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功率计

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  • 发布时间:2013/11/11 23:59:05
  • 作者:银河电气

功率计

 

一种测量电功率的仪器。电功率包括有功功率、无功功率和视在功率。未作特殊说明时,功率计一般是指测量有功功率的仪表。

功率计的常用别称:功率表瓦特表瓦特计数显功率计数字功率计数显功率表数字功率表有功功率表功率分析仪变频功率分析仪高精度功率分析仪宽频功率分析仪等等。

 

 

一、概述

  功率计是指测量电功率的仪器。电功率包括有功功率无功功率和视在功率。未作特殊说明时,功率计一般是指测量有功功率的仪表。随着变频调速技术的发展,适用变频电量测量的功率计的需求越来越迫切,适用变频电量测量的功率计,其功能更多,技术更复杂,通常称为功率分析仪、变频功率分析仪或宽频功率分析仪,一般具备谐波分析的功能。

  功率是表征电信号特性的一个重要参数。功率计是测量电信号有功功率的仪表。
  在直流和低频范围,可以通过测量电压和电流计算功率,瞬时功率计算公式如下:

  p(t)=u(t)i(t)

  对于周期为T的周期信号,一个周期内的瞬时功率的平均值,称为有功功率。有功功率计算公式如下:

  功率积分公式

  对于正弦电路,有功功率计算公式如下:

  P=UIcosφ

  正弦电路的有功功率计算公式中,U、I分别为正弦交流电的有效值,φ为电压与电流信号的相位差。

  正弦电路的无功功率计算公式请参见银河百科“无功功率”。

  对于非正弦电路,假设U、I为交流电量n次谐波分量的有效值,φ为电压n次谐波分量与电流n次谐波分量的相位差,P为n次谐波分量的有功功率,上式仍然成立。当n=1时,P为基波有功功率。

  非正弦电路的位移无功功率计算公式、畸变无功功率计算公式、广义无功功率计算公式请参见银河百科“位移无功功率”、“位移无功功率”及“广义无功功率”。

  在超高频和微波频段,有TEM波和非TEM波之分。在TEM波的同轴系统中,电压和电流虽有确切含意,但测量其绝对值很困难。在波导系统中,因为存在不同的电磁模式,电压和电流失去唯一性。在各频段和各传输系统中,功率是单值表征信号强度的重要方法。在射频范围直接测量功率代替了电压和电流的测量。

二、功率度量单位

  有功功率的基本单位为瓦(W),1W等于在1秒内做1焦耳的功。常用单位还有兆瓦(1MW=10^6W)、千瓦(1KW=10^3W)、毫瓦(1mW=10^-3W)、微瓦(1μW=10^-6W)、皮瓦(1pW=10^-12W)。

  无功功率的基本单位为乏(Var),常用单位还有兆乏(1MVar=10^6Var)、千瓦(1KVar=10^3Var)、毫瓦(1mVar=10^-3Var)、微瓦(1μVar=10^-6Var)、皮瓦(1pVar=10^-12Var)。

  视在功率的基本单位为伏安(VA),常用单位还有兆乏(1MVA=10^6VA)、千瓦(1KVA=10^3VA)、毫瓦(1mVA=10^-3VA)、微瓦(1μVA=10^-6VA)、皮瓦(1pVA=10^-12VA)。

三、功率计的发展

  早期的功率计以指针式为主,随着微电子技术及计算机技术的发展,数显功率计以高性能、高精度、读数直观方便、具备上位机通讯接口等优点逐渐代替指针式功率计。

  指针式功率计或数显功率计通常以测量工频(50Hz/60Hz,即电网的频率)正弦波电量为主,对于非工频或非正弦波电量,其测量精度降低或测量失效。

  连接在工频电网上的非线性设备,如整流器、变频器等,其电压波形为正弦波,其电流波形会有畸变,当畸变率超过一定程度之后,上述仪表测量结果会有较大偏差。

  非线性设备的大量使用,导致电网的谐波污染日益严重,造成电网电压波形的畸变,许多时候,电网电压也不能被简单的视为正弦波处理。

  电力电子技术及变频调速技术高速发展,变频器的应用日益普及,变频器调速是国家十二五计划中电机系统节能的重要措施之一,变频器本身的效率以及使用变频器之后,非工频、非正弦电量对电机效率及性能的影响等,不可忽视。传统功率计面临着严峻的挑战!

