电能计量基础课程课件1

1电能计量基础理论2第一章电能表原理3第一章电能表原理用来计量有功、无功电能的仪表称为电能表，又叫电度表、千瓦（千乏）小时表。电能的测量不仅要反映负载功率，还要积算出负载消耗的电能，这是电能表的基本功能，近年来，随着电能表向电子化、集成化、智能化、网络化方向的发展，电能表的功能也在不断地扩展，从单一的电能计量功能，发展到用电的监督、电能管理领域，取得了非常好的效果，并具有非常广阔的发展前景，本章概要地介绍电能表的基本原理、结构，各组成部分的功能及实现的方法。41.1电能表分类可以从不同的角度对电能表进行分类，例如按用途分类可分为：安装式电能表（用于电能计量）和标准式电能表（用于电能表的校验），根据测量原理、电能累计方法的不同又可分为：电解式（以化学反应为基础，用于化工及有色金属冶炼），机电式，又可分为：电动式和感应式（电动式主要用于直流电能计量、感应式用于交流电能计量），电子式（基于电子集成电路的电能表），另外还有特种电能表，如预付费，最大需量、复费率、多功能等电能表。51.2有功电能表的基本原理框图有功功率电能要实现电能的计量，要完成以下几种运算。1）乘法运算用模拟或数字乘法器进行电压和电流的乘法运算，求出瞬时功率。TdttituTP0)()(1)(tu)(ti)()()(titutP61.2有功电能表的基本原理框图2）积分求平均值运算平均功率（3.2.1）这个运算通常用与之等效的低通滤波电路实现。TdttPTP0)(1这是因为瞬时功率（3.2.1）式的积分运算使上式的第二项积分为零，积分结果为。低通滤波器的功能，使交流量的第二项衰减为零，只保直流分量，因此，对求平均功率而言，二者的运算结果是等效的。)2cos(cos)(tUIUItPcosUIPcosUI71.2有功电能表的基本原理框图3）运算对电子式电能表，平均功率通常用或转换电路，转换成频率与之成正比的脉冲，送到计数器进行计数，而对感应式电能表，平均功率转化成转盘的转数，推动计数器计数。4）对功率的累计计算电能是平均功率对时间的积分运算，只要对与功率成正比的脉冲用计数进行累计计数，或用计数器对转盘的转数进行计数即可。fIfPfV81.3电能表常数定义：（转数/千瓦小时，）式中，N：转数E：电能,单位为千瓦小时（）电能表常数表示电能表每千瓦小时应转的转数，是电能表的一个重要参数，并标注在电能表的名牌上。NChkwn/hkw91.4主要技术特性式中Ax为测量值，A0为真实值（标准表的量值）。基本误差主要来源于转动部分的摩擦及电流与磁铁的非线性关系，在不同负载下难以完全补偿。电能表基本误差的规定与一般指示性仪表基本误差规定的一个重大区别就是，电能表的基本误差是用相对误差表示的，例如，1.0级的单相电能表在最大量限的10％，功率因数为1时，仍需要满足相对误差为1％的要求，而指示性仪表基本误差是引用误差表示的。即＝最大绝对误差/最大量限值，这样同样为1.0级的指示仪表，在10％量限时，它的最大相对误差，最不利条件下，可能达到10％，所以，对电能仪表基本误差的要求，远比一般指示性仪表要高。1）准确度电能表的准确度是指电能表的基本误差，并用相对误差表示为：100％00AAAx101.4主要技术特性2）灵敏度灵敏度又叫起动电流，是指电能表在额定电压，额定频率及的条件下，负载电流从零增加到铝盘开始转动时的最小电流与额定电流的百分比。标准中规定，这个电流不应大于额定电流的0.5%。3）潜动潜动是指电能表无载自转的情况。按规定当负载电流为零，电压为额定电压的（80～110％）时，铝盘的潜动不应超过一周。4）负载范围即允许的负载电流范围大小，它是电能表性能好坏的一个重要指标。