第四章频率与相位的测量课件

第四章频率和相位的测量ElectricalMeasure第一节频率的测量方法第二节数字频率计的测量原理第三节E312系列数字频率第四节相位的测量方法第五节电动系相位表第六节整步表

本章要点

本章介绍测量频率的方法以及电动系频率表和电子数字频率计的结构与原理，用电子数字频率计测量频率，是频率测量的主要手段，也是频率计的发展方向。相位虽然不是常见的测量对象，但在电力系统运行中，也是评价运行质量的一项重要指标，本章主要介绍电动系相位表的原理和使用方法。

第一节频率的测量方法一、工频的测量--用电动系频率表测量工频用振簧式频率计用变换式频率计用电动系频率计第一节频率的测量方法

一、工频的测量--用电动系频率表测量工频

1.电动系频率表的结构

采用比率表型，两可动线圈空间错开90°。无工作时呈随遇平衡状态。被测频率等于固定线圈回路的谐振频率时，指针停在标尺中心，即固定线圈轴线位置，标尺两边示值分别为大于或小于谐振频率的值。

二、工作原理

由于两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联立可得按接线图，两可动线圈所受力矩分别为Í

1ÚÍ

2Í三、标尺特性返回本章首页。,,01

即固定线圈轴线位置位于标尺中心指针偏转角率时当被测频率等于谐振频==awwCL。，顺时针偏转指针将为负角则若被测频率

,

0C1-L

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0

awwww>>工频的测量--用变换式频率表测量工频1.变换式频率表的结构

变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成，变换电路包含方波形成、微分、整流、指示和偏置五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进行测量。微分电路整流电路指示仪表偏置电路双向限幅2.变换式频率表工作原理被测电压经稳压管双向限幅并经微分转换为尖脉冲，由于电容小充电时间短，可形成尖脉冲波，若用表示充电电流，则电流脉冲波形可用下式表示 通过磁电系测量机构的电流平均值为

由于电路中很小（RiC0<<T）故上式可简化为 按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映被测频率的大小。

)1(2211000001--===--òòiiCRTCRtiTTCPeTUCdteRUTdtiTIiCRtieRUi021-=3.变换式频率表标尺特性工频频率表所测量的频率范围并不要求从0开始，标尺一般为45～55Hz、900～1100Hz等等。变换式频率表可通过调节偏置电阻R1，改变机械零点的频率读数。得到相应标尺。以45～65Hz的频率表为例，被测输入信号经微分得到的电流方向是从上到下，经过偏置电路的电流是从下到上，调节偏置电路使偏置电流平均值等于45Hz时输入尖脉冲电流的平均值，则机械零点的频率值就等于45Hz。选择指示电表的灵敏度使满度为65Hz。工频的测量--用振簧式频率表测量工频

早期还常用振簧式频率表测量工频频率，振簧式频率表是利用交流电磁铁吸引一排机械振动频率不同的簧片，簧片固有振动频率与电源频率相同时，产生共振的簧片振幅最大，从窗口看，好像簧片顶端被拉长。可以从产生共振的簧片位置读出频率值。

二、低频和高频的测量

差拍法李沙育图形测频率混频法1.比较法将被测频率与标准频率相比较，通过检测差拍、李沙育图形或混频后的频率求得被测频率。2.无源测量法谐振回路测频率

文氏电桥测频率无源测量法是指测量电路不需要另加电源，直接用被测信号进行测量如文氏电桥测频率和谐振回路测频率。第二节 数字频率计的测量原理

一、硬件计数频率计硬件计数频率计其结构如下图所示，被测信号通过整形，转换为与被测信号频率相同的脉冲，然后对脉冲进行计数，也就是把频率测量转换为脉冲个数的测量。计数器可选用专用的集成电路，外围再配上显示器、放大整形以及电源电路即可组成频率计。返回本章首页计数法测频率（高频）计数法测周期(低频)计数法可适用于工频、低频与高频，由于集成化程度的提高，计数器电路体积小，价格便宜，几乎取代了所有其他形式的测频仪器。第二节 数字频率计的测量原理秒

二、软件计数频率计

1.软件计数频率计的结构

软件计数是指用单片机软件进行计数而构成的频率计，它由单片机，以及外围配置的显示器件、放大整形、电源等电路组成。2.软件计数频率计的工作原理

整形放大：将任意波形的被测信号，转换为前沿陡峭的脉冲，以利计数。计数：由单片机内部的计数单元完成，每当被测信号从低到高变化时，将计数器加1，并由内部时钟计时，每一秒所计的变化次数，就等于被测信号的频率。

数码转换与显示：读出的频率值由软件将它转换为七段码，送LED数码管显示。

三、计数器的测量误差

1.秒信号时间不准造成的误差：

由于电子数字频率计是把规定的一秒钟内所计的信号个数作为频率，如果秒信号本身不准确，必然造成计数误差。

2.触发误差：

由于干扰造成计数器的误触发所产生的误差。

3.量化误差：

计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍，而且脉冲到达时刻不刚好是闸门开启时刻，因此在相同的开启时间内，可能会有正负一个数的误差。量化误差示意图

