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3.3 電能表

電能表又稱電度表,它是一種用來計算用電量(電能)的測量儀表。電能表可分為單相電能表和三相電能表,分別用在單相和三相交流電路中。

3.3.1 電能表的結構與原理

根據工作方式不同,電能表可分為感應式和電子式兩種。電子式電能表是利用電子電路驅動計數機構來對電能進行計數的,而感應式電能表是利用電磁感應產生力矩來驅動計數機構對電能進行計數的。感應式電能表由于成本低、結構簡單而被廣泛應用。

單相電能表(感應式)的外形及內部結構如圖3-17所示。

圖3-17 單相電能表(感應式)的外形及內部結構

從圖3-17(b)中可以看出,單相電能表內部垂直方向有一個鐵芯,鐵芯中間夾有一個鋁盤,鐵芯上繞著線徑小、匝數多的電壓線圈,在鋁盤的下方水平放置一個鐵芯,鐵芯上繞有線徑粗、匝數少的電流線圈。當電能表按圖示的方法與電源及負載連接好后,電壓線圈和電流線圈均有電流通過并都產生磁場,它們的磁場分別通過垂直和水平方向的鐵芯作用于鋁盤,鋁盤受力轉動,鋁盤中央的轉軸也隨之轉動,它通過傳動齒輪驅動計數器計數。如果電源電壓高、流向負載的電流大,兩個線圈產生的磁場強,鋁盤轉速快,通過轉軸、齒輪驅動計數器的計數速度快,計數出來的電量更多。永久磁鐵的作用是讓鋁盤運轉保持平衡。

三相三線式電能表內部結構如圖3-18所示。從圖中可以看出,三相三線式電能表有兩組與單相電能表一樣的元件,這兩組元件共用一根轉軸、減速齒輪和計數器,在工作時,兩組元件的鋁盤共同帶動轉軸運轉,通過齒輪驅動計數器進行計數。

圖3-18 三相三線式電能表內部結構

三相四線式電能表的結構與三相三線式電能表類似,但它內部有三組元件共同來驅動計數機構。

3.3.2 電能表的接線方式

電能表在使用時,要與線路正確連接才能正常工作,如果連接錯誤,輕則出現電量計數錯誤,重則會燒壞電能表。在接線時,除了要注意一般的規律外,還要認真查看電能表接線說明圖,按照說明圖來接線。

1.單相電能表的接線

單相電能表的接線如圖3-19所示。

圖3-19 單相電能表的接線

圖3-19(b)中圓圈上的粗水平線表示電流線圈,其線徑粗、匝數小、阻值小(接近零歐),在接線時,要串接在電源相線和負載之間;圓圈上的細垂直線表示電壓線圈,其線徑細、匝數多、阻值大(用萬用表歐姆擋測量時為幾百至幾千歐),在接線時,要接在電源相線和零線之間。另外,電能表電壓線圈、電流線圈的電源端(該端一般標有圓點)應共同接電源進線。

2.三相電能表的接線方式

三相電能表可分為三相三線式電能表和三相四線式電能表,它們的接線方式如圖3-20所示。

圖3-20 三相電能表常見的接線方式

3.在大電流高電壓電路中的電能表接線方式

在使用電能表時,要求所接電路的電壓和電流不能超過電能表的額定電壓和額定電流。如果希望容量小的電能表也能測量大電流和高電壓電路的電能,可在電路與電能表之間加接電壓互感器和電流互感器。

(1)電壓互感器

電壓互感器是一種能將交流電壓升高或降低的器件,其外形與結構如圖3-21(a)(b)所示,其工作原理說明如圖3-21(c)所示。

圖3-21 電壓互感器

從圖中可以看出,電壓互感器由兩組線圈繞在鐵芯上構成,一組線圈(可稱作初級線圈,其匝數為 N1)并接在電源線上,另一組線圈(可稱作次級線圈,其匝數為 N2)接有一個電壓表。當電源電壓加到初級線圈時,該線圈產生磁場,磁場通過鐵芯穿過次級線圈,次級線圈兩端即產生電壓。電壓互感器的初級線圈電壓U1與次級線圈電壓U2有下面的關系:

從上面的式子可以看出,電壓互感器線圈兩端的電壓與匝數成正比,即匝數多的線圈兩端的電壓高,匝數少的線圈兩端電壓低,N1/N2稱為變壓比。

因此,當電能表接在高電壓電路中時,應在電能表與電路之間接電壓互感器,匝數多的線圈并接在電源線上,匝數少的線圈與電能表內部的電壓線圈并接。

(2)電流互感器

電流互感器是一種能增大或減小交流電流的器件,其外形與工作原理說明如圖3-22所示。

圖3-22 電流互感器

從圖3-22(b)中可以看出,電流互感器與電壓互感器結構基本相同,不同主要在于電壓互感器的一組線圈并接在電源線上,而電流互感器的一組線圈串接在一根電源線上。當有電流流過初級線圈時,線圈產生磁場,磁場通過鐵芯穿過次級線圈,次級線圈兩端有電壓產生,與線圈連接的電流表有電流流過。對于穿心式電流互感器,直接將穿心(孔)而過的電源線作為一次繞組,二次繞組接電流表。