所谓“宽负载电能表”，是指这种电能表允许扩大电流的使用范围，例如超过额定电流的2倍、4倍，甚至6～8倍等，在允许超载的范围内，电能表的基本误差不应超过原规定的指标。1cos11前言电能表是连接电力部门与电能用户的最终计量器具，关系到双方的切身利益，因此要求必须具备高精度、长寿命、低功耗等特点，为了适应用户不断变化的需要和便于用电的管理，还要求电能表具有高过载、多功能、智能化、防窃电等功能。随着我国经济的腾飞和城乡电网改造工程的进行，巨大的电能表需求市场为电能表行业的发展带来了机遇，提供了广阔的发展空间，特别是近年来，电子技术的飞速发展，使电能表行业跨上了跳跃式发展的快速道路，高新技术产品不断涌现，服务领域不断拓宽。同时行业的竞争也日趋激烈，对行业企业、行业的从业人员特别是工程技术人员的素质也提出了更高的要求。行业培训是提高从业人员素质的一个重要途径。12第二章电能计量概述132.1瞬时功率、瞬时有功功率、瞬时无功功率电源u(t)给负载Z供电，则有电流i(t)流过负载，并对负载做功，在某一时刻t，电源输送给负载的功率定义为瞬时功率。)()(titutp2.1.1瞬时功率142.1.1瞬时功率)sin()(tUtum)sin()(tItim瞬时功率)sin()sin()(ttIUtpmmcoscos(2)UIUIt正弦电路152.1.1瞬时功率1）瞬时功率可正可负，时，表示电源向负载输入功率。即负载吸收功率，时，表示负载向电源回馈能量，这是由于负载中的储能元件（L或C）和电源之间产生了能量的交换。另外，瞬时功率的计算需四象限乘法器。0)(tp0)(tp)(tp162.1.1瞬时功率)sin()sin()(ttIUtpmm)2cos(costUIUI2）上式中的第一项是恒定分量，表示负载一个周期消耗的平均功率。第二项是功率的交变分量，频率为基波的二倍。在一个周期内的均值为零。因此它不作功。172.1瞬时功率、瞬时有功功率、瞬时无功功率2.1.2瞬时有功功率瞬时有功电流瞬时无功电流瞬时电流把电流作如下分解)sin()(tItim)cos(sin)sin(costItImm)sin(cos)(tItimp)cos(sin)(tItimq)()()(tititiqp)(ti182.1.2瞬时有功功率)()()(titutppp)2cos(coscos)2cos(cos21cos21)(sincos)sin(cos)sin(2tUIUItIUIUtIUtItUmmmmmmmm它在一个周期内的均值为与瞬时功率在一个周期内的均值是一致的。192.1.3瞬时无功功率显然，瞬时无功功率的均值为零，表示这部分功率不做功，但它表示负载与电源能量交换的状况。)2sin(sin)2sin(sin2)cos(sin)sin(tUItIUtItUmmmm)()()(titutpqq)(tpq202.1.3瞬时无功功率1）瞬时电流、瞬时功率是由负载的性质及所加的电压决定的。2）有功电流与电压同形、同步(相)，即，是实常数。3）无功电流，即，并且与正交。4）上式同乘电压，就得到。以上诸条在任何波形的条件下都成立)(ti)(tp)sin(cos)(tItimp)sin()(tUtum)()(tuCtipC)()()(tititiqp)()()(tititipq)(tip)(tiq)(tu)()()(tptptpqp212.1.3瞬时无功功率无功现象产生的机理1）若负载为纯阻性，则电流电流与电压同步、同形，电流是有功电流，无功电流，系统中没有无功交换现象。)(tip0)(tiq)(ti),(1)(tuRti222.1.3瞬时无功功率2）若负载中存在储能元件，或负载是非线性的，电流不可能与电压同步、同形，这时电源除向负载提供与电压同步、同形的有功电流外，还必须向负载提供一个无功电流，使，即电源除向负载提供一个有功功率，外，还必须提供一个无功功率，这个无功功率在电源与负载之间进行流动和交换，但并不作功。