感应式电能表

8 .计量检定合格 标志（许可证标志）
3 .精度（准确 度等级） 1 .名称
5 .额定频率：Hz
一、转盘转动原理及驱动力矩表达式
当电能表接入被测电路并接通负载后，则转盘 便开始不停地转动，转盘所以能转动，就是因为受 到某种电磁力形成的驱动力矩作用，即转盘是个导 体，其上有电流通过(形成了载流导体)，在磁场作 用下受力矩作用而转动。
感应式电能表
第一节 感应式电能表的结构和工作原理 重点
1）单相交流感应式有功电能表的测量机构。
2）转数与负载消耗电能的关系、单相感应式电能 表的相量图
3）感应式电能表的负载特性曲线
难点
1）转盘转动原理。Fra Baidu bibliotek
2）感应式电能表的误差特性
感应式电能表的优点：结构简单、工作可靠、维护方 便、调整容易。
缺点体积大、制造精度不容易提高。 电能表的分类： 1、按使用电源性质分：交流电能表和直流电能表 2、按结构和原理分：感应式电能表和电子式电能表 3、按准确度等级分类：普通式安装式电能表 (0.2、0.
当两Φ负部U3—载分6电。倍流气i隙通的过磁电阻流大线，圈铁4时心，的产磁生阻了小磁，通因Φ此∑ΦI，UF大它于也分为 （1）磁通ΦI，它通过的路经是
电流铁芯
气隙 气隙
转盘
气隙 电压铁芯
转盘
气隙
（2）磁通ΦIF 它通过的路径一部分是沿电流铁芯、回磁极到电流铁芯
另一边柱构成回路；另一部分是电流线圈的漏磁通，沿气隙 而闭合。 同理，穿过转盘的磁通ΦI称为电流工作磁通。
不大
绕制和检修线圈 便于绕制和检修 不便 便于绕制和检修
应用上 大批量使用 精密表 精密表
2．转动元件
导电率大 重量轻 一定的机械强度
由转盘5和转轴6组成，转盘用纯铝板制成，转盘
边缘涂以计算转数的标记。转轴一般用铝或铜合
金棒制成，转轴上装有蜗杆，蜗杆与计度器上的
蜗轮10相啮合，转轴上还装有钢丝制成的防潜针，
利用固定的交变磁场 与 由该磁场在可动部分的
导体（转盘）所产生的感生电流之间的相互作用， 产生一驱动力矩，使转盘以正比于负载功率的转 速转动的仪表。
单相感应式电能表的结构：
测量机构：驱动元件 1-4
辅助部件： 基架
底座
转动元件 5、6（8、9、10、11）
外壳
制动元件 7 永久磁铁及其调整装置
端钮盒
（1）磁通ΦUF。它通过的路径是由中心柱出发经上磁轭，
再沿两边柱到下磁轭，然后回到中心柱形成闭合回路，即
中心柱
上磁轭
两边柱
下磁轭
（2）磁通ΦU。它通过的路径是
中心柱
上磁轭
两边柱
还有一部分是经过空气隙 而闭合的漏磁通
回磁极
气隙
转盘
气隙
磁穿通过转Φ盘U路，径称穿为过电转压盘非，工称作为磁电通压。工作磁通，磁通ΦUF路径不
用以防止潜动。
转动元件的作用是在电能表工作时，把转盘转动 的转数传递给计度器。
3．制动元件
材料：铝镍合金或铝镍钴合金压铸而成。性能： 磁性稳定，受外界磁场和温度影响要小。调整 装置是为了改变制动力矩的大小
由永久磁铁及其调整装置组成。 它的作用是产生与驱动力矩方向相反的制动力矩，以
便使转盘的转动速度与 被测电路的功率成正比。 制动元件按永久磁铁的 结构形式及其在转盘上 的布置方式，可分为 如图所示的几种。
轴承 钢珠宝石轴承、磁力轴承 磁悬式
铭牌
计度器 积算机构 字轮式和指针式 磁推式
二 、电能表的结构（测量机构）
1．驱动元件 (电磁元件)
包括电压元件和电流元件
它的作用是接受被测电路的电压和电流， 并产生交变磁通，此交变磁通通过转盘时， 在转盘内产生感应电流，交变磁通和感应电 流相互作用，产生驱动力矩，使转盘转动。
字轮式计度器有一个重要的参数即传动比。
计度器的传动比是指其末位 字轮转一圈时转盘的转数。
（二）辅助部件
它包括底座、表盖、基架、端钮盒和铭牌。 1．底座
底座的作用是将电能表基架、端钮盒及表盖固定 在它的上面，并供电能表安装固定用。
2．表盖 表盖起密封和保护作用，通过透明部分可以看到
转盘转动和计度器的示数。
M Q KUI sin KUI cos KP
