電力電子領(lǐng)域高精度功率測試的電流測試技術(shù)

1.前言

功率調(diào)節(jié)器的功率變換效率測試,逆變器馬達的效率測試,電抗器的損失測試等，在電力電子領(lǐng)域的各個方面都被要求要有高精度的功率(電流和電壓)測試.本文，著重圍繞電流測試技術(shù),將介紹我們公司過去就獨自擁有的電流傳感器和功率分析儀的開發(fā)技術(shù).

2.關(guān)于電流的測試方式

功率分析儀的電流測試,一般通過直接測量方式(Fig.1(a))和電流傳感器方式的(Fig.1(b))其中一種來進行.下面,將介紹一下各自的特征.

2.1直接測量方式

直接測量方式,是把測試對象的測試線直接連接到功率分析儀的電流端子進行測試的方式.這種方式，測試的原理比較簡單，而且因為功率計本身就有能夠測試電流的優(yōu)點,從過去開始就一直被使用.但是,把電流測試線連接到功率分析儀的電流輸入端子,電流直接輸入到測試的回路,會有以下的缺陷.

(1)測試的時候,測試對象的狀態(tài)和實際運行的狀態(tài)不同.

(2)所用測試線的阻抗會增加損耗.

(3)配線間以及配線—GND之間產(chǎn)生電容,增加高頻的漏電.

例如,上面所述(2),使用5m 長的AWG6測試線,配線阻抗約為6.5mΩ.如果測試對象的電流為30A,由于配線阻抗而引起的損失就為5.85W.就5.85W這個數(shù)值而言不能判斷是大還是小,但是根據(jù)測試對象的電力值,這部分損失是不容忽視的.另外,直接測量方式,一般使用分流電阻來測試電流.這種分流電阻的方式,存在以下的缺陷.

(1) 電流通過分流電阻,會產(chǎn)生電流的2次方比例的焦耳熱.這些熱量如果計算到計測器的損失上,就是由于自身發(fā)熱而引起分流電阻的阻值發(fā)生變化,以至于影響測試的精度.

(2)為了抑制焦耳熱的發(fā)生,可以選擇阻值較小的分流電阻.但是,阻值較小的分流電阻,不能忽視極少的誘導(dǎo)成分,使頻率特性惡化.

這些全部都是影響電流和電力測試精度的重要原因,在測試大電流的時候尤其應(yīng)該注意.

在Fig2，說明了20A的電流通過2mΩ的分流電阻的時候自身發(fā)熱的現(xiàn)象.為了比較,在配線上連接我們公司額定50A的電流傳感器CT6862.分流電阻由于焦耳熱引起的本身加熱,致使溫度上升至50℃的程度.

而另一方面,電流傳感器卻沒有受到焦耳熱的影響,自身幾乎沒有加熱現(xiàn)象.計測器的損失和傳感器本身的溫度特性對測試精度的影響幾乎很小.

通過以上的討論,直接測量方式在電子設(shè)備的待機電力測試和LED照明的消耗電力測試方面,由于受到分流電阻的焦耳熱的影響較小,在測試微小電流的時候(1A程度)時候是非常有效的.

2.2 電流傳感器方式

電流傳感器方式.是把電流傳感器連接到被測物的配線上,傳感器的輸出信號(電流或者電壓)輸入到功率分析儀進行電流測試的方式.

使用電流傳感器方式,在測試時被測物的狀態(tài)和實際運行的狀態(tài)是相同的.并且大電流的時候自身發(fā)熱極少,對測試的精度沒有影響.電力電子領(lǐng)域一般使用電流傳感器方式.

在Fig.3,表示了直接測試方式和電流傳感器方式各自可以高精度測試的范圍和頻率的范圍.

需要注意的是,在這里不是說用各自的方法絕對不能測試圖中表示范圍外的部分.

3 用電流傳感器方式來高精度的測試電力.如前所述,一般在超過5A電流的情況下使用.

電流傳感器的方式,和直線測量方式一樣并不是沒有缺陷.為了能進行高精度的電流測試也有幾點需要注意.

本章節(jié)，將要說明用電流傳感器方式來進行高精度功率測試的注意點.

3.1 合適的電流傳感器的選擇.

用電流傳感器方式來進行高精度并且高重復(fù)性的電力測試的前提,是選擇合適的電流傳感器.作為具體的選定基準,首先舉下面兩個例子

(1)電流傳感器的額定電流值和測試對象的電流值大小相匹配.

(2)電流傳感器可以測試的頻率范圍要包含測試對象電流全部的頻率成分

并且，在上面2點的基礎(chǔ)之上，

(3)電流傳感器所覆蓋的頻率范圍的測試精度要在測試對象的要求之上.

