电气测量技术.doc
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1、模块三 电气测量技术的应用电气测量技术是电气工作中重要的组成部分。电器产品的生产制造与、安装使用、维修中,都要通过电器测量的方式,来确定技术参数和质量,从而为实现生产程序化提供有利的条件。应用电磁的基本规律对电气量进行测量叫做电气测量。电气测量是电工实训中不可缺少的一个重要部分,它的主要任务是测量电流、电压、电功率和电阻等各种基本电气参数,从而达到下列几个要求:一是研究和确定电磁现象中各种量之间的关系,从而得出某种结论;二是了解生产中各种电气设备的工作情况,从而保证其正常运行;三是有助于检验、维护与检修等工作。3.1 电气测量技术实训基础本节的学习目的在于了解和掌握常用的电工测量仪表的使用、电
2、阻和电感串联的交流电路、负载星形联接的三相电路、三相变压器的联接组别等问题,为下节电气测量技术实训做准备。 3.1.1电气测量仪表3.1.1.1万用表万用表是一种多功能、多用途的仪表,它可用来测量电阻、交直流电压、直流电流,有的还能测量交流电流、电感、电容、音频电平和晶体管放大倍数等。其工作原理是利用磁电系测量机构(即表头),配合测量线路,并通过转换开关来实现各种测量功能的。其原理请参考初级电工技能考核指导,现将指针式万用表的使用简述如下: (1)万用表在测量前,应通过面板上的调零螺钉进行机械调零,以保证测量的准确性。 (2)在测量电阻时,每转换一次量程,都要进行电气调零。其方法是将两根测试棒
3、(或表笔)短接,如指针不在零位上,则调节面板上的“欧姆调零旋钮”,使指针指零。 (3)端钮(或插孔)要选择正确。万用表一般配有红、黑两种颜色的测试棒,面板上也有红、黑两色端钮或标有“”、“”极性的插孔。使用时应将红色测试棒的连接线插入标有“”号的插孔内,黑色测试棒的连接线插入标有“”号的插孔内。 (4)根据测量对象,选择正确的档位和量程。 (5)测量电压时,万用表并联在线路中,测量直流电压时,红色测试棒接正极,黑色测试棒接负极。 (6)测量电流时,万用表串联在线路中,测量直流电流时,红色测试棒接正极,黑色测试棒接负极。 3.1.1.2单臂电桥其特点是测量精度高、范围大,适用于测量110左右的中
4、阻值电阻。1.工作原理 直流单臂电桥简称电桥(又叫惠斯登电桥),它的特点是测量准确度高,其基本工作原理如图3-1-1所示。 图3-1-1 电桥的原理图图3-1-1中被测电阻R与已知标准电阻R2、R3和R4连成四边形的桥式电路,四条支路ac、cb、bd、da分别称为桥臂。当电源接通后,调节电桥的一个或几个臂的电阻,使检流计的指针指示为零,即达到电桥平衡。 电桥平衡时,Icd=0,即c点和d点的电位相等,则:Uac = Uad 即I R= I4 R4 (3-1)Ucb = Ubd 即I2 R2=I3 R3 (3-2)公式(3-1)除以公式(3-2),得 由于IGd=0,所以I=I2,I4=I3,代
5、入上式得: (3-3)(3-3)式中,R2/R3称电桥的比率,其比值R2/R3常配成各种固定的比例,构成仪表上的比率臂(又叫倍率盘,分为0.001、0.01、0.1、1、10、100、1000共七档)。R4称为比较电阻,构成仪表上的比较臂(共有1、10、100、1000四个可调旋钮),一般为可调电阻。在测量时,可根据被测电阻的粗测值,选择适当的倍率档,然后调节比较臂旋钮,使电桥平衡,则比较臂的数值乘以倍率档的倍数,就是被测电阻的电阻值。2.面板介绍 单臂电桥面板如图3-1-2所示(以QJ23a型为例)。3.操作步骤(1)用万用表粗测被测电阻,以便正确选择单臂电桥的倍率档(表盒盖上或底部有选择范
