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功率分析仪的主要测试参数及基本功能

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  • 发布时间:2013/10/27 12:01:50
  • 作者:AnyWay中国

一、功率分析仪主要技术手段

  功率分析仪主要技术手段包括时域分析和频域分析两大部分。

  时域分析主要包括算术平均值、校准平均值、真有效值、有功功率功率因数等特征值的计算及实时波形的显示和操作。

  频域分析主要包括基波有效值、谐波有效值、相位差,位移因数等特征值的计算及频谱显示和操作。

WP4000变频功率分析仪记录的变压器空载电流波形及谐波频谱

图1 WP4000变频功率分析仪记录的变压器空载电流波形及谐波频谱

二、功率分析仪测试参数

  功率分析仪测试参数主要包括电压、电流、功率、相位、位移因数、功率因数等。

1、电压、电流真有效值及有功功率测量

  真有效值是指电压电流的基波、直流分量、所有谐波及间谐波的有效值的方和根,为了区别于基波或某次谐波的有效值,有时称全波有效值。

  有功功率是指直流分量、基波、谐波及间谐波的有功功率的算术和,为了区别于基波有功功率和谐波有功功率,有时称总有功功率。

  为了与传统的基于检波法的功率表的数值形成对比,某些功率分析仪提供了电压、电流的校准平均值。

  为了兼顾直流测量,某些功率分析仪还提供了电压、电流的算术平均值。

  银河电气的WP4000变频功率分析仪对交流电量提供了真有效值(rms)、校准平均值(mean)、基波有效值(h01)、算术平均值(avg)四种特征值测量模式;对直流电量提供了真有效值(rms)和算术平均值(avg)两种特征值测量模式。

  此外,功率分析仪测试参数中还应提供与有功功率相关的功率因数。

  注:对于非正弦电量测量,功率分析仪测试参数中有一个特别值得注意的参数。在正弦电路中,功率因数等于相位差的余弦,一般用cosφ表示,而非正弦电路中,功率因数只能通过下述定义式获取:

  PF=P/S,PF为Power Factor的缩写,表示功率因数,P为有功功率,S为视在功率。

  功率因数也常用λ表示。

  非正弦电路中,cosφ称为位移因数,φ为基波(或特定次数的谐波)电压与基波(或特定次数的谐波)电流的相位差。当φ为基波电压、电流相位差时,也称基波功率因数。

  非正弦电路中,λ不等于cosφ,一般有λ小于cosφ。

2、电压、电流基波有效值及基波有功功率

  变频器输出电量谐波含量丰富,然而,对于电机而言,能够贡献转矩的主要是基波,因此,在电机试验中,基波有效值和基波有功功率是大部分试验的依据值,基波有效值和基波有功功率比真有效值更加重要。

  基波功率因数(位移因数)等于基波有功功率与基波视在功率(基波电压电流有效值乘积)的比值。

3、电压、电流谐波幅值及谐波功率

  电压、电流谐波幅值通常也采用有效值表示,谐波功率通常指谐波的有功功率。

  WP4000变频功率分析仪未显示每次谐波的功率,仅显示了每次谐波电压和谐波电流的相位,可通过谐波功率的定义式计算获取:

  Pn=UnIncosφn,Pn、Un、In、φn分别表示第n次谐波的有功功率、电压有效值、电流有效值、电压与电流的相位差。

4、谐波特征值

  变频电量输出谐波频谱复杂,除了少数研究性试验关注具体的某次谐波之外,多数情况下更加关注谐波的整体表现,谐波的整体表现主要通过谐波特征值表示。最常用的谐波特征值为总谐波畸变率THD(Total Harmonics Distortion)和总谐波因数(total harmoni Factor,简称THF)。THD也称波形畸变率,THF也称总谐波失真。

  除了上述两个谐波特征值之外,某些功率分析仪还针对具体应用领域提供相关标准关注的其它谐波特征值。如AnyWay系列变频功率分析仪还提供电机试验相关国家标准要求的谐波电压因数(HVF)和谐波电流因数(HCF)

5、电能质量分析等其它功能

  部分功率分析仪为了测试方便,还提供了电能质量分析仪的电压稳定度、电流稳定度、频率稳定度及正序分量、负序分量、零序分量等表征三相不平衡度的参数。

WP4000变频功率分析仪的电能质量分析相关功能

图2 功率分析仪的电能质量分析相关功能

三、功率分析仪基本功能

  功率分析仪基本功能主要包括实现第二节所述功率分析仪测试参数的测量、计算和显示,从分析结果表达方式看,功率分析仪基本功能主要包括:

1、常规测量

  功率分析仪测试参数主要包括传统功率表的测试参数:电压、电流、频率、功率、功率因数等,但是,测量功能比传统功率表强大,体现在同一测量参数可以采用多种特征值表现。如电压、电流可以采用真有效值(rms)、校准平均值(mean)、基波有效值(h01)、算术平均值(avg)四种特征值。而功率包括基波功率(h01)和总有功功率(avg)。

2、实时波形

  观测实时波形可以最快的速度形象地了解未知的复杂信号,建立感性认识,许多时候还可以利用观测的波形进行故障诊断或干扰排除,实时波形属于时域分析。

3、谐波分析

  谐波分析属于频域分析方法,是包含多种频率成分的变频电量的基本分析方法,通常采用傅里叶变换实现复杂信号的分解。

  目前大部分功率分析仪谐波分析最大次数在100次以内,部分进口功率分析仪可分析500次谐波。

  实际上,对于电网谐波分析,50次就足够了。而对于变频器谐波分析仪,由于变频器的基波频率是变化的,且包含了高频的谐波,谐波与基波的频率比值可能达到2000以上,也就是谐波次数可能达到2000次甚至更高次(详见“适用变频器输入输出谐波检测的谐波分析仪”)。

  除了谐波检测之外,基波也可以认为特殊的谐波(一次谐波),常规测量中的基波有效值及基波相位也是通过傅里叶变换获取。电能质量分析中的各种表示谐波失真的特征值,也以傅里叶变换为基础。

4、平均或积分功能

  实际测量对象总是会出现不同程度的波动,对于能效计量检测等高精度试验,小的读数误差可能对结果造成较大的影响,为了获取能够代表波动读数的稳定值,且稳定值应能够代表实际信号的对结果的综合影响。通常采取多点读数求平均或积分求平均等数值处理方式。

  WP4000变频功率分析仪提供了滑动平均、指数平均、智能平均(适合叠频法等读数波动较大但是波动有潜在规律的场合)等方式。还可通过设置更新时间获取等同于积分平均的效果。

WP4000变频功率分析仪记录的异步电机叠频法温升试验的电压、电流波形图

图3 WP4000变频功率分析仪记录的异步电机叠频法温升试验的电压、电流波形图

5、采集与记录

  功率分析仪测试或计算的参数较多,采集速度快,采集和记录几乎是所有功率分析仪必备的功能之一。采集通常指实时采样数据的记录。而记录通常指运算完毕的特征值的记录,记录的数据量较小,采集的数据量很大。以6功率单元,250kHz采样频率计算,一秒重采集的基本数据高达12M字节,1G字节磁盘空间只能存储80秒的数据。常规的4M、8M存储深度的录波仪等设备往往不能满足存储需要。