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第2章指示仪表


§2.7 电动系仪表
电动系仪表用于交流精密测量及作为标准表,与电磁 系相比最大区别是以可动线圈代替可动铁芯,可以消除磁 滞和涡流的影响,使它的准确度得到提高。 另外电动系有固定和可动两套线圈,可以用来测量象 功率、电能等这类与两个电量有关的物理量。 电动系仪表是由可动线圈中电流所产生的磁场与一 个或几个固定线圈中的电流所产生的磁场相互作用而工作 的仪表。
<

br />电动系仪表驱动装置=固定线圈+可动线圈

一、测量机构的结构

1是固定线圈,它分 为二段,目的是为了获得 较均匀的磁场,也便于改 变电流量程, 两固定线圈 间有缝隙。 2 是可动线圈,固定 在转轴上。转轴放在固 定线圈缝隙之间,轴上固 定着指针7和游丝6。3是 空气阻尼翼片,4是阻尼箱。 游丝既产生反作用力 矩又作为引导电流的元件。

二、工作原理(定性分析)
固定线圈 通入电流I1
I1

产生 磁场1

B

可动线圈经游 丝通入电流I2 I2
受电磁力作 用产生转矩 M 可动线圈带 动指针偏转

?

电动系测量机构特点
1、由于电动系测量机构内部的磁场也是由空心线

圈产生的,因此比较弱,容易受外界磁场的干扰而产 生测量误差。
2、电动系测量机构中无铁磁物质,准确度可达

0.5级以上,最大为0.1级。

三、直流转矩公式 讨论三种情况下的M的方向
1. I1改变,I2不变; 当固定线圈通以直流电流I1时,产生一磁感应强度为B的 2. I1改变,I2不变; 3. I1,I2同时变化; 磁场。(右手螺旋法则)

若可动线圈通以直 流电流I2 ,则可动线 圈在磁场B中受到 电磁力F, 并在这力 的作用下,它产生偏 转,如图1-7-2所示。 (左手法则) 电动系测量机构的 可动部分所受的力矩为

dM12 M ? I1 I 2 d?

1、偏转角与直流电流的关系
游丝产生反作用力矩M?= W?, 平衡时M=M?


dM12 I1 I 2 ? W? d?
1 dM12 ?? I1 I 2 W d?
(1-7-1)

可见,指针偏转角?与可动线圈和固定线圈中流过 的直流电流之积I1、I2成正比,与互感随偏转角的变化 率成正比。

交流转矩公式
如果电流I1和I2同时改变方向,电动系测量机 构的转矩方向不变,因此,可以用来测量交流。设固

定线圈和活动线圈分别通以正弦电流i1, i2; 设:

i1 ? 2 I 1 sin ?t
则转矩的平均值为:

i2 ? 2 I 2 sin(?t ? ? )

T dM12 dM12 dt ? dM12 12 i i 1 dM 1 i1 i 2 1 2 ? i1i2 d? dt ? Td?d?T ? i1i2 d? 0 0 0 0 dM12 dM12 与直流公式只相差 cos? ? I 1 I 2 cos ? ? I 1 I 2 cos ? d? d?

1 1 M ? m(t ) ? M ? m(t ) ? T T

T T

T

2、偏转角与交流电流的关系
由 M = M?
则有

1 dM12 ?? I 1 I 2 cos ? W d?

(1-7-2)

可见,电动系测量机构的偏转取决于交流有效 值的乘积,并且与cos?有关,所以可做成相位表和 功率因数表,也可以做成功率表。

四、电动系电流表
在小电流时(小于

0.5A),把固定线圈和可动
线圈串联起来,如图1-7-3 所示,此时I1=I2=Ix,式(1-7-

1)表明,偏转角与被测电
流的平方成正比。

1 2 dM12 ? ? Ix W d?

可见电动系电流表 刻度 是非均匀的。

四、电动系电流表
电流表的指针偏转角α与电流平方成比例。和电磁系

一样,为了使仪表有足够安匝数,当被测电流为一定时,要
求线圈有足够匝数,这就使得内阻和表耗功率都增大,一般 电动系仪表内阻比电磁系还大。 电动系电流表和电磁系一样,也不采用分流器扩程,

