单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电气测量技术,南京信息工程大学,第四章 频率和相位的测量,第四章 频率和相位的测量,Electrical Measure,第一节 频率,的测量方法,第二节 数字频率计的测量原理,第三节,E312,系列数字频率,第四节 相位的测量方法,第五节 电动系相位表,第六节 整步表,本章要点,本章介绍测量频率的方法以及,电动系频率表和电子数字频率计的结构与原理，用电子数字频率计测量频率，是频率测量的主要手段，也是频率计的发展方向。,相位虽然不是常见的测量对象，但在电力系统运行中，也是评价运行质量的一项重要指标，本章主要介绍,电动系,相位,表的原理和,使用方法。,第一节 频率的测量方法,一、工频的测量,-,用电动系频率表测量工频,用振簧式频率计,用变换式频率计,用电动系频率计,第一节 频率的测量方法,一、工频的测量,-,用电动系频率表测量工频,1.,电动系频率表的结构,采用比率表型，两可动线圈空间错开,90,。无工作时呈随遇平衡状态。被测频率等于固定线圈回路的谐振频率时，指针停在标尺中心，即固定线圈轴线位置，标尺两边示值分别为大于或小于谐振频率的值。,二、工作原理,由于 两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联立可得,按接线图，两可动线圈所受力矩分别为,1,2,三、标尺特性,返回本章首页,。,0,1,即固定线圈轴线位置,位于标尺中心,指针,偏转角,率时,当被测频率等于谐振频,=,=,a,w,w,C,L,。,，,顺时针偏转,指针将,为负角,则,若被测频率,0,C,1,-,L,0,a,w,w,w,w,工频的测量,-,用变换式频率表测量工频,1.,变换式频率表的结构,变换式频率表由磁电系测量机构和变换电路组成，变换电路包含,方波形成,、,微分,、,整流,、,指示,和,偏置,五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一定大小的直流电流，然后通过磁电系测量机构进行测量。,微分电路,整流电路,指示仪表,偏置电路,双向限幅,2.,变换式频率表工作原理,被测电压经稳压管双向限幅并经微分,转换为尖脉冲，由于电容小充电时间,短，可形成尖脉冲波，若用 表示充,电电流，则电流脉冲波形可用下式表示,通过磁电系测量机构的电流平均值为,由于电路中 很小故上式可简化为,按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映被测频率的大小。,3.,变换式电动系频率表标尺特性,工频频率表所测量的频率范围并不要求,从,0,开始，标尺一般为,45,55Hz,、,900,1100Hz,等等。变换式频率表可通过调,节偏置电阻，改变机械零点的频率读数。得到,相应标尺。以,45,65Hz,的频率表为例，被测输入信号经微分得到的电流方向是从上到下，经过偏置电路的电流是从下到上，调节偏置电路使偏置电流平均值等于,45Hz,时输入尖脉冲电流的平均值，则机械零点的频率值就等于,45Hz,。选择指示电表的灵敏度使满度为,65Hz,。,工频的测量,-,用振簧式频率表测量工频,早期还常用振簧式频率表测量工频频率，振簧式频率表是利用交流电磁铁吸引一排机械振动频率不同的簧片，簧片固有振动频率与电源频率相同时，产生共振的簧片振幅最大，从窗口看，好像簧片顶端被拉长。可以从产生共振的簧片位置读出频率值。,二、低频和高频的测量,差拍法,李沙育图形测频率,混频法,1.,比较法,将被测频率与标准频率相比较，通过检测,差拍,、,李沙育图形,或,混频后的频率,求得被测频率。,2.,无,源,测量法,谐振回路测频率,文氏电桥测频率,无源测量法是指测量电路不需要另加电源，直接用被测信号进行测量如文氏电桥测频率 和谐振回路测频率。,第二节数字频率计的测量原理,一、硬件计数频率计,硬件计数频率计其结构如下图所示，被测信号通过整形，转换为与被测信号频率相同的脉冲，然后对脉冲进行计数，也就是把频率测量转换为脉冲个数的测量。计数器可选用专用的集成电路，外围再配上显示器、放大整形以及电源电路即可组成频率计。,返回本章首页,计数法测频率（高频）,计数法测周期,(,低频,),计数法可适用于工频、低频与高频，由于集成化程度的提高，计数器电路体积小，价格便宜，几乎取代了所有其他形式的测频仪器。,第二节数字频率计的测量原理,二、软件计数频率计,1.,软件计数频率计的结构,软件计数是指用单片机软件进行计数而构成的频率计，它由单片机，以及外围配置的显示器件、放大整形、电源等电路组成。,2.,软件计数频率计的工作原理,整形放大：,将任意波形的被测信号，转换为前沿陡峭的脉冲，以利计数。,计数：,由单片机内部的计数单元完成，每当被测信号从低到高变化时，将计数器加,1,，并由内部时钟计时，每一秒所计的变化次数，就等于被测信号的频率。,数码转换与显示：,读出的频率值由软件将它转换为七段码，送,LED,数码管显示。,三、计数器的测量误差,1.,秒信号时间不准造成的误差：,由于电子数字频率计是把规定的一秒钟内所计的信号个数作为频率，如果秒信号本身不准确，必然造成计数误差。,2.,触发误差：,由于干扰造成计数器的误触发所产生的误差。,3.,量化误差：,计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍，而且脉冲到达时刻不刚好是闸门开启时刻，因此在相同的开启时间内，可能会有正负一个数的误差。