电子测量技术（主编田华、刘斌、袁振东 第二版 西安电子科大版）课件：第3章 电流、电压与功率测量03.pptVIP

　 3.5　功率测量　　电功率测量的主要任务是测量单位时间内电能量的大小，在以下几种场合必须加以考虑： 　　(1) 电力工程中电网的输出功率和负载的消耗功率。 　　(2) 电子装置和电子设备中直流电源的输出功率和各个电路单元消耗的功率。 　　(3) 高频无线电发射设施的发信功率，如广播电视塔的发射功率直接影响到广播电视信号的传播质量。 3.5.1　直流功率测量　　由电工学可知，功率即为单位时间内所做的功，具体表达式为　　对电功率来说，由于W=QU， ，代入后可得到 　　在电阻电路中，还可导出：　　因此直流功率的测量是相对简单的，只需测出I、U、R中的任意两个，即可算出功率P。一般测量中确实很少使用直流功率计，大多是通过使用电压表、电流表和电阻表来测定其参数。 3.5.2　交流功率测量　　交流功率通常是一个周期内的平均功率。当一个电路加上交流电压以后，对于纯电阻性的电路，总可以由节中所介绍的方式测出其三个参数中的两个，进而求出其功率。但对于存在电感或电容的电路，即非纯阻性电路，此测量不具有适用性。因为在这种电路中，电感与电容不消耗任何功率，只是以电场或磁场的形式交替地存储能量，表现在数学形式上是电压与电流存在一定的相位差。对于纯电感电路，电流滞后电压90°，如图3.18(a)所示；对于纯电容电路，电流超前于电压90°，如图3.18(b)所示。 图3.18　U与I的相位关系 　　设 ， 　　，则平均功率为 　　我们定义视在功率为PA=UI(单位为伏安)，无功功率为PR=UI sinθ(单位为乏)，有效平均功率为PT=UI cosθ(单位为瓦)，cosθ称为功率因数，当电路是纯电阻时cosθ=1，其变化范围在0和1之间。而当电路是纯电抗时cosθ=0。视在功率、无功功率与有效平均功率的关系为　　功率因数与视在功率，可以由功率因数表与电动式功率表等仪器直接测得。在电力工程中，往往根据电路是容性的或是感性的，加入相反的电抗进行补偿，使功率因数尽量接近于1，避免电能量在电路中的空耗。电动式功率表的大致原理如下： 仪表有两个线圈，一个是固定的，另一个是活 活动的，两个线圈串联相接。当被测电流流过两个线圈时，指针的偏转量与通过每个线圈的电流之积或被测电流的平方成正比。 　　图3.19为交直流功率表的工作原理及其与电路中单个负载的连接情况。值得指出的是，电流线圈C1－C2是与负载串联的，而电压线圈V1-V2是与负载并联的。为了保证测量的可靠与准确，电流线圈通常用粗导线绕制，且电感量尽量要小，以减小测量时电源在其上的压降；电压线圈的圈数要足够多，以尽量减小对电源的损耗。　　将功率表的结构作适当改变，即可成为功率因数表，其测量原理及电路连接如图3.20所示。 图3.19　功率测量原理 图3.20　功率因数测量原理 　　图3.20中，两个电压线圈互相垂直安装，一个与无感电阻相串联，一个与电感器相串联，所以可以近似地认为两线圈中的电流相位之差为90°。电流线圈是与电路相串联的，与被测线路电流同相。当功率因数为1时，与电阻串联的可动线圈中的电流与电流线圈中的电流同相，由于多线圈磁场的相互作用而产生转矩使可动线圈旋转，直至两个线圈的平面相互平行时为止，在此位置时仪表的指针指示功率因数为1。因为有串联电感器，另一个可动线圈中的电流的相位差为90°，所以不会产生转矩。 　　当功率因数为零时，和上述情形相反，仅有与电感器串联的可变线圈中产生的电流与电流线圈中的电流同相，两线圈产生的磁场的相互作用最终使仪表平衡于刻度指针为0处。对于介于0～1之间的功率因数，每个线圈中的电流均与电流线圈中的电流有同相分量，并产生相应的转矩，最终使指针平衡于总的转矩。 　　与功率测量密切相关的是电能量的测量。由功率测量的定义知 　　电能量一般用千瓦小时(kW·h)表示，1 kW·h＝3.6×106 J。能指示消耗多少电能的测量电能量的仪表称为电度表。电度表考虑了功率和时间两个因素。原理上它是一个小电动机，其瞬时速度与通过它的电流的功率成正比，在给定的时间里总转数与在该时间内所消耗的总能量成正比。经典型电度表的内部结构如图3.21所示。 图3.21　经典型电度表的结构 　　可以看出，仪表中两个线圈是相互串联的。工作时，串接于电路中的两线圈的电流即为实际电路的电流。而电枢中的电流与线电压成正比，周围的磁场与负载电流成正比。所以产生的转矩必然与线路电流和电压的乘积成正比。相应地，量具上记录的数据即为消耗的电量数。 　　与模拟式电度表不同，现在广泛使用的数字式电度表是一种智能化的电度表，其核心是内部集成有电压、电流检测，精确的时间基准，有的甚至包括微处理器的单片大规模集成电路，它不仅具有测量灵敏度高