電流互感器的初級線圈電流I1與次級線圈電流I2有下面的關系:

從上面的式子可以看出,線圈流過的電流大小與匝數成反比,即匝數多的線圈流過的電流小,匝數少的線圈流過的電流大,N2/N1稱為變流比。

因此,當電能表接在大電流電路中時,應在電能表與電路之間接電流互感器,匝數少的線圈串接在電源線上,匝數多的線圈與電能表內部的電流線圈并接。

(3)電能表在大電流電路中的接線方式

當電能表需用在大電流電路時,可在電源線與電能表之間加接電流互感器。如圖3-23所示是幾種在大電流電路中的電能表接線方式,其中圖3-23(a)為單相電能表的接線方式,圖3-23(b)為三相三線式電能表的接線方式,圖3-23(c)為三相四線式電能表的接線方式。

圖3-23 電能表大電流連接方式

在電能表與電流互感器配合來測量電路電量時,電能表測得的值并不是電路的實際用電量,實際用電量應等于電能表的值與電流互感器的變流比(N2/N1)。

以圖3-23(a)為例,若電流互感器的變流比為400/5,電能表一天變化值為10kW · h,那么該天負載實際消耗電能為10kW · h · 400/5 = 800kW · h。

(4)電能表在大電流、高電壓電路中的接線方式

當電能表需用在大電流、高電壓電路時,可在電源線與電能表之間加接電流互感器和電壓互感器。如圖3-24所示是單相電能表在大電流、高電壓電路中的接線方式。

圖3-24 單相電能表在大電流、高電壓電路中的接線方式

在電能表與電流互感器、電壓互感器配合使用時,電能表測得的值并不是電路的實際用電量,實際用電量應等于電能表的值、電流互感器的變流比和電壓互感器的變壓比三者的乘積。

3.3.3 用電能表測量電器的功率

有些電器標有功率大小,如燈泡;也有些電器沒有標出功率,如計算機;還有些電器有多個擋位,雖然標出了功率,但它只是其中一個擋的功率,如電風扇。對于后面兩種類型的電器,可以借助電能表來測量它們的功率。

下面以測量一臺計算機工作時的功率為例來說明。詳細過程如下。

① 查看電能表的常數R。以圖3-17(a)所示的電能表為例,它的常數R為600r/(kW·h)(即600轉/(千瓦·時),其含義是當電能表轉盤旋轉600圈時計得的電量為1kW·h(即1度電)。

② 關掉電能表接的所有電器,僅讓計算機開機工作。

③ 觀察并記錄電能表轉盤旋轉的圈數r和所用的時間t。在記錄時,圈數應為整數,圈數越多,測量會更準確,這里假設r=9、t=360s。

④ 利用公式P =(3600·r)/(t·R)計算計算機的功率(P為功率,單位為kW)。將有關值代入式子可計算出計算機的功率為

注意:計算機硬件配置不同,其功率不同,運行程序時較不運行程序時消耗功率更大。

用上述的方法不但可以測量出某電器的功率,還可以檢驗電能表計量的準確性。在檢驗電能表時,先找一個標注準確的100W燈泡,然后用測量計算機功率的方法測量并計算該燈泡的功率,若計算出的功率與燈泡標注的功率相同,則說明電能表計量準確,否則計量不準確。

3.3.4 電子式電能表

電子式電能表內部采用電子電路構成測量電路來對電能進行測量,與機械式電能表相比,電子式電能表具有精度高、可靠性好、功耗低、過載能力強、體積小和質量輕等優點。有的電子式電能表采用一些先進的電子測量電路,故可以實現很多智能化的電能測量功能。常見的電子式電能表有普通的電子式電能表、電子式預付費電能表和電子式多費率電能表等。

1.普通的電子式電能表

普通的電子式電能表采用了電子測量電路來對電能進行測量。根據顯示方式來分,它可以分為滾輪顯示電能表和液晶顯示電能表。兩種類型的電子式電能表和滾輪顯示電子電能表的內部結構如圖3-25所示。

圖3-25 兩種類型的普通電子電能表

滾輪顯示電子式電能表內部沒有鋁盤,不能帶動滾輪計數器,在其內部采用了一個小型步進電動機,在測量時,電能表每通過一定的電量,測量電路會產生一個脈沖,該脈沖去驅動電動機旋轉一定的角度,帶動滾輪計數器轉動來進行計數。圖3-25(a)所示左方的電子式電能表的電表常數為3200imp/(kW·h)(脈沖數/(千瓦·時)),表示電能表的測量電路需要產生3200個脈沖才能讓滾輪計數器計量一度電,即當電能表通過的電量為1/3200度時,測量電路才會產生一個脈沖去滾輪計數器。

