电动仪表功率测量的优化方法

9.4　电动式仪表功率测量

9.4.1　电动式仪表

电动式仪表的构造如图9-13所示。它有两个线圈：固定线圈和可动线圈。后者与指针及空气阻尼器的活塞都固定在转轴上。和磁电式仪表一样，可动线圈中的电流也是通过螺旋弹簧引入的。

因为经过固定线圈的电流不像磁电式仪表那样要经过螺旋弹簧，因此固定线圈导线的截面可以较大。

当固定线圈通有电流时I₁时，在其内部产生磁场（磁感应强度为B），可动线圈中的电流I₂与此磁场相互作用，产生大小相等、方向相反的两个力（图9-14），其大小与磁感应强度B₁和电流I₂的乘积成正比，而B₁可以认为是与电流I₁成正比的，所以作用在可动线圈上的力或仪表的转动转矩与两线圈中的电流I₁和I₂的乘积成正比，即

T=K₁I₁I₂

在这个转矩的作用下，可动线圈和指针便发生偏转。任何一个线圈中电流方向的改变，都会引起指针偏转的方向的改变。两个线圈中的电流方向同时改变，指针偏转的方向不变。因此，电动式仪表也可用于交流电路。

当线圈中通入交流电流i₁和i₂时，转动转矩的瞬时值即与两个电流的瞬时值的乘积成正比。但仪表可动部分的偏转是决定于平均转矩的，即

T=K₁I₁I₂cosφ

式中，I₁和I₂是交流电流i₁和i₂的有效值；φ是i₁和i₂之间的相位差。

当螺旋弹簧产生的反转矩T_c=K₂α与转动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时对于直流有

α=KI₁I₂

对于交流有

α=KI₁I₂cosφ

电动式仪表的优点适用于交直流，同时由于没有铁芯，所以准确度较高，其缺点是受外界磁场的影响大（本身的磁场很弱），不能承受较大过载（理由同磁电式仪表）。

电动式仪表可用在交流或直流电路中测量电流、电压及功率等。

9.4.2　功率的测量

功率的测量是基本的电测量之一。电路中的电功率与电压和电流的乘积有关，即直流功率

P=UI

交流功率

P=UIcosφ

通常我们采用电动式瓦特表测量线路中的电功率，其结构电路如图9-15所示。它有两组线圈，一组电流线圈为固定，另一组串接一个附加电阻R_fj^{后为电压线圈，是可动的。}可动线圈所受转动力矩的大小与两线圈中电流的乘积成正比，而固定线圈中的电流与负载上的电压成正比，因此，可动线圈的转动力矩T就与负载中的电流I及其两端的电压U的乘积成正比。在直流电路中，T便与P成正比，功率表指针偏转角可直接指示电功率的大小。在测交流功率时，电压线圈中的电流由于R_fj^{较大的原因，电压与电流相位相同，}电流线圈中的电流受负载影响而与电压存在一个相位差φ，因此，功率表指针的偏转角也就指示了交流电功率P=UIcosφ，所以，电动式功率表既可测量直流功率，又可测量交流功率，表盘直接按功率作均匀刻度。

1.单相交流电功率的测量　单相功率表的接线如图9-16所示。电压和电流各有一个接线端上标有“*”或“±”的极性符号，对于单相功率表的电压“*”端，可以和电流“*”端接在一起，也可以和电流的无符号端连在一起。前者称为前接法，适用于负载电阻远比功率表电流线圈电阻大得多的情况；后者称为后接法，适用于负载电阻远比功率表电压支路电阻小得多的情况，在这两种情况下，功率表电压支路中的电流可忽略不计，可提高测量准确度。

功率表的电流线圈通常由两个相同的线圈组成，改变两个线圈的接法，可得双量程电流。功率表的电压量程的改变是通过改变R_fj进行的。功率表量程则为电压量程和电流量程的乘积，因此选择功率表量程的实质是选择电压和电流的量程。

2.三相功率的测量　三相交流电在电力系统中应用最为广泛，因此，三相功率测量也就成为基本的测量。三相功率的测量仪表大多采用单相功率表，也可采用三相功率表，其测量方法有一表法、两表法、三表法及直接三相功率表法4种，下面分别叙述。

（1）一表法：一表法仅适用于三相四线制系统三相负载对称的三相功率测量，因为各相负载消耗的功率相等，测出任何一相负载的功率，则可知三相总功率，即

P=3P₁

图9-17所示为一表法测三相功率的接线，其中（a）图为星形连接，（b）图为三角形连接。(www.xing528.com)

（2）两表法：两表法适用于三相三线制对称或不对称负载，不论是负载连成星形还是三角形，均可采用两表法测三相功率。图9-18所示为两表法测三相功率的接线，图中两个功率表的读数之和即为三相总功率，即

P=P₁+P₂

必须指出，两表法测三相功率时，其中一只表可能会在接线正确的情况下出现反偏，此时，应将反偏的功率表的电流线圈反接，而测出的三相功率应是功率表读数之差。

（3）三表法：三表法测三相功率的接线如图9-19所示。对于三相四线制不对称负载，一表法和两表法均不适用，则应采用3个功率表分别测出各相负载消耗的功率，而总功率等于3个功率表功率之和，即

