第四章頻率和相位的測量

1、第四章 頻率和相位的測量l第一節(jié)第一節(jié) 頻率頻率的測量方法的測量方法l第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)字頻率計的測量原理數(shù)字頻率計的測量原理l第三節(jié)第三節(jié) E312E312系列數(shù)字頻率系列數(shù)字頻率計計l第四節(jié)第四節(jié) 相位的測量方法相位的測量方法l第五節(jié)第五節(jié) 電動系相位表電動系相位表l第六節(jié)第六節(jié) 整步表整步表本章要點本章要點 本章主要介紹測量頻率的方法，以及電子數(shù)字頻率計的結構與原理。用電子數(shù)字頻率計測量頻率，是今后測量頻率的主要手段，也是頻率計的發(fā)展方向。 相位計和整步表是電力系統(tǒng)運行中常用儀表，本章對其作一般性介紹，以供相關專業(yè)使用。第一節(jié) 頻率的測量方法 一、工頻的測量一、工頻的測量-用電動系頻率表測

2、量工頻用電動系頻率表測量工頻 1.電動系頻率表的結構電動系頻率表的結構 采用比率表型，兩可動線圈空間錯開90。 無工作時呈隨遇平衡狀態(tài)。被測頻率等于固定線圈回路的諧振頻率時，指針停在標尺中心，即固定線圈軸線位置，標尺兩邊示值分別為大于或小于諧振頻率的值。2 .電動系頻率表工作原理電動系頻率表工作原理 按接線圖，兩可動線圈所受力矩分別為)/1(/1(cos)(coscos12011111CLRCLCUIkIIIIkM 2220022222)/1(1sin)cos()90cos(CLRRRRUIkIIIIkM )()1(tg0020CLCRRR。 （ 的函數(shù)是頻率線中心的夾角）儀表指針與固定線圈軸

3、即指針偏轉角 由于兩個力矩方向相反，當平衡時兩者相等。聯(lián)立可得3 .電動系頻率表標尺特性電動系頻率表標尺特性 。, 01 即固定線圈軸線位置位于標尺中心指針偏轉角率時當被測頻率等于諧振頻CL。，順時針偏轉指針將為負角則若被測頻率 , 0C1-L , 0 , 0C1-L , 0 。，時針偏轉指針將反為正角則若被測頻率返回本章首頁工頻的測量工頻的測量-用變換式頻率表測量工頻用變換式頻率表測量工頻1.變換式頻率表的結構變換式頻率表的結構 變換式頻率表由磁電系測量機構和變換電路組成，變換電路包含方波形成、微分、整流、指示和偏置五個環(huán)節(jié)，通過變換電路，被測頻率轉換為一定大小的直流電流，然后通過磁電系測量

4、機構進行測量 。微分電路指示儀表雙向限幅整流電路偏置電路2.變換式頻率表工作原理變換式頻率表工作原理 被測電壓經(jīng)穩(wěn)壓管雙向限幅并經(jīng)微分轉換為尖脈沖，由于電容小充電時間短，可形成尖脈沖波，若用i1 表示充電電流，則電流脈沖波形可用下式表示 通過磁電系測量機構的電流平均值為 由于電路中Ri、C0 很小故上式可簡化為 按式可知，通過磁電系測量機構的電流可以反映被測頻率的大小。021CRtiieRUi) 1(2211000001CRtCRtiTTCPiieTUCdteRUTdtiTIfUCICP02 3 .變換式電動系頻率表標尺特性變換式電動系頻率表標尺特性 工頻頻率表所測量的頻率范圍并不要求從0開始

5、，標尺一般為4555Hz、9001100Hz等等。變換式頻率表可通過調節(jié)偏置電阻，改變機械零點的頻率讀數(shù)，得到相應標尺。以4565Hz的頻率表為例，被測輸入信號經(jīng)微分得到的電流方向是從上到下，經(jīng)過偏置電路的電流是從下到上，調節(jié)偏置電路使偏置電流平均值等于45Hz時輸入尖脈沖電流的平均值，則機械零點的頻率值就等于45Hz。選擇指示電表的靈敏度使?jié)M度為65Hz。 工頻的測量工頻的測量-用振簧式頻率表測量工頻用振簧式頻率表測量工頻 早期還常用振簧式頻率表測量工頻頻率，振簧式頻率表是利用交流電磁鐵吸引一排機械振動頻率不同的簧片，簧片固有振動頻率與電源頻率相同時，產(chǎn)生共振的簧片振幅最大，從窗口看，好像簧

6、片頂端被拉長。可以從產(chǎn)生共振的簧片位置讀出頻率值。 1.電磁鐵 2.簧片 3.銜鐵 4.觀察窗口 二、低頻和高頻的測量二、低頻和高頻的測量 1.比較法比較法 將被測頻率與標準頻率相比較，通過檢測差拍或混頻后的頻率求得被測頻率。混頻法差拍法fd=fxfsf0=fxfs2.無源測量法無源測量法 無源測量法是指測量電路不需要另加電源，直接用被測信號進行測量如文氏電橋測頻率 和諧振回路測頻率。1）文氏電橋測頻率）文氏電橋測頻率RCfRRCCRRx21)(431221令R1=R2=R且C1=C2=C,可得322411)/11()1(RCRRCRxxjj43212112211)(RRRCCRCCRRxx)

