《电器测量技术》频率表、相位表和功率因数表（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《电器测量技术》频率表、相位表和功率因数表-讲义 1. 了解电动系比率表。 2. 了解电动系频率表。 3. 了解电动系相位表和功率因数表。 知识点一 电动系比率表 电动系频率表和相位表是利用具有特殊结构的电动系测量机构--电动系比率表来实现频率和相位测量的。为此，首先介绍一下电动系比率表的一般结构和工作原理。 电动系比率表的结构如图1所示。它与普通电动系仪表相比，具有如下特点： 1. 有两个可动线圈，其中一个用来产生转动力矩，而另一个用来产生反作用力矩。所以电动系比率表没有游丝。两个可动线圈彼此交叉设置，其夹角为δ；动圈和指针一起固定在转轴上。通过动圈的电流由不产生力矩的导流丝引入。 2. 电动系比率表也有一个分为两段绕制的定圈，这一点与普通电动系仪表完全相同，定圈是用来建立工作磁场的。如果工作磁场的磁路是铁磁物质，即定圈是绕在铁心上的，则就称为铁磁电动系比率表。 图1 电动系比率表的结构图 3. 工作原理与普通电动系仪表相同，但由于结构上的不同，普通电动系仪表的指针偏转角α与定圈电流和动圈电流的乘积成正比。而电动系比率表指针的偏转角α与定图电流无关，而与两个动圈电流之比有关，即 = 式中，α为指针的偏转角(α=0时，指针在标度尺中间位置)； I1、I2为动圈1和动圈2中的电流； 1为定圈电流与1的相位差； 2为定圈电流与2的相位差。 所以，这种仪表被称为比率计，又称流比计。 4. 由于电动系比率表中没有游丝，所以在电路接通以前，指针并不一定指零，可以停留在任意位置上。 5. 当电源电压、温度、外磁场等因素变化时，将引起1和2发生相同的变化，但其比值保持不变。因此，比率表的读数不受这些外界因素的影响，这是它很重要的一个优点。利用电动系比率表配以一定的测量线路，就可以制成电动系频率表、相位表或功率因数表。 电动系比率表与普通电动系仪表相比，特殊之处在于（ ） A. 只有一个可动线圈 B. 有两个可动线圈，一个产生转动力矩，一个产生反作用力矩且没有游丝 C. 定圈不是分为两段绕制 D. 动圈电流由游丝引入 【答案】B 【解析】电动系比率表有两个可动线圈，一个产生转动力矩，一个产生反作用力矩且没有游丝，而普通电动系仪表一般有游丝且可动线圈情况不同，定圈普通电动系仪表也多为两段绕制，动圈电流由导流丝引入。 1. 电动系比率表的指针偏转角α与（ ）有关 A. 定圈电流和动圈电流的乘积 B. 两个动圈电流之比 C. 定圈电流大小 D. 外界温度变化 【答案】B 【解析】普通电动系仪表指针偏转角α与定圈电流和动圈电流的乘积成正比，而电动系比率表指针的偏转角α与定圈电流无关，与两个动圈电流之比有关，且读数不受外界温度等因素影响。 2. 当电源电压、温度、外磁场等因素变化时，电动系比率表读数（ ） A. 会发生较大变化 B. 会发生微小变化 C. 不受影响 D. 完全无法指示 【答案】C 【解析】当电源电压、温度、外磁场等因素变化时，会引起两个动圈电流相同变化，但其比值保持不变，所以比率表的读数不受这些外界因素的影响。 3. 电动系比率表的动圈电流由（ ）引入 A. 游丝 B. 导流丝 C. 定圈直接引入 D. 外部独立线路 【答案】B 【解析】电动系比率表通过动圈的电流由不产生力矩的导流丝引入，并非游丝、定圈直接引入或外部独立线路。 1. 电动系比率表配以一定测量线路可制成以下哪种表（ ） A. 电压表 B. 电流表 C. 电动系频率表 D. 