6、围)。(2)选择单臂电桥的电源和检流计(即内接还是外接),并确认其处于完好状态。(3)调节检流计调零旋钮,使检流计指零,然后把被测电阻接入“R”两端。(4)根据粗测电阻值,先把1000的比较臂旋钮置于相应的数字上,然后选择适当的倍率档。(5)按照感性电阻的测量顺序,先按“B”,然后点动“G”,看表针是否打向“”(或“十”)的一边,此时应减少(或增加)千位或百位比较臂上的数值,使表针偏“”或“十”,且不打表针,然后分别锁住B、G按钮。逐步增加(或减少)百位、十位、个位或千位比较臂上的数值,使检流计逐渐指零,读出比较臂从千位到个位的数字,再乘以倍率值,即为精测电阻值。例:比较臂数字为3125,倍率
7、盘为0.001,则电阻为3.125。(6)测量完毕后,应按照先放开“G”再放开“B”的顺序操作,以防止电感放电损坏检流计。注意:测量时如果检流计指针指不到零位,可能是倍率档选错。G外接B外接RXBG内接外接外接内接比率臂比较臂检流计图3-1-2 单臂电桥面板图3.1.1.3功率表1.工作原理 功率表大多采用电动系测量机构,电动系功率表与电动系电流表、电压表的不同之处为:定圈(即电流线圈)和动圈(即电压线圈)不是串联起来构成一条支路,而是分别将定圈与负载串联,将动圈与负载并联。由于仪表指针的偏转角度与负载电流和电压的乘积成正比,故可测量负载的功率。2.表盘介绍 功率表的表盘如图3-1-3所示。电
8、流线圈有两个,可以接成串联(量程为0.5A),也可接成并联(量程为1A),如图3-1-4所示。3.正确选择量程 选择瓦特表的量程,实际上是要正确选择瓦特表的电流和电压量程,务必使电流量程能允许通过负载电流,电压量程能承受负载电压。4.正确接线 瓦特表的偏转方向,是由通入电流线圈和电压线圈的电流方向来决定的,如改变其中一个线圈的电流方向,指针就反转(此时可调节极性调整旋钮)。为了使瓦特表在电路中不致接错,通常在电流线圈和电压线圈的一个端钮上标有“*”,叫做电源端钮,接线时必须使电流线圈和电压线圈的电源端钮都接到同一极性的位置,以保证两个线圈的电流都从标有*号的电源端钮流入。并使电压线圈与负载并联
9、,电流线圈与负载串联。5.正确读数 在多量程瓦特表的面板上,一般只刻有一条标度尺。因此在使用时必须先求出选用的电压和电流的乘积与满标值的比值,即 C= UcIc /m(式中Uc为电压量程,Ic为电流量程, m为表盘满刻度的分格数),再根据系数C和功率表指示格数,算出实际功率P=C格数,即得到负载的有功功率(单位为W)。 例:如选择电压量程300V,电流量程0.5A,则C=300V0.5A/150格=1瓦/每格。极性调整旋扭* 0V300V300V300V*+电压量限接线端电流接线端电流量限短接片.2.5A 5Aa)串联接法*IIb)并联接法*II图3-1-3 功率表的表盘图 图3-1-4 电流
10、线圈连接图 3.1.2电阻与电感元件串联的交流电路 电阻与电感元件串联的交流电路如图3-1-5所示,电路的各元件通过同一电流,电感的电压相位超前电流900,电阻的电压与电流的相位相同,电流与各个元件电压的参考方向如图中所示,电路分析如下: 根据基尔霍夫电压定律列出: u=u+ u=Ri+L (3-4) 设电流i=Isint为参考正弦量,则电阻元件上的电压u与电流同相,即u=RIsint=sint电感元件上的电压u= ILsin(t+90)= sin(t+90)在上列各式中,=R=L=X同频率的正弦量相加,所得出的仍为同频率的正弦量。所以电源电压为:u=u+ u= sin(t+)其幅值为,与电流
