1、第三章 交流电压和电流的测量第一节第一节 用整流式仪表直接测量用整流式仪表直接测量第二节第二节 用电磁系仪表直接测量用电磁系仪表直接测量第三节第三节 用电动系仪表直接测量用电动系仪表直接测量第四节第四节 用静电系仪表测量电压用静电系仪表测量电压第五节第五节 用交流电位差计测量电压用交流电位差计测量电压第六节第六节 测量用互感器测量用互感器第七节第七节 交流电压和电流的间接测量交流电压和电流的间接测量第八节第八节 配电网电容电流的测量配电网电容电流的测量第一节 用整流式仪表直接测量一、整流电路1半波整流电路及电路中的电流波形V1V2RRgIgiuttui 半波整流电路 电路中的电流波形 2全波整
2、流电路及电路中的电流波形iu全波整流电路V1V2V4V3全波整流电路中的电流波形ttuia vK I 二、整流式仪表的工作原理 流过表头的电流都是脉动直流电流，指针的偏转角与通过表头电流的平均值成正比 对一正弦电流 ，在全波整流式仪表中 在半波整流式仪表中 对于非正弦量，整流后的平均值为仪表读数除以正弦量的波形因数。tIisin21.11avII2.22avII波形因数 三、整流式电流表构成：整流电路、分流电阻和磁电系表头。参照磁电系电流表，将表头灵敏度乘以波形因数作为整流式电流表的表头灵敏度即可。四、整流式电压表构成：整流电路、分压电阻和 磁电系表头 半波整流式电流表R1R2R3i3i2Ri
3、1V1V2半波整流式电压表R1R2R3u3u2u1RV1V2 测量非正弦量半周期的平均值，无论是半波整流还是全波整流，都应该用仪表读数除以1.11才能得正确的测量结果。五、整流式仪表的技术特性 1灵敏度高；2准确度低；3只能测量正弦量，测量非正弦量时将产生波形误差；4适应最高频率为10kHz；5一般多做成电压表；6最小量程单独使用一条标尺 一般10V 以下的量程都单独用一条标尺。返回第二节 用电磁系仪表直接测量一、电磁系仪表的结构一、电磁系仪表的结构吸引型吸引型线圈磁屏蔽阻尼片永久磁铁偏心铁片铁芯游丝指针平衡锤i吸引型的结构排斥型排斥型的结构静片动片阻尼片线圈二、电磁系仪表的工作原理 以吸引型
4、的电磁系仪表为例 1转动力矩 由通过线圈的电流产生磁场，使处于磁场中的铁片被磁化，由磁场和磁场相互作用而产生力矩。线圈中的磁场能量为 根据能量的平衡关系由于221LiWddFlWddlR故平均转动力矩为 得21dd2FRiL21d2dLmi200111ddd2dTTLMm titTT221IM ddL2MkI2反作用力矩反作用力矩由游丝产生 两力矩相等时，指针稳定在平衡点。有 得MW2kIW22kIKIW3阻尼力矩有空气阻尼器和电磁阻尼器两种方式产生阻尼力矩空气阻尼器阻尼片电磁阻尼器阻尼盒阻尼片永久磁铁 三、电磁系电流表 由于电磁系仪表指针的偏转角与通过线圈电流有效值的平方成正比，因此，刻度不
5、均匀。改变量程：一般是将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联来改变电流量程，双量程电流表改变量程的原理电路如图。两段线圈的串联 两段线圈的并联三量程电流表改变量程的原理电路 四段串联 两两并联再串联 四段并联量程为I 量程为2I 量程为4I四、电磁系电压表电压表所取的电流为 指针偏转角与被测电压的关系为22)()(LrRUI2222()()KUKIRrL可见，电压表的读数与电源频率有关。频率补偿电路 R1和 L 为固定线圈的等值电阻和等值电感 R2为补偿电阻，C 为补偿电容，电路的总阻抗为R1R2LC222112222222221()111RCRZRj LRjLC RC Rj CR五、电磁系
6、仪表的频率补偿 取得 从原理上讲，对于所用的频率引起的误差都可以得到补偿。2122()ZRRjLCR22LCR12ZRR六、电磁系仪表的技术特性1结构简单，价格低廉；2准确度低，最高为0.5级；3灵敏度低，因为线圈需要足够的电流来产生磁场；4交直流两用；5刻度不均匀；6频率误差大，主要用于工频测量；7由于本身磁场较弱，抗干扰能力差；8内部功耗较大；9过载能力强。返回第三节 用电动系仪表直接测量一、电动系仪表的结构一、电动系仪表的结构 电动系仪表的结构示意图定圈和动圈 定圈和动圈BFF动圈定圈二、电动系仪表的工作原理 设通过定圈的电流为，通过动圈的电流为，则定圈中产生的磁感应强度为1 1Bk i