电阻表 【答案】C 【解析】利用电动系比率表配以一定的测量线路，可以制成电动系频率表、相位表或功率因数表，而不是电压表、电流表或电阻表。 2. 电动系比率表在电路接通以前，指针（ ） A. 一定指零 B. 停留在标度尺最大位置 C. 可以停留在任意位置上 D. 停留在标度尺最小位置 【答案】C 【解析】由于电动系比率表中没有游丝，所以在电路接通以前，指针并不一定指零，可以停留在任意位置上。 3. 若定圈是绕在铁心上的电动系比率表，则称为（ ） A. 普通电动系比率表 B. 铁磁电动系比率表 C. 电磁式比率表 D. 感应式比率表 【答案】B 【解析】如果工作磁场的磁路是铁磁物质，即定圈是绕在铁心上的，则就称为铁磁电动系比率表，而不是普通电动系比率表、电磁式比率表或感应式比率表。 · 电动系比率表的结构要点：电动系比率表具有独特结构，有两个可动线圈，一个产生转动力矩，一个产生反作用力矩且无游丝。两个可动线圈交叉设置，夹角为δ，与指针固定在转轴上，电流由导流丝引入。定圈分为两段绕制，若绕在铁心上则为铁磁电动系比率表，这种结构使其具有特殊性能。 · 电动系比率表的工作原理要点：其工作原理基于指针偏转角与两个动圈电流之比有关，与定圈电流无关。当外界因素如电源电压、温度、外磁场变化时，两个动圈电流同比例变化，比值不变，所以读数不受影响。这一原理是制成频率表、相位表和功率因数表的基础，通过设计测量线路建立电流比与测量量的关系实现测量。 · 电动系比率表制成仪表的要点：利用电动系比率表可制成电动系频率表、相位表和功率因数表。制成频率表时，通过测量线路使电流比与频率相关；制成相位表时，让电流比反映相位差；制成功率因数表也是基于电流比与功率因数的联系。这些仪表利用了电动系比率表读数不受外界因素影响的优点，能准确测量相应物理量。 知识点二 电动系频率表 电动系频率表的实物如图1所示，测量线路如图2所示。相量图和阻抗三角形如图3所示。图2中有两条并联支路：一条是动圈B1与电容C0串联；另一条是动圈B2在并联一个分流电阻R0后与定圈A-A、电感L、电容C以及电阻R串联。适当选择定圈支路的元件参数，使这条支路的串联谐振频率与仪表测量范围的中间频率f0相等。例如，对测量45~55Hz的频率表来说，f0=50Hz。 图1 电动系频率表 图2电动系频率表测量线路 A- A-定圈：B1、B2一动圈；L一电感：C、C0一电容；R、R0一电阻 图3 相量图和阻抗三角形 频率表的外部接线方法与电压表相同，是并联接入被测电路的。 当频率表接入电压为的被测电路后指针的偏转角α与两个动圈的关系是 Tanα=2πfC（2πfL-） 上式说明，当动圈B2支路中的电路参数R0、R、L、C以及动图B1支路中的C0为常数时，仪表指针的偏转角α只与频率f有关。这里指针的偏转可能出现三种情况： 1. 当指针停留在标尺中心位置时，α=0，tanα=0，则上式右边的因于2πfL-=0，f=即动圈B2支路中的R、L、C串联电路谐振，此时被测频率f与串联谐振率f0相等。 当指针从中心位置向右偏转时α>0，tanα>0，则上式右边的因子2πfL->0一，即f>。，被测频率f比串联谐振频率f0大。 2. 当指针从中心位置向左偏转时 α<0，tanα<0，则出现与2中相反的情况，即被测频率f比仪表串联谐振率f0小，即f<f0。 由上述讨论就得出了电动系频率表的标尺特性，即标度尺的中心位置恰好是频率表申联谐振频率f0。选择不同的谐振频率，就可构成不同测量范围的频率表。如D3-Hz型频率表的测量范围为45~55 Hz，900~1100Hz，1350~1650 Hz等多种，其准确度可达到0.2级。 