三相电路功率的测量方法

三相电路功率的测量方法三相电路功率的测量方法 摘摘 要：要：本文主要论述三相功率的测量方法，包括有功功率和无功功率。较详细 地讨论了三相电路功率测量的接线问题， 总结了两表法和三表法测量有功功率时 各自的适用范围及功率表读数在不同接线方式下的物理意义， 指出了它们的联系 与区别。 关键词：关键词：三相电路，功率测量 本文阐述三相电路功率的测量方法，包括有功功率和无功功率的测量方法。 说明它们各自的接线方式， 阐述它们的测量原理，并且围绕测量有功功率的两表 法和三表法的原理和接线方法进行讨论。 总结了两表法和三表法各自的适用范围 及功率表读数在不同接线方式下的物理意义，指出了它们的联系与区别。 1. 功率的定义 在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是 视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功 率与视在功率之比叫做功率因数，以cosΦ表示。在实际电路中由于有电机设备 (如鼓风机、 抽水机、压缩机等)等感性负载,便产生了无功功率.无功功率使得电 能没有全部转化为人们所用（即有功功率） 。 2. 有功功率的测量 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为 其他形式能量 (机械能、光能、热能 )的电功率，称为有功功率。下面分别 以对称三相电路和非对称三相电路进行说明。 对称三相电路是指三相电源对称、三相负载均衡的三相电路。以下为三相电 路原理图，图中所示的是YY型对称电路。 图 1 三相电路原理图 1 图 1 中电源相电压的相角差为 120 度，阻抗ZA=ZB=ZC，在实际应用中这种电 路称为三相四线制电路。电源相电压向量形式如下： 由于电压源是三相对称电源， 负载为对称三相负载，因此 A,B,C 相的相电流 的数值相等。他们的矢量和为零，就没有电流从N 流到 N’。计算三相电路的功 率可以转化为计算一相的功率。所以当计算他们三相功率时，只需计算一相的功 率，它的数值再乘3，就可以得到电路的总功率。功率一般讲瞬时功率和平均功 率。对称三相电路的瞬时功率是一个常量，其值等于平均功率，这是对称三相电 路的一个优越性能。习惯上把这一性能称为瞬时功率平衡。对于三相三线完全对 称电路来说，则可按图 2 接线方式测量。 瞬时功率 p=相电压 UAN*相电流 IA*功率因数 cosΦ ∑p=3UAN*IA*cosΦ 图 2一瓦特表法测量三相功率示意图 但如果被测电路的中点不便于接线， 或负载不能断开，就需要人为制造一个 中性点，应按图 2 所示的线路进行测量。图中，电压支路的非发电机端所接的是 人工中点，即由两个与电压支路阻抗值相同的阻抗接成丫形，作为人工中点。 2 图 3 应用人工中点的一表法线路 实际电路中，电源总是对称的，而负载未必相等，一般从电源的中性点N 再引一棵线路到 Y 型负载的中性点 N’，即三相四线制。由于线路不在平衡，就 会有电流从 N 流到 N’ 。只计算一相的功率再乘以 3 就不等于线路的总功率了。 三相四线制供电的三相星形连接的负载 （即 Y0 接法） ,就必须用一个功率表测量 各相的有功功率 PU，PV，PW，则三相负载的总有功功率∑P＝PU＋PV＋PW。这就 是一瓦特表法。 如图 2（a）标注所示三相的总功率为 P = P AN + P BN + P CN。三个表的读 数均有明确的物理意义，即 P AN，P BN ，P CN 分别表示 A 相、B 相和 C 相负载 各自吸收的平均功率。这就是三表法。 实际上，三表法测三相功率不止图2所示的一种接线方式，另外还有三种接 线方式，分别称作共A，共B 和共C 接法（与此相对应，图2中的接法可称作共中 线N 接法） 。对应每一种接线的三个表的读数的代数和均表示三相负载吸收的总 功率。由于是对称三相电路，有I NN’ =0 所以共A，共B 和共C三种接法中的瓦特 表，凡是接到N极的读数必然为零。在测量时可不接，此时的三表法便简化为两 表法。 上述四种三表法的接线的特点是每组接线中的三个表所接电压均以同一根 线为参考点，即分别是共A, B, C 或N，而电流则分别是非参考线中的电流。 两表法是以电路的其中一相为公共点， 把两块瓦特表分别接到其他两相上。 可见，此时的两表法是三表法的特例。当然，这里单个表的读数没有明确的物理 意义。三相三线制供电系统中，不论三相负载是否对称，也不论负载是星形接法 还是三角形接法，都可以用二瓦特表法测量三相负载的总有功功率。 3 图 4 二瓦特表法测量三相功率示意图 测量线路如图 4 示。若负载为感性或容性，且当相位差Φ=60°时，线路中 的一只功率表的指针将反偏（数字式功率表将出现负读数） 。这时应将功率表电 流线圈的两个接线端子调换（不可调换电压线圈接线端子） ，其读数记为负值。 而三相总的有功功率∑P＝P1＋P2（此处是代数和） 。 这种测量三相功率的二瓦特表法，不论三相电路是否对称，都是适用的。但 必须注意， 二瓦特表法应用了 IU+IV+IW=0 的条件， 三相三线制是符合这个条件的， 而三相四线制不对称电路不符合这个条件，所以，这种测量三相功率的二瓦特表 法只适用于三相三线制，而不适用于三相四线制不对称电路. 不对称三相电路又可分为三相电源对称、 负载不对称和电源、负载均不对称 等情况。在本文的功率测量方法讨论中,它们并无差别。讨论仍分别从三相四线 制和三相三线制两种情况讨论。不对称三相四线制系统。其测量接线图仍分别有 四种接线方式。 与对称三相电路不同的是, 此时中电流I NN’≠ 0,所以, 图2 中电 流线圈接在中线上的功率表读数一般不为零。就是说, 此时两表法不再成立,而 必须用三表法测得三相负载的总功率。 实际使用中二瓦特表法的接线规则如下： 1) 两个功率表的电流线圈分别任意串联接入两线，使通过电流线圈的电流为二 相电路的线电流，且电流线圈的同铭端必须接到电源侧。 2) 两个功率表电压线圈的同铭端必须接到该功率表电流线圈所在的线，而两个 功率表电压线圈的非同铭端同时接到没有接功率表电流线圈的第三线上。 3) 用二瓦特表测量三相功率时，电路的功率等干两个功率表读数的代数和，即 必须把每个功率表读数相应的符号考虑在内，这一点要特别注意。 3. 无功功率的测量 4 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它 们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。 为建立交变磁场和感应磁 通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功“并不是“无用“的电功率， 只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已。 根据无功功率的计算公式 ,无功功率等于电压乘以电流再乘以他们的正弦 值。根据三角函数关系，可以把正弦值的计算转换为余弦值的计算。 Q=U*I*sinΦ =U*I*cos(90°-Φ ) 如果改变接线方式， 是功率表电压支路的电压 U 与电流线圈上的电流 I 之间 的相位差为 90°-Φ ， 这时有功功率的读数就是无功功率。 由电工学的知识可知， 在对称三相电路中，线路 UVW与相电压 UU之间恰有 90°的相位差，也就是 UVW与 U 相电流 IU之间有 90°-Φ 的相位差。 对于三相三线制供电的三相