感应系电能表

3．5．1　感应系电能表

感应系电能表是积算电能的仪表。电能的单位是千瓦小时（kW·h），俗称“度”，所以电能表又叫千瓦小时表或电度表，俗称火表。发电、供电部门，工农业生产部门，凡是用电的单位都要用到电能表，以计算发、供、用电能的数量。

1）感应系电能表的结构

感应系电能表一般由测量机构和辅助部件两大部分组成。

（1）测量机构

感应系电能表的测量机构简图如图3．36所示。

测量机构是电能表实现电能测量的核心部分，它由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器五大部分组成。

①驱动元件（电磁元件）

驱动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，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。电压元件由电压铁心1、电压线圈13和回磁极12组成，电流元件由电流铁心2和电流线圈14组成。

②转动元件

转动元件由转盘3和转轴4组成。转盘用纯铝板制成，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9上的蜗轮7相啮合。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。

1—电压铁心 2—电流铁心 3—转盘 4—转轴 5—上轴承6—下轴承 7—蜗轮 8—制动元件 9—计度器 10—接线端子11—铭牌 12—回磁极 13—电压线圈 14—电流线圈

图3．36　单相交流感应式电能表测量机构

③制动元件

制动元件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。

④轴承

轴承由上、下轴承组成。上轴承位于转轴上端，起定位和导向作用。下轴承位于转轴下端，用以支撑转动元件的全部重量。

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，计度器主要有指针式和字轮式两种形式。较常见的为字轮式计度器，

（2）辅助部件

辅助部件包括底座、表盖、基架、端钮盒和铭牌。

2）感应系电能表的工作原理

（1）转动力矩

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，这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。

在图3．36中，上面的线圈是电压线圈，电压线圈与负载并联，在电压铁心产生的磁通为Ф_U；下面的线圈是电流线圈，电流线圈与负载串联，电流铁心中产生的磁通穿过铝盘时，一个向上为Ф_I、一个向下为Ф_I′。这三个磁通都穿过铝盘，而且在铝盘中感应出滞后90°的感应电动势以及三个感应电流i_U、i_I和i_I′，这三个电流都是涡流。

当Ф_U与i_I相互作用时，将产生力矩为：

其方向为逆时针；当Ф_I、Ф_I′与i_U相互作用时，也将产生力矩为

其方向为顺时针。m₁和m₂同时作用在铝盘上，两者又将合成一个力矩m，假设逆时针为m的正方向，则

由于仪表可动部分的惯性，它只能反映其平均转矩，设

φ_U＝Φ_Umsinωt i_I＝I_Imsin（ωt－φ₁）

有

式中：φ₁为φ_U与i_I的相位差；Ф_U为φ_U的有效值；I_I为i_I的有效值。

同理可得：

式中：φ₂为φ_I与i_U的相位差；Ф_I为φ_I的有效值；I_U为i_U的有效值。

因此，平均转矩为：

从以上讨论中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。

若忽略线圈的损耗和铁损耗以及漏磁通，则磁通与产生它的电流同相位，即φ_I与i_I同相位，φ_U与i_U同相位。由磁通产生的电流（涡流）滞后磁通90°，即i_I滞后φ_I为90°，i_U滞后φ_U为90°。假设负载为感性，有φ₂＝180°－φ，因为：Φ_I∝I_I，Φ_U∝I_UL，I_U∝Φ_U，所以：I_U∝U，Φ_I∝I_I∝I，可得：

可见，感应系仪表的转动力矩与负载的平均功率成正比。

（2）反作用力矩

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。感应系仪表的反作用力矩是用永久磁铁的磁场和由永久磁铁的磁场在铝盘中产生的涡流相互作用而产生的。永久磁铁的磁场φ_C穿过铝盘，当铝盘转动时，切割磁力线而产生涡流i_C，i_C的大小取决于φ_C和铝盘的转速ω，因为φ_C恒定，所以i_C正比于ω，即

反作用力矩M_α的方向可由左手定则决定，它与转动力矩的方向相反，其大小为：

制动力矩总是和转盘转速成正比变化，故能阻止转盘加速转动。

当转动力矩与反作用力矩相等时，铝盘匀速转动，达到动平衡，以稳定速度转动，有M＝M_α，即

K_PP＝ωK_C

得

将式（3．111）两边在t₁～t₂时间内积分为：

得

式中：W为负载在t₁～t₂时间内消耗的电能；N为铝盘在t₁～t₂时间内转动的周数。

在一定时间内，负载所消耗的电能和电能表的转数成正比，因此，通过记录转盘转数N就可以测量出负载在t₁～t₂时间内消耗的电能，并由转轴带动机械计数器显示出负载在一定时间内所消耗的电能。

3）感应系电能表的技术特性

（1）准确度低。这是因为铁心存在磁滞、涡流、非线性的影响和附加力矩的影响。

（2）灵敏度低。这是因为负载电流太小不能产生足够的磁场。

（3）负载电流范围宽（仪表的量程一般用负载电流表示），即过载能力强。这主要是因为负载电流不通过仪表的可动部分，一般可过载2～3倍。

（4）转动力矩大。它是所有直读式仪表转动力矩最大的一种仪表。

（5）一般只用于50Hz交流测量，不能直接测量直流电能。

（6）潜动。潜动是指当负载电流为0时，电能表转盘转动的现象。

4）感应系电能表的误差特性

感应系电能表的误差包括基本误差和附加误差两部分。

电能表在规定的电压、频率和温度条件下测得的相对误差为基本误差。电能表的基本误差随着负载电流和负载功率因数而变化的曲线称为电能表的负载特性曲线。影响负载特性曲线的因素主要有以下几个方面：

（1）抑制力矩。铝盘连续转动时，切割工作磁通，在铝盘中产生相应的感应电流，此电流与交变磁通相互作用，产生阻碍铝盘转的力矩，该力矩称为抑制力矩或自制动力矩。抑制力矩使电能表出现负误差。

（2）摩擦力矩。当可动部分转动时，转轴与轴承之间、机械计数器的传动齿轮之间必然存在与转动力矩方向相反的力矩，这就是摩擦力矩。它阻碍转盘的转动，使电能表出现负误差。

（3）电流线圈铁心磁化曲线的非线性。实现电能表正确计量的条件之一是应保证电流工作磁通与负载电流成正比，也就是磁通与电流是线性关系。但由于电流线圈铁心磁化曲线非线性的影响，使电流磁通不随负载电流成正比的变化。

（4）补偿力矩。为了补偿电流抑制力矩、摩擦力矩和电流铁心非线性影响引起的负误差，在电能表中设置的轻负载调整装置作为补偿装置，用以产生和驱动力矩方向相同的附加力矩，只要电能表接上电压，不论电能表是否有负载电流，补偿力矩总是存在。

电能表在运行中，由于电压、频率和温度等外界条件变化所产生的误差称为附加误差。产生附加误差原因主要有以下几个方面。

（1）电压。当加在电压线圈两端的电压发生变化时，使电能表产生电压附加误差，简称电压误差。

（2）温度。一般把标准温度规定为＋20℃。当电能表所处的环境温度与标准温度不同时，将产生附加误差，称为温度误差。温度的变化将引起两线圈中电流和电压的相位发生变化、反作用力矩发生变化等。

（3）频率。电能表是按电网额定频率设计的，当电网频率与电能表的额定频率不同时，将引起电流磁通、电压工作磁通幅值以及它们之间的相位差等变化，使电能表产生频率误差。

（4）其他。自热、电流和电压的谐波、电能表的位置等都是影响准确度的因素。