在电力工业中，往往采用铁磁电动系比率表构成的频率表，它的工作原理与普通电动系频率表完全相同，通常制成安装式，量程为45~55Hz，其准确度可达到0.5级左右。 电动系频率表测量线路中，动圈B1与什么元件串联（ ） A. 定圈A-A B. 电容C0 C. 电感L D. 电阻R0 【答案】B 【解析】图2中有两条并联支路，一条是动圈B1与电容C0串联；另一条是动圈B2在并联一个分流电阻R0后与定圈A - A、电感L、电容C以及电阻R串联。 1. 对于测量45 - 55Hz的电动系频率表，其串联谐振频率f0为多少（ ） A. 45Hz B. 50Hz C. 55Hz D. 90Hz 【答案】B 【解析】适当选择定圈支路的元件参数，使这条支路的串联谐振频率与仪表测量范围的中间频率f0相等。 对测量45 - 55Hz的频率表来说，f0 = 50Hz。 2. 当电动系频率表指针停留在标尺中心位置时，说明什么（ ） A. 被测频率f比串联谐振频率f0大 B. 被测频率f比串联谐振频率f0小 C. 被测频率f与串联谐振率f0相等 D. 无法确定频率关系 【答案】C 【解析】当指针停留在标尺中心位置时，α = 0，tanα = 0，则上式右边的因子2πfL - = 0，f = 即动圈B2支路中的R、L、C串联电路谐振，此时被测频率f与串联谐振率f0相等。 3. 电动系频率表的外部接线方法与哪种仪表相同（ ） A. 电流表 B. 电压表 C. 功率表 D. 万用表 【答案】B 【解析】频率表的外部接线方法与电压表相同，是并联接入被测电路的。 1. 铁磁电动系比率表构成的频率表通常制成什么形式（ ） A. 便携式 B. 安装式 C. 数字式 D. 指针式 【答案】B 【解析】在电力工业中，往往采用铁磁电动系比率表构成的频率表，它的工作原理与普通电动系频率表完全相同，通常制成安装式。 2. D3 - Hz型频率表的测量范围不包括以下哪个（ ） A. 45 - 55 Hz B. 900 - 1100Hz C. 1350 - 1650 Hz D. 2000 - 2200Hz 【答案】D 【解析】如D3 - Hz型频率表的测量范围为45 - 55 Hz，900 - 1100Hz，1350 - 1650 Hz等多种。 3. 当电动系频率表指针从中心位置向右偏转时，说明什么（ ） A. 被测频率f比串联谐振频率f0小 B. 被测频率f与串联谐振率f0相等 C. 被测频率f比串联谐振频率f0大 D. 指针偏转与频率无关 【答案】C 【解析】当指针从中心位置向右偏转时α>0，tanα>0，则上式右边的因子2πfL - >0，即f> ，被测频率f比串联谐振频率f0大。 · 电动系频率表结构：测量线路有两条并联支路，一条是动圈B1与电容C0串联；另一条是动圈B2并联分流电阻R0后与定圈A - A、电感L、电容C及电阻R串联。通过合理选择定圈支路元件参数，使串联谐振频率与测量范围中间频率f0相等。 · 电动系频率表工作原理：指针偏转角α与两个动圈有关，当动圈相关元件参数为常数时，α只与频率f有关。指针在标尺中心位置时，被测频率f与串联谐振率f0相等；向右偏转f>f0；向左偏转f<f0。 · 铁磁电动系比率表频率表特点：在电力工业中常用，工作原理与普通电动系频率表相同，通常制成安装式，量程多为45 - 55Hz，准确度可达0.5级左右，适合电力工业安装使用场景。 知识点三 电动系相位表和功率因数表 电动系相位表和功率因数表如图1所示，其工作原理、测线路完全相同，所不同的是，相位表的标度尺是按两个被测交流量的相位差φ刻度，而功率因数表按cosφ刻度。 图1 电动系相位表和功率因数表 图2是单相电动系相位表的测量线路，点画线框内是它的内部线路。