理由与电磁系相同,常用的扩程方法是改变线圈的串并联
组合,交流扩程方法则多用互感器。

当被测电流大于0.5A时,可采用图如1-7-4所示的电路,即 把固定线圈串联后与可动线圈、附加电阻R并联起来,I1、I2 与被测电流Ix的关系为

R 02 ? R I1 ? I x ? K1 I x R 01 ? R 02 ? R I 2? R 01 I x? K 2 I x ? R 02 ? R

R 01

式中,R01为固定线圈的总电阻;R02为可动线圈的总电

阻;R为与可动线圈串联的附加电阻。

只要R选择合适,流过可动线圈的电流I2就可以不超过游 丝允许通过的电流值。加大固定线圈的导线直径,可以通过 较大的电流。在此电路中,可动部分的偏转角与Ix的关系为
1 dM12 1 2 dM12 ?? I1 I 2 ? K1 K 2 I x W d? W d? 1 2 dM12 ? KI x W d? 式中,K=K1K2。

而采用改变线圈匝数的办法,一般把固定线圈分成几段, 改变它们的串并联组合,就可以改变量限。交流电流表则多 采用电流互感器扩大量限。

五、电动系电压表
在电动系电压表中, 可动线圈与固定线圈相 互串联,与附加电阻形 成测量电路,其电路如 图1-7-5所示。改变附加 电阻可以改变电压量限。

若 某一量限附加电阻的值为Rvi,则可动部分的偏转角?为
Ux 1 2 dM12 1 1 U x dM12 ? ? I ? ? 2 W d? W ( R01 ? R02 ? Rvi ) W Rvi 2 d?
2 2

电动系电压表偏转角?与Ux2成比例

五、电动系电压表
电动系电压表可动部分的偏转角与被测电压的平方有 关,其标尺同样具有平方特性,为不均匀刻度。 多量限的电动系电压表,主要是利用附加电阻的改变 来实现的。附加电阻的接法见图。电动系电压表和电磁系

电压表一样,既要保证线圈能产生足够的磁化力,又要尽
量减少匝数,以免产生频率误差和温度误差。所以电动系 电压表具有较大表耗电流,或者说它的内阻比较小。 有些电压表为了适应较宽频率范围的测量,可采用并 联电容C的办法,如下图所示。

五、电动系电压表
在电流表的基础上串联附加电阻构成电动系电压表

☆六、电动系仪表技术特性
(1)准确度较高:没有磁滞和涡流的影响。

(2)可以交直流两用,可精确测量电压、电流、功
率还可以测量功率因数、频率、电容、电感和相位差 (3)易受外磁场影响:固定线圈产生的磁场弱。 (4)仪表本身消耗的功率较大。 (5)过载能力小:可动线圈的电流流经游丝。 (6)电动系电流表、电压表的标度尺刻度不均匀, 但构成功率表标度尺刻度是均匀的。

七、电动系功率表
电动系测量机构有两个线圈,根据P=UI,让固定线圈 1与负载串联,以反映负载的电流,改称为“电流线圈”; 让可动线圈2串接 一定的附加电阻Rv,然

后与负载并联,以反映
负载的电压,此时改称 为“电压线圈” ,其

电路见图。
如此电动系测量机构就 可以测量功率,称为功率表。

功率表测直流功率
如果功率表接在直流电路上,则通过线圈1的电流
I1就等于负载电流Ix。
通过可动线圈2的电流I2,在附 加电阻和线圈电阻保持不变的情况 下,正比于负载两端的电压U,即I2 =UX / R2(R2=Rv+R'2),且I2和I1的 相位差为零。

由 PX = IxUX = I1I2R2,
? ? ? I 1I 2 ? I XU X 1 dM 12 W d? 1 dM 12 ? KP X R 2 W d?



? ? UI ? P

可见功率表测直流:? ∝ Px

功率表测交流功率
如果功率表接在交流电路上,并假使附加电阻Rv较大,

并联支路(电压支路)的感抗可略去不计,电流(固定)线
圈电流I1=I。又由于并联支路已假定为阻性电路,I2与U同 相,所以I1与I2之间的相位差角ψ就等于U与I之间的相位差

?,其相量关系见图。

? ? UI cos ? ? Px

可见,电动系功率表既可用来测量直流功率也可以用 来测量交流功率,并且可用同一刻度。

1.功率表正确接线
因此功率表在使用中,要遵循一定的接线规则,即要保证两

线圈的电流都从同名端流入,例如图1-7-6所示的电压支路(可 后接法 动线圈)的“*”号端和电流支路的“*”号端联在一起, 这样
接线 前接 方式称“前接”。 法 另一种 正确的接线 方式为“后 接”, 如图 1-7-7所示。

