第二章感应式电能表.

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2感应式电能表的优点：结构简单、工作可靠、维护方便、调整容易。缺点体积大、制造精度不容易提高。电能表的分类：1、按使用电源性质分：交流电能表和直流电能表2、按结构和原理分：感应式电能表和电子式电能表3、按准确度等级分类：普通式安装式电能表(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级)和携带式精密级电能表(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2级)4、按用途分类：工业与民用电能表及特殊用途电能表31.1单相交流感应式电能表的结构感应式仪表：利用固定的交变磁场与由该磁场在可动部分的导体（转盘）所产生的感生电流之间的相互作用，产生一驱动力矩，使转盘以正比于负载功率的转速转动的仪表。单相感应式电能表的结构：测量机构：驱动元件1-4转动元件5、6（8、9、10、11）制动元件7永久磁铁及其调整装置轴承钢珠宝石轴承、磁力轴承磁悬式计度器积算机构字轮式和指针式辅助部件：基架外壳端钮盒铭牌底座磁推式利用固定的交变磁场与由该磁场在可动部分的导体中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，它是4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部件（基架、底座、外壳、端钮盒和铭牌）组成。测量机构是电能表实现电能测量的核心。由以下部件组成：驱动元件、转动元件、制动元件、上轴承、下轴承、计度器组成。5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。电压线圈的特点：匝数多，线径细。6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，其绕制方向相反，以保证电流、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。7（1）电压元件由电压铁芯1、电压线圈2和回磁极12组成。电压铁芯采用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成。电压线圈的特点是匝数多、线径细。电压线圈接到被测电路的电压回路，与负载是并联连接。电能表接入被测电路后，不论有无负载电流，电压线圈总是带电，成年累月地消耗电能，一般要求功率消耗不超过1.5W。回磁极固定在电压铁芯上，它的作用是构成电压工作磁通回路。8（2）电流元件由电流元件由电流铁芯3和电流线圈4组成。电流铁芯是由0.35～0.5mm厚优质硅钢片叠成“U”形，电流线圈通常分为匝数相等的两部分，分别绕在“U”形铁芯的两柱上，其绕向相反，以保证电流磁通在铁芯内的方向相同，如图所示。电流线圈的特点是匝数少、线径粗。电流线圈接到被测电路后，与负载是串联连接。9电压元件电流元件元件构成由电压铁芯1、电压线圈2和回磁极12组成由电流铁芯3和电流线圈4组成。铁心材料采用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成由0.35～0.5mm厚优质硅钢片叠成“U”形线圈特点匝数多、线径细。匝数少、通常分为匝数相等的两部分，分别绕在“U”形铁芯的两柱上，其绕向相反，以保证电流磁通在铁芯内的方向相同，线径粗。线圈连接与负载是并联连接。与负载是串联连接。功耗电能表接入就一直会消耗功率，功率控制在0.5~1.5W，不超过1.5W。不超过2.0VA其他回磁极固定在电压铁芯上，它的作用是构成电压工作磁通回路。1.5*10-3*720=1.08KWH所以，每月空载耗电约为1度电。10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11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12切线式驱动元件分为分离式、封闭式和组合式三种基本结构耗用硅钢片计量特性重复性潜动影响绕制和检修线圈分离式少不好易于产生便于绕制和检修封闭式较多好不易产生不便组合式较少较好不大便于绕制和检修应用上大批量使用精密表精密表13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。转盘用纯铝板制成，转盘边缘涂以计算转数的标记。转轴一般用铝或铜合金棒制成，转轴上装有蜗杆，蜗杆与计度器上的蜗轮10相啮合，转轴上还装有钢丝制成的防潜针，用以防止潜动。转动元件的作用是在电能表工作时，把转盘转动的转数传递给计度器。导电率大、重量轻、一定的机械强度14第一节感应式电能表的结构和工作原理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。制动元件按永久磁铁的结构形式及其在转盘上的布置方式，可分为如图所示的几种材料：铝镍合金或铝镍钴合金压铸而成。性能：磁性稳定，受外界磁场和温度影响要小。调整装置是为了改变制动力矩的大小15第一节感应式电能表的结构和工作原理4）轴承：电能表的轴承分为上轴承9和下轴承8，下轴承8位于转轴6下端，其质量好坏对电能表的准确度和使用寿命有很大的影响。它由上、下轴承组成。上轴承位于转轴上端，起定位和导向作用。图所示为一种常见的上轴承结构。下轴承位于转轴下端，用以支撑转动元件的全部重量。16现代电能表的轴承结构主要有两种：（1）钢珠宝石轴承。可分为单宝石和双宝石轴承，其结构的基本类型有三种，如下图所示。（2）磁力轴承。它的类型主要有两种，如下图所示。磁推轴承利用下轴承采用的磁铁之间的排斥力支撑转动元件，而磁悬轴承利用上轴承采用的磁铁之间的吸引力，将转动元件悬浮于空间。又分为正宝石轴承和倒宝石轴承17硬度较大的宝石为主动态，其磨损较a要小工艺复杂，成本高，磨损均匀，使用寿命延长1819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。较常见的为字轮式计度器，其结构如图所示。字轮式计度器有一个重要的参数即传动比计度器的传动比是指其末位字轮转一圈时转盘的转数。20字轮式计度器有一个重要的参数即传动比。计度器的传动比是指其末位字轮转一圈时转盘的转数。21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。22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：fCi当电能表的电压线圈和电流线圈接到被测电路后，相应地在电压铁芯和电流铁芯中产生了磁通，按右手螺旋法则可以分别确定出磁通的方向，如下图所示。23回磁极电压铁芯电流线圈电流铁芯电压线圈转盘电能表内磁通的分布情况24U中心柱上磁轭两边柱下磁轭（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：U电能表各磁通的分布情况a.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。UF中心柱上磁轭两边柱下磁轭b.磁通，它的通过路径是：U中心柱上磁轭两边柱回磁极气隙转盘气隙第一节感应式电能表的结构和工作原理25a.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。IFUFUUUFII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：I电流铁芯气隙转盘气隙电压铁芯气隙转盘气隙IIF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26电压工作磁通ΦU一次穿过转盘，电流工作磁通ΦI从不同位置两次穿过转盘构成回路，对转盘而言，相当于有大小相等方向相反的两个电流工作磁通ΦI和ΦI′通过转盘，如图所示。现规定：磁通从下往上通过转盘，以“·”表示，磁通从上往下通过转盘，以“×”表示，所以转盘上三个磁极的位置分别为A1、A2、A3。因而构成“三磁通”型感应式电能表27交变的工作磁通ΦI、ΦI′和ΦU穿过转盘时，各工作磁通产生相应迟后90o的感应电动势ePI、ePI′和ePU以及感应电流iPI、iPI′和iPU，这就是转盘上电流产生的原因。28（2）移进磁场假设：电压铁芯和电流铁芯工作在不饱和状态，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。(1)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。(2)电压线圈的感抗很大，电压工作磁通滞后电压约。(3)负载为感性，其功率因数角为。(4)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：IIUU90sinIIwt'sin(180)IIwtsin()UUwt2sin(90)PIPIiIwt'2'sin(90)PIPIiIwt2sin(90)PUPUiIwt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29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工作磁通是交变的，由此可见，穿过转盘的磁通最大值从磁极A1向磁极A3逐渐移近，形成了移近磁场。30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