径中甚至饱和段，例如在电压铁芯的下部磁轭打孔或减小下部磁轭截面积，其作用是有一是地增加电压铁芯的非线性误差。当电压升高时，电压工作磁通比非工作磁通增加得更快，其结果使驱动力矩增大，补偿了由电压升高时增加的电压抑制误差。增加制动力矩，使电压抑制力矩在总的制动力矩中所占的比例下降。37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：温度对电流工作磁通的影响电压、电流工作磁通的变化：温度升高时，电能表转速加快，产生正的温度误差。反之，温度降低，则产生负的温度误差。磁通随着温度的变化，电流抑制力矩也要变化，但不显著。38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39温度补偿方法之一温度补偿方法之二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：制动电磁铁上加装补偿片-磁性合金片。电压、电流工作磁通的路径上加装补偿片。40第二节感应式电能表的误差特性3、频率的影响电压工作磁通的变化：电流工作磁通的变化：41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：42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。43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、操作简单、固定牢靠和足够稳定等。44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45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46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47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48第三节感应式电能表的调整装置二、相位角调整装置在额定电压、标定电流和的条件下，调节电流工作磁通与电压工作磁通之间的相位角，使其满足的关系，称为相位调整装置。原理：一般通过调整和相位，来改变磁通路径上的有功损耗，来实现相位角的改变。Ia49第三节感应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50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51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52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：53第三节感应式电能表的调整装置1、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54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55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：56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57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58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，即同回磁极的位移方向相同。59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60第三节感应式电能表的调整装置（1）防潜装置61第三节感应式电能表的调整装置（2）电能表的转盘上钻孔62第三节感应式电能表的调整装置五、平衡调整装置63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、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