第四章频率与相位的测量课件.ppt

1、电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第一节第一节 频率频率的测量方法的测量方法第二节第二节 数字频率计的测量原理数字频率计的测量原理第三节第三节 E312E312系列数字频率系列数字频率第四节第四节 相位的测量方法相位的测量方法第五节第五节 电动系相位表电动系相位表第六节第六节 整步表整步表 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量本章要点本章要点 本章介绍测量频率的方法以及本章介绍测量频率的方法以及电动系频电动系频率表和

2、电子数字频率计的结构与原理，用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。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，本章主要介绍重要指标，本章主要介绍电动系电动系相位相位表的表的原理和原理和使用方法。使用方法。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第一节第一节 频率的测量方法频率的测量方法一、工频

3、的测量一、工频的测量-用电动系频率表测量工频用电动系频率表测量工频用振簧式频率计用振簧式频率计用变换式频率计用变换式频率计用电动系频率计用电动系频率计电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第一节第一节 频率的测量方法频率的测量方法 一、工频的测量一、工频的测量-用电动系频率表测量工频用电动系频率表测量工频 1.电动系频率表的结构电动系频率表的结构 采用比率表型，两可动线圈空间错开采用比率表型，两可动线圈空间错开90。无工作时呈。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，随遇平衡状态。被测频率等于固定线圈回路的谐

4、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。分别为大于或小于谐振频率的值。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 二、工作原理二、工作原理 11111022coscos()1/ cos(1/)Mk IIIILCk IUCRLC 2222022202cos(90) cos()1 sin(1 /)Mk IIIIRk IURRRLC 由于由于 两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。两个力矩方向相反，当平衡时两者相等。联立可得联立可得21、MM0

5、2001tg()()RRCLRC 。 的函数是频率即指针偏转角按接线图，两可动线圈所受力矩分别为按接线图，两可动线圈所受力矩分别为 1 2电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量三、标尺特性三、标尺特性 01 , L-0, C若被测频率则为正角,指针将反时针偏转返回本章首页。, 01 即固定线圈轴线位置即固定线圈轴线位置位于标尺中心位于标尺中心指针指针偏转角偏转角率时当被测频率等于谐振频当被测频率等于谐振频 CL02001tg()( )RRCLRC 。，顺时针偏转顺时针偏转指针将指针将为负角为负角则若被测频率若被测频率 , 0C1-

6、L , 0 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量工频的测量工频的测量-用变换式频率表测量工频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，变换电路包含变换电路包含方波形成方波形成、微分微分、整流整流、指示指示和和偏置偏置五五个环节，通过变换电路，被测频率转换为一定大小的个环节，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直流电流，然后通过磁电系测量机构进行测量 。微分电路微分电路整流电路整流

7、电路指示仪表指示仪表偏置电路偏置电路双向限幅双向限幅电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量2.变换式频率表工作原理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，若用短，可形成尖脉冲波，若用 表示充表示充电电流，则电流脉冲波形可用下式表示电电流，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通过磁电系测量机构的电流平均值为 由于电路中由于电路中 很小（很小（RiC0T）故上式可简化为）故上式可简化为

8、 按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映被测按式可知，通过磁电系测量机构的电流可以反映被测频率的大小。频率的大小。1ifUCICP02 0、CRi) 1(2211000001 iiCRTCRtiTTCPeTUCdteRUTdtiTIiCRtieRUi021 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量3 .变换式频率表标尺特性变换式频率表标尺特性 工频频率表所测量的频率范围并不要求工频频率表所测量的频率范围并不要求从从0开始，标尺一般为开始，标尺一般为4555Hz、9001100Hz等等。变换式频率表可通过调等等。变换式频率表可通过

9、调节偏置电阻节偏置电阻R1，改变机械零点的频率读数。得到，改变机械零点的频率读数。得到相应标尺。以相应标尺。以4565Hz的频率表为例，被测输入信号经微分得到的的频率表为例，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，时输入尖脉冲电流的平均值，则机械零点的频率值就等于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。选择指示电表的灵敏度使满度为为65Hz。 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工

