电动式仪表及功率的测量

8.6.1　测量机构和转动原理

测量功率由功率表完成。功率表是电动式仪表，它的测量机构如图8.6.1所示，它主要由电流线圈和电压线圈构成。电流线圈1是固定的，导线较粗、匝数较少，它与负载串联，流经负载电流。电压线圈是可动的，导线较细、匝数较多，且串有附加电阻，它与负载并联，承受负载端电压。可动线圈2带动轴和指针转动。游丝3产生反作用力矩。阻尼力矩由空气阻尼器4产生。

图8.6.1　电动式仪表的测量结构

1—固定线圈；2—可动线圈；3—游丝；4—空气阻尼器

图8.6.2　电动式测量机构的转动原理

图8.6.2（a）所示为电动式仪表的转动原理。当固定线圈流入电流时，产生磁场B1。当可动线圈流入电流I2时，B1对I2产生一个电磁力F，并在可动线圈两有效边上形成转动力矩，推动可动线圈转动。当转动力矩与游丝的反作用力矩平衡时，停止偏转。如果I1、I2同时改变方向，电磁力F的方向不会改变，如图8.6.2（b）所示。若只改变一个电流的方向，F的方向将改变。电动系测量机构的电压线圈串联附加电阻，便可构成功率表。电动系功率表可以测量直流功率，也可以测量交流功率。

测量直流时，转动力矩T正比于I1、I2的乘积，即

测量交流时，转动力矩T的平均值正比于有效值I1、I2与两个电流之间的相位差角φ的余弦的乘积，即

8.6.2　直流和单相有功功率的测量

测量电路如图8.6.3所示。测量直流功率时，因为电流线圈与负载串联，所以流过负载电流I1＝I；电压线圈支路与负载并联，流过的电流I2正比于电压U，因此

式中：k为比例系数。

测量单相有功功率时，通入电流线圈的电流I1仍等于负载电流I；通入电压线圈的I2正比于负载电压U，即为电压线圈支路的总阻抗。电压线圈需要串联很大的附加电阻，所以它的电抗可以略去不计，则电压线圈支路的电流与电压可认为是同相关系。以常见感性负载为例，作出电压、电流相量图如图8.6.4所示。显然，电压超前电流的角度φ也就是I1与I2之间的相位差角。根据式（8.6.1），转动力矩为

所以，转动力矩T正比于交流有功功率。

图8.6.3　有功功率测量

图8.6.4　功率表测量感性负载时的相量图

8.6.3　三相有功功率的测量

三相四线制电路，如果电路对称，由于各相功率相同，可以只用一只单相功率表测量一相的功率，三相总功率等于一相功率的3倍。测量电路如图8.6.5所示。如果电路不对称，要用三只单相功率表测量，三表读数之和为三相总功率。测量电路如图8.6.6所示。

图8.6.5　用一只功率表测量对称三相四线制电路的功率

图8.6.6　三相四线制电路功率的测量

三相三线制电路（包括星形和三角形两种连接），不管负载对称与否，均可用两只单相功率表来测量三相总功率。如图8.6.7所示为两只功率表测量三相功率的一种接线方式。下面讨论其测量原理。

由图8.6.7可见，流经每个功率表电流线圈的电流都是线电流（iU和iW），而电压线圈上的电压为线电压（uUV和uWV）。由于三线制中没有中线，则

图8.6.7　用两只功率表测量三相功率

iU＋iV＋iW＝0

或写成iV＝－iU－iW

三相电路瞬时功率为

取上式瞬时功率在一个周期内的平均值

这就是三相电路的总功率，此结果正是图8.6.7中两功率表的读数之和。式（8.6.2）中，φ1是与之间的相位差，φ2是与之间的相位差。如果φ1或φ2大于90°时，功率表在规定接法情况下将出现负值，指针反转。这时应改接电流线圈两端钮，才能读得数值，计算时，应取负值。显然，两功率表各自的读数是没有实际意义的，即不代表某一相的功率。

为了使用方便，已生产了二元件三相功率表，就是将两个功率表的测量机构装在一个外壳内。

思考与练习

8.6.1　常用的电动式仪表的测量机构和工作原理是什么？

8.6.2　测量三相功率的一表法、两表法和三表法各适用于何种场合？测量不对称的三角形负载总功率，应采用哪种方法？