这是负载正常工作的必要条件和必然结果，这就是无功现象产生的机理，那种认为只有负载中有储能元件才能产生无功现象的理解是片面的。事实上负载的非线性是产生无功现象的一个重要原因。)(ti)(tu),()(titip)(tip)(tiq)()()(tititiqp)()()(titutppp)()()(titutpqq231.2.1平均功率平均功率表示负载消耗的有功功率，用瞬时功率的均值表示PTpdttpTdttpTP00)(1)(1TPTdttituTdttituT00)()(1)()(1平均功率的单位是瓦（W）正弦条件下cos)2cos(cos10UIdttUITPT电能dtP单位是千瓦﹒时（Kwh）2.2平均功率、无功功率、视在功率、功率因数和复功率242.2.2无功功率定义正弦条件下无功功率无功电能无功功率是瞬时无功功率波形的峰值，是负载与电源能量交换强度的一个量度。这部分能量不做功，但占用电网供电设备的容量资源、降低效率、增大线损。而当＞0时，表示感性负载，当＜0时，表示容性负载。无功功率的单位为乏(Var、KVar)。sinUIQdtQEQ)(tpq252.2.2无功功率为提高电网的运行效率，通常采用无功补偿的方法，无功补偿设备的功能是向负载提供无功电流，这样从电源端看负载，负载就是一个纯电阻性的器件，电源只须向负载提供有功电流就行了，从而提高了电网的运行效率。)(tiq)(tip262.2.4功率因数这个定义在任何波形条件下都成立在正弦条件下显然，提高功率因数，可以充分利用电网设备的容量，从而具有很大的经济意义。定义：功率因数SPPfcosfP272）三相三线制有功电能计量（1）Y型负载：、之间相角，：、之间相角。对三相三线制电路，相电压、、不易直接测量，因此用不采用上式直接测量每相的有功电能。但由基尔霍夫定律，把代入上式，可得瞬时功率平均功率'aNU'bNU'cNU0cbaiii)(cbiii''''()()()acaNbNcNbNabacbcptuuiuuiuiui21ccbaabIUCosIUP1abUaI2cbUcIcccNbbbNaaaNIUIUIUPcoscoscos'''282）三相三线制有功电能计量二表法当三相对称时平均功率二表法相量图：线电压有效值：线电流有效值`230cPalbcabUUUUU33lUlcaIIIa301lI)30cos()30cos(llIUPcos3cos30cos2llllIUIU292）三相三线制有功电能计量二表法由以上分析，我们可以得到二表法的三相三线有功电能的计量方法302）三相三线制有功电能计量（2）负载利用－Y变换，可以把三角型负载等效变换成星型负载，可以得到相同的结果。－Y变换二表法适用于对称和不对称三相三线制电路有功电能的计量，但不适用三相四线制电路，因为三相四线制电路，当三相不对称时，零线电流、。二表法成立的前提条件不成立。0Ni0cbaiii312.4无功电能的计量为了充分发挥供电设备的运行效率，尽量减少无功电能损耗，加强对供电系统的无功测量和监管是一项十分重要的工作。本节所讨论的无功计量方法是基于正弦条件下的经典方法。若用于谐波条件下，将会产生很大的计量误差，这一点需要特别注意。322.4.2三相三线无功电能的测量，由于不存在这一系数，所以可以直接使用有功电能表简单加接电阻构成，因此60°无功电能表得到广泛的应用，还可以证明，60°无功表还可以用于不对称三相三线制电路。在感应式无功电能表中，电压元件绕组的电感量很大，可以看作一个纯电感，在电压元件上串连一个电阻R，使其电压与电流的相位差为60°，故称为60°无功电能表。)60sin()60sin(llIUQ