10、程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量工频的测量工频的测量-用振簧式频率表测量工频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。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。可以从产生共振的簧片位置读出频率值。 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大

11、学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 二、低频和高频的测量二、低频和高频的测量 差拍法差拍法李沙育图形测频李沙育图形测频率率混频法混频法 1. 1.比较法比较法将被测频率与标准频率相比较，通过检测将被测频率与标准频率相比较，通过检测差拍差拍、李沙育李沙育图形图形或或混频后的频率混频后的频率求得被测频率。求得被测频率。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 2.无源测量法无源测量法RCfRCRRCRXXX21 )j/11()j1(322411LCfX21谐振回路测频率谐振回路测频率 文氏电桥测频率文氏电桥

12、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进行测量如文氏电桥测频率 和谐振回路测频率。和谐振回路测频率。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第二节第二节数字频率计的测量原理数字频率计的测量原理 一、硬件计数频率计一、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

13、换为脉冲个数的测冲进行计数，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。器、放大整形以及电源电路即可组成频率计。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量返回本章首页计数法测频率（高频）计数法测频率（高频）计数法测周期计数法测周期(低频低频)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计数器电路体积小

14、，价格便宜，几乎取代了所有其他形式的测频仪器。测频仪器。第二节第二节数字频率计的测量原理数字频率计的测量原理秒秒电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 二、软件计数频率计二、软件计数频率计 1.软件计数频率计的结构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，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。等电路组成。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位

15、的测量频率和相位的测量2.软件计数频率计的工作原理软件计数频率计的工作原理 整形放大：整形放大：将任意波形的被测信号，转换为前沿陡峭的将任意波形的被测信号，转换为前沿陡峭的脉冲，以利计数。脉冲，以利计数。 计数：计数：由单片机内部的计数单元完成，每当被测信号从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，将计数器加低到高变化时，将计数器加 1，并由内部时钟计时，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。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：数码转换与显示：读出的频率值由软件将它转换为读出的频率值由软件将它转换为七段码，送七段码，送LED数码

16、管显示。数码管显示。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 三、计数器的测量误差三、计数器的测量误差 1. 秒信号时间不准造成的误差：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。计数误差。 2.触发误差：触发误差： 由于干扰造成计数器的误触发所产生的误差。由于干扰造成计数器的误触发所产生的误差。 3.量化误差：量化误差： 计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的

17、整数倍，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。同的开启时间内，可能会有正负一个数的误差。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量量化误差示意图量化误差示意图 计数闸门开启时间不刚好是计数闸门开启时间不刚好是被测信号周期的整数倍被测信号周期的整数倍造成的造成的量化误差。在时间量化误差。在时间 T 内脉冲内脉冲个数为个数为7.5,测出数可能为测出数可能为6。 计数开始不刚好是第一个脉计数开始不刚好

18、是第一个脉冲到达时刻，冲到达时刻，造成的量化误差。造成的量化误差。 在时间在时间 T 内，被测脉冲个数为内，被测脉冲个数为7，测出数可能为，测出数可能为5。返回本章首页电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第三节第三节 E312系列数字频率系列数字频率一、频率计数器专用集成电路一、频率计数器专用集成电路ICM7226B电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量二、由二、由ICM7226B组成的组成的E312X系列数字频率计电路系列数字频率计电路电气测量技术电气测量技术南京

19、信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量由由ICM7226B组成的电子数字频率计外围电路组成的电子数字频率计外围电路返回本章首页电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第四节第四节 相位的测量方法相位的测量方法 一、相位含义一、相位含义 一般是指一般是指两个同频率波形两个同频率波形，过零点的时间差。而在，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，对应间差。因为一个电压、电流过零点的时间差角