2.功率测量
①单相测功率 电动系功率表可以用来测量直流功率、单相交流功率、 三相有功功率、三相无功功率等。

直流功率的测量电路如图 1-7-8所示。单相交流功率的测量 电路如图1-7-9所示。一般要按图1-7-9的接表方式同时接入电流

表和电压表,以监视电流和电压的量值。

三相交流电路中有功功率的测量
三相交流电路在实际工程上应用很广,因 此对三相交流电路进行功率测量尤为重要。 三相功率的测量方法:三相交流电路分为 完全对称电路(电源对称、负载对称)和不对称 电路,而不对称电路又分为简单不对称电路 (电源对称,负载不对称)和复杂不对称电路(电 源和负载都不对称)。 跟据三相交流电路特点 不同,其测量方法也不同。

①三相交流电路一表法测量有功功率

用一表法测量对称三相电路的有功功率。即利 用一只单相功率表直接测量三相完全对称的电路中 任意一相的功率,然后将其读数乘以3,便可得出三 相交流电路所消耗功率。

②两表法测功率

三相电路有功功率的测量,有两表法和三表法两种。对于 三相三线制系统,多采用图1-7-10所示的两表法测量电路, 这种 测量方法不要求被测电路对称,三相总功率为两功率表的示值

之和, 即

P=P1+P2。

两表法测功率
(1)两只功率表的电流线圈分别串接任意两 相,但电流线圈的同名端必须接到电源侧; (2)两功率表的电压线圈的同名端,必须 分别接到各自电流线圈所在的相上,而另一端接 在公共相上。 只要是三相三线制(ia+ib+ic=0),不论负载 是否对称,两功率表读数之和等于三相总功率。

P = P 1 + P2

③三表法测功率
三表法适用于三相四线制系统功率的测量,电路如图1-7-11 所示。不论被测电路是否对称,三相总功率为三只功率表的示值

之和,即

P=P1+P2+P3

3.功率表读数
一般功率表标度尺上不标瓦特数,只标分格数,每一分 格的瓦数即为功率表常数 CP

Cp ?

UN IN

?m

式中,UN为所接量限的电压额定值,IN为所接量限的电 流额定值;?m为功率表标尺的满刻度格数。被测功率的大小, 应由功率表常数CP进行换算P= Cp? 式中,?为功率表指针偏

转的格数。

功率表读数例题
例题:若电压与电流额定值分别为UN=450V,IN
=5A,?m =150 DIV,测得指针偏转格数为80 DIV,

则被测功率为:

P ? C p? ?

UN IN

?m

450? 5 ?? 80 ? 1200 W 150

4.功率表的选择及使用
(1)功率表量限的正确选择:U、I、cos?。 (2)功率表的正确接法必须遵守“同名端” (“发电 机端”)守则。 (3)正确测量一相、三相交流电路功率的方法。

(4)正确读取功率表的示值:读数=格数×仪表常数。

4.功率表的选择及使用
(5)功率表量程包括功率、电压、电流

三个因素。功率量程表示负载功率因数 cos?=1,电流和电压均为额定值时的乘积。
(6)若cos?<1,即使电压与电流均达

额定,功率也不会达到额定值。可见功率表 的量程选择,实则就是选择电流和电压的额 定值。 (7)在实际测量中,为保护功率表,应 接入电流表和电压表,以监视负载电流和电 压不超过功率表的额定电压和额定电流。

4.功率表的选择及使用
例:有一感性负载,其功率约为1000W,功率因数为 0.8,工作在220V电路中,如用D9-W14多量限电动系功率 表测量负载实际功率,应怎样选择量限? 解:(1)因负载工作于220V电路中,故表额定电压量 程应选为300V,负载电流如下 P 1000 I? ? ? 5.68( A) U cos ? 220? 0.8 所以功率表应选用300V,10A量限 若负载工作于110V电路中,其它条件不变,又应如何?
I? P 1000 ? ? 11.36( A) U cos ? 110? 0.8

低功率因数功率表
(1)普通功率表满偏条件:Ux和Ix为额定值 且cos?=1

(2)用普通功率表测低功率因素负载,指 针偏转少,不易读数,误差大。
(3)低功率因素表灵敏度高,专用来测 cos?=0.1和cos?=0.2的负载。

☆三系指示仪表性能比较
比较项目 系别

磁电系

电磁系

电动系
固定线圈、 可动线圈
1 dM12 I1 I 2 cos ? W d?

