《电气与电子测量技术》...

《电气与电子测量技术》

实验指导书

上海交通大学电气工程系

罗利文黄艺璇徐青菁

2018 年 4 月

实验注意事项

1．开始实验前，必须将实验板的交流电源插头从电源插座上拔出，确保试验

装置不带电；

2．进入实验后，严格听从指导教师的安排，严禁大声喧哗、追逐、打闹；

3．警示符号：

实验板和实验装置上可能出现下列警示符号

该标志表示附近存在触电危险，不要触摸或过分靠近；

该标志表示附近存在烫伤危险，不要触摸；

4．实验准备工作完成后，必须经过指导教师检查确认后，才能给实验装置通电；

实验结束后，必须请实验指导教师检查确认。

目录实验预备知识 ........................................................................................................................... 1

1.1 LabVIEW 及 NI-VISA 仪器总线接口 ..................................................................... 1

1.2 电能计量模拟前端 ADE9000 ................................................................................... 2

1.3 三相逆变负载箱 ........................................................................................................ 3

实验一不确定度的测量 .................................................................................................... 5

实验二交流电压和交流电流的测量 ................................................................................ 8

实验三整流型负载电流的测量和分析 .......................................................................... 15

实验四交流电压和交流电流的谐波分析 ...................................................................... 20

实验五三相不平衡度的检测 .......................................................................................... 24

实验六磁场强度的测量 .................................................................................................. 28

实验七电压波动和闪变的监测 ...................................................................................... 31

实验八电压骤降和骤升的监测 ...................................................................................... 32

附录 1 ..................................................................................................................................... 33

