感应式单相电能表的工作原理

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一、圆盘的转动定性分析

1、磁通的分布情况:

由右手螺旋定则,交变电流经过导线或线圈时,会产生磁场。如图1-6所示电线圈并联在电源两端,电压U在电压线圈中产生激磁电流IU, IU产生的磁通ΦU从电压铁芯中柱经磁极穿过圆盘回中柱,叫电压工作磁通。电流元件位于圆盘下方,电流线圈串联在电路和负载之间,负载电流I产生的电流工作磁通ΦI,Φ´I穿过原盘。因此,对圆盘而言,有两个大小相等、方向相反的两束电流工作磁通ΦI,Φ´I从不同位置两次穿过圆盘,而电压工作磁通ΦU一次穿过圆盘,于是相当于有三束磁通作用于圆盘上,所以,我们把感应式电能友又称为“三磁通型”电能表。

感应式单相电能表的工作原理

“三磁通型”电能表。如图1-7所示。现规定:磁通从下往上通过转盘为N极,以“.”表示,磁通从上往下通过转盘为s极,以“× ”表示,所以转盘上三个磁极的位置分别为A1(N极)、A2(N极)、A3(s极)。

2、驱动力矩的产生

因电压铁芯和电流铁芯都不闭合,有气隙,所以在磁路不饱和段可看成线性铁芯,当激磁电流I 和 IU为正弦波时,其产生的响应磁通也为正弦波。三束交变的磁通作用在圆盘上,根据电磁感应定律,就会在圆盘内产生三个交变的感应电流,且相位滞后于对应的磁通90º。这三个感应电流也叫涡流,其波形仍是正弦波。根据左手定则可知,三个工作磁通ΦI,Φ´I 和ΦU分别与穿过各自区域的涡流相互作用,产生推动圆盘转动的电磁力。其作用对应关系如图1-8所示(见图1-8 (ab)电磁力的产生和图1-8 (cd)电磁力的产生)。

由于磁通ΦI,Φ´I 和ΦU随时间按正弦规律变化,所以当磁通穿过转盘时,在转盘上呈现的磁极极性及磁通量的大小也是变化的。对时间t1至t4瞬时来说,穿过转盘磁通最大值从磁极A1向磁极A3逐渐移动,也就是说,在一个周期内,它经过了所有3个磁极,我们可看作有个磁场不断重复地从磁极A1移向A3,这就是旋转磁场。即旋转磁场的方向是从相位超前的磁通所在的空间位量(ΦI)移向相位迟后的磁通(ΦU)所在的空间位置。按图示的磁极位置中旋转磁场的方向为逆时针移动方向,如果改变磁通ΦI和ΦU的相位关系,便可以改变旋转磁场的方向。

总的来说,转动力矩由两部分所组成:电压磁通由ΦU与电流磁通所产生的涡流iPI 、 i′PI ,相互作用而产生F1、F2;电流磁通ΦI,Φ′I与电压磁通所产生的涡流iPU相互作用所产生F3、F4。我们可以分四个区域来研究电能表力矩的产生 。如图1-8所示。

1)、0~1/8 T时间电磁力的方向分析

(1)由图1-6得穿过转盘的磁通ΦU 、 ΦI,ΦI方向。

(2)由课本图1-8得该时间段内各磁通的变化趋势。

(3)根据楞次定理和右手定则得涡流iPU、iPI 、 i′PI的方向。

(4)由左手定则判断各电磁力的方向。

2)、同理可分析其他时段电磁力的方向分析

感应式单相电能表的工作原理 感应式单相电能表的工作原理


感应式单相电能表的工作原理感应式单相电能表的工作原理

图1-8电磁力的方向分析
a)0~1/8 T时间;b)t=(2/8)T~(3/8)T;c)t=(4/8)T~(5/8)T;d)t=(6/8)T~(7/8)T

3)、t=tx时电磁力的方向分析

根据左手定则判定电磁力F1、F2方向向左,F3、F4的方向向右,这时,转盘的转动方向由多数时刻电磁力的方向决定,且,其转动有惯性。所以,在一个周期T内,转盘始终逆时针方向转动。 (3)圆盘转数与被测电能的关系:电能表常