20、，对应一个该角的余弦，所以工业上测量相位角，与测量功一个该角的余弦，所以工业上测量相位角，与测量功率因数都称为测量相位。率因数都称为测量相位。 二、测量相位方法二、测量相位方法 1.直接法：直接法：可用指示仪表，例如可用指示仪表，例如变换式变换式、电动式电动式或或数数字式字式相位表进行测量。相位表进行测量。 2.间接法：间接法：通过测量电压、电流、功率求得通过测量电压、电流、功率求得I、U间的间的相位角。相位角。 3.比较法：比较法：可以用示波器测量两个波形间的相位差。可以用示波器测量两个波形间的相位差。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率

21、和相位的测量 三、变换式相位表三、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，通过检流计的电流分构成，通过检流计的电流 I 。 式中式中 值值与与u、i 相位差有关。因此可根据相位差有关。因此可根据检流检流计的计的电流值测得相位差。电流值测得相位差。221121RURUII21 、UU电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量当当 u、i 同相时变换式相位表波形同相时变换式相位表波形 。，U、iuU、iu。，U，iUi。、UU，u对应相位差为零对应相位差为零平均值为

22、零平均值为零因此通过检流计的电流因此通过检流计的电流平均值平均值的的上的压降上的压降在在的平均值等于的平均值等于上的压降上的压降在在由由如图中黑线所示如图中黑线所示成压降成压降上形上形的负半波可以在的负半波可以在上形成压降上形成压降的正半波可以在的正半波可以在图中红线所示图中红线所示如如形成压降形成压降才能有电流通过才能有电流通过正半波正半波只有只有261151261521651VD VD 3. VD VD 2. VD、 VD. 1 电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量当当 u、i 相位差为相位差为 90时变换式相位表波形时变换

23、式相位表波形。）。）、iuUU，U、iuU在在u。U，iUi。UU，u的大的大并不比单独形成并不比单独形成同时在上面形成的压降同时在上面形成的压降为稳压管压降为稳压管压降由于由于其示值对应相位差为其示值对应相位差为为零为零检流计的检流计的电流平均值不电流平均值不通过通过大一倍大一倍上的压降上的压降在在比比上的压降上的压降如图中黑线所示如图中黑线所示上形成压降上形成压降以在以在的负半波可的负半波可上形成压降上形成压降的正半波可以在的正半波可以在红线所示红线所示如图中如图中形成压降形成压降有电流通过有电流通过正半波正半波121261151261521651 (90,VD VD 2. VD VD V

24、D VD . 1 o o、i电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 通过表头的电流可反映通过表头的电流可反映 u、i间的相位间的相位 u、i 同相时：同相时： 通过电表的电流平均值为零。在整个周期内，指针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。都停在零点。 u、i 相位差为相位差为90时：时： 通过电表的电流平均值最大通过电表的电流平均值最大，电表指针将停在最大电表指针将停在最大位置。位置。 u、i 相位差不同：相位差不同： 电表指针将停在不同位置。电表指针将停在不同位置。 返回本章首页电气测量技术电气测量技术南京

25、信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第五节第五节电动系相位表电动系相位表 一、电动系相位表结构一、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采用比率型结构，两个可动线圈在空间错开 角。无工角。无工作时呈随遇平衡状态。适当配置作时呈随遇平衡状态。适当配置 ，可使指针即可动，可使指针即可动线圈线圈B1的轴线位置与标尺中心夹角等于被测的轴线位置与标尺中心夹角等于被测U、I 间的相位间的相位角。角。11、RL电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量二、电动系相位表工作原理二、电动系相位表工

26、作原理 按接线图，两可动线圈所受力矩分别为按接线图，两可动线圈所受力矩分别为111111222222 coscos( ) coscos() cos()cos( ) cos()cosMk I II Ik I IMk I II Ik I I。，IUIIIIkkMM分度将是不均匀的分度将是不均匀的刻度刻度如按如按均匀均匀则分度则分度如果按相位角刻度如果按相位角刻度可得可得个可动线圈的夹角个可动线圈的夹角为两为两的相位差的相位差与与为为使使配置电路阻抗配置电路阻抗联立求解得联立求解得可认为可认为基本相同基本相同并考虑可动线圈的结构并考虑可动线圈的结构可动部分平衡可动部分平衡时时当当 cos ，) ,