7、j(將上式整理可得2.無源測量法無源測量法 無源測量法是指測量電路不需要另加電源，直接用被測信號進行測量。如文氏電橋測頻率和諧振回路測頻率。2）諧振回路測頻率）諧振回路測頻率 LCfX21 3.計數(shù)法計數(shù)法 計數(shù)法可適用于工頻、低頻與高頻，由于集成化程度的提高，計數(shù)器電路體積小，價格便宜，幾乎取代了所有其他形式的測頻儀器。返回本章首頁計數(shù)法測頻率計數(shù)法測周期第二節(jié)數(shù)字頻率計的測量原理 一、硬件計數(shù)頻率計一、硬件計數(shù)頻率計 硬件計數(shù)頻率計其結構如下圖所示，被測信號通過整形，轉換為與被測信號頻率相同的脈沖，然后對脈沖進行計數(shù)，也就是把頻率測量轉換為脈沖個數(shù)的測量。計數(shù)器可選用專用的集成電路，外圍再

8、配上顯示器、放大整形以及電源電路即可組成頻率計。硬件計數(shù)頻率計組成硬件計數(shù)頻率計組成 放大整形部分 秒信號發(fā)生器 控制門電路 計數(shù)顯示部分數(shù)字頻率計測周期數(shù)字頻率計測周期 與測頻率的基本原理相同 測頻率時測頻率時，以被測電壓作為計數(shù)對象，用標準時間信號（例如秒信號）作為門控信號。 測周期時測周期時，用標準時間脈沖計數(shù)對象，用被測電壓作為門控信號。數(shù)字頻率計測頻率與測周期的轉換數(shù)字頻率計測頻率與測周期的轉換 用兩個開關來變換計數(shù)對象和門控信號的位置，可以實現(xiàn)測頻率與測周期的轉換。 二、軟件計數(shù)頻率計二、軟件計數(shù)頻率計 1.軟件計數(shù)頻率計的結構軟件計數(shù)頻率計的結構 軟件計數(shù)是指用單片機軟件進行計數(shù)

9、而構成的頻率計，它由單片機，以及外圍配置的顯示器件、放大整形、電源等電路組成。2.軟件計數(shù)頻率計的工作原理軟件計數(shù)頻率計的工作原理整形放大：將任意波形的被測信號，轉換為前沿陡峭的脈沖，以利計數(shù)。 計數(shù)：由單片機內部的計數(shù)單元完成，每當被測信號從低到高變化時，將計數(shù)器加 1，并由內部時鐘計時，每一秒所計的變化次數(shù)，就等于被測信號的頻率。 數(shù)碼轉換與顯示：讀出的頻率值由軟件將它轉換為七段碼，送LED數(shù)碼管顯示。 三、計數(shù)器的測量誤差三、計數(shù)器的測量誤差 1. 秒信號時間不準造成的誤差：秒信號時間不準造成的誤差： 由于電子數(shù)字頻率計是把規(guī)定的一秒鐘內所計的信號個數(shù)作為頻率，如果秒信號本身不準確，必然

10、造成計數(shù)誤差。 2.觸發(fā)誤差：觸發(fā)誤差： 由于干擾造成計數(shù)器的誤觸發(fā)所產(chǎn)生的誤差。 3.量化誤差：量化誤差： 計數(shù)閘門開啟時間不剛好是被測信號周期的整數(shù)倍，而且脈沖到達時刻不剛好是閘門開啟時刻，因此在相同的開啟時間內，可能會有正負一個數(shù)的誤差。量化誤差示意圖量化誤差示意圖 計數(shù)閘門開啟時間不剛好是被測信號周期的整數(shù)倍造成的量化誤差。 在時間 T 內脈沖個數(shù)為7.5,測出數(shù)可能為6。 計數(shù)開始不剛好是第一個脈沖到達時刻，造成的量化誤差。 在時間 T 內，被測脈沖個數(shù)為7，測出數(shù)可能為5。量化誤差量化誤差 可見用計數(shù)方式測頻率測頻率的最大絕對誤差為N = 1測頻率時，計數(shù)值 N = Tc / Tx

11、最大的相對誤差為=N/ N = 1/ N = fc / fx 被測頻率fx越小，就越大。 測周期測周期時計數(shù)值 N = Tx / Tc最大的相對誤差為=N/ N = 1/ N = fx / fc 被測頻率fx越小，就越小。返回本章首頁第三節(jié) E312系列數(shù)字頻率計一、頻率計數(shù)器專用集成電路一、頻率計數(shù)器專用集成電路ICM7226B1.信號輸入引腳2.信號輸出引腳3.控制引腳4.儀器工作狀態(tài)指示及電源引腳二、由二、由ICM7226B組成的組成的E312X系列數(shù)字頻率計電路系列數(shù)字頻率計電路返回本章首頁第四節(jié) 相位的測量方法 一、相位含義一、相位含義 相位一般是指兩個同頻率波形，過零點的時間差。而