P=P₁+P₂+P₃

（4）直接三相功率表法：直接三相功率表法适用于三相三线制电路。它是利用三相功率表直接接在三相电路中进行三相功率的测量，功率表中的读数即为三相功率P。其接线方法如图9-20所示。

9.4.3　电能的测量

电能的组成包括有功电能和无功电能两部分。有功电能可用有功电度表进行测量，无功电能可用无功电度表进行测量。通常我们进行的是有功电能的测量。

电路中电能的消耗与时间有关，即W=Pt。能反映某段时间内电能消耗量的仪表称电度表。

电度表是生产和使用数量最多的一种仪表。根据电度表的工作原理不同可分为感应式、电动式电度表和磁电式电度表3种；根据接入电源的性质不同可分为交流电度表和直流电度表；根据测量对象可分为有功电度表和无功电度表；根据测量准确度可分为3.0级电度表、2.0级电度表、1.0级电度表、0.5级电度表、0.1级电度表等；根据电度表接入电源相数不同可分为单相电度表和三相电度表。下面就常用的感应式交流有功电度表的结构及接线作一介绍。

9.4.3.1　单相交流电度表的结构及接线

1.单相交流电度表的结构　单相交流感应式电度表的结构如图9-21所示。它的主要组成部分有电压线圈、电流线圈、转盘、转轴、上轴承和下轴承、蜗杆、永久磁铁、磁轭、计度器、支架、外壳、接线端钮等。工作时，当电压线圈和电流线圈通过交变电流时，就有交变的磁通穿过转盘，在转盘上感应产生涡流，这些涡流与交变的磁通互相作用产生电磁力，从而使转盘转动。计度器就是通过齿轮比，把电度表转盘的转数变为与之对应的电能指示值。转盘转动后，涡流与永久磁铁的磁力线相切割，受一反向的磁场力作用，从而产生制动力矩，致使转盘以某一速度旋转，其转速与负载功率的大小成正比。

2.单相交流电度表的接线　单相交流电度表可直接接在电路上，其接线方式有两种，顺入式接线和跳入式接线，如图9-22所示。常用的为跳入式接线。

3.单相有功电能的测量　单相有功电能的测量可用单相有功电度表进行测量。当线路电流不太大时（在电度表允许工作电流范围内），可采用直接接入法，即把单相电度表直接接入电路中进行测量，如图9-23所示。当线路电流较大，超过了电度表允许工作电流时，则电度表必须经过电流互感器接入电路，如图9-24所示。此时，电度表实际测量电能为

W=K·W_读

式中，K为电流互感器的变比，W_读为电度表上的读数。

9.4.3.2　三相交流电度表的结构及接线

1.三相交流电度表的结构　三相交流电度表的结构与单相交流电度表相似，它是把两套或三套单相电度表机构套装在同一轴上组成，只用一个“积算”机构。由两套组成的叫两元件电度表，由三套组成的叫三元件电度表。前者一般用于三相三线制电路，后者可用于三相三线制及三相四线制电路。

2.三相交流电度表的接线　三相两元件电度表可以直接接入电路，如图9-25（a）所示；在高电压或大电流电路中须经过电压互感器和电流互感器后再接入电路，如图9-25（b）所示。这时仪表记录的读数要乘以互感器的电压比和电流比之后，才是电路实际消耗的电度数。

三相三元件电度表同样可以直接接入电路，也可以通过电流互感器再接入电路，其接线如图9-26所示。

3.三相有功电能的测量　在对称的三相四线制系统中，若三相负载对称，则可用1个单相电度表测量任一相电能，然后乘以3即得三相总电能，即W=3W₁。若三相负载不对称，测量方法有两种：一是利用3个单相电度表，分别接于三相电路中，然后将这三个电度表中的读数相加即得总电能，即W=W₁+W₂+W₃；二是利用三相电度表直接接入电路进行测量，电度表上的读数即为三相总电能。注意，当电路中的电流太大时，三相电度表必须经电流互感器接入电路进行测量。当电路中电流和电压都较大时，则电度表必须经过电流互感器和电压互感器接入电路进行测量。

9.4.3.3　使用电度表时的注意事项

（1）电度表的安装：电度表凡垂直位置安装的，其倾斜度不应大于1°。因为安装位置偏离中心线而倾斜一定角度时，将会引起附加误差。

（2）正确接线：电度表的接线较复杂，容易接错。接线时最好参阅说明书或接线端钮盖板后面的附图进行。接线错误则计量不准，有时甚至会反转。

（3）反转：电度表出现反转现象要具体分析，在接线正确时，无论是单相或是三相电度表均不应反转。但当电度表的相角误差调整不适当时，在大电容负载下就可能发生反转。例如用户在负载较小而补偿无功的电容器仍然投入运行中，就可能发生反转现象。联络盘在电源倒送时也将反转。

（4）潜动：在负载等于零时，电度表转盘仍稍有转动的情况，这种现象称为“无载自转”或“潜动”。在电流断开后电度表的转动不宜超过1转。若有潜动现象，应调整仪表内的防潜动装置。