27、( ， )cos(cos)cos(cos ,121122121 1I2IUI电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量二、电动系相位表工作原理二、电动系相位表工作原理。，IUIIII分度将是不均匀的分度将是不均匀的刻度刻度如按如按均匀均匀则分度则分度如果按相位角刻度如果按相位角刻度可得可得个可动线圈的夹角个可动线圈的夹角为两为两的相位差的相位差与与为为使使配置电路阻抗配置电路阻抗 cos ，) , ( ， )cos(cos)cos(cos 12112 1I2IUI电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频

28、率和相位的测量频率和相位的测量电动系三相相位表与电动系单相相位表的结构完全相同，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，而元件，而三相相位表两路都是接电阻三相相位表两路都是接电阻，分别，分别为为 。21 、RR三、电动系三相相位表三、电动系三相相位表电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 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只适用于三相三线制，使用，使用时可动线圈时可动线圈B1不接电感通过电阻不接电感通过

29、电阻 接接A、B相，可动线圈相，可动线圈B2通过电阻通过电阻 接接A、C 相。从相。从相量图可知相量图可知)F( )30cos()30cos()cos(cos 30 30 1221IIIIII 指针偏转角指针偏转角 是相位角是相位角 的函数，的函数，指针位置可直接反映相位角。指针位置可直接反映相位角。1R2R四、电动系三相相位表工作原理四、电动系三相相位表工作原理-30电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量第六节第六节整步表整步表 由固定线圈由固定线圈A1、A2、A3和一个可动的和一个可动的Z形铁心形铁心组成，组成，A1做成圆筒状

30、套在做成圆筒状套在轴套轴套C上，上，A2、A3做成方做成方扁形，互成扁形，互成90夹角套在夹角套在A1的外面。转轴可在轴套的外面。转轴可在轴套中转动，在转轴的上、下中转动，在转轴的上、下两端，各固定一个扇形铁两端，各固定一个扇形铁片片D、两铁片、两铁片Z字形，铁字形，铁片受力时可带动轴和指针片受力时可带动轴和指针旋转旋转。 一、一、1T1-S整步表的结构整步表的结构11电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 二、二、1T1-S整步表的工作原理整步表的工作原理 测量时，将线圈测量时，将线圈A串接一电阻串接一电阻R，接在已在运行的发，

31、接在已在运行的发电机或电网的电机或电网的A、B相上。令电阻数值远大于线圈相上。令电阻数值远大于线圈A的感的感抗，可认为线圈抗，可认为线圈A是一个电阻性电路，电压与电流同相。是一个电阻性电路，电压与电流同相。线圈线圈A2、A3分别与分别与R1、R3串联，然后与电阻串联，然后与电阻R2接成一接成一个不对称星形，接在待并发电机的个不对称星形，接在待并发电机的A、B、C三相上，电三相上，电路连接如图路连接如图 111电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量 三、标尺三、标尺 标尺上只注明标尺上只注明“快快”、“慢慢”和一条红色的和一条红色的

32、同步点，同步点，当待并发电机的当待并发电机的频率比电网频率高时频率比电网频率高时，指针将顺时针旋转指针将顺时针旋转，表示待并发电机的转速偏，表示待并发电机的转速偏快。待并发电机的快。待并发电机的频率比电网频率低时频率比电网频率低时，指针指针将逆时针旋转将逆时针旋转，表示待并发电机的转速偏慢。，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，指针离红点待并发电机与电网的相位差越大，指针离红点也越远，也越远，指针偏离红点同时反映了两个频率和指针偏离红点同时反映了两个频率和相位的差异相位的差异 返回本章首页电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。电气测量技术电气测量技术南京信息工程大学南京信息工程大学第四章第四章 频率和相位的测量频率和相位的测量