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关于功率分析仪测量参数,它的定义你真的知道吗?(二)

关于功率分析仪测量参数,它的定义你真的知道吗?(二)

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这篇内容是对一些“众所周知”的功率分析仪测量参数的简单描述,这些测量参数是经常用到的,但是事实上很少的人能记住,他们来自哪里,什么是他们的确切定义。
这篇内容是对一些“众所周知”的功率测量参数的简单描述,这些测量参数是经常用到的,但是事实上很少的人能记住,他们来自哪里,什么是他们的确切定义。
 
 
没看过上一篇(一)的朋友可以点击这里☞:这些“众所周知”的功率测量参数,它们确切定义你真的知道吗?(一)。
 
 
功率分析仪的功率测量和理论背景
 
功率分析仪LMG671
 
Aron电路
 
这个电路可以用在三相三线系统。如果你是四线,这个不能用,因为流过这个线路的电流不会被计算进去。请注意,在高频应用里地线可以是第四根“线”。
 
这个电路的主要优点是,你只需要2个功率计测量系统的总的有功功率。
 
你可以测量相一和相三中的电流以及相一关联相三对相二之间的电压。
 
这样,你就可以在每个测量通道上施加一个线电压和一个相电流。只要有电阻负载,测量通道就会看到30°的相位偏移。不是电阻负载,每个通道的有功功率可以是更大,更小或是负值。
 
每相的有功功率不能显示,无功功率和视在功率一样也不能显示。只有总的有功功率是正确的。所有其他总的值都是无效的。
 
推导衍生
 
如下你可以发现测量方式的差异:
 
P =U1 * I1+U2 * I2 +U3 * I3
 
U 12=U1 −U2 ,得到U1 =U 12+U2,同样
 
U 32=U3 −U2 ,得到 U3=U32 +U2 .
 
如果你把如上插入上面的公式后,你会得到:
 
 
 
在三线系统里电流的矢量和必须是0(I1+I2+I3=0),你得到了:
 
 
这正是上面描述的测量条件。当然这种推导可以是一种通常的方式进行。
 
测量角形电路电压和星形电路电流
 
测量电机时一个非常典型的情况是,你只有L1,L2和L3,没有中性线。因此,没有其他的工具,你只可以测量电压U12,U23和U31连同电流I1,I2和I3.
 
类似像Aron电路,你在每个测量通道上施加一个线电压和一个相电流。只要有电阻负载,测量通道就会看到30°的相位偏移。不是电阻负载,每个通道的有功功率可以是更大,更小或是负值。
 
比Aron电路更糟的是,这里只有每个通道电压和电流是正确的,但是所有其他的数值,同样总和数值也都是错的。
 
功率分析仪LMG671
 
 
LMG 功率分析仪提供一种测量功能,叫做星-三角转换。如果你是上面提到的连接方式,你可以选择2种特殊的接线:
 
功率分析仪LMG671 星-三角转换
 
a ) 3+1,U△I* ->U△I△  数值被重新计算后在角形电路里获得新值。
 
b ) 3+1, U△I* ->U*I*   数值被重新计算后在星形电路里获得新值。
 
b ) b ) 是更常见的但两者都有相同的正向结果:LMG 计算的值属于一类的:
 
U1,I1,U2,I2,U3,I3关联到U12,I12,U23,I23,U31,I31.
 
从而所有通道的所有数值包括总和数值都可能是正确的。
 
时间
 
在上面的文章中多次提到了时间:一段时期,周期,测量时间…
 
这是对仪器中不同时间的解释,结合这一点,也解释了同步性和其他一些重要的事情。
 
01、采样时间
 
最快的时间是2个样本值之间的时间。这个时间取决于每秒的转换次数。
 
02、同步时间
 
你必须选择一个你想要同步的信号。为什么你必须同步所有?
 
如在“RMS 有效值”章节中描述的,数值是被定义在规定观察时间内的。对于某段信号是指信号的一段时间周期(或多个一段时间)。所以仪器必须测量信号的多个时间周期。LMG系列功率分析仪通常使用过正零交叉点开来侦测一个信号时间段的结束。
 
03、数值更新周期
 
数值更新周期定义了你想要获取测量结果的时间。如上面写到的,仪器测量多个数量的时间周期。你是如何处理这个的呢?
 
我们假设你有一个50Hz(20ms时间周期)的信号和50ms的数值更新周期。当数值更新周期开始时,你也开始了20ms的时间周期。仪器开始了测量。50ms后更新周期停止。仪器测量从0到40ms,实际是信号的2个周期。这些数值被计算并显示出来,例如Utrms,Idc,P….
 
实际测量时间在这个周期中只有40ms!
 
第二个数值更新周期采样值是从t=40ms开始的(我们的仪器测量是没有间隙的!!!)。t=100ms 第二个更新周期结束。在这个时间,信号的一段时间周期也结束了。现在仪器从t=40ms到100ms时间内采样计算。实际的测量时间在这个周期中是60ms。这里三个周期被计算了。这个更新周期有另外的时间间隔。对于周期性信号这个是不重要的,因为每个周期其实是一样的!波动信号可能对结果有影响。
 