测量机构结构 可动线圈 ?=? 过载能力 准确度灵敏度
?0
W I0

永久磁铁、 固定线圈、 动静铁片
1 2 dL I 2W d?

较弱 高

较强 不高

较弱 较高

刻度特性
测量对象 抗磁干扰

均匀
直流 强

不均匀
交、直流 弱

不均匀、均匀
交、直流 弱

表头损耗



较大

较大

第2章复习题2
12、电磁系仪表采用哪些措施来减少外磁干扰? 磁电系为什么不需要采用措施减来少外磁干扰? 13、电磁系和磁电系的过载能力有何差别,是什么原因造成的? 14、用(平均)转矩公式来说明磁电系、电磁系和电动系 仪表为什么能测量直流或交流? 15、磁电系、电磁系和电动系电压表的刻度尺有何区别, 试说明原因。 16、电动系功率表的接线应遵循什么规则?为什么? 17、测量交流负载有功功率时可使用一表法、二表法和三表法, 它们各适用什么情况下的负载? 18、电动系功率表的刻度为什么是均匀的? 19、熟练掌握电动系功率表的使用和读数(如1—22题)。

习题选解
1-2 为什么分流器要采用四端钮结构? 答:为了减小接触电阻对(小阻值的)分流器的影响。 1-9 功率表的接线规则是什么?为何要遵循这个接线 规则? 答:功率表的接线规则是“电源端守则” 。因为电动 系仪表的力矩方向与两线圈的电流方向有关,不遵守此规 则,可导致指针反转。 1-10 有一磁电系表头,内阻为150?,额定电压为45mV,现将 它改接为150mA量限的电流表,问应接多大的分流器?若将 它改接为15V的电压表,则应接多大的附加电阻? 答案:I0 = 0.3mA;Rf = 45mV、150mA;Rv = 50?。

★习题选解
★1-14 用内阻为50K?的直流电压表测量某直流电 压时,电压表读数为100V,若改用内阻为100K的电压表测

量,则电压表读数为109V,问该电路的实际电压是多少?
解:

100V 109V Ix ? ? Rx ∥ Ro1 Rx ∥ Ro 2 U x ? I x Rx

Ix

V

解得 Ux = 120V

Rx

Ro

★习题选解
1-17、有一个测量电路如题1-17图所示,图中u1=100sin314t(V), U2=35(V),分别用磁电系、电磁系和电动系电压表测量电压

u1+U2,问仪表的指示各是多少? 解: 磁电系 : u1+U2 = 35V,
电磁系 : (35 +100/1.414)V 电磁系 : (35 +100/1.414)V

习题选解
1—19题:某电动系电压表满偏电流为 40mA,若制成150V/300V/450V/的三量限电压 表,求各量限的内阻和电压灵敏度。
解: Io=40mA, ⑴ 150V/Io=150÷40=3.75K? ?/V=3750/150=25 ⑵ 300V/Io=300÷40=7.5K? ?/V=7500/300=25

习题选解
1-22 有一电动系功率表,满刻度有150格,电流量 限有0.1~0.5A和0~1A两种,电压量限为37.5V、75V、 150V和300V四种,额定功率因数有cos? = 1, cos? =0.1两 种,试填写选用的仪表参数。 被测参数
Ux(V) Ix(A) cos?x 直流 交流 交流 30 70 220 0.8 0.8 0.7 1 0.8 0.1 UN 37.5 75 300 IN 1 1 1 1.0 0.1

选用仪表参数
cos?N 仪表常数 0.25 0.5 0.2
仪表格数

96 89.6 77


1-1 1-2 1-4 1-9 1-10



磁电系测量机构的特点有哪些? 为什么分流器要采用四端钮结构? 检流计的结构有什么特点?使用中应注意什么? 功率表的接线规则是什么?为何要遵循这个接线规则? 有一磁电系表头,内阻为150W,额定电压为45mV,现将 它改接为150mA量限的电流表,问应接多大的分流器? 若将它改接为15V的电压表,则应接多大的附加电阻?





1-16 一个微安表,量限为100uA,内阻是500W,问:
(1)用该表组成一个电压表时,若电压表的量限分别为 10V和100V时,求该电压表的测量电路及附加电阻的阻值; (2)用该表组成一个量限为100mA、10mA和1mA的电流表 该用什么样的电路,电路的电阻各是多少?


1-17 有一个测量电路



如题1-17图所示,图中
u1=100sin314t(V), U2=35(V),分别用磁电系、 电磁系和电动系电压表 测量电压u1+U2,问仪表 的指示各是多少?


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