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功率分析儀選型基礎知識_了解被測電量特征

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  • 發(fā)布時(shí)間:2013/12/5 12:13:57
  • 作者:AnyWay中國

一、概述

  觀(guān)測者、被測對象、測量?jì)x器、測量方法、測量條件等構成了測量五要素。完成一次正確的測量,測量五要素一個(gè)都不能少。其中,觀(guān)測者據五要素之首,不但是五要素之一,還必須清除另外四個(gè)要素對測量結果的影響。
  在功率分析儀選型時(shí),選型者本身可能就是今后實(shí)施測量的觀(guān)測者,不論是還是不是,都必須考慮另外四要素對觀(guān)測者的要求。
測量五要素
圖1 功率分析儀選型需考慮觀(guān)測者、測量對象、測量?jì)x器、測量方法、測量條件等測量五要素
  現在要問(wèn)的是,您是否知道選購的功率分析儀的測量對象是什么呢?
  您可能會(huì )認為,這個(gè)問(wèn)題過(guò)于簡(jiǎn)單,測量對象不就是功率嗎?全面點(diǎn)講,還包括電壓、電流等其它對象,再細分,功率可以分為有功功率、無(wú)功功率和視在功率。
  如果您真的是這么認為,那么,本文或許對您有幫助,至少,本文會(huì )告訴您,這個(gè)問(wèn)題不是這么簡(jiǎn)單!

二、測量目的與測量對象

  測量的目的是人類(lèi)認知自然的一種重要方式,沒(méi)有測量就沒(méi)有科學(xué)。JJF1001-2011通用計量術(shù)語(yǔ)及定義對測量做出如下定義:
  測量(measurement)是通過(guò)實(shí)驗獲得可合理賦予某量一個(gè)或多個(gè)量值的過(guò)程。
  定義中,某量是測量對象,而獲取量值是測量目的。
  測量的對象是某個(gè)量(包括物理量,化學(xué)量和生物量);
  測量的目的是獲取可以合理表征被測量的量值;
  量值是指量化的數值,量化是測量的重要特征,量值可能是一個(gè),也可能是多個(gè);
  量值用于表征被測量的特征,本文稱(chēng)為特征值。
  概括講,測量就是獲取可以合理表征被測對象的一個(gè)或多個(gè)特征值。
  以最簡(jiǎn)單的直流電壓為例,理想直流電壓在任意時(shí)刻的幅值(瞬時(shí)幅值)為一固定的常數,任意時(shí)刻的瞬時(shí)幅值包含了被測直流電壓的全部信息,瞬時(shí)幅值可以作為特征值表征直流電壓。
  因此,對于理想直流電壓測量時(shí),我們只需要關(guān)心一個(gè)特征值,就是直流電壓的幅值。然而,實(shí)際的直流電壓不可避免的回包含一定含量的紋波。此時(shí),若仍然采用某一時(shí)刻的瞬時(shí)電壓作為特征值顯得不夠客觀(guān)。因此,通常會(huì )采用在一定時(shí)間內的瞬時(shí)電壓的平均值或有效值作為特征值。
  值得注意的是,平均值和有效值是不同的特征值。也就是說(shuō),具有一定紋波的同一個(gè)直流電壓,其平均值和有效值可能不相等。
  因此,選擇功率分析儀測量直流電壓之前,我們需要了解的是:需要測量的是直流電壓的平均值還是有效值?
  這個(gè)問(wèn)題與研究對象的特性和測量目的有關(guān),比如:直流電壓施加在電阻兩端,紋波與直流分量一樣會(huì )做功,并把電能全部轉變?yōu)闊崮?。此時(shí),測量直流電壓的有效值較合理。又如:直流電壓施加在電機兩端,并且紋波的頻率較高,由于電機為感性負載,對于高頻信號具有很大的阻抗,可以認為,起作用的主要是直流分量,此時(shí),測量直流電壓的平均值較為合理。
  直流電壓的有效值和平均值數值不相等,測量方法不同,實(shí)際測量時(shí)可能還需要不同的儀器(功率分析儀)。
  至此,細心的讀者或許會(huì )發(fā)現,就用于直流電壓測量的功率分析儀而言,其測量對象可以細分為有效值電壓和平均值電壓或其它特征值。
  就功率分析儀的被測電量而言,直流電壓是最簡(jiǎn)單的電量,交流電量,不同頻率的交流電量,不同波形的交流電量,需要更多的特征值才能全面描述,不同特征值,測量原理和測量方法也不相同,測量過(guò)程遠遠比直流電量復雜。
  更加普遍的說(shuō)法,功率分析儀測量的對象的主要測量對象是電壓、電流和功率,這只是較為籠統的說(shuō)法,對于較復雜的電量而言,其電壓、電流和功率可能具有多個(gè)特征值,而這些特征值,才是真正的、最直接的測量對象。

