三相功率计不同接线方式及测试原理简析

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简介:三相功率计不同接线方式及测试原理简析Introduction of Different Connection Mode and Test Principle of Three-phase Power Meter摘要:本文分析了三相功率计测量三相电路有功功率的各种接线方式及其原理,分析了 ...
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三相功率计不同接线方式及测试原理简析
Introduction of Different Connection Mode and Test Principle of Three-phase Power Meter

摘要:本文分析了三相功率计测量三相电路有功功率的各种接线方式及其原理,分析了各种接线方式下其示值的物理意义,同时也对各接线方式的适用范围做了说明,供相关工程技术人员参考。 
关键词:三相功率计;接线方式;三相三线;三相四线;三电压三电流表
Abstract:This paper analyzes the three-phase power meter to measure several kinds of connection modes and its principle of three-phase active power circuit. And it analyzes its physical meaning of the displayed value under different connection modes. At the meantime, it explains the scopes of application of the connection modes, in order to provide the reference for the relative engineering technicians.
Key words: three-phase power meter; connection mode; three phase three wire; three phase four wire; three voltmeter three ammeter

  三相电路的有功功率测量是分析三相电路的重要内容,因此三相功率计不仅是各安规实验室的常用仪表,同时也是家用电器等生产企业广泛使用的仪表。三相功率计的接线方式主要有:三相四线制(3P4W)接法、三相三线制(3P3W)接法、三电压三电流表(3V3A)接法。许多工程技术人员在使用三相功率计的时候,经常会对采用什么接法产生疑惑,同时也会混淆三相功率计不同接法下各示值的物理意义。
  本文将对以上三种接线方式的测试原理进行简单分析,并分析三相功率计示值的物理意义。本文涉及的参数除非特殊说明均为正弦交流电的有效值。
  1 三相四线制(3P4W)接法
  对于三相四线制系统,三相功率计接法如图1 所示。接线特点是每个测试单元的电压测试均以中线N为参考点,电流测试分别是每一相的线电流。
  假设各测试单元的电压显示值分别为U1、U2、U3,电流显示值分别为I1、I2、I3,有功功率显示值分别为P1、P2、P3,α、β、γ分别为U1与I1、U2与I2、U3与I3的相位差。所以有以下关系:
  P1=U1I1cosα       P2=U2I2cosβ       P3=U3I3cosγ
  三相的总功率P=P1+P2+P3,各测试单元的显示值均有明确的物理意义。即U1、U2、U3分别为各相的相电压,I1、I2、I3分别为各相的线电流,P1、P2、P3分别表示各相负载吸收的有功功率。
  下面以WT230为测试仪器,三相异步电动机为测试样机,对三相四线制(3P4W)接法进行示例。图2中1、2、3测试单元的示值分别为每一相的电压、电流、功率示值;图2中Σ单元的电压、电流示值为1、2、3测试单元电压、电流示值的平均值,图2中Σ单元的功率示值为1、2、3测试单元功率示值的和值。详细见图2。
  三相四线制(3P4W)接法是每个测试单元单独对每一相的相关参数进行测试,对负载对称与不对称的三相四线制三相电路都适用。
  2 三相三线制(3P3W)接法
  对于三相三线制系统,三相功率计接法如图3所示。接线特点是采用两个测试单元,电流测试分别是对应相的线电流,电压测试端子采用共V接法。
  图3中两个测试单元的有功功率值的代数和即为三相负载吸收的总有功功率。三相电路的瞬时功率p为各相负载吸收的瞬时功率之和:
  p=p1+p2+p3=u1i1 +u2i2+u3i3                                                                    (1)
  根据基尔霍夫电流定理:i1+i2+i3=0,即i2=-(i1+i3)
