第四章频率和相位的测量.

第四章频率和相位的测量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系列数字频率计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ElectricalMeasure本章要点•本章主要介绍测量频率的方法，以及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，是今后测量频率的主要手段，也是频率计的发展方向。•相位计和整步表是电力系统运行中常用仪表，本章对其作一般性介绍，以供相关专业使用。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。2.电动系频率表工作原理•按接线图，两可动线圈所受力矩分别为))/1(/1(cos)(coscos1201^1111CLRCLCUIkIIIIkM222002^2222)/1(1sin)cos()90cos(CLRRRRUIkIIIIkM)()1(tg0020ΦCLCRRR。（的函数是频率线中心的夹角）仪表指针与固定线圈轴即指针偏转角•由于两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联立可得3.电动系频率表标尺特性。,,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CL。，顺时针偏转指针将为负角则若被测频率,0C1-L,0,0C1-L,0。，时针偏转指针将反为正角则若被测频率返回本章首页工频的测量--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。微分电路指示仪表双向限幅整流电路偏置电路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i1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Ri、C0很小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。021CRtiieRUi)1(2211000001CRtCRtiTTCPiieTUCdteRUTdtiTIfUCICP023.变换式电动系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，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。1.电磁铁2.簧片3.衔铁4.观察窗口二、低频和高频的测量1.比较法将被测频率与标准频率相比较，通过检测差拍或混频后的频率求得被测频率。混频法差拍法fd=fx－fsf0=fx－fs2.无源测量法•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。1）文氏电桥测频率RCfRRCCRRxπ21)(431221令R1=R2=R且C1=C2=C,可得322411)/11()1(RCRRCRxxjj43212112211)(RRRCCRCCRRxx)j(－将上式整理可得2.无源测量法•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。2）谐振回路测频率LCfXπ213.计数法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。返回本章首页计数法测频率计数法测周期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。硬件计数频率计组成•放大整形部分•秒信号发生器•控制门电路•计数显示部分数字频率计测周期•与测频率的基本原理相同•测频率时，以被测电压作为计数对象，用标准时间信号（例如秒信号）作为门控信号。•测周期时，用标准时间脉冲计数对象，用被测电压作为门控信号。数字频率计测频率与测周期的转换•用两个开关来变换计数对象和门控信号的位置，可以实现测频率与测周期的转换。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。量化误差可见用计数方式测频率的最大绝对误差为△N=±1测频率时，计数值N=Tc/Tx最大的相对误差为γ=△N/N=±1/N=±fc/fx被测频率fx越小，γ就越大。测周期时计数值N=Tx/Tc最大的相对误差为γ=△N/N=±1/N=±fx/fc被测频率fx越小，γ就越小。返回本章首页第三节E312系列数字频率计一、频率计数器专用集成电路ICM7226B1.信号输入引脚2.信号输出引脚3.控制引脚4.仪器工作状态指示及电源引脚二、由ICM7226B组成的E312X系列数字频率计电路返回本章首页第四节相位的测量方法一、相位含义相位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即功率因数，所以工业上测量相位角，与测量功率因数都可称为相位测量。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。式中U1、U2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。221121RURUII当u、i同相时变换式相位表波形1．只有u1正半波，才能有电流通过VD5、VD6形成压降U1、U2，如图中红线所示。2．i的正半波可以在VD5上形成压降U1，i的负半波可以在VD6上形成压降U2，如图中黑线所示。3．同相时，由u1、i在VD5上的压降U1的平均值，等于u1、i在VD6上的压降U2的平均值，因此通过检流计的电流平均值为零，对应相位差示值为零。当u、i相位差为90°时变换式相位表波形1．u1正半波，有电流通过VD5、VD6形成压降U1、U2，如图中红线所示。i的正半波可以在VD5上形成压降U1，i的负半波可以在VD6上形成压降U2，如图中黑线所示。2．相位差为90°时，u1、i在VD5上的压降U1，比u1、i在VD6上的压降U2大一倍，通过检流计的电流平均值不为零，其示值对应相位差为90°（由于U1、U2为稳压管压降，u1、i同时在上面形成的压降并不比单独形成的大。）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。返回本章首页四、间接法测相位PQtgUIPcos如果没有直读式相位表，可根据功率公式间接求出cosφ。对于三相不平衡负载，相电路功率因数等于全部有功功率P与全部视在功率S的比值，即SPcos对于用电大户，平均功率因数是指在一段时间内功率因数的平均值。平均功率因数只能间接测量。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γ角。无工作时呈随遇平衡状态。适当配置L1、R1，可使指针即可动线圈A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cos)cos()cos()cos()cos(cos)cos(cos22^2222^11^1111IIkIIIIkMIIkIIIIkM)cos(cos)cos(cos12II当M1=M2时，可动部分平衡，并考虑可动线圈的结构基本相同，可认为k1=k2，联立求解得配置电路阻抗，使I1=I2β=γ（β为U与I1的相位差，γ为两个可动线圈的夹角），可得α＝φ，如果按相位角刻度，则分度均匀，如按cosφ刻度，分度将是不均匀的三、电动系三相相位表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R1、R2。电动系三相相位表只适用于负载对称的三相三线制，使用时可动线圈B1通过电阻R1接A、B相，可动线圈B2通过电阻R2接A、C相。四、电动系三相相位表工作原理从相量图可知)F(cos(cos)30cos()30cos()30301221IIIIII指针偏转角α是相位角φ的函数，指针位置可直接反映相位角。返回本章首页五、相位表的使用第六节整步表一、1T1-S整步表的结构由固定线圈A、A2、A3和一个可动的Z形铁心组成，A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A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。二、1T1-S整步表的连接测量时，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，指针将顺时针旋转，表示待并发电机的转速偏快。待并发电机的频率比电网频率低时，指针将逆时针旋转，表示待并发电机的转速偏慢。待并发电机与电网的相位差越大，指针离红点也越远，指针偏离红点同时反映了两个频率和相位的差异。返回本章首页