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影响功率测试系统精度的若干因数

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  • 发布时间:2013/10/23 19:48:56
  • 作者:AnyWay中国

  目前,变频电量高精度测量主要采用高精度宽频带功率分析仪和霍尔电压、电流传感器构成的功率测试系统。那么,是不是只要功率分析仪和霍尔电压、电流传感器的精度都足够高,功率测试系统精度就一定高呢?

  答案是否定的!

霍尔电压传感器是影响功率测试系统精度的重要环节霍尔电流传感器是影响功率测试系统精度的重要环节

一、功率测试系统精度影响因数之一:传感器角差指标不明确

  显然,功率测试系统精度取决与功率分析仪及传感器的精度均有关系。而功率测试系统的核心测量参量为交流电有功功率。正弦交流电有功功率P=UIcosφ。非正弦交流电有功功率等于各次谐波的有功功率之和,而各次谐波的有功功率同样满足P=UIcosφ的计算公式。

  从有功功率计算公式可以看出,功率测量准确度取决于电压有效值、电流有效值及电压和电流的相位差三个参量的测量准确度。

  而电压和电流的相位差测量与传感器一次输入和二次输出之间的相位偏移(或相位误差,下称角差)以及测量电路引入的相位偏移有关。并且,只要相位偏移存在,不论测量方法中是否利用了相位差,对功率测量准确度的影响是相同的。

  用于传统电能计量的电压、电流互感器有明确的角差指标,例如:0.2级电流互感器表示电流互感器的比差为0.2%,角差为10′(60′=1°)。

  然而,由于霍尔电压、电流传感器等主要用于工业控制中独立的电压、电流测量,相位误差不会对其系统造成明显的影响,因此,霍尔电压、电流传感器通常不标称角差。

  银河电气变频电量计量检测研究中心对国内外大量霍尔电压、电流传感器的角差进行了抽检,发现霍尔电压传感器的角差远远大于同精度等级的互感器的角差,某进口品牌的6400V的霍尔电压传感器,角差大约为240′。

  相同的角差,在不同功率因数时,对功率测量的准确度影响不同,240′的角差:

  功率因数为1时,对功率测量准确度的影响约为0.2%;

  功率因数为0.8时,对功率测量准确度的影响约为5.5%;

  功率因数为0.2时,对功率测量准确度的影响约为34%!(详细参见银河文库:不同功率因数下相位误差对功率测量准确度的影响

  显然,采用这样的霍尔电压传感器构建的功率测试系统,不论电压传感器精度(幅值精度)和功率分析仪精度多高,都无法保障功率测试系统精度。

二、功率测试系统精度影响因数之二:量程不匹配

  任何电测量仪表,都存在一个共性,对于固定量程,电压、电流信号越小(相对量程的比例),测量精度越低。

  为了拓宽高精度测量范围,目前市面上的高精度功率分析仪,大多数采用多量程方案,可以在较宽的范围内实现较高的测量精度。

  例如:WT3000高精度功率分析仪的电压设置了15V、30V、60V、100V、150V、300V、600V、1000V八个量程。

  该仪表的相邻量程之间的比值均为超过2,量程设置满足常规的半量程保证精度的思路。在7.5V~1000V范围内,可以实现高精度测量,算是很宽的测量范围了。

  然而,在霍尔电压、电流传感器与功率分析仪构建的功率测试系统中,功率分析仪接受的是霍尔电压、电流传感器的输出信号。以LEM公司的LV200-AW/2/6400为例,其一次电压为6400V时,二次输出为80mA电流,而传感器的供电电源电压不超过24V,电流转变为电压信号之后,其峰值不超过±24V,有效值(按照正弦波峰值因数计算)不超过17V。当采用±12V或单24V等电源供电时,其输出有效值不超过8.5V。

  针对该传感器,功率分析仪的可用量程基本上只有15V一个量程。功率分析仪的多量程基本失去了意义,宽范围内,功率测试系统精度仍然得不到保障。(详细参见银河百科:宽幅值范围

三、功率测试系统精度影响因数之三:带宽不匹配

  变频器输出电压为PWM波,PWM波具有丰富的谐波,信号占据很宽的带宽,按照“GB/T22670-2008变频器供电三相笼型感应电动机试验方法”的规定,对于两电平变频器,测试装置带宽应在6倍开关频率以上,变频器带宽按照2kHz计算,电压传感器带宽应在12kHz以上,作为更加通用的要求,一般建议在30kHz以上。

  变频器负载通常为电机,电机为感性负载,可以滤除大部分高次谐波,因此,变频器测试或变频电机测试中,对电流传感器的带宽要求可远远低于电压。

  闭环式的霍尔电流传感器带宽可达100kHz甚至更高,可以满足绝大多数变频器及变频电机测试需要。

  然而,霍尔电压传感器带宽通常较窄,一般在15kHz以内,作为一般规律,电压越高,霍尔电压传感器带宽越窄,以LV200-AW/2/6400为例,其带宽仅700Hz左右,远远不能满足变频器输出电压测量的需要!

  相比之下,目前功率分析仪的电压、电流带宽远远高于电压传感器的带宽。

  作为传感器与仪表构建的系统而言,理想的带宽配置是传感器带宽高于仪表带宽,一方面保证传感器具有足够的带宽,确保信号不失真,另一方面,仪表可以设置低通滤波器滤除高频干扰信号或不关注的频率成分。

  而霍尔电压传感器与功率分析仪构建的功率测试系统中,情况恰恰相反:传感器带宽过窄,损失了信号的高频分量,功率分析仪带宽远远高于传感器带宽,测到的高频分量全部为干扰信号。功率分析仪带宽得不到发挥!宽频段范围内,功率测试系统精度得不到保障!(详细参见:银河百科:宽频功率分析仪核心技术指标剖析_选购注意事项

四、功率测试系统精度影响因数之四:传输环节的干扰

  电磁波作为一种特殊形态的物质,广泛存在于整个宇宙中,无时无刻不在影响着人们的生活及生产。

  干扰越大,信号受影响越大,而相同干扰情况下,信号越大,受干扰影响越小。

  传统的工频电量测量用传感器主要为电压、电流互感器,输出电压、电流典型值分别为100V、5A,信号较大。

  电磁干扰主要由非线性设备产生,传统的互感器测试场合,大多为线性设备,干扰较小。

  霍尔电压、电流传感器为有源器件,受供电电源的限制,通常输出电压低,并且一般为低功耗器件,输出电流小。

  采用霍尔电压、电流传感器测量的场合,大多针对变频器、逆变器、整流器、斩波器等非线性设备,干扰较大。

  相比之下,互感器测量时,环境干扰小而被测信号大。霍尔电压、电流传感器测量场合,环境干扰大而被测信号小。此消彼长,起此彼伏,霍尔电压、电流传感器受干扰程度远远大于电压、电流互感器。受干扰影响,通常很难保障功率测试系统精度。(详细参见银河百科:前端数字化