测量时，固线圈A-A串联接入被测电路中，而动圈B1-B2与元件R1、R2和L1组成的电压支路并跨接在被测电路两端。 假设被测负载是一个感性负载，则负载电流(即流过定圈的电流)滞后于电压一个角度φ；由于动圈B1支路中有电感L1，因此流过动圈B1的电流1滞后于电压一个角度β；而动圈B2支路中串联的是一个纯电阻，因此2与电压同相(动圈电感忽略不计)，如图3所示。则1与的相位差 1=β-φ 图2 单相相位表的测量线路 图3 单相相位表相量图 2与的相位差 2=φ 将上述两个关系代入=中得 = 在图2相位表的内部线路中，选择合适的电路参数，总可以使I1=I2，即使动圈两条支路的阻抗在数值上相等，则有 R=R+ω2L 另外，选择动圈B1支路的参数时，使1与的相位差β和两个动圈B1-B2之间的夹角δ相等。在满足第一个条件后，选择两个动圈的夹角 δ=β=arctan（） 这样，=可变成 α= 因此，单相电动系相位表指针的偏转角α就等于被测电路中电流与电压的相位差角。显然，这种仪表的标度尺可以按或cos来刻度。当的符号改变时，仪表指针的偏转方向也将改变。所以，相位表的零点(当cos=1时)选择在标尺的中间。当指针向右偏转时，表示是容性负载；而向左偏转时，表示是感性负载。 使用单相相位表时要注意如下几点： (1) 使用前仪表的指针可以不在零位，这是因为电动系相位表没有产生反作用力矩的游丝，所以在未接入电路前，指针可以停留在任何位置。 (2) 选择相位表时要注意它的电流和电压量程，虽然指针的偏转角与电流和电压无关但它的线圈所能承受的电流和电压都是有限的，选择时不要使被测电路的电流和电压超过其量程。 (3) 单相相位表的接线与功率表相同，接入电路时，必须遵守发电机端原则。其接线方式也有电压线圈前接和后接两种。 (4) 单相相位表必须在规定的频率范围内使用，否则会因为在两个动圈支路中，B1支路的阻抗发生变化而使I1≠I2，β≠δ，导致仪表读数产生不能容许的误差。 最后介绍一下三相相位表。三相相位表是用来测量三相三线制对称负载的相位角或功率因数的，其连接线路如图4所示。与单相相位表的线路比较，可以看出： 图4 三相相位表的测线路 1　 两者的测量机构都是电动系比率表。 2　 三相相位表的动圈 B1中只串联了电阻 R1 而无电感。这是因为两个动圈的电路是接到三相电路的两线间，虽然两个动圈电路都是纯阻性的，但它们中的电流1和2是不同相的。可以证明，在参数选择合适的情况下，指针偏转角α与负载的相位角存在着一定的关系。 3　 两者的使用方法基本相同。只是在连接线时，要特别注意相序关系，不能接错。 电动系仪表的检修 (1) 拆装及调整时的注意事项 电动系仪表的检修程序和方法与其他仪表十分相似，但在修理此种仪表时应特别注意拆装步骤，具体做法如下： 1　 拆卸前应仔细观察仪表的结构特点和固定方式，分析所有紧固螺钉的用途及各个部件的装配顺序，然后确定拆卸顺序，避免错拆不需卸下的零件以至损坏仪表的元件或组装不起来。 2　 在拆卸测量结构时，应特别注意各零件间的相对位置，以便在装配时能恢复原状，还要避免破坏原来的刻度特性。 3　 拆卸下的零件要妥善存放，以免碰坏弄脏，特别是游丝、指针、轴尖、阻尼器翼片和可动线图等。 4　 应注意可动线圈和固定线圈与测量线路的连接方式。对于较复杂的线路应标以记号或绘出草困，以免在装配时接错。 5　 可动线圈与固定线圈起始角的相对位置应保持不变。 6　 修理过程中，对仪表的测量机构内外屏蔽不应增加几何铁磁物质，以避免仪表在直流电路中进行测量时产生剩磁，带来示值误差。 7　 修理过程中内外屏蔽罩应尽量不要碰撞，以免引起机械应力的变化造成屏蔽效果不好，带来示值误差或不回零位。 