由此可见，单相有功电能表正确计量的条件应 满足： （1）电流工作磁通ΦI正比于负载电流I。 （2）电压工作磁通ΦU正比于电压 U。 （3）ψ＝90o±φ，这一条件称为正交条件。
从上面的讨论中，可以得出以下结论：
（1）两个交变的磁通彼此在时间上有不同的相 位，在空间上有不同的位置，才能产生驱动力 矩。 （2）转盘的转动方向是由时间上超前的磁通指 向迟后的磁通。
交变的工作磁通ΦI、ΦI′和ΦU穿过转盘时，各工作 磁通产生相应迟后90o的感应电动势ePI、ePI′和ePU以及感 应电流iPI、iPI′和iPU，这就是转盘上电流产生的原因。
2．移近磁场（旋转磁场）
由于磁通φI、φI′和φU随时间按正弦规律变 化，可画出各工作磁通随时间变化的关系曲线，如图 所示。当磁通穿过转盘时，在转盘上呈现的磁极极性 及磁通量的大小也在变化，对时间t1至t4各瞬时来说， 它们的变化情况如下图所示。
1 ．通过转盘的磁通
当电能表的电压线圈和电流线圈接到被测电路后，相 应地在电压铁芯和电流铁芯中产生了磁通，按右手螺旋法 则可以分别确定出磁通的方向，如图所示。
电 压 线 圈
电 压 铁 芯
回磁极
电能表内磁通的 分布情况
转盘
电流铁芯 电流线圈
电压线圈等效电路及相量图：
电压线圈2通以电压u时，线圈中有iU通过，按图 所示的电压、电流正方向，根据右手螺旋法则，确定 出磁通Φ∑U的正方向。磁通所通过的路径是一个闭合 回路，据此分析出磁通Φ∑U的路径分成两部分：
从图中得到，穿过转盘磁通最大值从磁极A1向磁极A 3逐渐移动，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。
工作磁通波形图及移进磁场的形成
穿过转盘的磁通最大值 从磁极A1向磁极A3逐渐移进，在一个周
期里
经过所有三个磁极并回到A1 ，不断重复，形成移进磁场。
4．驱动力矩和负载功率的关系
若忽略电能表电压线圈中的阻抗压降，则加在电压线圈 上的电压U与电压线圈中的感应电动势E相平衡，即
U E 4.44UWU f
U KUU
又根据磁路欧姆定律，流经电流线圈的负载电流I和电流工
作磁通ΦI的关系为
I
2IWI Rm
I KII
要使电能表能正确地测量有功电能，就要求驱动力矩 MQ必 须正比于被测负载的有功功率
（1）电压元件
由电压铁芯1、电压线圈2和回磁极12组成。 电压铁芯采用0.35～0.5mm厚的硅钢片叠成。 电压线圈的特点是匝数多、线径细。 电压线圈接到被测电路的电压回路，与负载是并联连接。 电能表接入被测电路后，不论有无负载电流，电压线圈总是
带电，成年累月地消耗电能 ，一般要求功率消耗不超过 1.5W。 回磁极固定在电压铁芯上，它的作用是构成电压工作磁通回 路。
（2）电流元件
由电流元件由电流铁芯3和电流线圈4组成。 电流铁芯是由0.35～0.5mm厚优质硅钢片叠成“U”形，
电流线圈通常分为匝数相等的两部分，分别绕在“U” 形铁芯的两柱上，其绕向相反，以保证电流磁通在铁 芯内的方向相同，如图所示。 电流线圈的特点是匝数少、线径粗。 电流线圈接到被测电路后，与负载是串联连接。
5、1.0、2.0、3.0级 )和携带式精密级电能表(0.01、 0.02、0.05、0.1、0.2 级) 4、按用途分类：工业与民用电能表及特殊用途电能表
1.1 单相交流感应式电能表的结构
感应式仪表： 利用固定的交变磁场与由该磁场在可动部分的导体中所感
应的电流之间的作用力而工作的仪表，称为感应式仪表。 常用的单相电能表就是一种感应式仪表，它是
图中表示出永久磁铁和转盘
的相对位置，永久磁铁1中 的磁通ФT从N极出发经过气 隙→转盘→气隙→永久磁铁 的S极，然后再沿永久磁铁 的磁轭回到N极构成回路， 此磁通是不随时间变化的。
制动力矩MT。它等于 MT FT hT
因为制动力FT∝ФTIT，而感应电流IT∝ФTn，所以
公式表明
制动力矩总是和转盘转速n成正比变 化，故能阻止转盘加速转动。
3．驱动力矩MQ
M Q K I U sin
它表明：电能表的驱动力矩和穿过转盘的 两个工作磁通以及它们之间相位差的正弦值乘 积成正比。 怎样做会改变电能表的转动方向？