7、 根据磁电系仪表转矩与磁感应强度和电流的关系，可得到电动系仪表的瞬时转矩为223 1 2mk Bik i i 由于仪表可动部分的惯性来不及随瞬时转矩转动，只能反映出平均转矩，平均转矩为3 1 20011ddTTMm tk i itTT设 代入上式可得tIicos211)cos(222tIi1 2cosKI I 可见，电动系仪表指针的偏转角与通过两线圈电流有效值及两电流相位差角的余弦三者乘积成正比。三、电动系电流表 如果把定圈和动圈串联起来，则两线圈通过同一电流，此时得 可见，指针的偏转角与通过线圈的电流有效值的平方成正比。2KI21II 1cos四、电动系电压表电动系电压表的电路 指针的偏转角
8、与被测电压有效值的平方成正比22U2UKK URu3电压表的电路R1R2R3u1u2五、电动系仪表的技术特性 1准确度高，最高为0.1级；2灵敏度低；3交直流两用；4电流表和电压表刻度不均匀；5适应最高频率为；6过载能力差；7功耗大。返回第四节 用静电系仪表测量电压 一、静电系测量机构定叶片动叶片阻尼片指针游丝 静电系测量机构可动部分的偏转角取决于电压的平方 21d2dCUW 静电系测量机构 二、静电系电压表 静电系电压表扩大量程采用串联电容分压器来实现，如图所示。C1C2C001UUUx121CCCm0mUUx分压比近似为则三、静电系电压表的技术特性 1灵敏度低；2准确度低，易受外界电场的影
9、响；3刻度不均匀；4交直流两用；5频带宽，可从0到几MHz；6功耗小，几乎不消耗功率；7便携式电压表最大量程为30kV。返回第五节 用交流电位差计测量电压一、交流电位差计的特点1准确度低；2输入阻抗高；3正弦交流电压的补偿难度大。判断两个正弦电压是否相等的条件：周期或频率、振幅或有效值和初相位 电压补偿的条件 xUU.二、极坐标式电位差计 原理电路如图 xUU.xUU x 极坐标式电位差计原理电路ARR0DiABCUx由 得补偿条件为三、直角坐标式电位差计三、直角坐标式电位差计 电压补偿的相量图未知电压 可以用电压 和 来进行补偿；未知电压 可以用电压 和 来进行补偿。Ux1Ux2UA1UA2
10、UB2UB1.1xU.A1U.B1U.2xU.A2U.B2U直角坐标式电位差计的电路，如图。返回RBUA 直角坐标式电位差计原理电路ADUUxUBRAR2R1 I1I2MOEMBA第六节 测量用互感器 利用互感器具有以下优点：（1）降低仪表的损耗；（2）测量结果的准确度受频率影响小；（3）可以保护操作人员的安全；（4）有利于仪表制造规格的标准化。一、电压互感器电压互感器相当于一个降压变压器，符号如图。变压比为或变差（比差）为AaxX11U22UNKUNU2111U11100%100%K UUUUUU电压互感器的符号使用电压互感器应注意的问题：（1）所选电压互感器一次侧线圈额定电压应大于被测压。
11、（2）与电压互感器配套使用的测量仪表一般选择量程为的交流电压表。测量时，将电压表的读数乘以电压互感器的变比，就得到被测电压。（3）电压互感器的一、二次侧绝对不能接反，A、X应接被测电压，a、x应接电压表。（4）电压互感器的二次侧不允许短路。因二次侧短路时将产生很大的短路电流，导致互感器的损坏。所以，为防止二次侧短路，必须在二次侧安装熔断器。事实上，为防止电压互感器一次侧的过电压，一般也安装熔断器。（5）为防止故障时二次侧电压升高，电压互感器的二次侧线圈、外壳和铁芯要可靠接地，以确保人身和设备的安全。二、电流互感器电流互感器相当于一个升压变压器，符号如图。1221NNIIKI%100%10011
12、2111IIIKIIIII返回变流比 为比差为 L1K1K2L2电流互感器的符号使用电流互感器应注意的问题：（1）所选电流互感器一次侧绕组额定电流应大于被测电流，同时要求电流互感器的额定电压与被测电路的电压等级相符。（2）与电流互感器配套使用的测量仪表一般选择量程为的交流电流表。测量时，将电流表的读数乘以电流互感器的变比，就得到被测电流。（3）电流互感器的一、二次侧也不能接反，、串入被测电路，、接电流表。（4）电流互感器的二次侧不允许开路。否则，二次侧将产生很高的电压，可能将互感器的绝缘击穿。（5）电流互感器的二次侧不允许接熔断器，需要更换测量仪表时，用开关先将二次侧短路，更换仪表后再将开关打
