同期测量表计的三部分构成及工作原理

一、组合式同期表组成

MZ-10型组合式同期表广泛应用于电力系统中，外形如图8-10所示。这种同步表有三相式和单相式之分，内部接线图如图8-11所示。整个仪表由频率差表、电压差表和同步表三部分组成。

图8-10　MZ-10型组合式同期表的外形

图8-11　MZ-10型三相式同期表内部电路图

（a）MZ-10型三相式同期表内部电路图；（b）MZ-10型单相式同期表内部电路图

二、MZ-10型三相式同期表工作原理

（一）频率差表P2

频率差表的测量机构（Hz）为直流流比计，输入的两个正弦交流电压u分别经R1、R2和双向限幅V后，将正弦波削波，得到电压uV，波形图如图8-12所示。

式中　uV——双向限幅电压值；

Um——输入电压u的幅值；

α——限幅角。

设整流桥的输入电阻为R，令C1=C2=C，则经微分电容C1、C2后输入到整流桥上的uUF电压波形如图8-12（b）所示。显然，只有在-α～+α期间才有输出电压波形，在-α～+α区间外其值为零。在-α～+α区间内，uUF可写成

图8-12　频率差表工作时的电压波形

（a）输入电压及限幅后的波形；（b）微分后的电压波形

uUF经全波整流后，就得到周期为180°的脉冲电压，再经C3滤波后就得直流电压于是流入流比计线圈的电流I与该直流电压成正比，计及式（8-4）式（8-5），电流I可用下式计算

式中　k——系数，其值等于流比计线圈电阻的倒数；

K——常系数，K=4kRCUV。

可见，流比计线圈中的电流I与输入电压的频率成正比。两个电流分别流入磁电式直流流比计的两个线圈中，这两个线圈分别绕在同一个铝框架上，两线圈在由永久磁铁所产生的固定磁场里产生一对相反方向的转矩，当待并发电机和运行系统的频率相同时，两个线圈所产生的转矩正好互相抵消，作用在表计指针上的总力矩等于零，指针不偏转。如果两侧频率不等，指针便偏转，直到与由游丝所产生的反作用力矩相平衡为止。指针的编转方向取决于频率差的极性，当待并发电机的频率大于系统频率时，指针向正方向偏转（向上），反之则向负方向偏转（下向）。

（二）电压差表

电压差表P1的测量机构为磁电式毫安表。待并发电机和系统的交流电压通过电阻（R4、R3）、整流桥变换为直流电流，并流入毫安表进行比较。两个电流相等时，其差值等于零，毫安表指针不偏转，即停留在零（水平）位置上；当待并发电机电压大于系统电压时，毫安表指针向正方向偏转（向上）；反之向负方向偏转（向下）。

（三）电磁式转差表

图8-13（a）为转差表内部结构图，图8-13（b）为转差表接线图，图8-13（c）为内部接线图。

图8-13　转差表结构及接线图

（a）转差表内部结构图；（b）转差表接线图；（c）内部接线图

转差表内部有三个线圈，且都是固定线圈。其中L1和L3两个线圈经附加电阻R1、R2和R3分别接至待并发电机的电压UAB和UBC上，在空间布置上相互垂直图，如图8-13（b）所示。适当选择附加电阻R1、R2和R3的数值，可使流经线圈L1和L3中的电流在相位上也相差90°，以便产生旋转磁场，此旋转磁场在空间上将垂直于两个线圈平面。

另一个线圈L是布置在线圈L1和L3的内部，沿轴向绕在可动Z形铁片的轴套C的外面。可动部分的中间一段为由铁磁材料制成的轴套C，在其两端固定着扇形铁片F。轴套C与转轴紧固在一起。转轴上部用螺丝钉固定着指针E和燕尾形平衡锤，还有圆形阻尼片。两块阻尼磁铁固定在座架上。可动部分在线圈内部可以像电机的转子一样自由地转动。线圈L经附加电阻R接在已运行电网的电压UA′B′上，在线圈L内所产生的磁场为一个正弦波脉动磁场，使Z形铁片磁化。(www.xing528.com)

1.工作原理

图8-14（a）是旋转磁场在空间的分布情况，图8-14（b）是线圈L1和L3中电流的向量图。

图8-14　同步表向量图

（a）旋转磁场在空间的位置；（b）线圈L1和L3中电流的向量图；（c）线圈L中电流电压向量图

由于各相所接入的附加电阻值不同，使中性点O位移至O′，并且使流经线圈L1中的电流I1与流经线圈L3中的电流I3之间在相位上相差90°，即β=90°。假设以相电压OA为参考向量，中性点位移后相电压O′A与相电压OA之间的夹角为θ，则流经线圈L1和L3中电流的瞬时值分别为

