章第四章頻率和相位的測量

第四章頻率和相位的測量第一節(jié)頻率的測量方法第二節(jié)數(shù)字頻率計(jì)的測量原理第三節(jié)E312系列數(shù)字頻率第四節(jié)相位的測量方法第五節(jié)電動系相位表第六節(jié)整步表

ElectricalMeasure本章要點(diǎn)本章主要介紹測量頻率的方法，以及電子數(shù)字頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)與原理。用電子數(shù)字頻率計(jì)測量頻率，是今后測量頻率的主要手段，也是頻率計(jì)的發(fā)展方向。相位計(jì)和整步表是電力系統(tǒng)運(yùn)行中常用儀表，本章對其作一般性介紹，以供相關(guān)專業(yè)使用。

第一節(jié)頻率的測量方法

一、工頻的測量--用電動系頻率表測量工頻

1.電動系頻率表的結(jié)構(gòu)

采用比率表型，兩可動線圈空間錯(cuò)開90°。無工作時(shí)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(shí)，指針停在標(biāo)尺中心，即固定線圈軸線位置，標(biāo)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按接線圖，兩可動線圈所受力矩分別為由于兩個(gè)力矩方向相反，當(dāng)平衡時(shí)兩者相等。聯(lián)立可得3.電動系頻率表標(biāo)尺特性

返回本章首頁工頻的測量--用變換式頻率表測量工頻1.變換式頻率表的結(jié)構(gòu)

變換式頻率表由磁電系測量機(jī)構(gòu)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(gè)環(huán)節(jié)，通過變換電路，被測頻率轉(zhuǎn)換為一定大小的直流電流，然后通過磁電系測量機(jī)構(gòu)進(jìn)行測量。微分電路整流電路指示儀表偏置電路雙向限幅2.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(zhuǎn)換為尖脈沖，由于電容小充電時(shí)間短，可形成尖脈沖波，若用表示充電電流，則電流脈沖波形可用下式表示 通過磁電系測量機(jī)構(gòu)的電流平均值為

由于電路中很小故上式可簡化為 按式可知，通過磁電系測量機(jī)構(gòu)的電流可以反映被測頻率的大小。

3.變換式電動系頻率表標(biāo)尺特性

工頻頻率表所測量的頻率范圍并不要求從0開始，標(biāo)尺一般為45～55Hz、900～1100Hz等等。變換式頻率表可通過調(diào)節(jié)偏置電阻，改變機(jī)械零點(diǎn)的頻率讀數(shù)。得到相應(yīng)標(biāo)尺。以45～65Hz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(diào)節(jié)偏置電路使偏置電流平均值等于45Hz時(shí)輸入尖脈沖電流的平均值，則機(jī)械零點(diǎn)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--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(jī)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(shí)，產(chǎn)生共振的簧片振幅最大，從窗口看，好像簧片頂端被拉長。可以從產(chǎn)生共振的簧片位置讀出頻率值。

二、低頻和高頻的測量

1.比較法

將被測頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率相比較，通過檢測差拍、李沙育圖形或混頻后的頻率求得被測頻率。差拍法李沙育圖形測頻率混頻法

2.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(jìn)行測量如文氏電橋測頻率和諧振回路測頻率。諧振回路測頻率

文氏電橋測頻率

3.計(jì)數(shù)法計(jì)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(jì)數(shù)器電路體積小，價(jià)格便宜，幾乎取代了所有其他形式的測頻儀器。第一張幻燈片返回本章首頁計(jì)數(shù)法測頻率計(jì)數(shù)法測周期第二節(jié) 數(shù)字頻率計(jì)的測量原理一、硬件計(jì)數(shù)頻率計(jì)硬件計(jì)數(shù)頻率計(jì)其結(jié)構(gòu)如下圖所示，被測信號通過整形，轉(zhuǎn)換為與被測信號頻率相同的脈沖，然后對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，也就是把頻率測量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)的測量。計(jì)數(shù)器可選用專用的集成電路，外圍再配上顯示器、放大整形以及電源電路即可組成頻率計(jì)。二、軟件計(jì)數(shù)頻率計(jì)

1.軟件計(jì)數(shù)頻率計(jì)的結(jié)構(gòu)

軟件計(jì)數(shù)是指用單片機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)數(shù)而構(gòu)成的頻率計(jì)，它由單片機(jī)，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(jì)數(shù)頻率計(jì)的工作原理