1

实验预备知识

1.1 LabVIEW 及 NI-VISA 仪器总线接口

NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是美国国家仪器 NI 公司开

发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口，以下简称“VISA”。

VISA 总线 I／O 软件是一个综合软件包，不受平台、总线和环境的限制，可用来

对 USB、GPIB、串口、VXI、PXI 和以太网系统进行配置、编程和调试。VISA

是虚拟仪器系统 I／O 接口软件。基于自底向上结构模型的 VISA 创造了统一形

式的 I／O 控制函数集。电气与电子测量实验平台上主要是利用 VISA 模块对串

口进行配置和控制。当串口设备接入 PC机后，在LabVIEW程序面板中利用VISA

资源名称选择特定的串口。然后利用 VISA 配置串口子 VI 对指定的串口按特定

设置进行初始化，然后使用 LabVIEW 程序面板中的函数对串口进行数据发送或

接收。

子节点名称功能描述图标

ViOpen 打开并指定 VISA resource name 的设备的连接。

ViWnte 向 VISA resource name 指定的设备写入数据。

ViRead 从 VISA resource name 指定的设备读出数据。

ViClose 结束设备读写并关闭与指定设备的连接。

2

1.2 电能计量模拟前端 ADE9000

ADE9000 是一款高度精确的完全集成式多相电能和电源质量监控器件。该

器件具有出色的模拟性能和数字信号处理(DSP)内核，可在宽动态范围内实现精

确的电能监控。集成的高端基准电压源确保可编程增益放大器(PGA)和模数转换

器(ADC)）在整个温度范围内实现低温漂，总漂移低于±25 ppm/°C（大值）。

ADE9000 能够对有效值、有功、无功、视在功率和电能进行总值和基波测

量，提供了完整的电源监控功能。电压骤降与骤升的监控、频率、相位角、电压

总谐波失真(VTHD)、电流总谐波失真(ITHD)和功率因数测量等高级功能可以实

现电源质量测量。根据 IEC 61000-4-30 S 类计算的½周期 rms 和 10 个周期 rms/12

个周期 rms 提供瞬时 rms 测量，从而可进行实时监控。

ADE9000 提供灵活的波形缓冲器，它以 32 kSPS 或 8 kSPS 的固定数据速率

或基于线路频率而变化的采样速率存储样本，从而确保每个线路周期正好提供

128 个点。根据 IEC 61000-4-7，重采样可简化外部处理器中至少 50 个谐波的快

速傅里叶变换(FFT)计算。

ADE9000 紧密集成采集和计算引擎，从而简化了电能和电源质量监控系统

的实现。集成的 ADC 和 DSP 引擎通过用户可访问的寄存器计算各种参数并提供

数据，或者通过中断引脚指示事件。ADE9000 集成七个专用 ADC 通道，可在 3

相系统或多达三个单相系统上使用。它支持使用电流互感器或罗氏线圈来进行电

流测量。由于集成数字积分器，因此罗氏线圈无需分立式积分器。

ADE9000 紧密集成采集和计算引擎，从而简化了电能和电源质量监控系统

的实现。集成的 ADC 和 DSP 引擎通过用户可访问的寄存器计算各种参数并提供

数据，或者通过中断引脚指示事件。ADE9000 集成七个专用 ADC 通道，可在 3

相系统或多达三个单相系统上使用。它支持使用电流互感器(CT)或罗氏线圈来进

行电流测量。

3

1.3 三相逆变负载箱

一般实验台或实验室中可能并不具备从电网中直接接触的三相交流电，所以

如图 1-1 所示，“被测对象”是用开关电源逆变出的三相正弦交流电。如此可以保

证安装的便利性，对于实验环境要求大大降低。通过三相逆变负载板上的主控

MCU 的程序编写，可以轻易实现不同类型 PWM 信号的产生，如此可以轻易模

拟各种电能质量现象，包括电压偏移频率偏移、电压波动以及电压骤升和骤降等。

连接阻性负载时，可以调整各相电路的负载电阻值，模拟三相不平衡现象。选择

连接阻性负载或者整流型负载，根据负载类型的不同，“被测对象”表现出的电能

质量指标也有所不同。电能计量与质量分析系统通过预留的信号接口，将电压电

流信号接入传感器，开始测量流程。

主控MCU

半桥驱动芯片

三相逆变桥

双路隔离开关电源

COM1

COM2 +24V

+12V

电源模块

整流型负载半波整流

金属电阻

阻性负载

三相电阻

A B C N

直流母线

PWM信号

驱动信号

或者A B C N

测量传感器

测量单元

评估单元

三相逆变负载板电能计量与质量分析系统

图 1-1 教学装置构架

三相逆变负载箱所产生的电压与电流信号参数如下表所示：

表 1-1 三相逆变负载板电压电流信号参数

负载类型参数名称数值

电阻负载逆变桥单相输出电压值 6.2V

逆变桥单相输出电流值 3A

单相负载电阻 2Ω

频率 50Hz

整流负载逆变桥单相输出电压值 7.65V

整流桥输出直流电压值 15V

整流桥连接负载电阻 15Ω

频率 50Hz

在三相逆变负载箱连接电阻性负载时，在软件中调节 PWM 输出信号，可以模拟

4

不同电能质量现象。模拟电能质量现象所用限值均参照国际标准《IEC 61000-4-

30-2008 电磁兼容(EMC)试验和测量技术电能质量测量方法》确定。

表 1-2 三相逆变负载板模拟电能质量现象限值

现象名称限值范围

电压偏移 -5%p.u.～ +5%p.u.

频率偏移 -0.2Hz～+0.2Hz

电压骤降骤降幅度 0.85p.u 持续时间 10 个周期

电压波动和闪变调幅波频率 8.8Hz 幅度 2%p.u.

