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功率分析仪选型基础知识_了解被测电量特征

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  • 发布时间:2013/12/5 12:13:57
  • 作者:AnyWay中国

一、概述

  观测者、被测对象、测量仪器、测量方法、测量条件等构成了测量五要素。完成一次正确的测量,测量五要素一个都不能少。其中,观测者据五要素之首,不但是五要素之一,还必须清除另外四个要素对测量结果的影响。
  在功率分析仪选型时,选型者本身可能就是今后实施测量的观测者,不论是还是不是,都必须考虑另外四要素对观测者的要求。
测量五要素
图1 功率分析仪选型需考虑观测者、测量对象、测量仪器、测量方法、测量条件等测量五要素
  现在要问的是,您是否知道选购的功率分析仪的测量对象是什么呢?
  您可能会认为,这个问题过于简单,测量对象不就是功率吗?全面点讲,还包括电压、电流等其它对象,再细分,功率可以分为有功功率、无功功率和视在功率。
  如果您真的是这么认为,那么,本文或许对您有帮助,至少,本文会告诉您,这个问题不是这么简单!

二、测量目的与测量对象

  测量的目的是人类认知自然的一种重要方式,没有测量就没有科学。JJF1001-2011通用计量术语及定义对测量做出如下定义:
  测量(measurement)是通过实验获得可合理赋予某量一个或多个量值的过程。
  定义中,某量是测量对象,而获取量值是测量目的。
  测量的对象是某个量(包括物理量,化学量和生物量);
  测量的目的是获取可以合理表征被测量的量值;
  量值是指量化的数值,量化是测量的重要特征,量值可能是一个,也可能是多个;
  量值用于表征被测量的特征,本文称为特征值
  概括讲,测量就是获取可以合理表征被测对象的一个或多个特征值。
  以最简单的直流电压为例,理想直流电压在任意时刻的幅值(瞬时幅值)为一固定的常数,任意时刻的瞬时幅值包含了被测直流电压的全部信息,瞬时幅值可以作为特征值表征直流电压。
  因此,对于理想直流电压测量时,我们只需要关心一个特征值,就是直流电压的幅值。然而,实际的直流电压不可避免的回包含一定含量的纹波。此时,若仍然采用某一时刻的瞬时电压作为特征值显得不够客观。因此,通常会采用在一定时间内的瞬时电压的平均值或有效值作为特征值。
  值得注意的是,平均值和有效值是不同的特征值。也就是说,具有一定纹波的同一个直流电压,其平均值和有效值可能不相等。
  因此,选择功率分析仪测量直流电压之前,我们需要了解的是:需要测量的是直流电压的平均值还是有效值?
  这个问题与研究对象的特性和测量目的有关,比如:直流电压施加在电阻两端,纹波与直流分量一样会做功,并把电能全部转变为热能。此时,测量直流电压的有效值较合理。又如:直流电压施加在电机两端,并且纹波的频率较高,由于电机为感性负载,对于高频信号具有很大的阻抗,可以认为,起作用的主要是直流分量,此时,测量直流电压的平均值较为合理。
  直流电压的有效值和平均值数值不相等,测量方法不同,实际测量时可能还需要不同的仪器(功率分析仪)。
  至此,细心的读者或许会发现,就用于直流电压测量的功率分析仪而言,其测量对象可以细分为有效值电压和平均值电压或其它特征值。
  就功率分析仪的被测电量而言,直流电压是最简单的电量,交流电量,不同频率的交流电量,不同波形的交流电量,需要更多的特征值才能全面描述,不同特征值,测量原理和测量方法也不相同,测量过程远远比直流电量复杂。
  更加普遍的说法,功率分析仪测量的对象的主要测量对象是电压、电流和功率,这只是较为笼统的说法,对于较复杂的电量而言,其电压、电流和功率可能具有多个特征值,而这些特征值,才是真正的、最直接的测量对象。

三、电量的特征值

  依据被测电量的工作频率大体可分为:直流电量、工频电量(50Hz/60Hz)、中频电量(400Hz)和变频电量
  依据被测电量的波形特征或频率构成可分为:直流电量、正弦交流电量、非正弦交流电量。
  不同电量具有不同的特征值,直流电量的特征最简单,只需要一个特征值即可表述其全部特征。这个特征值称为幅值,具体的讲,就是电压多少伏,电流多少安。直流电压的幅值在工程应用中可细分为有效值和平均值等。
  正弦交流电量依据其频率不同可以分为工频正弦电量和非工频正弦电量。
  工频正弦电量是最常见的交流电量,目前国内的发电、变电、配电、输电、用电均以工频正弦电量为主。
  正弦电量的特征值有三个:幅值、频率、相位。正弦电量的幅值随时间变化而变化,为了表述方便,一般用一个变化周期内的有效值表示其幅值。相位是周期变化的,变化范围固定为0-360°或-180°-180°,只对两个以上的关联电量才有意义。因此,更多时候关注的是两个电量的相位差,比如说,A相电压与B相电压的相位差,A相电压与A相电流的相位差等等。
  对于工频正弦电量而言,频率为固定参数,只有幅值和相位两个特征值需要测量。
  对于非正弦电量而言,从波形(时域)角度看,很难用有限的特征值完整表述其特征。为此,我们一般需要通过直接观测其实时波形了解其特征。然而,实时波形也只能给我们直观的、定性的了解。通过观测实时波形,可以对信号周期、峰值、峰峰值等特征值进行量化。想要了解非正弦电量的全部定量信息,或者说,对其内在构造进行准确的量化,需要采用频域分析法。所谓频域分析法,简单讲,就是看看这个信号是由哪些频率的标准正弦波构成。法国数学家傅里叶发现,满足一定条件的周期信号(工程应用中遇到的周期信号一般都可满足)均可通过傅里叶变换分解为若干不同频率、幅值、相位的正弦波的线性组合,而所有的这些正弦波,其频率均为信号频率(基波频率)的整数倍。
  非正弦电量可以采用一组幅值、频率和相位进行全面的表述。实际应用中,往往通过对这些幅值、频率、相位的运算,得到物理意义更加直观的特征量。例如:电压真有效值、电流真有效值、有功功率、电压基波有效值、电流基波有效值、基波有功功率、基波功率因数(位移因数)、总谐波畸变率(THD)、总谐波因数(THF)、谐波电压因数(HVF)、谐波电流因数(HCF)等等。
WP4000变频功率分析仪测量的变压器空载电流波形及谐波频谱
图2 WP4000变频功率分析仪测量的变压器空载电流波形及谐波频谱
  非正弦电量可以有大量的特征值,然而,并非每一次测量,我们都需要测量所有特征值,而不同特征值测量,对测量仪器的要求也不同。
  功率分析仪选型之前,我们除了要了解测量对象是什么之外,还要弄清楚测量对象有哪些特征,而我们要测量哪些特征值,这些特征值才是我们真正的测量对象。