8　 在焊游丝或张丝时，应在它们没有任何扭力的状态下，使指针停于标尺盘的零位上。 9　 在在调整测量线路时，应注意温度补偿、频率补偿等元件，以保持其原有补偿条件。 (2) 常见故障及排除方法见表1。 表1 电动系仪表常见故障及排除方法 电动系相位表和功率因数表的主要区别在于（ ） A. 工作原理不同 B. 测量线路不同 C. 标度尺刻度方式不同 D. 适用场合不同 【答案】C 【解析】电动系相位表和功率因数表工作原理、测线路完全相同，不同在于相位表标度尺按两个被测交流量相位差φ刻度，功率因数表按cosφ刻度。 1. 单相电动系相位表测量时，固定线圈A-A应如何接入被测电路（ ） A. 并联 B. 串联 C. 短接 D. 断开 【答案】B 【解析】测量时，固定线圈A-A串联接入被测电路中，动圈B1 - B2与元件R1、R2和L1组成的电压支路并跨接在被测电路两端。 2. 对于单相电动系相位表，当被测负载为感性负载时，负载电流与电压的相位关系是（ ） A. 电流超前电压 B. 电流滞后电压 C. 电流与电压同相 D. 无法确定 【答案】B 【解析】假设被测负载是感性负载，负载电流（即流过定圈的电流）滞后于电压一个角度φ。 3. 单相电动系相位表指针偏转角α等于（ ） A. 两个动圈电流的相位差 B. 被测电路中电流与电压的相位差角 C. 动圈B1支路电流与电压的相位差 D. 动圈B2支路电流与电压的相位差 【答案】B 【解析】单相电动系相位表指针的偏转角α就等于被测电路中电流与电压的相位差角。 1. 使用单相电动系相位表时，关于量程选择说法正确的是（ ） A. 指针偏转角与电流和电压量程有关，需谨慎选择 B. 可随意选择量程，不影响测量 C. 虽指针偏转角与电流和电压无关，但线圈承受能力有限，不能超量程 D. 只需考虑电压量程，电流量程无需考虑 【答案】C 【解析】虽然指针的偏转角与电流和电压无关，但它的线圈所能承受的电流和电压都是有限的，选择时不要使被测电路的电流和电压超过其量程。 2. 单相电动系相位表接入电路时，必须遵守的原则是（ ） A. 电流端原则 B. 电压端原则 C. 发电机端原则 D. 任意原则 【答案】C 【解析】单相相位表的接线与功率表相同，接入电路时，必须遵守发电机端原则。 3. 三相相位表与单相相位表测量机构相比，以下说法正确的是（ ） A. 三相相位表测量机构不是电动系比率表 B. 三相相位表动圈B1中串联了电感 C. 两者的测量机构都是电动系比率表 D. 三相相位表动圈B2中串联了电阻和电感 【答案】C 【解析】三相相位表与单相相位表比较，两者的测量机构都是电动系比率表。 · 电动系相位表和功率因数表区别：二者工作原理和测线路相同，区别在于标度尺刻度方式，相位表按两个被测交流量的相位差φ刻度，功率因数表按cosφ刻度。这种差异使得它们在测量和显示电气参数时具有不同的侧重点，相位表侧重于相位关系，功率因数表侧重于功率因数指标。 · 单相电动系相位表工作原理：测量时固定线圈串联接入被测电路，动圈与元件组成电压支路并跨接在被测电路两端。通过分析各支路电流与电压的相位关系，利用合适的电路参数，使指针偏转角等于被测电路中电流与电压的相位差角，标度尺可按相位差或cosφ刻度。 · 电动系仪表检修注意事项：拆装时要按顺序进行，注意零件相对位置，妥善存放零件，特别是精密零件。可动线圈与固定线圈起始角相对位置不变，修理中不增加几何铁磁物质，避免碰撞内外屏蔽罩，焊游丝或张丝时指针停零位，调整测量线路注意补偿元件。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$