磁电系整流式仪表在非直流测量中的应用及局限性分析

    1　前　言

    磁电系指示仪表/测量机构(标志符号),是应用最为广泛的一种指示仪表机构形式。在生产实践中,在对各种电气设备的调试、维修时经常会使用万用表对各种电量进行测量,几乎所有指针式万用表都使用的是磁电系表头,所以万用表是磁电系测量机构多用途应用的典型例子。在大多数情况下万用表都能提供准确的指示给使用者作为判断电路状况的依据,但有时在对一些特殊的如:可控整流、半导体逆变、变频变压、中频等设备进行测量时,其读数往往出现明显偏差,给使用者带来困惑和误导。

   2　实例分析

    笔者曾与一些从事电气工作的朋友讨论过一个问题:在60W灯泡的线路中串接一个二极管后其实际功率会变为多少呢? (忽略灯泡冷热态阻值的变化和二极管参数的影响),讨论的结果产生了分歧。

    2.1　分析一

    根据欧姆定律^[1],全波时:

    P=UI

    I=P /U=60/220=0. 273A

    R=U/I=220/0. 273=806. 7Ω

    加二极管后(半波整流):

    U′=0.45U=220×0. 45=99V                  (1)

    I′=U′/R=99/806. 7=0. 123A

    P′=U′I′=99×0. 123=12. 16W

    由此得:此时负载实际功率约为12W。

    使用Mutisim搭建模拟电路,用万用表分别测量电流和电压,结果与上述计算符合。

    2.2　分析二

    运用积分计算,全波时:

    设i(t)=I_mSinωt　(I_m为电流峰值)

    设电流有效值为I,则:

    半波时:上式积分区间变为[0,T/2], [T/2,T]区间二极管截止,电流不做功;因此得:

    I′=I_m/2=I/ 2,　P′=P/2=30W

    此时负载实际功率为原来的1/2, 30W看似简单的问题却出现了两种截然不同的结果,哪个才是正确答案?再次对电路进行模拟实验,并选用功率表进行测试，结果如图2所示。

    再用1 N4007 ,60 W灯泡搭建实际电路，使用电磁系功率表进行测量，读数为27. 8W，排除因为元件参数等造成的误差说明第二种结论正确。

    第一种结论的得出从理论分析到实际测量似乎都没有错误，是什么原因导致最终得出错误的结果?由于万用表是磁电系测量机构在交直流测量中非常典型的应用，所以首先必须对磁电系测量机构的基本工作原理进行分析。