从以上讨论中我们得到电能表转盘的旋转方向决定于旋 转磁场方向，若改变旋转磁场方向，电能表的转向也随之改变。 因此，若电流磁通方向改变（即电流线圈中电流方向改变）或 电压磁通方向改变（即电压线圈中电流方向改变），都将改变 电能表的转动方向。
电压工作磁通ΦU一次穿过转盘，电流工作磁通ΦI 从不同位置两次穿过转盘构成回路，对转盘而言，相当于
有大小相等方向相反的两个电流工作磁通ΦI和ΦI′通过 转盘，如图所示。
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）。
驱动元件的布置形式
驱动元件相对于转盘的位置，可分为切线式和辐射式两 种。切线式驱动元件垂直于转盘半径方向放置；辐射式驱动 元件平行于转盘半径方向放置。
切线式驱动元件分为分离式、封闭式和组合式三种基本结构
分离式 封闭式 组合式
耗用硅钢片 计量特性重复性 潜动影响
少
不好
易于产生
较多
好
不易产生
较少
较好
3．基架
基架的作用是用来支撑和固定测量机构及调整装置。
4．端钮盒
端钮盒的作用是用来将测量机构的电流、电压线圈与 被测电路相连接。
5．铭牌
铭牌可以固定在计度器框架上，也可附在表盖上，铭 牌上标志的含义分别说明如下：
三、 电能表的铭牌标志
2.型号 6.额定电压 电流
7.电能表 常数
4 .电能计量单位： kW . h、( kvar ·h)
移进磁场移进方向：由相位超前的 相位滞后的
移近磁场
假设（1）电压铁心和电流铁心工作在不饱和状态，则在正 弦交流电压和电流作用下，各工作磁通的波形按正弦规律 变化。
（2）忽略电流磁通回路中的损耗，则电流工作磁通ΦI与 负载电流I同相位。
（3）电压线圈的感抗很大，电压工作磁通ΦU滞后电压U约 90°。
二、制动力矩
当电能表的负载功率不变时，转盘就受到一个 大小和方向不变的驱动力矩的作用。如果仅有此力矩 且略大于转盘的固有阻力矩，转盘就开始等加速运动， 因此就不能有一个稳定的转速来正确反映一定的负载 功率。
为了使转盘在恒定的负载功率下做等速 旋转，就需对转盘施加一个与驱动力矩大小 相等、方向相反的反作用力矩，称为制动力 矩，为此设置永久磁铁。
（4）负载为感性，其功率因数角为φ。
驱动力矩MQ
电压 工作
ΦU 与 ipi 、 ipi ′
磁通
相互作用
产生逆时针转矩 m1 m1 ∝ ΦU ·ipi
ΦI 、 ΦI′产生 的感应
电流
电流 ΦI ΦI′ 与
工作 磁通
相互作用
产生顺时针转矩 m2 m2 ∝ ΦI ·ipu
ipu
ΦU 产 生的感 应电流
驱动力矩的瞬时值m的一般表达式为
由于转盘的转动惯量较大，因此转盘的转动方向决定于瞬 时转矩在一个周期的平均值，即
从向量图中可知，感应电流IPI与电压工作 磁通ΦU之间的相位角为φ，感应电流 IPU与电流工作磁通ΦI之间的相位角为 （90°+Ψ）。因此，一个周期内的平 均转矩，可得到，
作用在转盘上总的驱动力矩MQ为两个力矩之差
IPI∝ ΦI ， IPU ∝ ΦU 所以驱动力矩为
（2）磁力轴承。它的类型主要有两种，如图所 示。磁推轴承利用下轴承采用的磁铁之间的排斥 力支撑转动元件，而磁悬轴承利用上轴承采用的 磁铁之间的吸引力，将转动元件悬浮于空间。
硬度较大的宝石为主动 态，其磨损较a要小
工艺复杂，成本高，磨损 均匀，使用寿命延长
5．计度器
计度器的作用是累计电能表转盘的转数， 并通过齿轮比换算为电能单位的指示值。目前， 计度器主要有两种形式：指针式和字轮式。较常 见的为字轮式计度器，其结构如图所示。
4．轴承
其质量的好坏对电能表的准确度和使用寿 命有很大的影响
它由上、下轴承组成。上轴承位于转 轴上端，起定位和导向作用。图所示为一 种常见的上轴承结构。下轴承位于转轴下 端，用以支撑转动元件的全部重量。
4．轴承
又分为
正宝石轴承
现代电能表的轴承结构主要有两种： 和倒宝石轴承
（1）钢珠宝石轴承。它又可分为单宝石和双宝 石轴承，其结构的基本类型有三种，如图所示。