5

实验一不确定度的测量

一、实验目标

(1) 学习电气与电子测量误差的基本知识

(2) 掌握对测量结果进行不确定度评估的方法

(3) 正确使用万用表及对测量结果的不确定度进行评估

二、实验原理

(一) 测量结果的不确定度

任何一个完整的测量过程结束后，都必须对测量结果进行表达，即给出被测

量的估计值以及该估计值的不确定度。设被测量 X 的估计值为 x，它既可以是单

次的实际测量值，也可以是相同实验条件下多次测量的算术平均值，还可以是公

式计算得到的间接测量值。估计值的不确定度为 U，是一个恒正的量。那么被测

量 X 的测量结果可表示为：

X= x U （单位）

上式中估计值 x 常用算术平均值，所以上式也也就变为：

𝑋 𝑋 𝑈（单位）

类似于相对误差的定义，相对不确定度的定义是：

相对不确定度不确定度

测量值，即

𝑈𝑥

(二) 不确定度的评估方法

(1) 直接测量中 A 类标准不确定度的评定

对被测量 X，在同一条件下进行 n 次独立重复观测，得到测量列{ xi }，剔除

粗大误差，用算术平均值�̅�作为被测量的佳估计值，A 类评定得到的被测量

佳估计值（算术平均值�̅�）的标准不确定度就等于实验标准差𝜎 �̅� ：

𝑈 𝜎 �̅�1

√𝑛

1𝑛 1

𝑥 �̅�

当标准不确定度较大时，可以通过适当增加测量次数以减小其不确定度。A

类评定方法通常比用其它评定方法所得到的不确定度更为客观，并具有统计学的

严格性，但要求有充分多的重复次数。

6

(2) 直接测量中 B 类标准不确定度的评定

标准不确定度的 B 类评定，是借助于一切可利用的有关信息进行科学判断

得到估计的标准偏差。通常是根据有关信息或经验，如电工仪表常见的指标如

允许误差、准确度等级等，来判断被测量的可能值区间［X-a，X+a］，假设被

测量可能值在该区间内的概率分布类型，根据概率分布类型和指定概率 P 确定

置信因子 K 值，则 B 类评定的标准不确定度为：

𝑈 𝜎 �̅�𝑎𝐾

式中：a——被测量可能值区间的半宽度；K——置信因子或包含因子。

在置信概率相同时，根据公式合成总不确定度：

𝑈 𝑈 𝑈

(3) 间接测量结果的不确定度的评估

若观测量 N 受到直接测量的独立输入量 x，y，z 的影响，且有：

N=f (x，y，z)

其中物理量 x , y , z 的测量结果分别为: xuxx ， yuyy ， zuzz 。

若将各个直接测量量的近似真实值代入函数表达式中，即可得到间接测量的

近似真实值 zyxFN ,, 。对函数式 N＝F（x , y , z）求全微分，即得：

dzz

Fdy

y

Fdx

x

FdN

，

将上式中的各微小变化量 dN , dx , dy , dz 用对应的不确定度代替，然后再求各项

的“方和根”，即为间接测量的合成不确定度，如下式所示：

222 )()()( zyx uz

Fu

y

Fu

x

FU

(三) 有效数字和运算规则

根据技术规范 JJF1059-1999《测量不确定度评定与表示》的规定，估计值

x 的数值和它的标准不确定度𝜎 �̅� 或扩展不确定度 UP 的数值多为两位有效数

字。虽然在计算测量结果不确定度的过程中，中间结果的有效位数可保留多位，

但在报告终测量结果时, 𝜎 �̅� 和 UP 取一位或两位均可, 两位以上是不允许的。

7

对于加减类型的运算，运算结果的有效数字位数应由这个具有大不确定

度的数来决定，所以运算结果的末位应与具有大不确定度的数的末位取齐。

对于乘除类型的运算，运算结果的有效数字位数应与有效数字位数少的数取

齐。

三、实验内容

用实验室的测量仪器测量金属电阻的阻值并计算测量结果的不确定度。

四、实验数据记录与处理

表 1-3 实验仪器规格

仪器名称量程分辨率允差

表 1-4 测量金属电阻阻值数据表(单位:Ω)