,量化误差示意图,计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍造成的量化误差。在时间,T,内脉冲个数为,7.5,测出数可能为,6,。,计数开始不刚好是第一个脉冲到达时刻，造成的量化误差。,在时间,T,内，被测脉冲个数为,7,，测出数可能为,5,。,返回本章首页,第三节,E312,系列数字频率,一、频率计数器专用集成电路,ICM7226B,二、由,ICM7226B,组成的,E312X,系列数字频率计电路,由,ICM7226B,组成的电子数字频率计外围电路,返回本章首页,第四节 相位的测量方法,一、相位含义,一般是指,两个同频率波形,，过零点的时间差。而在工业供电系统中通常指电压、电流两波形过零点的时间差。因为一个电压、电流过零点的时间差角，对应一个该角的余弦，所以工业上测量相位角，与测量功率因数都称为测量相位。,二、测量相位方法,1,.,直接法：,可用指示仪表，例如,变换式,、,电动式,或,数字式,相位表进行测量。,2.,间接法：,通过测量电压、电流、功率求得,I,、,U,间的相位角。,3.,比较法：,可以用示波器测量两个波形间的相位差。,三、变换式相位表,变换式相位表由电压回路、电流回路和指示电路三部分构成，通过检流计的电流,I,。,式中,值,与,u,、,i,相位差有关。因此可根据,检流计的,电流值测得相位差。,当,u,、,i,同相时变换式相位表波形,。,，,，,U,、,i,u,U,、,i,u,。,，,U,，,i,U,i,。,、,U,U,，,u,对应相位差为零,平均值为零,因此通过检流计的电流,平均值,的,上的压降,在,的平均值等于,上的压降,在,由,如图中黑线所示,成压降,上形,的负半波可以在,上形成压降,的正半波可以在,图中红线所示,如,形成压降,才能有电流通过,正半波,只有,2,6,1,1,5,1,2,6,1,5,2,1,6,5,1,VD,VD,3.,VD,VD,2.,VD,、,VD,.,1,当,u,、,i,相位差为,90,时变换式相位表波形,。）,、,i,u,U,U,，,U,、,i,u,U,在,u,。,U,，,i,U,i,。,U,U,，,u,的大,并不比单独形成,同时在上面形成的压降,为稳压管压降,由于,其示值对应相位差为,为零,检流计的,电流平均值不,通过,大一倍,上的压降,在,比,上的压降,如图中黑线所示,上形成压降,以在,的负半波可,上形成压降,的正半波可以在,红线所示,如图中,形成压降,有电流通过,正半波,1,2,1,2,6,1,1,5,1,2,6,1,5,2,1,6,5,1,(,90,VD,VD,2.,VD,VD,VD,VD,.,1,o,、,i,通过表头的电流可反映,u,、,i,间的相位,u,、,i,同相时：,通过电表的电流平均值为零。在整个周期内，指针都停在零点。,u,、,i,相位差为,90,时：,通过电表的电流平均值最大,，,电表指针将停在最大位置。,u,、,i,相位差不同：,电表指针将停在不同位置。,返回本章首页,第五节电动系相位表,一、电动系相位表结构,采用比率型结构，两个可动线圈在空间错开 角。无工作时呈随遇平衡状态。适当配置 ，可使指针即可动线圈,B,1,的轴线位置与标尺中心夹角等于被测,U,、,I,间的相位角,。,二、电动系相位表工作原理,按接线图，两可动线圈所受力矩分别,为,。,，,，,，,I,U,I,I,I,I,k,k,M,M,分度将是不均匀的,刻度,如按,均匀,则分度,如果按相位角刻度,可得,个可动线圈的夹角,为两,的相位差,与,为,使,配置电路阻抗,联立求解得,可认为,基本相同,并考虑可动线圈的结构,可动部分平衡,时,当,cos,，,),(,，,),cos,(,cos,),cos,(,cos,1,2,1,1,2,2,1,2,1,j,j,a,g,b,g,b,j,b,j,g,a,a,=,=,=,-,=,-,=,=,电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完全相同，只是两个可动线圈所连接的元件不同，单相相位表,接,R,、,L,元件，而,三相相位表两路都是接电阻,，分别为,。,返回本章首页,三、电动系三相相位表,电动系三相相位表只适用于三相三线制，使用时可动线圈,B1,通过电阻 接,A,、,B,相，可动线圈,B2,不接电感而是通过电阻 接,A,、,C,相。从相量图可知,指针偏转角 是相位角 的函数，指针位置可直接反映相位角。,四、电动系三相相位表工作原理,第六节整步表,一、,1T1-S,整步表的结构,由固定线圈,A,、,A2,、,A3,和一个可动的,Z,形铁心组成，,A,做成圆筒状套在轴套,C,上，,A2,、,A3,做成方扁形，互成,90,夹角套在,A,的外面。转轴可在轴套中转动，在转轴的上、下两端，各固定一个扇形铁片,D,、两铁片,Z,字形，铁片受力时可带动轴和指针旋转,。,二、,1T1-S,整步表的工作原理,测量时，将线圈,A,串接一电阻,R,，接在已在运行的发电机或电网的,A,、,B,相上。令电阻数值远大于线圈,A,的感抗，可认为线圈,A,是一个电阻性电路，电压与电流同相。线圈,A2,、,A3,分别与,R1,、,R3,串联，然后与电阻,R2,接成一个不对称星形，接在待并发电机的,A,、,B,、,C,三相上，电路连接如图,三、标尺,标尺上只注明“快”、“慢”和一条红色的同步点，当待并发电机的频率比电网频率高时，指针将顺时针旋转，表示待并发电机的转速偏快。待并发电机的频率比电网频率低时，指针将逆时针旋转，表示待并发电机的转速偏慢。，待并发电机与电网的相位差越大，指针离红点也越远，指针偏离红点同时反映了两个频率和相位的差异,返回本章首页,