三、電量的特征值

  依據被測電量的工作頻率大體可分為:直流電量、工頻電量(50Hz/60Hz)、中頻電量(400Hz)和變頻電量。
  依據被測電量的波形特征或頻率構成可分為:直流電量、正弦交流電量、非正弦交流電量。
  不同電量具有不同的特征值,直流電量的特征最簡(jiǎn)單,只需要一個(gè)特征值即可表述其全部特征。這個(gè)特征值稱(chēng)為幅值,具體的講,就是電壓多少伏,電流多少安。直流電壓的幅值在工程應用中可細分為有效值和平均值等。
  正弦交流電量依據其頻率不同可以分為工頻正弦電量和非工頻正弦電量。
  工頻正弦電量是最常見(jiàn)的交流電量,目前國內的發(fā)電、變電、配電、輸電、用電均以工頻正弦電量為主。
  正弦電量的特征值有三個(gè):幅值、頻率、相位。正弦電量的幅值隨時(shí)間變化而變化,為了表述方便,一般用一個(gè)變化周期內的有效值表示其幅值。相位是周期變化的,變化范圍固定為0-360°或-180°-180°,只對兩個(gè)以上的關(guān)聯(lián)電量才有意義。因此,更多時(shí)候關(guān)注的是兩個(gè)電量的相位差,比如說(shuō),A相電壓與B相電壓的相位差,A相電壓與A相電流的相位差等等。
  對于工頻正弦電量而言,頻率為固定參數,只有幅值和相位兩個(gè)特征值需要測量。
  對于非正弦電量而言,從波形(時(shí)域)角度看,很難用有限的特征值完整表述其特征。為此,我們一般需要通過(guò)直接觀(guān)測其實(shí)時(shí)波形了解其特征。然而,實(shí)時(shí)波形也只能給我們直觀(guān)的、定性的了解。通過(guò)觀(guān)測實(shí)時(shí)波形,可以對信號周期、峰值、峰峰值等特征值進(jìn)行量化。想要了解非正弦電量的全部定量信息,或者說(shuō),對其內在構造進(jìn)行準確的量化,需要采用頻域分析法。所謂頻域分析法,簡(jiǎn)單講,就是看看這個(gè)信號是由哪些頻率的標準正弦波構成。法國數學(xué)家傅里葉發(fā)現,滿(mǎn)足一定條件的周期信號(工程應用中遇到的周期信號一般都可滿(mǎn)足)均可通過(guò)傅里葉變換分解為若干不同頻率、幅值、相位的正弦波的線(xiàn)性組合,而所有的這些正弦波,其頻率均為信號頻率(基波頻率)的整數倍。
  非正弦電量可以采用一組幅值、頻率和相位進(jìn)行全面的表述。實(shí)際應用中,往往通過(guò)對這些幅值、頻率、相位的運算,得到物理意義更加直觀(guān)的特征量。例如:電壓真有效值、電流真有效值、有功功率、電壓基波有效值、電流基波有效值、基波有功功率、基波功率因數(位移因數)、總諧波畸變率(THD)、總諧波因數(THF)、諧波電壓因數(HVF)、諧波電流因數(HCF)等等。
WP4000變頻功率分析儀測量的變壓器空載電流波形及諧波頻譜
圖2 WP4000變頻功率分析儀測量的變壓器空載電流波形及諧波頻譜
  非正弦電量可以有大量的特征值,然而,并非每一次測量,我們都需要測量所有特征值,而不同特征值測量,對測量?jì)x器的要求也不同。
  功率分析儀選型之前,我們除了要了解測量對象是什么之外,還要弄清楚測量對象有哪些特征,而我們要測量哪些特征值,這些特征值才是我們真正的測量對象。

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