(4)電流傳感器的輸出干擾,溫度特性,導(dǎo)體位置的影響,外部磁場的影響,帶磁的影響,

共模電壓的影響等誤差的主要原因都要在規(guī)定的基礎(chǔ)之上,甚至更小.

所以說.電流傳感器在選擇上,要十分的注意.特別是關(guān)于(3),一般的電流傳感器的精度規(guī)定為DC或者50/60Hz,關(guān)于其它頻率范圍的特性都往往都容易忽視.有必要注意.為了在功率分析儀上用傳感器方式來進行高精度電流測試,要注意電流傳感器必須要具備足夠的性能.

3,2 包括電流傳感器功率測試系統(tǒng)整體的最適合化.

為了用電流傳感器方式進行高精度的電力測試,如前章節(jié)所述,不僅要選擇適合的電流傳感器而且包括電流傳感器的功率測試系統(tǒng)都需要最適合化.也就是說不管電流傳感器測試精度有多高,如果感應(yīng)器的輸出信號不能正常的傳送到功率分析儀上.那么也無法進行高精度的電流測試.

在Fig.4顯示了包括電流傳感器的一般功率測試系統(tǒng).并且,如前面所述,對于電流傳感器存在電流的輸出信號和電壓的輸出信號.一般來說.電流傳感器要比電壓傳感器更為廣泛的被使用,在這里以使用電流傳感器為前提,來進行討論.

作為電流傳感器的信號正確傳送到功率分析儀的條件.

(1)感應(yīng)器的電源要有良好的電源品質(zhì).GND的取得方法要適當(dāng).

(2)配線之間以及配線--GND間的結(jié)合容量要小,抗干擾性較強.

(3)功率分析儀的電流輸入部的頻率特性良好,發(fā)熱少,絕緣性能(CMRR高,漏電小)高，另外,抗干擾性能高, GND的取得方法適當(dāng)?shù)瓤梢粤信e的條件.

一般來說.目前的狀況是電流感應(yīng)器,感應(yīng)器用電源,功率分析儀都是不同的廠家,測試線的種類和配線方法都是按照客戶的委托來進行.

在這種狀況下,滿足上述的所有條件,電流傳感器的輸出信號正常的傳送到功率分析儀,保證實際高精度測試的電流值.對于電流傳感器的廠家.功率分析儀的廠家.再加上傳感器用電源的廠家來說,不容置疑都是非常困難的.

另一方面,我們公司從過去開始就以獨自的技術(shù)開發(fā)電流傳感器和功率分析儀.電力測試系統(tǒng)構(gòu)成的全部要素都可以由一家獨自完成.也是世界上唯一可以做到的全部相關(guān)產(chǎn)品的計測器廠家.

我們公司的功率測試系統(tǒng)有以下特點.

(1)電流傳感器是電壓輸出型,可以標定所列的全頻帶精度.

(2)把電壓輸出類型的電流傳感器作為功率分析儀專有的電流輸入,

使傳感器的輸出電壓水平和功率分析儀的電流輸入部的輸入電壓水平最匹配.

(3)功率分析儀內(nèi)部裝有傳感器用的電源,供給傳感器的電源品質(zhì)我們公司在規(guī)定精度時候必須統(tǒng)一.而且,我們公司的功率分析儀,傳感器用電源和GND一致的同時,除去接地回路的重要原因,在提高測試精度和重復(fù)性方面也進行了反復(fù)的評估和改善.

(4)使用屏蔽線作為傳感器輸出的線路,防止干擾的同時,進行增益的調(diào)節(jié),與線路引起的微小電壓下降抵消.

并且我們公司電流傳感器和功率分析儀組合,公司內(nèi)部以及在第三方認證機構(gòu),進行測試精度的評價和抗干擾試驗.

在Fig.5 也顯示說明了我們公司的電流傳感器(CT6862, CT6863, 9709, CT6841, CT6843, 3274)和功率分析儀(PW6001)組合的功率測試系統(tǒng)的抗擾,試驗在第三方認證機構(gòu)進行的情景.

正是這樣,為了使系統(tǒng)整體最匹配,設(shè)計每個構(gòu)成要素的同時,也對構(gòu)成要素在整個系統(tǒng)中的適配度進行了評估.

4 結(jié)束語

本文,介紹了關(guān)于在電力電子領(lǐng)域的各個方面被要求的高精度功率測試,特別是集中了電流測試技術(shù)討論的焦點.從過去開始用獨自的技術(shù)來開發(fā)電流傳感器和功率分析儀訣竅的一部分.在書面上,本文不能詳細介紹和未能涉及的內(nèi)容還有很多.類似這樣的信息以后會繼續(xù)提供給廣大的讀者.