次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

读数

测量结果不确定度的计算步骤：

1. 标准差的计算

2. 标准不确定度 UA和 UB 的评定

3. 计算合成标准不确定度 UC及其有效自由度

4. 计算扩展不确定度 UP

5. 测量结果

8

实验二交流电压和交流电流的测量

一、实验目的

(1) 学习互感器与传感器的测量原理和适用条件。

(2) 了解电能计量芯片 ADE9000 的使用特性。

(3) 正确使用互感器和传感器测量交流电压和交流电流。

二、实验说明

连接三相电阻负载至三相逆变负载箱，产生三相正弦交流电压与电流信

号。通过接线将交流信号连接至电气测量实验箱。电气测量实验箱中的电压互

感器 TV1013 和电流互感器分别将一次电压和负载电流变换成小电压和小电流，

通过实验板上的调理电路放大调理后送入专用电能计量芯片 ADE9000。通用

USB 连接线将电气测量实验箱与 PC 机相连，实现 USB 虚拟串口的通信。在

LabVIEW 上位机中发送数据采集命令，并将测量和采样结果显示在电气与电子

测量平台主界面上。

三、测量原理

(一) 交流信号的产生

三相逆变负载箱中逆变主要电路如图 2-1 所示。开关电源的直流 24V 电压

作为逆变桥的输入。6 路两两互补的 PWM 信号控制每相电路中两个 MOS 管的

导通和关断，从而得到占空比规律变化的方波。后置 LC 滤波电路消除高频载

波，得到正弦交流信号。节点 PhaseA+，PhaseB+，PhaseC+和 Neutral+是三相

四线制交流信号的测量点。

图 2-1 三相逆变桥电路

当后续电路中连接不同负载时，PhaseA+，PhaseB+，PhaseC+和 Neutral+四

9

个测量点测得的电压与电流信号都会发生变化。本次实验是在连接电阻型负载

的情况下进行的。电阻型负载的连接电路如图 2-2 所示。

图 2-2 电阻型负载连接电路

(二) 交流电压的测量

电压互感器选用 TV1013-2mA/2mA 电流型电压互感器（附录 1）。三相独

立测量，单相的限流电阻 R6~R8 阻值为 10KΩ。因互感器的输出是电流信号，

需将电流信号经取样电阻 R9~R14 转换为±0.707Vrms 范围内的差分电压信号，

然后送入电能计量芯片 ADE9000。

图 2-3 TV1013 应用电路

(三) 交流电流的测量

(1) 三相电流

电流互感器选用 TA1623-1M 小型精密电流互感器测量单相电流。其原理与

交流电压的测量非常类似。应用电路如图 2-2 所示。二次回路连接两个 75 欧姆

的电阻，电阻上的压降作为电能计量芯片的差分输入。电路中增加了简单的 RC

滤波电路，以消除电流传感器的混叠效应。

图 2-4 电流互感器电路

10

(2) 中线小电流

考虑中线电流的量程，选用 LEM 公司的 CTRS-0.3P 霍尔传感器（附录 2）测量

中线电流。CTRS-0.3P 输出电压以 2.5V 为参考基准，为了满足计量芯片

±0.707Vrms 范围内的差分电压输入的要求，电路中连接了低失调运放 AD623（见

图 2-2），来抑制共模分量。

图 2-5 中线电流互感器电路

四、实验内容

(一) 实验箱信号接线

观察逆变负载箱和电气测量箱，找到如图所示的接线端点。两个实验箱在

A\B\C\N 四线上各有一个 IN 和 OUT 接线端点。将逆变负载箱上 A\B\C\N 四个 IN

端点与电气测量箱上 ABCN 四个 OUT 端点用导线相连接；逆变负载箱上 ABCN

四个 OUT 端点与电气测量箱上 ABCN 四个 IN 端点用导线相连接，形成完整的电

流进出通道。将电气测量箱上 S1 和 S2 两个拨位开关同时向上波动，置于状态

1。（状态 1：使用 CT 采集的信号，状态 2：使用霍尔传感器采集的信号）

图 2-6 实验箱信号接线

11

(二) 实验箱负载接线

观察逆变负载箱，找到右侧面板上 A\B\C\DC 线上各自的两个负载接线端点

（IN 和 OUT 不必严格区分，因为电阻负载无方向性）。观察电阻散热块上四个

电阻的阻值，一个 10 欧姆和三个 2 欧姆金属电阻。本实验中需要将三个 2 欧姆

电阻分别接入 A\B\C 三相中。接电阻时，夹子请勿接触散热片，会影响波形。

接好线之后，请实验课的助教检查接线，一切接线无误后，再给两个实验箱上

电！！！

图 2-7 实验箱负载接线

(三) 电气测量箱接线

开关电源+5V 和 GND 给电气测量箱供电，连接 U1 口和实验室电脑。

(四) LabVIEW 实验平台的设置

打开“电测实验平台.vi”文件，选择与设备管理器中 STMicroelectronics