液晶顯示電子式電能表則是由測量電路輸出顯示信號,直接驅動液晶顯示器顯示電量數值。

電子式電能表的接線與機械式電能表基本相同,這里不再敘述,為確保接線準確無誤,可查看電能表附帶的說明書。

2.電子式預付費電能表

電子式預付費電能表是一種先繳電費再用電的電能表。如圖3-26所示就是一種電子式預付費電能表。

圖3-26 電子式預付費電能表

這種電能表內部采用了微處理器(CPU)、存儲器、通信接口電路和繼電器等。它在使用前,要先將已充值的購電卡插入電能表的插槽,在內部CPU的控制下,購電卡中的數據被讀入電能表的存儲器,并在顯示器上顯示可使用的電量值。在用電過程中,顯示器上的電量值根據電能的使用量而減少,當電量值減小到0時,CPU會通過電路控制內部繼電器開路,輸入電能表的電能因繼電器開路而無法輸出,從而切斷了用戶的供電。

根據充值方式不同,電子式預付費電能表可以分為IC卡充值式、射頻卡充值式和遠程充值式等。射頻卡充值式電能表只需將卡靠近電能表,卡內數據即會被電能表內的接收器讀入存儲器。遠程充值式電能表有一根通信電纜與遠處繳費中心的計算機連接,在充值時,只要在計算機中輸入充電值,計算機會通過電纜將有關數據送入電能表,從而實現遠程充值。

3.電子式多費率電能表

電子式多費率電能表又稱分時計費電能表,它可以實現不同時段執行不同的計費標準。圖3-27所示是一種電子式多費率電能表,這種電能表依靠內部的單片機進行分時段計費控制,此外還可以顯示出峰、平、谷電量和總電量等數據。

圖3-27 電子式多費率電能表

4.電子式電能表與機械式電能表的區別

電子式電能表與機械式電能表如圖3-28所示。兩種電能表可以從以下幾個方面進行區分。

圖3-28 機械電能表和電子式電能表

① 查看面板上有無鋁盤。電子式電能表沒有鋁盤,而機械式電能表面板上可以看到鋁盤。

② 查看面板型號。電子式電能表型號的第3位含有S字母,而機械式電能表沒有,如DDS633為電子式電能表。

③ 查看電表常數單位。電子式電能表的電表常數單位為imp/(k·Wh)(脈沖數/(千瓦·時)),機械式電能表的電表常數單位為r/(kW·h)(轉數/(千瓦·時)),

3.3.5 電能表型號與銘牌含義

1.型號含義

電能表的型號一般由五部分組成,各部分意義如下。

① 類別代號:D—電能表。

② 組別代號:A—安培小時計;B—標準;D—單相電能表;F—伏特小時計;J—直流;S—三相三線;T—三相四線;X—無功。

③ 功能代號:F—分時計費;S—電子式;Y—預付費式;D—多功能;M—脈沖式;Z—最大需量。

④ 設計序號:一般用數字表示。

⑤ 改進序號:一般用漢語拼音字母表示。

⑥ 派生代號:T—濕熱、干熱兩用;TH—濕熱專用;TA—干熱專用;G—高原用;H—船用;F—化工防腐。

電能表的形式和功能有很多,各廠家在型號命名上也不盡完全相同,大多數電能表只用兩個字母表示其功能和用途。一些特殊功能或電子式的電能表多用三個字母表示其功能和用途。

舉例如下。

① DD28表示單相電能表。D—電能表,D—單相,28—設計序號。

② DS862表示三相三線有功電能表。D—電能表,S—三相三線,86—設計序號,2—改進序號。

③ DX8表示無功電能表。D—電能表,X—無功,8—設計序號。

④ DTD18表示三相四線有功多功能電能表。D—電能表,T—三相四線,D—多功能,18—設計序號。

2.銘牌含義

電能表銘牌通常含有以下內容。

① 計量單位名稱或符號。有功電表為“kW·h(千瓦·時),無功電表為“kvar·h(千乏·時)”。

② 電量計數器窗口。整數位和小數位用不同顏色區分,窗口各字輪均有倍乘系數,如×1000、×100、×10、×1、×0.1。

③ 標定電流和額定最大電流。標定電流(又稱基本電流)是指用于確定電能表有關特性的電流值,該值越小,電能表越容易啟動;額定最大電流是指儀表能滿足規定計量準確度的最大電流值。當電能表通過的電流在標定電流和額定最大電流之間時,電能計量準確,當電流小于標定電流值或大于額定最大電流值時,電能計量準確度會下降。一般情況下,不允許流過電能表的電流長時間大于額定最大電流。

④ 工作電壓。電能表所接電源的電壓。單相電能表以電壓電路接線端的電壓表示,如220V;三相三線電能表以相數乘以線電壓表示,如3×380V;三相四線電能表以相數乘以相電壓/線電壓表示,如3×220/380V。

⑤ 工作頻率。電能表所接電源的工作頻率。

⑥ 電表常數。電表常數是指電能表記錄的電能和相應的轉數或脈沖數之間關系的常數。機械式電能表以r/(kW·h)[轉數/(千瓦·時)]為單位,表示計量1千瓦·時(1度電)電量時的鋁盤的轉數,電子式電能表以imp/(kW·h)[脈沖數/(千瓦·時)]為單位。

⑦ 型號。

⑧ 制造廠名。

圖3-29所示是一個單相機械電能表,其銘牌含義見標注所示。

圖3-29 電能表銘牌含義說明

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