  得p=u1i1 +u2i2+u3i3=u1i1-u2(i1+i3)+u3i3=i1(u1-u2)+i3(u3-u2)=u12i1+u32i3=pu+pw                                                                                                 (2)
  则三相电路的平均功率P为:
   P==
   =U12I1cosφ1 + U32I3cosφ2 = Pu+Pw                                              (3)
  式中φ1为线电压U12与线电流I1的相位差角,φ2为线电压U32与线电流I3的相位差角。由图3,Pu与Pw分别为测试单元1和测试单元3的显示值。由此可见:三相总功率等于两测试单元功率示值之和,每个测试单元的功率示值没有意义。这也是我们平常说的“两表法”,图3电压测试端子采用共V接法,类推可得“两表法”也可以采用电压测试端子共U接法、共W接法。
  三相三线制(3P3W)接法对负载对称与不对称的三相三线制三相电路都适用。
  下面以WT230为测试仪器,三相异步电动机为测试样机,对三相四线制(3P3W)接法进行示例。分别为每一测试单元的示值和Σ单元示值。详见图4。
  3 三电压三电流表(3V3A)接法
  三相功率计三电压三电流表(3V3A)接法如图5所示,适用于三相三线制系统。接线方式和三相三线制(3P3W)接法(见图3)相比增加了一组电压电流测试,其它和三相三线制(3P3W)接法一致。
  三相总有功功率测试原理也和三相三线制(3P3W)接法相同,只是对三相每一相的线电流和线电压都进行了测试。由三相三线制(3P3W)接法的公式推导可得:P=Pu+Pw,三相总功率等于两测试单元功率示值之和,每个测试单元的功率示值没有意义。所以三电压三电流表(3V3A)接法计算三相电路的总功率并不需要新增加测试单元所测试出的功率值。
  三电压三电流表(3V3A)接法适合需要详细考核每一相电压电流的情况,尤其是在三相负载不平衡的状态下,数据更完善,可以清楚地看到三相电路每一相的线电流。
  下面以WT230为测试仪器,三相异步电动机为测试样机,对三相四线制(3V3A)接法进行示例。分别为每一测试单元的示值和Σ单元示值。详见图6。
  4 各接法方式测试数据分析
  表1为WT230对某台三相异步电动机不同接线方式下的测试数据汇总,由表1数据可以看出各接线方式测试示值的具体情况。
  三相四线制(3P4W)接法中各测试单元测试的电压是三相电路的相电压,而三相三线制(3P3W)接法和三电压三电流表(3V3A)接法测试的电压是三相电路的线电压。测试电流都是线电流,其中三相三线制(3P3W)接法只测试其中两相的线电流。对于功率测试值,三相四线制(3P4W)接法测试的是每一相的功率,三相总功率是三个测试单元功率之和;而三相三线制(3P3W)接法和三电压三电流表(3V3A)接法中各测试单元的功率值没有实际物理意义,只是起计算三相总功率的作用,上文图3和图5所介绍的接法中,他们三相总功率均为测试单元1和测试单元2的功率之和。
  5 接法方式选用
  无论是安规试验室的日常测试,还是生产现场数据监控,三相功率计都是经常使用的测试仪器。而三相功率计的各种接线方式又有着不同的适用范围和各自的优势。因此对三相功率计接线方式的选择便尤为重要。
  上文介绍的三相功率计的三种接线方式不仅适用于负载对称的三相电路,对三相负载不对称的三相电路也同样适用。对于三相四线制系统,三相功率计可以采用三相四线制(3P4W)接法。对于三相三线制系统,三相功率计可以采用三相三线制(3P3W)接法和三电压三电流表(3V3A)接法;当需要监测每一相线电流时,需要采用三电压三电流表(3V3A)接法,尤其是对于三相负载不对称的三相电路。具体可参照表2。
  各生产现场都会使用三相异步电动机,由于三相异步电动机都是三相对称负载,单独测试三相异步电动机时可以在三相三线制系统中进行测试,因此可以选择三相三线制(3P3W)接法和三电压三电流表(3V3A)接法。对于多数三相不对称负载电路一般使用三相四线制系统,所以需选择三相四线制(3P4W)接法。
  6 结语
  本文从三相功率计的常用接线方式进行分析,简要分析了各接线方法的测试原理以及各显示值的物理意义,同时也对各接线方式的适用范围做了说明。在实际使用过程中,工程技术人员需要根据电路系统的线制、测试需要选择合适的接线方式。

参考文献
[1] 邱关源.电路[M].第4版.北京:高等教育出版社, 1999.
[2] 秦曾煌.电工学上册 电工技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.
[3] YOKOGAWA, WT230数字功率计用户操作手册[Z].

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