Virtual COM Port 对应的串口号进行通讯（每个电脑的串口号可能不同）。

12

图 2-8 LabVIEW 前面板串口设置

运行“电测实验平台.vi”，点击“开始采样”按钮，向电气测量箱发送信号

采集命令，可以观察到电气测量箱上 LED6 开始闪烁。在 LabVIEW 面板上选择

传感器类型为“CT”。点击“读取数据”按钮，读取并记录测量箱采集的交流电

压与电流数据。

图 2-9 LabVIEW 前面板读写控制

(五) 改变 C 相传感器类型

将电气测量箱上 S1 和 S2 两个拨位开关同时向下波动，置于状态 2（状态

1：使用 CT 采集信号，状态 2：使用霍尔传感器采集信号）。在 LabVIEW 面板上

13

选择传感器类型为“HALL”，读取并记录测量箱采集的交流电压与电流数据。

五、实验数据记录与处理

(一) S1 和 S2 状态 1 下实验数据

1. 三相电压波形图

2. 三相电流波形图

3. 三相电能计量参量

电压有效值

/V

电流有效值

/A

频率

/Hz

有功功率

/W

无功功率

/Var

视在功率

/VA

功率

因数

A 相

B 相

C 相

(二) S1 和 S2 状态 2 下实验数据


略。


略。

14


电压有效值

/V

电流有效值

/A

频率

/Hz

有功功率

/W

无功功率

/Var

视在功率

/VA

功率

因数

A 相

B 相

C 相

六、思考题

1. CT 和霍尔电流传感器在原理和使用方法上有何异同？

2. CT 和霍尔电流传感器分别适用于哪些类型的电流测量？

15

实验三整流型负载电流的测量和分析

一、实验目的

(1) 学习整流型负载电路的特点。

(2) 学习整流型负载的电压和电流的测量方法。

(3) 结合电阻型负载总结整流型负载的电流波形特点。

二、实验说明

连接整流型负载，将三相整流桥前端的交流信号连接至电气测量实验箱。

电气测量实验箱中的电压互感器 TV1013 和电流互感器分别将一次电压和负载电

流变换成小电压和小电流，通过实验板上的调理电路放大调理后送入专用电能

计量芯片 ADE9000。通用 USB 连接线将电气测量实验箱与 PC 机相连，实现 USB

虚拟串口的通信。在 LabVIEW 上位机中发送数据采集命令，并将测量和采样结

果显示在电气与电子测量平台主界面上。

三、测量原理

(一) 交流信号的产生

改变节点 PhaseA+，PhaseB+，PhaseC+和 Neutral+后续电路中连接的负载

类型。本次实验是在连接整流型负载的情况下进行的。整流型负载的连接电路

如图 3-1 所示。

图 3-1 电阻型负载连接电路

四、实验内容

(一) 实验箱信号接线

本实验中两个实验箱之间的接线同实验二。将逆变负载箱上 A\B\C\N 四个

IN 端点与电气测量箱上 ABCN 四个 OUT 端点用导线相连接；逆变负载箱上

ABCN 四个 OUT 端点与电气测量箱上 ABCN 四个 IN 端点用导线相连接，形成完

整的电流进出通道。将电气测量箱上 S1 和 S2 向上波动，置于状态 1。

16

图 3-2 实验箱信号接线

(二) 实验箱负载接线

观察逆变负载箱，找到右侧面板上 A\B\C\DC 线上各自的两个负载接线端点

（IN 和 OUT 不必严格区分，因为电阻负载无方向性）。本实验中只需将 10 欧姆

电阻分别接入 DC 端口中。接电阻时，夹子请勿接触散热片，会影响波形。接

好线之后，请实验课的助教检查接线，一切接线无误后，再给两个实验箱上

电！！！

(三) 电气测量箱接线

开关电源+5V 和 GND 给电气测量箱供电，连接 U1 口和实验室电脑。

(四) LabVIEW 实验平台的设置



17



采集命令，可以观察到电气测量箱上 LED6 开始闪烁。在 LabVIEW 面板上选择

传感器类型为“CT”。点击“读取数据”按钮，读取并记录测量箱采集的交流电

压与电流数据。

图 3-4 LabVIEW 前面板读写控制

(五) 改变 C 相传感器类型

将电气测量箱上 S1 和 S2 两个拨位开关同时向下波动，置于状态 2（状态

1：使用 CT 采集的信号，状态 2：使用霍尔传感器采集的信号）。在 LabVIEW 面

18

板上选择传感器类型为“HALL”，读取并记录测量箱采集的交流电压与电流数

据。


(一) S1 和 S2 状态 1 下实验数据




电压有效值

/V

电流有效值

/A

频率

/Hz

有功功率

/W

无功功率

/Var

视在功率

/VA

功率

因数

A 相

B 相

C 相

(二) S1 和 S2 状态 2 下实验数据


略


19

略


电压有效值

/V

电流有效值