你看:数值更新周期定义了你想要获得数值的时间。实际准确的时间是通过同步信号定义的。
 
另外重要的要求是,数值更新周期必须比时间周期要大!不可能测量1Hz的信号用500ms的更新时间。
 
04、积分时间
 
为了实现能量测量,你必须定义一个能量测量时间。这个时间必须是更新周期的整数,因为仪器只可以用完整的周期来计算能量。
 
05、谐波观测时间
 
当计算谐波时,你使用整数周期上的采样值。这个窗口宽度的倒数是计算谐波的频率步长。
 
举例:当测量50Hz信号用20ms(一个周期)时,你获得以50Hz为步长的谐波。当测量16个周期(320ms),你获得以3.125Hz为步长的谐波。
 
通过选择不同观测时间,你可以定义你想获得多少次的整数谐波。
 
观测周期是源于同步信号的。
 
 
由正弦源供电的非线性负载的无功功率
 
测量无功功率的两种方法,一种是使用原始畸变电流信号,另一个是滤波后的电流信号。在这个例子中被测物是一台LMG95测量自己的消耗。
 
01、用畸变电流信号的测量
 
我们使用如下输入信号:
 
 
电压信号从ZES ZIMMER 5000i功率源中获得。这个电压是频率50Hz的正弦波。
 
电流信号是未滤波的并且是有畸变的,但是只包含谐波分量(50Hz,100Hz,…)。
 
上面显示的数值是在“HARM100”模式下获得。如你所看到的,视在功率“S”是非常高的,是由畸变无功功率“D”造成的而不是相位偏移。你可以计算相位偏移无功功率Qshift,如下计算:
 
 
02、用滤波后的电流信号测量
 
另一个方法获得畸变无功功率“D”在如下实验中实现。我们使用和上面一样的设置,另外再设置一个30Hz的数字滤波。
 
 
为了过滤掉畸变电流输入信号,我们做了如上的滤波设置。
 
 
现在电流波形是接近正弦的了,因为2次以上谐波被过滤掉了。
 
 
由于设置了滤波器,基本分量会稍微小一点。如你看到的,有功功率P是与总的视在功率S是很接近的。现在测量到的无功功率Q是由于电压和电流之间的相位偏移造成的。Qshift=3,7961var,是在“用畸变电流信号的测量”内容中计算得出。
 
输入信号的畸变可能会造成一个非常大的视在功率。为了计算畸变无功功率D,你需要无功功率Q的两个不同数值。首先需要测量畸变输入信号,这个意味着总的无功功率包含2个部分:Qdist(D)和Qshift。第二个测量需要带入滤波后的输入信号。现在畸变无功功率Qdist“D“变成0(没有谐波),这个代表Q等于Qshift。用下面的公式你可以获得正确的Qdist(D):
 
 
注意:这是有效的情况是滤波后只有Qshift存在。下面是一个无效的例子。
 
在LMG95上,你可以用“HARM100“选件直接测量获得准确的“D”值。
 
03、热风枪的爆射控制信号的测量
 
下面的电路将描述测量不同类型功率的正确值的难度。在实际应用中,你会找到很多如上的理论解释。
 
04、试验
 
电路的搭建如下图所示:
 
 
 
05、时间信号
 
下图显示了被吸收电流的时间信号。峰值显示的电流,是需要加热热线圈。加热前后的信号是风扇电机的单向整流电流。这个信号可解释为具有50Hz载波频率的调幅为1.5Hz矩形信号,而忽略单向整流电流。
 
 
用于测量不同种类功率的最佳设备是带”HARM100”选件功能的ZES ZIMMER LMG系列产品。数值更新周期是你使用普通仪器面临的最大问题。上面的矩形信号有一个639ms的时间周期;用1s的更新时间来测量,将会得到非常波动的功率测量值。问题是电压或电流频率的触发。因为调幅信号的基带信号(1.5Hz)是不存在的,因此不可能用普通的滤波器触发。
 
LMG系列提供了一个特殊的触发器设置,以允许测量AM调解。
 
06、测量菜单设置
 
下面的调整必须在测量菜单里设置:重要!!Xtrig!
 
 
07、XTrig 菜单设置
 
为了测量不同功率的正确值,调幅信号必须用30Hz滤波器进行开方和滤波。由于直流分量在开方后没有零交叉,因此将触发电平设置为是很重要的。
 
 
08、默认菜单里的数值
 
默认菜单中显示的值是正确地测量爆射控制信号的真有效值TRMS.信号的基础频率是1.5Hz。所有的数值都是稳定的!这是一个正确同步的展示。
 
 
09、谐波分析
 
为了更好地理解测量值,谐波分析是非常有帮助的。下面的数字显示了不同电流谐波的参与,是对测量的真有效值有影响的,是在1.5Hz基波上触发。
 
 
谐波分析显示出信号有一个非常高的畸变无功功率“D”,因为电压是正弦的,电流有很多频谱分量在0...50Hz和50...100Hz之间。
 
10、较“normal”测量模式的区别:线触发
 
下面的图显示信号的谐波分析,通过线频率触发。第一张图是当加热线圈不在运行状态下获取的。直流分量是由于风扇电机造成的。
 
 
在第二张图加热线圈开始加热,电流增加到8A。
 
 
畸变无功功率是一直存在的,独立于加热线圈在运行或是非运行。在这个例子中畸变无功功率“D”是由于风扇电机电流的单向整流造成的。有功功率和视在功率改变是非常大的,基于加热线圈是运行还是非运行。所有测量是在2个周期线频率下完成的。
 
11、功率分析
 
当X同步到1.5Hz调制信号的频率时,测量了以下功率值:
 
 
 这里50Hz功率分量是在第32次谐波。畸变无功功率是更大了,因为两侧带宽都被纳入了计算。有功功率和视在功率都是稳定的,
 
结论
 
积分时间是测量中可以获得正确数值的非常重要的参数。同样测量信号的解释是非常重要的。如你看到的,你可以测量到3个不同的有功功率:
 
1.79kW 加热中
 
0.13kW 只有风扇电机运行中
 
0.34kW 一个完整的控制周期
 
所有的测量在他们所属的时间都是准确的。
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