功率分析儀測量參數(shù)詳解

這篇內(nèi)容是對一些“眾所周知”的功率測量參數(shù)的簡單描述，這些測量參數(shù)是經(jīng)常用到的，但是事實上很少的人能記住，他們來自哪里，什么是他們的確切定義。

功率分析儀 測量和理論背景

Aron電路

這個電路可以用在三相三線系統(tǒng)。如果你是四線，這個不能用，因為流過這個線路的電流不會被計算進去。請注意，在高頻應(yīng)用里地線可以是第四根“線”。

這個電路的主要優(yōu)點是，你只需要2個功率計測量系統(tǒng)的總的有功功率。

你可以測量相一和相三中的電流以及相一關(guān)聯(lián)相三對相二之間的電壓。

這樣，你就可以在每個測量通道上施加一個線電壓和一個相電流。只要有電阻負(fù)載，測量通道就會看到30°的相位偏移。不是電阻負(fù)載，每個通道的有功功率可以是更大，更小或是負(fù)值。

每相的有功功率不能顯示，無功功率和視在功率一樣也不能顯示。只有總的有功功率是正確的。所有其他總的值都是無效的。

推導(dǎo)衍生

如下你可以發(fā)現(xiàn)測量方式的差異：

P =U1 * I1+U2 * I2 +U3 * I3

U 12=U1 ?U2 ，得到U1 =U 12+U2，同樣

U 32=U3 ?U2 ，得到 U3=U32 +U2 。

這正是上面描述的測量條件。當(dāng)然這種推導(dǎo)可以是一種通常的方式進行。

測量角形電路電壓和星形電路電流

測量電機時一個非常典型的情況是，你只有L1，L2和L3，沒有中性線。因此，沒有其他的工具，你只可以測量電壓U12，U23和U31連同電流I1，I2和I3.

類似像Aron電路，你在每個測量通道上施加一個線電壓和一個相電流。只要有電阻負(fù)載，測量通道就會看到30°的相位偏移。不是電阻負(fù)載，每個通道的有功功率可以是更大，更小或是負(fù)值。

比Aron電路更糟的是，這里只有每個通道電壓和電流是正確的，但是所有其他的數(shù)值，同樣總和數(shù)值也都是錯的。

LMG 功率分析儀提供一種測量功能，叫做星-三角轉(zhuǎn)換。如果你是上面提到的連接方式，你可以選擇2種特殊的接線：

a ） 3+1，U△I* ->U△I△ 數(shù)值被重新計算后在角形電路里獲得新值。

b ） 3+1， U△I* ->U*I* 數(shù)值被重新計算后在星形電路里獲得新值。

b ） b ） 是更常見的但兩者都有相同的正向結(jié)果：LMG 計算的值屬于一類的：

U1，I1，U2，I2，U3，I3關(guān)聯(lián)到U12，I12，U23，I23，U31，I31.

從而所有通道的所有數(shù)值包括總和數(shù)值都可能是正確的。

時間

在上面的文章中多次提到了時間：一段時期，周期，測量時間…

這是對儀器中不同時間的解釋，結(jié)合這一點，也解釋了同步性和其他一些重要的事情。

01、采樣時間

最快的時間是2個樣本值之間的時間。這個時間取決于每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)。

02、同步時間

你必須選擇一個你想要同步的信號。為什么你必須同步所有？

如在“RMS 有效值”章節(jié)中描述的，數(shù)值是被定義在規(guī)定觀察時間內(nèi)的。對于某段信號是指信號的一段時間周期（或多個一段時間）。所以儀器必須測量信號的多個時間周期。LMG系列功率分析儀通常使用過正零交叉點開來偵測一個信號時間段的結(jié)束。

03、數(shù)值更新周期

數(shù)值更新周期定義了你想要獲取測量結(jié)果的時間。如上面寫到的，儀器測量多個數(shù)量的時間周期。你是如何處理這個的呢？

我們假設(shè)你有一個50Hz（20ms時間周期）的信號和50ms的數(shù)值更新周期。當(dāng)數(shù)值更新周期開始時，你也開始了20ms的時間周期。儀器開始了測量。50ms后更新周期停止。儀器測量從0到40ms，實際是信號的2個周期。這些數(shù)值被計算并顯示出來，例如Utrms，Idc，P…

實際測量時間在這個周期中只有40ms！

第二個數(shù)值更新周期采樣值是從t=40ms開始的（我們的儀器測量是沒有間隙的?。。。=100ms 第二個更新周期結(jié)束。在這個時間，信號的一段時間周期也結(jié)束了?，F(xiàn)在儀器從t=40ms到100ms時間內(nèi)采樣計算。實際的測量時間在這個周期中是60ms。這里三個周期被計算了。這個更新周期有另外的時間間隔。對于周期性信號這個是不重要的，因為每個周期其實是一樣的！波動信號可能對結(jié)果有影響。

你看：數(shù)值更新周期定義了你想要獲得數(shù)值的時間。實際準(zhǔn)確的時間是通過同步信號定義的。

另外重要的要求是，數(shù)值更新周期必須比時間周期要大！不可能測量1Hz的信號用500ms的更新時間。

04、積分時間

為了實現(xiàn)能量測量，你必須定義一個能量測量時間。這個時間必須是更新周期的整數(shù)，因為儀器只可以用完整的周期來計算能量。

05、諧波觀測時間

當(dāng)計算諧波時，你使用整數(shù)周期上的采樣值。這個窗口寬度的倒數(shù)是計算諧波的頻率步長。

舉例：當(dāng)測量50Hz信號用20ms（一個周期）時，你獲得以50Hz為步長的諧波。當(dāng)測量16個周期（320ms），你獲得以3.125Hz為步長的諧波。