/A

频率

/Hz

有功功率

/W

无功功率

/Var

视在功率

/VA

功率

因数

A 相

B 相

C 相

六、思考题

1. 请解释整流型负载情况下，电流波形并非标准正弦的原因。

20

实验四交流电压和交流电流的谐波分析

一、实验目的

(1) 学习交流信号谐波分析的理论知识、

(2) 在 LabVIEW 平台中实现谐波分析功能。

(3) 根据谐波分析结果解释信号的特点。

二、实验说明

用 LabVIEW 实现谐波分析子程序的设计，结合逆变负载箱和电气测量箱分

析电阻型负载和整流型负载情况下交流电压与电流信号的谐波情况。

三、测量原理

(一) 定义和标准

周期性的电压信号可分解为多种频率的正弦波分量，这些分量就是谐波。

谐波频率等于整数倍的基波频率。用 h 表示这个整数倍数值，h 就是谐波次

数。谐波使得电压信号波形相对于标准正弦波产生了畸变，定义了总谐波畸变

率，缩写为 THD(Total Harmonics Distortion)，来描述波形相对正弦波的畸变程

度。IEC61000‐4‐7 国际标准中给出了总谐波畸变率的计算公式，THD 等同于不

大于特定次数 hmax 的所有谐波分量 YH,h 的方均根值对于基波分量 YH,1 的方均

根的比值，公式如下：

𝑇𝐻𝐷 ∑ ,

, (2-1)

上式中，谐波的大次数 hmax 的取值在 IEC61000‐3 系列标准中为 40 次，

但是在 IEC61000‐4‐30 标准中对于 A 级测量，要求谐波的大次数为 50 次，对

于 S 级测量的要求保持 40 次。在具体测算过程中，分别用 I 和 U 代替 Y 即可求

取电流和电压的总谐波畸变率，表示为 THDI 和 THDU。

(二) 算法和实现

待补充

四、实验内容

(一) 图形化编程

文件“HarmAnalysisStudent.vi”已经给出的程序框图如下图所示。

21

支持 7 路波形的单路选择，并且将离散的一周期点分布在时间轴中，形成原始信

号流。利用 LabVIEW 中谐波失真分析函数进行后续编程。程序编写完整后选择

“全部保存”。编程要求如下：

实现 2‐50 次谐波成分的计算和分析

各次谐波水平在 XY 图中直观显示。

计算 THD 并显示

参考程序框图如下：

(二) 实验箱相关操作

参照实验二和实验三的接线方式和平台设置方式，运行实验箱和电气测量

22

实验平台。在两种负载类型连接情况下，点击“谐波分析”按钮，运行

“HarmAnalysisStudent.vi”进行谐波分析。


1. 谐波分析前面板截图

2. 谐波分析子程序框图截图

3. 各路谐波分析数据

23

(1) 电阻型负载

信号基波幅值

（V,A）

直流分量

（V,A）

THD

（%）

各次谐波水平

2 3 4 10 20 25 50

A 相电压

A 相电流

B 相电压

B 相电流

C 相电压

C 相电流

中线电流

(2) 整流型负载

信号基波幅值

（V,A）

直流分量

（V,A）

THD

（%）

各次谐波水平

2 3 4 10 20 25 50

A 相电压

A 相电流

B 相电压

B 相电流

C 相电压

C 相电流

中线电流

六、思考题

1. 整流型负载和电阻型负载的谐波情况有何不同？

2. 整流型负载大量接入电网后，对电网的安全运行有哪些影响？

3. 还有哪些常用的谐波分析算法？

24

实验五三相不平衡度的检测

七、实验目的

(1) 了解三相不平衡度的定义和计算公式。

(2) 在 LabVIEW 平台中搭建子程序实现三相不平衡度的计算。

(3) 结合实验箱监测不平衡负载情况下的三相不平衡度水平。

八、实验说明

用 LabVIEW 实现三相不平衡度计算程序的设计，结合逆变负载箱和电气测

量箱分析不平衡电阻型负载情况下的三相不平衡度水平。

九、测量原理

(一) 定义和标准

理想的三相对称系统中，A 相、B 和 C 相的电压和电流在数值和频率上都相

同，相位顺序相差 120 度。不对称三相系统则是不满足以上条件的系统。而三相

平衡是指：三相瞬时总功率在任意时刻不随时间的变化而变化。反之三相不平衡。

实际系统三相不对称会直接影响三相平衡程度，所以对于三相系统不严格区分

“不对称”和“不平衡”。对于不对称三相电路，习惯于使用对称分量法分析三相不

平衡的程度。把不平衡的电压分解为正序(U1)、负序(U2)和零序(U0)。在三相不

平衡的计算中，只考虑基波的序分量。三序分量的表达式为：

𝑈𝑈𝑈

1 1 1

1 𝑒 𝑒

1 𝑒 𝑒

𝑈𝑈𝑈

(5-1)

取基波的负序电压（电流）与正序电压（电流）均方根的百分比表示不平衡

度，计算如下：

𝜀 100% ，𝜀 100% (5-2)