11、i之间的相位差为。利用相量图来求幅值(或有效值U)和相位差,最为简便。如图3-1-5所示,如果将电压u,u用相量,表示,则相量相加即可得出电源电压u的相量。由电压相量,及所组成的直角三角形,称为电压三角形。利用这个电压三角形,可求得电源电压的有效值,即:U=I = (3-5)由上式可见,这种电路中电压与电流的有效值之比为。它的单位是欧姆(),具有对电流起阻碍作用的性质,称它为电路的阻抗模,用代表,即 = (3-6)=arctan,COS=可见,R,X三者之间的关系也可用一个直角三角形阻抗三角形来表示。由于电阻元件上要消耗电能,从电压三角形可得出UCOS=RI,于是可得正弦交流电路中有功功率P为
12、: P= UI=RI=UICOS (3-7) 式(3-7)中的COS称为功率因数。交流电路中电压与电流的关系有一定的规律性,通过上述分析,我们看到电压和阻抗三角形是相似的,只有找出这些规律才能在实际生产中发挥作用。3.1.3负载星形联接的三相电路三相电路中负载的联接方法有两种星形联接和三角形联接。这里主要分析一下负载星形联接的三相电路,首先画出电路图,并标出电压和电流的参考方向,然后应用电路的基本定律找出电压和电流之间的关系。知道了电压和电流的关系,再确定三相功率。负载星形联接的三相四线制电路可用图3-1-6所示的电路表示。每相负载的阻抗模分别为,和。电压和电流的参考方向都已在图中标出。. 三
13、相电路中的电流有相电流与线电流之分。每相负载中的电流I称为相电流,每根相线中的电流I称为线电流。在负载为星形联接时,显然,相电流即为线电流,即 I= I (3-8)三相电路中的电压有相电压与线电压之分。每相始端与末端间的电压,也即相线与中性线间的电压称为相电压,其有效值用,或一般地用表示。而任意两始端间的电压,也即两相线间的电压,称为线电压,其有效值用,或一般地用表示。在负载为星形联接时,线电压与相电压的关系为:= (3-9)在图3-1-6的电路中,电源相电压即为每相负载电压。于是每相负载中的电流的有效值可分别求出,即: =,=,= (3-10)中性线中的电流可以按照图3-1-6中所选定的参考
14、方向,应用基尔霍夫电流定律得出,即:= + + (1)当图3-1-6所示电路中负载对称时,所谓负载对称,就是指各相阻抗相等,即:=Z即: = = = (3-11)由式(3-10)和式(3-11)可见,因为电压对称,所以负载相电流也是对称的,即:= I=因此,这时中性线电流等于零,即:= + + =0(2)当图3-1-6所示电路中负载不对称,就是指各相阻抗不相等时,即:则: = + + 0因此,这时中性线电流不等于零(3)当负载对称时,每相的有功功率是相等的,总的有功功率必定等于各相有功功率之和。因此三相总功率为:P=3=3 (3-12)式中角是相电压与相电流之间的相位差。当对称负载是星形联接时
15、,=, I= I,代入(3-12)式,则得:P= (3-13)式(3-13)是用来计算三相有功功率的,因为线电压和线电流的数值是容易测量出的。3.1.4三相变压器的连接组别现代的电力系统普遍采用三相制,三相变压器广泛应用于三相电路的电压变换中。现在的变电站多采两台变压器并联运行,而变压器并联运行的条件之一,就是要求变压器的连接组别相同3.1.4.1一次侧、二次侧绕组的极性变压器除了能够改变电压外,还能改变一次侧和二次侧电压的相位关系。交流电虽然没有正极、负极之分,但根据变压器一、二次绕组中某一瞬时电流方向是否相同,也可用极性来表示。单相变压器的一、二次侧绕组由一个共同的主磁通相连,当随时间变化
