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理解电功测量原理，把控功效测量精度

2022-01-19 18:03:30·  来源：横河测试测量  
　
功率计/功率分析仪是做什么用的？电能被转换为电热器或者电炉的热量、发动机的旋转力、荧光灯或水银灯的光能等各种能量。 测量用电设备电功率的测量仪叫做功率计
功率计/功率分析仪是做什么用的？
  • 电能被转换为电热器或者电炉的热量、发动机的旋转力、荧光灯或水银灯的光能等各种能量。
  • 测量用电设备电功率的测量仪叫做功率计或者功率分析仪。 通过使用功率分析仪，可以用数值(电功率值)的形式观测到肉眼所看不见的信号(电功率)，得知该电功率值的增减，由此可以掌握电器的性能以及节能情况。
  • 在对消耗电力的产品进行开发和评价时，功率分析仪是不可或缺的测量仪。
功率计/功率分析仪测量项目

基本项目：
  • 电压/电流(rms值、mean值、DC值、交流成分)、功率(有功功率、视在功率、无功功率)、功率因数、相位角、效率
  • 电压或电流的频率(交流场合)
  • 电流积分(Ah)、有功功率积分(Wh)测量
  • 谐波(电压/电流有效值、功率基波成分、各次谐波成分、总谐波含量)
其他应用：
  • 电压、电流波形显示
  • 电机评价(扭矩、转速、机械功率、效率)
直流电与交流电
电力中存在直流电和交流电。
  • 直流电源
周期不变、维持固定电压的电源。直流也会表示为“DC(Direct Current)”。
常见直流电源如干电池、蓄电池。(干电池和蓄电池持续使用会消耗，电压降低，但是不变的是它是正向电压(极性)。)
  • 交流电源
在一定的周期内，电压的正负极(极性)变化的电源。交流也会表示为“AC(Alternating Current”)。
日常家庭和工厂用电即属于交流电，其按照正弦波的波形周期性变化。

交流电的概念
家庭和工厂用电属于交流(Alternating Current)。
交流电的电压和电流按照正弦波周期性变化。
通常，有功功率由电压、电流及功率因数(相位差)计算求出。
即，有功功率P＝电压x电流x相位差(cosφ)
交流有效值（RMS）
  • 在表示交流电流和电压的值的时候，有效值是最普遍使用的，单位是“Arms”、“Vrms”。
  • 有效值以某个大小的直流电流和电压的做功量为基准，向电阻施加直流电压时的发热量，与施加不同波形的交流电压时的发热量相等的时候，其交流电压的有效值与直流电压值相等。
电流&电压除RMS以外的测量方式
  • RMEAN（整流平均值）
对源信号的波形取绝对值后，计算平均值。
※ 整流平均值简单而言即代表此一交流电在全波整流后相同时间内波形围出的面积与多大数值直流信号围出的面积相同。
  • MEAN（校准到有效值的整流平均值）
测量波形绝对值的平均值，换算成有效值表示。
输入信号为正弦波时，可以获得与RMS相同值的廉价测量方法。

※对于正弦波，MEAN值与RMS值为相同值；对于失真波形，则为不同值。
  • DC（简单平均值）
测量区间的单纯平均值。
DC模式常用来测量直流信号或交流信号中的直流偏置。
  • AC（交流成分）
真实有效值的平方减去直流分量的平方所得值的根。仅显示交流分量的值。

测试实例：RMS值与MEAN值的对比

被测信号是正弦波时，MEAN值等效于RMS值

被测信号为PWM波时，MEAN值与基波值相似
Note：仅针对于正弦波调制的PWM波形
功率的测量方式
其他测量项目
电压，电流，有功功率由瞬时数据运算得到。
从电压、电流、有功功率测量值运算出Q、S、λ等值，并且随电压/电流测量模式的不同而变化。
其他测量项目：
测试实例：单相功率测量常遇到的问题


Q：为什么电压、电流都是正的，功率却是负的呢?
A：造成此现象的原因是接线时将电流或者电压的正负接反了；或是因为某些工况下电压和电流的方向不一致，如电池放电、电机运行在发电模式等。
有效值的算法是平方之后再开方，因此不论怎么接线，都只会是正值。
功率的算法是电压与电流的实际采样值相乘后进行平均运算，因此若电压与电流的方向相反，计算得到的功率是负值。
三相以及多相交流电
三相３线与三相４线

三相交流电矢量表示法
三相交流电的矢量显示

  • 一般三相交流电每相电压偏移120°。矢量图如下所示。
  • 各相的电压称为相电压，各相间的电压称为线电压。
  • 当电源和负载没有中性线时，不能测量相电压。需要测量线电压。
  • 通常，在电机测试中会测量线电压。
  • 测量三相交流功率可以采用使用2个单相功率计进行测量的2瓦特表法。
三相功率测量
  • 对于三相4线制系统，三相功率测量由3个功率计测量并简单相加。
  • 对于没有中性线的三相3线制系统，根据布朗德尔定理，三相总功率可以由2个功率计测量。（一般被称作2瓦特表法）
布朗德尔(Blondel）定理：N相系统的功率可以用N-1个功率计测量得到。
三相３线接线 (Ｔ相基准)(3P3W)

如果三相不平衡怎么办？
3P3W(3V3A)接线方式的补偿功能
3P3W(3V3A)接线方式可以计算由于中性点泄漏电流造成的功率损失。

如果三相不平衡怎么办？
  1. 确认电压电流是否平衡
  2. 更加精确计算功率因数PF

3V3A接线时的电压接线图示意图

3V3A接线时的电流接线图示意图

3V3A接线时的电流、电压波形显示

测试实例：三相交流功率测量时的典型错误示例

现象描述：单元2、单元3的功率为负值，导致计算三相功率时总功率接近0。
原因分析：观察三相电压、电流的波形，发现电流波形相位顺序正常，电压波形U2、U3的顺序颠倒。排查电压的接线后发现是由于接线时将V相、W相搞混了。
电能测量(积分功能)与平均功率测量
对功率进行积分运算，可以计算用电设备消耗的电能。功率分析仪可以同时显示功率值与积分结果。

电能测量(积分功能)与平均功率测量
为什么不使用对功率值求取平均值的方法计算平均功率?