查阅其他国际标准，也有不同于上式的其他不平衡度的定义形式，比如

IEC 61000-4-30标准是基于各相线电压均方根值，用三角线解析法给出不平衡度

的计算方法，如下：

𝑢1 3 6𝛽

1 3 6𝛽100%

25

𝛽 (5-3)

对于 50Hz 的系统，A 类和 S 类的测量都要求测量 10 个周波间隔内的三相电压

信号的基波分量，然后再根据公式 5-2 或公式 5-3，计算出三相不平衡度，据此

评估电能质量的好坏。

十、实验内容

(一) 图形化编程

打开“UnbalanceStudent.vi”文件进行编辑（该 VI 已经封装完善，并已加

入“电测实验平台.vi”）。参照公式 5‐3，利用六个输入参数搭建三相不平衡度的

计算子程序。程序编写完整后选择“全部保存”该程序。

参考程序框图如下：

26

(二) 实验箱信号接线

参照实验二和实验三的接线方式和平台设置方式，运行实验箱和电气测量

实验平台。

(三) 实验箱负载接线

本实验中 A 相端口接入 10 欧姆电阻，B 相和 C 相接入 2 欧姆电阻。接电阻

时，夹子请勿接触散热片，会影响波形。接好线之后，请实验课的助教检查接

线，一切接线无误后，再给两个实验箱上电！！！

十一、实验数据记录与处理

1. 三相不平衡度计算程序框图截图

27

2. 三相不平衡度计算数据

实测电阻值

（Ω）

电压有效值

（V）

电压相位

（°）

三相不平衡度

A 相

B 相

C 相

十二、思考题

1. 三相不平衡度超过一定限度后，对电网的供电和用电设备有何危害？

28

实验六磁场强度的测量

一、实验目的

(1) 了解霍尔型磁场传感器的测量原理。

(2) 结合实验箱测量不同磁场强度水平。

二、实验说明

通过改变磁铁与霍尔磁场传感器的直线距离，改变穿过霍尔传感器芯片的

磁场强度。

三、测量原理

磁场强度的测量选用 ADI 公司的线性输出磁场传感器 AD22151，并设计改

变磁珠到芯片的距离来调整磁场强度。实验箱采用单极性接线，典型应用电路如

下图。

1

2

3

4

8

7

6

5

VCC

0.1uF

OUT

R4

R2

R3

R1

AD22151

图 6-1 AD22151 基本连接电路

四、实验内容

(一) 电气测量箱接线

开关电源+5V 和 GND 给电气测量箱供电，连接 U1 口和实验室电脑。打开设备

管理器查询接入设备的虚拟串口号。

(二) LabVIEW 实验平台的设置



29



采集命令，可以观察到电气测量箱上 LED6 开始闪烁。点击“读取数据”按钮，

读取并记录测量箱采集的信号数据。

(三) 改变磁场强度

将电气测量箱透明面板上的旋钮旋至高点。观察电测实验平台面板上磁

场强度的红色指示条长度，记录磁场强度数据。随后旋转旋钮，使得磁石向下

移动，靠近电路板上的芯片，观察并记录磁场强度数据。

图 6-3 磁场强度调整方法

30


1. 磁石远离芯片

2. 磁石靠近芯片

十三、思考题

1. 如果将磁石的 N 和 S 极方向对调，在磁石距离芯片同等高度下，测量结果有

何不同？

2. 除了霍尔传感器之外，还有哪些常用的磁场监测方法？

31

实验七电压波动和闪变的监测

32

实验八电压骤降和骤升的监测

33

附录 1 相关 Labview 编程模块位置

谐波失真分析：所属选板：信号处理- 波形测量 VI

反馈节点所属选板：编程-结构

DBL 数学常量：数学-数值：转化为显示控件

同上，取消 “显示为图标”即可

数学-数值

编程-比较

真常量：编程-布尔-显示控件-取消显示图标

编程-数组-索引数组

：删除数组元素

数值至十进制数字符串转换 (函数) ：编程-字符串-字符串数值转换

连接字符串：编程-字符串

捆绑 (函数) ：编程-簇、类与变体

34

字符串常量-转化为显示控件

for 循环：编程-结构

绝对值：编程-数值

数学-数值-数学与科学常量

编程-结构-公式节点

极坐标至复数转换 (函数) ：数学-数值-复数

数学-数值-表达式节点

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