整形放大：將任意波形的被測信號，轉(zhuǎn)換為前沿陡峭的脈沖，以利計(jì)數(shù)。

計(jì)數(shù)：由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)單元完成，每當(dāng)被測信號從低到高變化時(shí)，將計(jì)數(shù)器加1，并由內(nèi)部時(shí)鐘計(jì)時(shí)，每一秒所計(jì)的變化次數(shù)，就等于被測信號的頻率。

數(shù)碼轉(zhuǎn)換與顯示：讀出的頻率值由軟件將它轉(zhuǎn)換為七段碼，送LED數(shù)碼管顯示。

三、計(jì)數(shù)器的測量誤差

1.秒信號時(shí)間不準(zhǔn)造成的誤差：

由于電子數(shù)字頻率計(jì)是把規(guī)定的一秒鐘內(nèi)所計(jì)的信號個(gè)數(shù)作為頻率，如果秒信號本身不準(zhǔn)確，必然造成計(jì)數(shù)誤差。

2.觸發(fā)誤差：

由于干擾造成計(jì)數(shù)器的誤觸發(fā)所產(chǎn)生的誤差。

3.量化誤差：

計(jì)數(shù)閘門開啟時(shí)間不剛好是被測信號周期的整數(shù)倍，而且脈沖到達(dá)時(shí)刻不剛好是閘門開啟時(shí)刻，因此在相同的開啟時(shí)間內(nèi)，可能會有正負(fù)一個(gè)數(shù)的誤差。量化誤差示意圖計(jì)數(shù)閘門開啟時(shí)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(shí)間T內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)為7.5,測出數(shù)可能為6。計(jì)數(shù)開始不剛好是第一個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻，造成的量化誤差。

在時(shí)間

T內(nèi)，被測脈沖個(gè)數(shù)為7，測出數(shù)可能為5。返回本章首頁第三節(jié)E312系列數(shù)字頻率一、頻率計(jì)數(shù)器專用集成電路ICM7226B二、由ICM7226B組成的E312X系列數(shù)字頻率計(jì)電路返回本章首頁第四節(jié)相位的測量方法一、相位含義相位一般是指兩個(gè)同頻率波形，過零點(diǎn)的時(shí)間差。而在工業(yè)供電系統(tǒng)中通常指電壓、電流兩波形過零點(diǎn)的時(shí)間差。因?yàn)橐粋€(gè)電壓、電流過零點(diǎn)的時(shí)間差角，對應(yīng)一個(gè)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

1.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(jìn)行測量。

2.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：可以用示波器測量兩個(gè)波形間的相位差。

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(gòu)成，通過檢流計(jì)的電流。

式中

值與u、I相位差有關(guān)。因此可根據(jù)檢流計(jì)的電流值測得相位差。當(dāng)u、i同相時(shí)變換式相位表波形當(dāng)u、i相位差為90°時(shí)變換式相位表波形通過表頭的電流可反映u、i間的相位

u、i同相時(shí)： 通過電表的電流平均值為零。在整個(gè)周期內(nèi)，指針都停在零點(diǎn)。

u、i相位差為90°時(shí)：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。

返回本章首頁第五節(jié) 電動系相位表一、電動系相位表結(jié)構(gòu)采用比率型結(jié)構(gòu)，兩個(gè)可動線圈在空間錯(cuò)開角。無工作時(shí)呈隨遇平衡狀態(tài)。適當(dāng)配置，可使指針即可動線圈A的軸線位置與標(biāo)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按接線圖，兩可動線圈所受力矩分別為

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(jié)構(gòu)完全相同，只是兩個(gè)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。

四、電動系三相相位表工作原理

電動系三相相位表只適用于負(fù)載對稱的三相三線制，使用時(shí)可動線圈B1通過電阻接A、B相，可動線圈

B2不接電感而是通過電阻接A、C相。從相量圖可知

指針偏轉(zhuǎn)角α是相位角φ

的函數(shù)，指針位置可直接反映相位角。返回本章首頁第六節(jié) 整步表

一、1T1-S整步表的結(jié)構(gòu)

由固定線圈A、A2、A3和一個(gè)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(zhuǎn)軸可在軸套中轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)軸的上、下兩端，各固定一個(gè)扇形鐵片D、兩鐵片Z字形，鐵片受力時(shí)可帶動軸和指針旋轉(zhuǎn)。二、1T1-S整步表的工作原理

測量時(shí)，將線圈A串接一電阻R，接在已在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)的A、B相上。令電阻數(shù)值遠(yuǎn)大于線圈A的感抗，可認(rèn)為線圈A是一個(gè)電阻性電路，電壓與電流同相。線圈A2、A3分別與R1、R3串聯(lián)，然后與電阻R2接成一個(gè)不對稱星形，接在待