12、在工業(yè)供電系統(tǒng)中通常指電壓、電流兩波形過零點的時間差。因為一個電壓、電流過零點的時間差角，對應一個該角的余弦即功率因數(shù)，所以工業(yè)上測量相位角，與測量功率因數(shù)都可稱為相位測量。 二、測量相位方法二、測量相位方法 1.直接法：直接法：可用指示儀表，例如變換式、電動式或數(shù)字式相位表進行測量。 2.間接法：間接法：通過測量電壓、電流、功率求得I、U間的 相位角。 3.比較法：比較法：可以用示波器測量兩個波形間的相位差。 三、變換式相位表三、變換式相位表 變換式相位表由電壓回路、電流回路和指示電路三部分構成，通過檢流計的電流 。 式中U1、U2 值與u、i 相位差有關。因此可根據(jù)檢流計的電流值測得相位差

13、。221121RURUII當當 u、i 同相時變換式相位表波形同相時變換式相位表波形 1只有u1正半波，才能有電流通過VD5、VD6形成壓降U1、U2，如圖中紅線所示。2i的正半波可以在VD5上形成壓降U1，i的負半波可以在VD6上形成壓降U2，如圖中黑線所示。3同相時，由u1、i在VD5上的壓降U1的平均值，等于u1、i在VD6上的壓降U2的平均值，因此通過檢流計的電流平均值為零，對應相位差示值為零。當當 u、i 相位差為相位差為 90時變換式相位表波形時變換式相位表波形1u1正半波，有電流通過VD5、VD6形成壓降U1、U2，如圖中紅線所示。i的正半波可以在VD5上形成壓降U1，i的負半波

14、可以在VD6上形成壓降U2，如圖中黑線所示。2相位差為 90時，u1、i在VD5上的壓降U1，比u1、i在VD6上的壓降U2大一倍，通過檢流計的電流平均值不為零，其示值對應相位差為 90（由于U1、U2為穩(wěn)壓管壓降，u1、i同時在上面形成的壓降并不比單獨形成的大。） 通過表頭的電流可反映通過表頭的電流可反映 u、i間的相位間的相位 u、i 同相時： 通過電表的電流平均值為零。在整個周期內，指針都停在零點。 u、i 相位差為90時： 通過電表的電流平均值最大，電表指針將停在最大位置。 u、i 相位差不同： 電表指針將停在不同位置。 返回本章首頁四、間接法測相位四、間接法測相位PQtgUIPcos

15、如果沒有直讀式相位表，可根據(jù)功率公式間接求出cos。對于三相不平衡負載，相電路功率因數(shù)等于全部有功功率P與全部視在功率S的比值，即SPcos對于用電大戶，平均功率因數(shù)是指在一段時間內功率因數(shù)的平均值。平均功率因數(shù)只能間接測量。第五節(jié)電動系相位表 一、電動系相位表結構一、電動系相位表結構 采用比率型結構，兩個可動線圈在空間錯開 角。無工作時呈隨遇平衡狀態(tài)。適當配置L1、R1 ， 可使指針即可動線圈A的軸線位置與標尺中心夾角等于被測U、I 間的相位角。二、電動系相位表工作原理二、電動系相位表工作原理按接線圖，兩可動線圈所受力矩分別為cos)cos( ) cos()cos( )cos(cos ) c

16、os(cos 222222111111IIkIIIIkMIIkIIIIkM)cos(cos)cos(cos12II 當M1=M2時，可動部分平衡，并考慮可動線圈的結構基本相同，可認為k1=k2，聯(lián)立求解得配置電路阻抗，使I1=I2 =（為U與I1的相位差，為兩個可動線圈的夾角），可得，如果按相位角刻度，則分度均勻，如按cos刻度，分度將是不均勻的 三、電動系三相相位表三、電動系三相相位表 電動系三相相位表與電動系單相相位表的結構完全相同，只是兩個可動線圈所連接的元件不同，單相相位表接R、L元件，而三相相位表兩路都是接電阻，分別為R1、R2 。電動系三相相位表只適用于負載對稱的三相三線制，使用時

17、可動線圈B1通過電阻R1 接A、B相，可動線圈B2通過電阻R2 接A、C 相。 四、電動系三相相位表工作原理四、電動系三相相位表工作原理 從相量圖可知)F( cos(cos )30cos()30cos()30301221IIIIII 指針偏轉角是相位角 的函數(shù)，指針位置可直接反映相位角。返回本章首頁五、相位表的使用五、相位表的使用第六節(jié)整步表 一、一、1T1-S整步表的結構整步表的結構 由固定線圈A、A2、A3和一個可動的Z形鐵心組成，A做成圓筒狀套在軸套C上，A2、A3做成方扁形，互成90夾角套在A的外面。轉軸可在軸套中轉動，在轉軸的上、下兩端，各固定一個扇形鐵片D、兩鐵片Z字形，鐵片受力時可帶動軸和指針旋轉。 二、二、1T1-S整步表的連接整步表的連接測量時，將線圈A串接一電阻R，接在已在運行的發(fā)