  研究适合变频电量测量分析的变频功率分析仪,是变频调速技术持续发展,电机系统节能减排亟待解决的问题。

  变频功率分析仪的测量对象为变频电量,变频电量是指用于传输功率的,并且满足下述条件之一的交流电量:
  1、信号频谱仅包含一种频率成分,而频率不局限于工频的交流电信号。
  2、信号频谱包含两种或更多的被关注的频率成分的电信号。
  变频电量包括电压、电流以及电压电流引出的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能等。
  除了变频器输出的PWM波,二极管整流的变频器及整流器输入的电流波形,直流斩波器输出的电压波形,变压器空载的输入电流波形等,均含有较大的谐波,下图中为常见变频电量的波形及相关频谱图。

两电平变频器输出波形

两电平变频器输出PWM电压波形及正弦电流波形

整流器输入波形

二极管整流变频器输入正弦电压波形及畸变的电流波形

变压器空载电流波形及谐波频谱


变压器空载电流波形及谐波频谱

  由于变频电量的频率成分复杂,变频功率计的测量一般包括基波有功功率(简称基波功率)、谐波有功功率(简称谐波功率)、总有功功率等,相比工频功率计而言,其功能较多,技术较复杂,一般称为变频功率分析仪或宽频功率分析仪,部分高精度功率分析仪也适用于变频电量测量。
  变频功率分析仪可以作为工频功率分析仪使用,除此之外,一般还需满足下述要求:
  1、满足必要的带宽要求,并且采样频率应高于仪器带宽的两倍。
  2、要求分析仪在较宽的频率范围之内,精度均能满足一定的要求。
  3、具备傅里叶变换功能,可以分离信号的基波和谐波。

  4、总有功功率计算公式采用电压电流瞬时值积分的方式。

  5、基波有功功率计算公式采用傅里叶变换得到的基波电压、电流有效值及相位差分别替代正弦电路有功功率计算公式中的U、I、φ即可。

四、新型产品

  WP4000变频功率分析仪WP4000变频功率分析仪是一款比传统数字功率计拥有更宽频带和更多功能,比进口高精度功率分析仪拥有更佳频率特性的宽频功率分析仪,适用于各类变频调速系统的电压、电流、功率、谐波等电量测试、计量的新型测量设备,是变频技术高速发展的必然产物,也是变频技术持续健康发展的重要基础仪器,更是变频设备能效评测不可或缺的工具。

  ◆ 该仪器/系统由数字量输出的变频电量变送器和数字量输入的二次仪表构成,两者通过光纤连接。完全避免了复杂电磁环境下传输环节的衰减和干扰。

  ◆ 采用电机、变频器、变压器、节能灯具等电器产品的各种试验工况下实测最低准确度指标作为标称准确度指标。

  ◆ 根据电压、电流的量程从1mV~20kV,100uA~7000A,变频电量变送器有100多种规格型号可供选择,对于高压、大电流测量,既可采用低电压、小电流的DT系列数字变送器与外部传感器配套使用,也可直接采用高电压、大电流的SP系列变频功率传感器直接测量,减少中间环节,提高系统测量准确度。

  ◆ 每台分析仪可配置1~6个功率单元(变频电量变送器),对于更多功率单元的测试项目,可采用多台分析仪级联,在同步光纤的控制下,实现多台分析仪之间的准确同步测量。 

 

 

  作者:AnyWay中国

  单位:湖南银河电气有限公司(www.vfe.cc


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