通過選擇不同觀測時間，你可以定義你想獲得多少次的整數(shù)諧波。

觀測周期是源于同步信號的。

由正弦源供電的非線性負(fù)載的無功功率

測量無功功率的兩種方法，一種是使用原始畸變電流信號，另一個是濾波后的電流信號。在這個例子中被測物是一臺LMG95測量自己的消耗。

01、用畸變電流信號的測量

電壓信號從ZES ZIMMER 5000i功率源中獲得。這個電壓是頻率50Hz的正弦波。

電流信號是未濾波的并且是有畸變的，但是只包含諧波分量（50Hz，100Hz，…）。

上面顯示的數(shù)值是在“HARM100”模式下獲得。如你所看到的，視在功率“S”是非常高的，是由畸變無功功率“D”造成的而不是相位偏移。你可以計算相位偏移無功功率Qshift。

02、用濾波后的電流信號測量

另一個方法獲得畸變無功功率“D”在如下實驗中實現(xiàn)。我們使用和上面一樣的設(shè)置，另外再設(shè)置一個30Hz的數(shù)字濾波。

為了過濾掉畸變電流輸入信號，我們做了如上的濾波設(shè)置。

現(xiàn)在電流波形是接近正弦的了，因為2次以上諧波被過濾掉了。

由于設(shè)置了濾波器，基本分量會稍微小一點。如你看到的，有功功率P是與總的視在功率S是很接近的。現(xiàn)在測量到的無功功率Q是由于電壓和電流之間的相位偏移造成的。Qshift=3，7961var，是在“用畸變電流信號的測量”內(nèi)容中計算得出。

輸入信號的畸變可能會造成一個非常大的視在功率。為了計算畸變無功功率D，你需要無功功率Q的兩個不同數(shù)值。首先需要測量畸變輸入信號，這個意味著總的無功功率包含2個部分：Qdist（D）和Qshift。第二個測量需要帶入濾波后的輸入信號。現(xiàn)在畸變無功功率Qdist“D“變成0（沒有諧波），這個代表Q等于Qshift。

注意：這是有效的情況是濾波后只有Qshift存在。下面是一個無效的例子。

在LMG95上，你可以用“HARM100“選件直接測量獲得準(zhǔn)確的“D”值。

03、熱風(fēng)槍的爆射控制信號的測量

下面的電路將描述測量不同類型功率的正確值的難度。在實際應(yīng)用中，你會找到很多如上的理論解釋。

04、試驗

05、時間信號

峰值顯示的電流，是需要加熱熱線圈。加熱前后的信號是風(fēng)扇電機的單向整流電流。這個信號可解釋為具有50Hz載波頻率的調(diào)幅為1.5Hz矩形信號，而忽略單向整流電流。

用于測量不同種類功率的最佳設(shè)備是帶”HARM100”選件功能的ZES ZIMMER LMG系列產(chǎn)品。數(shù)值更新周期是你使用普通儀器面臨的最大問題。上面的矩形信號有一個639ms的時間周期；用1s的更新時間來測量，將會得到非常波動的功率測量值。問題是電壓或電流頻率的觸發(fā)。因為調(diào)幅信號的基帶信號（1.5Hz）是不存在的，因此不可能用普通的濾波器觸發(fā)。

LMG系列提供了一個特殊的觸發(fā)器設(shè)置，以允許測量AM調(diào)解。

06、測量菜單設(shè)置

下面的調(diào)整必須在測量菜單里設(shè)置：重要??！Xtrig！

07、XTrig 菜單設(shè)置

為了測量不同功率的正確值，調(diào)幅信號必須用30Hz濾波器進行開方和濾波。由于直流分量在開方后沒有零交叉，因此將觸發(fā)電平設(shè)置為是很重要的。

08、默認(rèn)菜單里的數(shù)值

默認(rèn)菜單中顯示的值是正確地測量爆射控制信號的真有效值TRMS.信號的基礎(chǔ)頻率是1.5Hz。所有的數(shù)值都是穩(wěn)定的！這是一個正確同步的展示。

09、諧波分析

為了更好地理解測量值，諧波分析是非常有幫助的。下面的數(shù)字顯示了不同電流諧波的參與，是對測量的真有效值有影響的，是在1.5Hz基波上觸發(fā)。

諧波分析顯示出信號有一個非常高的畸變無功功率“D”，因為電壓是正弦的，電流有很多頻譜分量在0.。.50Hz和50.。.100Hz之間。

10、較“normal”測量模式的區(qū)別：線觸發(fā)

信號的諧波分析，通過線頻率觸發(fā)。第一張圖是當(dāng)加熱線圈不在運行狀態(tài)下獲取的。直流分量是由于風(fēng)扇電機造成的。

加熱線圈開始加熱，電流增加到8A。

畸變無功功率是一直存在的，獨立于加熱線圈在運行或是非運行。在這個例子中畸變無功功率“D”是由于風(fēng)扇電機電流的單向整流造成的。有功功率和視在功率改變是非常大的，基于加熱線圈是運行還是非運行。所有測量是在2個周期線頻率下完成的。

11、功率分析

當(dāng)X同步到1.5Hz調(diào)制信號的頻率時，測量功率值。

這里50Hz功率分量是在第32次諧波。畸變無功功率是更大了，因為兩側(cè)帶寬都被納入了計算。有功功率和視在功率都是穩(wěn)定的。

結(jié)論

積分時間是測量中可以獲得正確數(shù)值的非常重要的參數(shù)。同樣測量信號的解釋是非常重要的。如你看到的，你可以測量到3個不同的有功功率：

1.79kW 加熱中

0.13kW 只有風(fēng)扇電機運行中

0.34kW 一個完整的控制周期

所有的測量在他們所屬的時間都是準(zhǔn)確的。

責(zé)任編輯：tzh