式中　I1、I3——L1、L3中电流的有效值，A。

由电流i1和i3在线圈L1和L3中所产生磁场的磁感应强度分别为

式中　B1m、B3m——L1和L3中磁感应强度的最大值，T。

设B1的正方向与x轴的正方向一致，B3的正方向与y轴的正方向一致，则有

Bx=B1，By=B3，合成磁感应强度B为

设合成磁感应强度B与x轴的夹角为α，则有

若B1m=B3m=Bm和β=90°，则

对于已制成的转差表来说，L为一恒定值，故α角是随着ωt而变化的，即B在空间上为一个幅值不变的圆形旋转磁场。

图8-15　正弦脉动磁场

由电流IA′B′在线圈L中所产生的磁场为一个按正弦规律变化的脉动磁场，即在任何时刻，磁场在空间的轴线并不移动，而只是其磁感应强度的大小和方向按正弦规律做周期性的变化，如图8-15所示。

2.转差表在几种不同运行状态下的动作分析

（1）当发电机与电网完全同步时，A′B′=AB，f′=f（f′是电网的频率）。由图8-14（c）可知，在线圈L的电流A′B′将超前于相电压OA（参考电压）30°，于是线圈L的磁感应强度为

BL使Z形铁片磁化。被脉动磁场磁化了的铁片处在旋转磁场之中，由于铁片上磁性的大小和方向都随着脉动磁场呈周期性的变化，加上铁片本身有惯性，所以它不能像由直流励磁的同步电机的转子那样，永远追随着旋转磁场旋转，而是力图占据磁场能量最大的位置，即当铁片被磁化而磁性最强时，它总是力图与旋转磁场的磁极轴线方向保持一致。当它已占据了这一位置后，旋转磁场在空间上继续以ω=2πf的角速度不停地旋转，旋转磁场的磁极转过去，Z形铁片的磁性随着开始减弱，当磁极转过90°时，Z形铁片的磁性已消失，当磁极转过180°时，铁片的磁性正好达到反方向最强，仍保持停在磁场能量最大的位置上。这样，当发电机与电网完全同期时，与铁片装在同一转轴上的指针，将停留在一定的位置上不动，此位置即为同期表的同期点，此时，正好是BL=BLm，即sin（ωt+30°）=1，由此可得ωt=60°，将此值代入式（8-13）可得

也就是说，当指针指示同期点时，Z形铁片与线圈L3的夹角α等于30°-θ。对已制成的同期表来说，θ角是恒定值，所以表计的同期点是固定的，并在表盘上有明显的同期点标志。

（2）发电机与电网的电压和频率相等，但相角不同。此时，f′=f，但A′B′与AB相角不等。例如，当发电机电压AB的相角滞后电网电压A′B′的角度为γ时，使Z形铁片磁化的脉动磁场将比在同步时提前γ角达到最大值，因此，它为了保持占据磁场能量最大的位置，指针停留的位置将偏离开同期点，而是向同期点“超前”的方向转过一个角度γ。同理，当发电机电压AB的相角超前电网电压A′B′的角度为γ时，指针停留的位置将向同期点“滞后”的方向偏转γ角。

（3）当发电机的频率与电网频率不等时。此时f≠f′，由于两者不等，Z形铁片被脉动磁场交变磁化一次，旋转磁场不是正好转过一周，因而指针不可能停留在一个固定的位置上。若发电机频率比系统频率高，则脉动磁场交变一次，旋转磁场转过了一圈多，这时Z形铁片仍要保持其被磁化最强的瞬间与旋转磁场的轴线在空间的位置相重合，就得带着指针偏离开原来相遇位置一个角度，等到下一个周波又要在刚才位置的基础上，再偏开一个角度。实际上，这个过程是连续的，从表盘上看，指针就向“顺时针”的方向不停地旋转。同理，如发电机频率低于系统频率，Z形铁片就带着指针向“逆时针”的方向旋转。显然，发电机和电网频率差得越多，指针转得越快。但当两侧频率差到一定程度后，由于可动部分惯性的影响，指针将不再旋转，而只作较大幅度地摆动，若二者频率相差太多，指针就停着不动了。所以规定，对MZ-10型同期表，只当两侧频率差在±0.5Hz以内时，才允许将转差表的电路接通。

三、MZ-10型单相同期表

MZ-10型单相组合式同期表的工作原理与三相式基本相同，只是其中的转差表S为单相式。采用单相式同期表可简化同期系统的接线，无论是从待并发电机侧还是从电网侧，都只需引来一个电压即可。因此，在发电厂和变电站中得到广泛应用。

单相式转差表S的接线图如图8-11（b）所示。表计的构造与三相式同期表相同，只是在外电路利用电容—电阻裂相方法将单相电流分裂成两个有90°相位差的电流，使其分别流入电磁式转差表的两个固定线圈中，代替三相式表计中的两相电流，这与单相异步电动机中利用电容裂相产生旋转磁场原理相同。