计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍造成的量化误差。在时间T内脉冲个数为7.5,测出数可能为6。

计数开始不刚好是第一个脉冲到达时刻，造成的量化误差。

在时间

T内，被测脉冲个数为7，测出数可能为5。返回本章首页第三节E312系列数字频率一、频率计数器专用集成电路ICM7226B二、由ICM7226B组成的E312X系列数字频率计电路由ICM7226B组成的电子数字频率计外围电路返回本章首页第四节相位的测量方法

一、相位含义

一般是指两个同频率波形，过零点的时间差。而在工业供电系统中通常指电压、电流两波形过零点的时间差。因为一个电压、电流过零点的时间差角，对应一个该角的余弦，所以工业上测量相位角，与测量功率因数都称为测量相位。二、测量相位方法

1.直接法：可用指示仪表，例如变换式、电动式或数字式相位表进行测量。

2.间接法：通过测量电压、电流、功率求得I、U间的相位角。

3.比较法：可以用示波器测量两个波形间的相位差。

三、变换式相位表

变换式相位表由电压回路、电流回路和指示电路三部分构成，通过检流计的电流I

。

式中值与u、i

相位差有关。因此可根据检流计的电流值测得相位差。当u、i同相时变换式相位表波形

。，，U、iuU、iu。，U，iUi。、UU，u对应相位差为零平均值为零因此通过检流计的电流平均值的上的压降在的平均值等于上的压降在由如图中黑线所示成压降上形的负半波可以在上形成压降的正半波可以在图中红线所示如形成压降才能有电流通过正半波只有261151261521651VD

VD

3.

VD

VD

2.

VD、

VD.1

当u、i相位差为90°时变换式相位表波形。）、iuUU，U、iuU在u。U，iUi。UU，u的大并不比单独形成同时在上面形成的压降为稳压管压降由于其示值对应相位差为为零检流计的电流平均值不通过大一倍上的压降在比上的压降如图中黑线所示上形成压降以在的负半波可上形成压降的正半波可以在红线所示如图中形成压降有电流通过正半波121261151261521651

(90,VD

VD

2.

VD

VD

VD

VD

.1

o、i

通过表头的电流可反映u、i间的相位

u、i同相时： 通过电表的电流平均值为零。在整个周期内，指针都停在零点。

u、i相位差为90°时：通过电表的电流平均值最大，电表指针将停在最大位置。

u、i相位差不同： 电表指针将停在不同位置。

返回本章首页第五节 电动系相位表

一、电动系相位表结构

采用比率型结构，两个可动线圈在空间错开角。无工作时呈随遇平衡状态。适当配置，可使指针即可动线圈B1的轴线位置与标尺中心夹角等于被测U、I

间的相位角。二、电动系相位表工作原理

按接线图，两可动线圈所受力矩分别为。，，，IUIIIIkkMM分度将是不均匀的刻度如按均匀则分度如果按相位角刻度可得个可动线圈的夹角为两的相位差与为使配置电路阻抗联立求解得可认为基本相同并考虑可动线圈的结构可动部分平衡时当

cos

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)cos(cos)cos(cos

,,,,121122121jjagbgbjbjgaa===-=-==二、电动系相位表工作原理。，，，IUIIII分度将是不均匀的刻度如按均匀则分度如果按相位角刻度可得个可动线圈的夹角为两的相位差与为使配置电路阻抗

cos

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12112jjagbgbjbjgaa===-=-电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完全相同，只是两个可动线圈所连接的元件不同，单相相位表接R、L元件，而三相相位表两路都是接电阻，分别为。三、电动系三相相位表

电动系三相相位表只适用于三相三线制，使用时可动线圈B1不接电感通过电阻接A、B相，可动线圈B2通过电阻接A、C相。从相量图可知

指针偏转角是相位角的函数，指针位置可直接反映相位角。四、电动系三相相位表工作原理-30°－φ第六节 整步表

由固定线圈A1、A2、A3和一个可动的Z形铁心组成，A1做成圆筒状套在轴套C上，A2、A3做成方扁形，互成90°夹角套在A1的外面。转轴可在轴套中转动，在转轴的上、下两端，各固定一个扇形铁片D、两铁片Z字形，铁片受力时可带动轴和指针旋转。一、1T1-S整步表的结构11

二、1T1-S整步表的工作原理

测量时，将线圈A串接一电阻R，接在已在运行的发电机或电网的A、B相上。令电阻数值远大于线圈A的感抗，可认为线圈A是一个电阻性电路，电压与电流同相。线圈A2、A3分别与R1、R3串联，然后与电阻R2接成一个不对称星形，接在待并发电机的A、B、C三相上，电路连接如图′111

三、标尺

标尺上只注明“快”、“慢”和一条红色的同步点，当待并发电机的频率比电网频率高时，指针