16、时,在一、二次侧绕组中都会产生电动势。在某一瞬间,当一次侧绕组的端头为正(高电位)时,二次绕组中也一定有一个端头对应是正(高电位)的,这相应的两个端头,就叫同极性端或同名端(图上用“ ”或“*”来表示出来),如图3-1-7所示。图3-1-7所示,图a)中一、二次侧绕组绕向相同,首端1U1和2U1都在上端,则首端(或末端)为同名端;图b)中绕向相反,首端1U1和2U1,一个在上端,一个在下端,则首端(或末端)为异名端。3.1.4.2三相变压器的连接组别三相变压器中,有六个绕组,其中与三相电源相连接的三个绕组为一次侧绕组,其首端分别以1U1(A)、1V1(B)、1W1(C),末端以1U2(X)、1
17、V2(Y)、1W2(Z)来表示,而与这三个一次侧绕组相应的另外三个绕组为二次侧绕组,其首端和末端分别以2U1(a)、2V1(b)、2W1(c)和2U2(x)、2V2(y)、2W2(z)来表示,如图3-1-8所示。1.三相变压器的联结 在三相变压器中,三个一次侧绕组与三相交流电源联接有两种接法,即形和形,如图3-1-9a)和b)所示。当形连接时,首端1U1、1V1、1W1为引出端时,将三相末端1U2、1V2、1W2联接在一起成为中性点,若要把中性点引出,则以“N”标志,接线方式用表示。同样,三个二次侧绕组的联接方式也应当有这两种接法。. 三相变压器一、二次侧绕组都可用形或形连接,用形连接时,中性
18、点可引出,也可不引出,这样一、二次侧绕组可有如下的组合:/或/;/或/;/或/;/等联接方式。2.时钟表示法 上述那些组合符号不足以完全说明一、二次侧绕组联接关系的全部情况,还必须用时钟来说明一、二次绕组间电势的相位关系。时钟盘上有两个指针,12个字码,分成12格,每格代表一点钟,一个圆周的角度是,故每格就是30。例如12点与3点之间顺时针相差303=。所有的角度都以12点为准,以短针顺时针的方向来计算,例如12点和11点之间应是3011=,而不是30;反过来,时针向前转了,那必定指示30=9点,如果向前转了30,那就指示为1点。变压器的连接组别就是用时针的表示方法来说明一、二次侧线电压的相位
19、关系。三相变压器的一次绕组和二次绕组由于接线方式的不同,线电压间有一定相位差。以一次线电压作长针(即分针),把它固定在12点上,二次侧相应线电压相量作为短针(即时针),如果它们相隔,则二次线电压相量必定落在/30=11点,如图3-1-10所示。如果相差,那么二次电压相量必定落在6点上,也就是说这一组三相变压器接线组别属于6点。3./联接 在图3-1-11a)中,一、二次侧绕组不仅都是联接,而且一次侧和二次侧都以同极性端作为首端,因此从相量图上可以看出一、二次侧的电势是同相位,所以应标记为“12”,即把这种联接标记为/-12联接组或用(y,y0)表示。在图3-1-11b)中一、二次侧的极性不同,
20、因此从相量图上可以看出一、二次侧的电势有的相位差,所以应标记为“6”,即这种联接法称为/-6联接组或用(y,y6)表示。 4./联接 在图3-1-12a)中将一次侧接成而二次侧接成,一、二次绕组都以同极性端作为首端,此联接法为/-11联接组或用(y,d11)表示。图3-1-12b)中的接法为/-1联接组或用(y,d1)表示。 三相变压器有很多联接组别,我国标准变压器的接线组别有三种:(1)/-12(y, yN0),一般用于容量不大的配电变压器和变电所内小变压器,供动力和照明负载。(2)/-11(y,d11)用于中等容量,电压为10KV或35KV电网及电厂中的厂用变压器。(3)/-11(yN,d
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