由上述条件,当负载功率不变时,驱动力矩与制动力矩保持平衡,于是圆盘便作勾速转动。当负载功率增加或减少时,驱动力矩便随之增加或减少,于是圆盘转速也随之变快或变侵。所以,制动力矩MT也要增加或减少,直到负载功率不再改变时,驱动力矩又在新的条件下与制动力矩保持平衡。于是圆盘便在新的转速下作匀速转动。总之,制动力矩总是能够与驱动力矩保持平衡。所以,当圆盘作匀速转动时必有下列关系:
感应式单相电能表的工作原理(1-7)

假定某一段时间内负载功率保持不变,并设时间T内圆盘转过N转,则N=nT。代入式(1-7),则有: 感应式单相电能表的工作原理 (1-8)

式中 W—时间T内通过电能表的电量,kw•h;C—电能表的常数,r/(kw•h)。

式(1—8)说明,电能表在一定的功率下运行,经过时间T圆盘转过的转数是与这段时间内通过电能表的电量成正比的,因此通过记录转盘转数的计度器,可以显示出负载在一定时间内所消耗的电能。所以,可以用圆盘转数代表电量的多少,并且,它对变化的负载也是适用的。

5、计度器示数与被测电能的关系:

电能最终要通过计度器直接显示出来,则还需计度器的齿轮能将回盘的转数转换为以电能为单位的指示值。它们之间的关系可用下面的公式表示:
感应式单相电能表的工作原理(1-9)
式中, K—传动比,它是末位字轮走一整圈,转盘转动的圈数。
CJ—计度器的系数,kw•h/字。末位字轮走一个字代表的千瓦小时数。

为了方便电量的抄读。取CJ为10的整数次幂,则CJ=10a,显然a由计度器窗口的小数值决定。当小数位窗口为一位时,a=-1,小数窗口为两位时,a=-2以此类推,当末位窗口为整数位时,a=0。末位字轮转一周是10个字,因此,10CJ是末位字轮转一周所代表的千瓦小时数。二者之间的比值恰符合电能表常数的定义,即每千瓦小时圆盘的转数。

举例说明,例1-1

某感应式电能表计度器传动比K=480r,其窗口有一位小数位。求该电能表常数应为多少?
解:窗口有一位小数位,即CJ=10-1 kw•h/字。
该电能表常数:感应式单相电能表的工作原理

(3)圆盘转数与被测电能的关系:电能表常

由上述条件,当负载功率不变时,驱动力矩与制动力矩保持平衡,于是圆盘便作勾速转动。当负载功率增加或减少时,驱动力矩便随之增加或减少,于是圆盘转速也随之变快或变侵。所以,制动力矩MT也要增加或减少,直到负载功率不再改变时,驱动力矩又在新的条件下与制动力矩保持平衡。于是圆盘便在新的转速下作匀速转动。总之,制动力矩总是能够与驱动力矩保持平衡。所以,当圆盘作匀速转动时必有下列关系:
感应式单相电能表的工作原理(1-7)

假定某一段时间内负载功率保持不变,并设时间T内圆盘转过N转,则N=nT。代入式(1-7),则有: 感应式单相电能表的工作原理 (1-8)

式中 W—时间T内通过电能表的电量,kw•h;C—电能表的常数,r/(kw•h)。

式(1—8)说明,电能表在一定的功率下运行,经过时间T圆盘转过的转数是与这段时间内通过电能表的电量成正比的,因此通过记录转盘转数的计度器,可以显示出负载在一定时间内所消耗的电能。所以,可以用圆盘转数代表电量的多少,并且,它对变化的负载也是适用的。

5、计度器示数与被测电能的关系:

电能最终要通过计度器直接显示出来,则还需计度器的齿轮能将回盘的转数转换为以电能为单位的指示值。它们之间的关系可用下面的公式表示:
感应式单相电能表的工作原理(1-9)
式中, K—传动比,它是末位字轮走一整圈,转盘转动的圈数。
CJ—计度器的系数,kw•h/字。末位字轮走一个字代表的千瓦小时数。

为了方便电量的抄读。取CJ为10的整数次幂,则CJ=10a,显然a由计度器窗口的小数值决定。当小数位窗口为一位时,a=-1,小数窗口为两位时,a=-2以此类推,当末位窗口为整数位时,a=0。末位字轮转一周是10个字,因此,10CJ是末位字轮转一周所代表的千瓦小时数。二者之间的比值恰符合电能表常数的定义,即每千瓦小时圆盘的转数。

举例说明,例1-1

某感应式电能表计度器传动比K=480r,其窗口有一位小数位。求该电能表常数应为多少?
解:窗口有一位小数位,即CJ=10-1 kw•h/字。
该电能表常数:感应式单相电能表的工作原理

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