结论：
1.常规测量模式下，功率的测量存在死区时间
2.被测设备功率波动较大时，功率测量值会跳动
3.通过积分功能计算整个过程的平均功率，无测量死区
电能测量(积分功能)与平均功率测量
为什么不使用对功率值求取平均值的方法计算平均功率?

结论：
1.常规测量模式下，功率的测量存在死区时间
2.被测设备功率波动较大时，功率测量值会跳动
3.通过积分功能计算整个过程的平均功率，无测量死区。
测试实例：智能照明设备平均功率的测量

测试方案：
1、选择标准积分模式，设置积分定时器≥30min。
2、在功率分析仪上选择“自定义运算” 功能，将预设好的平均功率计算公式设为ON。

频率滤波器和线路滤波器的使用
什么是滤波器？

  • 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。
利用滤波器的选频特性，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

  • 例如：去除电源中的高频噪声
截止频率(Cutoff Frequency)：

  • 指低通滤波器的通带右边频点，及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。


WT系列配备了两种滤波器。下面简单介绍一下各自的不同之处。
线路滤波器 Line Filter
  • 这是除去输入信号的高频成分的滤波器。除去转换器波形或偏斜波形等高频成分，可以测量电压、电流、电功率。将滤波器调至ON，测量的电流、电压波形发生变化，因此影响有效值的测量结果。
频率滤波器 Freq Filter
  • 有时也叫做过零滤波器。 该滤波器除去输入信号中输往频率测量电流的信号的高频成分，用于检测出周期。将滤波器调至ON，则可以比较准确地检测出周期，但是测量的电流、电压波形不发生变化，所以不影响有效值等的测量结果。

注意事项：
  • 使用线路滤波器会对信号产生衰减作用，需要评估设置适当的截止频率。
  • 使用线路滤波器会对测量精度产生影响，具体指标请参考使用手册。
  • 对于变频器PWM电压测量来说，如果必须要开启线路滤波器去除高频干扰的话，一般要保证线路滤波器的截止频率至少是调制波频率的9倍至10倍以上。电压测量可能会产生一定的衰减作用，但基本不会对功率测量产生影响。
  • 进行谐波分析时需要获得准确的基波频率，需要使用频率滤波器。
谐波测量
周期性的失真波形可用基波整数倍的频率合成来表示。

使用FFT运算功能将波形由时域转换成频域，测量各频率成分。



谐波测量——当谐波结果不显示或不正确时

当谐波测量的结果不正确或不显示时：
  1. 确认PLL源的频率是否正确 PPL源即基波频率，当信号包含高频成分时，可能导致无法准确测量到基波的频率，从而导致谐波测量错误。此时需打开频率滤波器。
  2. 确认数据更新周期 谐波测量需求一定的周波数以进行FFT运算，数据更新周期太快，可能导致周波数不够，无法正确进行谐波测量。
  3. 确认PLL源量程 被选作PLL源的信号，其幅值至少为所设置的测量量程的50%。若无法测到谐波时，请减小量程至合适的档位。
影响功率测量精度的主要因素
功率测量不只是对电压、电流的测量
为了进行精确的功率测量，不只是精确测量电压和电流，而是必须将功率的精度作为一个整体加以考虑。峰值因数、相位角误差、温度范围、预热时间、稳定周期和共模抑制等参数都会影响功率测量的总体精度，应该加以规范，并在测量时按照步骤进行实施。
精度的有效性
  • 功率测量仪器制造商在其产品数据手册上填写的精度“典型值”通常是基于产品的期望值或统计值，而非保证精度。这些数据并不是100%有保证，在没有校准的情况下更是如此。
  • 功率测量的精度还会根据测量范围有所变化。比如量程、频率范围等，任何规定的精度值都应该有相应的有效范围。一些仪器的“典型值”很吸引人，但要特别小心，因为它们的精度可能没有保证或只在特定的点有效。

电流传感器
  • 电流传感器作为功率测量仪器的附件经常被用到，这意味着传感器的误差将与电压输入和分流器的误差相叠加，因此所选传感器的幅度和相位误差要与高精度功率分析仪相匹配。
  • 市场上有许多不同类型的电流传感器，高精度功率测量最常用的是零磁通传感器。霍尔效应传感器会随着时间的推移而逐渐饱和，罗氏线圈传感器精度较低。零磁通传感器可以提供更高的精度，还能同时测量直流和交流信号，这很重要，因为交流应用中也会有直流分量。

温度的影响
  • 电路在不同温度时会有不同的表现， 因此温度系数能表明环境温度对仪器产生的影响。仪器的温度范围越宽越好。
  • 举例来说，温度范围指标为23℃±5℃的仪器承受温度变化的能力高于23℃±2℃的仪器。
  • 与那些温度范围小、在温度范围之外性能无法保证的仪器不同，具有较宽温度范围的仪器不需要昂贵的冷却解决方案。
相位误差的影响
  • 每台功率计都有相位误差，这是由输入阻抗和分流器引起的。
  • 当使用外部传感器时，传感器之间的性能差异也会增大相位误差。
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