13、开。（6）为了人身和设备的安全，电流互感器的二次侧线圈、铁芯和外壳也要可靠接地。三、钳形电流表 钳形电流表是一种在不切断一次侧电路情况下测量电流的仪表，由钳形电流互感器和电流表构成，如图。当紧握手柄时，铁芯可以张开，使铁芯包围被测电流通过的导线；松开手柄时，铁芯闭合，铁芯包围的导线就是电流互感器的一次侧绕组，二次侧绕组线圈已在内部与电流表串联。钳形电流表的结构铁芯转换开关 这种钳形电流表在测量电流时，由于不切断一次侧电路，所以使用特别方便，但准确度较低，一般不超过2.0级。一、ACDC 变换 由于没有理想的整流元件，测量结果的误差一般都比较大，因此，这种方法目前应用较少。二、用电位差计测量正弦
14、交流电流 如同直流电位差计测量直流电流一样，用交流电位差计也不能直接测量交流电流。可以让被测电流通过一标准电阻，用电位差计测量标准电阻两端的电压，然后再换算成电流，可以实现电流的间接测量。第七节 交流电压和电流的间接测量I2DN0N1N2I1*电流比较仪的电路图三、电流比较仪 电流比较仪的电路如图3-27所示，两个绕组绕在同一个铁芯上，分别通入两个电流，两电流产生的磁场方向相反。当 时，铁芯中为零磁通状态，此时有.1122I NI N.112.212IININI 可见，两电流比等于两匝数比。如果两电流之一为已知，可测出另一个电流。四、电风车电压传感器 电风车是一种验电设备，结构如图，它的起动电
15、压为 3000V，在3000V 以上，转速与外加电压基本满足线性关系，而且，外加电压越高，线性度越好。电极绝缘环叶片u电风车的结构电风车电压传感器的结构 u光 源光敏元件 光源驱动电路 信号放大电路光纤光纤电风车电风车电压传感器的结构被测电压的有效值与转速的关系为 3NUKnKt返回 根据工作原理，光纤电压传感器可以分为功能型和非功能型两种。在非功能型光纤电压传感器中，光纤只作为光的传输介质，光调制由其他晶体完成；在功能型光纤电压传感器中，光纤不只是作为光的传输介质，本身还作为进行光调制的敏感元件。这里只介绍基于电光效应的非功能型光纤电压传感器，这种光纤电压传感器是根据BSO（硅酸铋）等晶体的
16、电光效应制成的。当在晶体上施加电压时，晶体的折射率发生变化，光在晶体中传播时，将发生双折射现象，使出射的两束光产生相位差，通过对相位差的测量，可以测得外加电压。五、光纤电压传感器光纤电压传感器的结构 光纤电压传感器与传统电压互感器相比具有以下特点：（1）灵敏度高；（2）体积小、重量轻；（3）耐高压，绝缘性能好；（4）频带宽、响应快；（5）抗电磁干扰能力强。光纤电压传感器的结构示意图光源晶体u信号处理电路六、光纤电流传感器 这里只介绍全光纤电流传感器，结构如图。光源起偏器光纤传感头检偏器信号处理电路全光纤电流传感器的结构I 将光纤缠绕在被测通电导体周围，利用光纤的偏振特性，通过测量光纤中的法拉第
17、旋转角实现电流的间接测量。由于传光与传感部分均采用光纤，因此称之为全光纤电流传感器。在纵向磁场的作用下，光纤中传输偏振光的偏振面旋转角为式中：V 是光纤材料的Verdet 常数；H 是磁场强度；l 是磁场作用下的光纤长度；N 是光纤绕载流导体的匝数；I 是穿过光纤环的电流。dH lVNI 光纤电流传感器除具备光纤电压传感器的特点外，还具备以下特点：（1）动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持线性特性；（2）不存在饱和现象；（3）不存在大电感引起的滞后现象。第八节 配电网电容电流的测量 介绍在电压互感器开三角绕组端注入交流电流实现电容电流测量的方法，测量原理电路如图。CB 配电网电容电流测量电路
18、NANBNCNaNcNbi1i2i3CACCi0eAeCeB 如果在电压互感器开三角绕组端注入一交流电流，则在电压互感器的一次侧绕组分别流出电流i1、i2和i3，设一、二次侧绕组的匝数分别为n1和n2，忽略励磁电流，有 因i1、i2和i3是零序电流，故不能在电源和负载之间流通，只能通过线路对地电容形成回路。这三个电流将分别在电压互感器的三相绕组电阻、漏抗和导线对地电容上产生压降。设电压互感器的三相绕组电阻、漏抗和导线对地电容相等，则三相电流分别在其中产生的压降也相等，这时在开三角绕组端口就得到一零序电压返回123iii式中：R 为电压互感器单相绕组的电阻；XL为单相绕组的漏抗；C 为单相导线对地电容。由于U0和I0可以测得，n1和n2也为已知，则式中有R、XL和C三个未知数。要想求出导线对地电容，必须有三个方程，为此，可以在电压互感器开三角绕组端分别注入三个幅值相同而频率不同的电流，可得到三个方程，解出导线对地电容即可求出电容电流。222200113()()LnUIRXnC
