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淺談變頻器的電氣試驗(yàn)與測(cè)試儀表(二)

作者: 時(shí)間:2008-05-14 來源:上海橫河國際貿(mào)易有限公司 | 張磊 收藏

  五、的測(cè)量與儀器

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/82545.htm

  1、 測(cè)量儀器儀表簡介

  目前常見的測(cè)量儀表很多,這里僅介紹幾種常見的儀表。

  1) 動(dòng)鐵式儀表

  這種儀表測(cè)量的是有效值,它的值由固定線圈磁場(chǎng)與其內(nèi)可動(dòng)鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉(zhuǎn)角度而確定。讀數(shù)誤差由動(dòng)鐵的磁飽和以及諧波對(duì)線圈內(nèi)電感的影響引起。儀表精度一般是0.5級(jí)。

  2) 整流式儀表

  交流電流經(jīng)整流然后作用于動(dòng)圈式直流表,按交流電流的有效值確定刻度。其有效值是由整流平均值乘以波形系數(shù)求出的。市場(chǎng)上可買到的該種儀表基本是用于測(cè)量正弦電流的。而正弦電流的波形系數(shù)是π/(2 )=1.11。因此在測(cè)量非正弦電流的波形時(shí).應(yīng)該注意波形系數(shù)。典型的儀表精度是1.0級(jí)。

  3) 熱電式儀表
 
  溫升與測(cè)量電流產(chǎn)生的熱量成正比,這個(gè)溫升被熱電偶轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)力,其電流有效值由直流毫伏表指示。

  4) 電動(dòng)式儀表 

  電流指示值具有均勻的刻度,其指針偏轉(zhuǎn)角度等于兩個(gè)線圈間的力,也就是它的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Im×IF×dT/dθ)電流IF是與負(fù)載串聯(lián)的固定線圈內(nèi)的電流;電流Im正比于動(dòng)圈中的電壓)。典型精度為0.5級(jí)。

  5) 諧波分析儀

  輸入信號(hào)經(jīng)高速A/D采樣,經(jīng)過數(shù)字運(yùn)算,將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩沖存儲(chǔ)器內(nèi),結(jié)果顯示在屏幕上??蓽y(cè)量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等,以及進(jìn)行諧波分析,測(cè)量顯示電壓、電流、功率等的基波值和各次諧波值,并顯示其曲線。

  目前最常用的主電路一般為交—直—交組成,外部輸入工頻電源,經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào),經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。在整流回路中接有大電容,輸入電流的波形為不規(guī)則的矩形波,波形可進(jìn)行DFT變換分解為基波和各次諧波。在逆變輸出回路中, 輸出電壓信號(hào)是受 載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形,輸出回路電壓信號(hào)也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波。其他類型的也類似,輸入、輸出都不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,有較多的高次諧波含量。因此,在測(cè)量儀器的選擇上,與傳統(tǒng)的測(cè)量就有所不同。

  一些傳統(tǒng)的儀表一般不適合變頻器的測(cè)量。目前特別適于變頻器測(cè)量的儀器是諧波分析儀,主要型號(hào)有日本橫河(YOKOGAWA)的WT系列諧波分析儀,如WT1600、WT3000等產(chǎn)品。這類產(chǎn)品,不僅可以測(cè)量出基本的電參數(shù),并且針對(duì)變頻器做了一些特殊設(shè)計(jì),比如測(cè)量模塊比較多,可以同時(shí)測(cè)量輸入、輸出參數(shù),進(jìn)行諧波分析,測(cè)量真功率因數(shù),而且?guī)挶容^寬,可以從DC到1MHz,精度也很高,一般可以達(dá)到0.15級(jí)或0.02級(jí)。顯示也很方便,可以顯示數(shù)值、波形、諧波柱狀圖、三相矢量圖等。同時(shí),也可以測(cè)量變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的機(jī)械輸出,如電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等,這樣可以更方便的測(cè)量變頻器的驅(qū)動(dòng)能力及驅(qū)動(dòng)效果。可以說,一臺(tái)WT系列的諧波分析儀可以替代一堆傳統(tǒng)儀表,提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度、方便性,從而大大提高的效率。

  2、 變頻器

  對(duì)變頻器進(jìn)行的電路如圖5-1所示。

       

              圖5-1測(cè)試電路圖

  此測(cè)試電路是一個(gè)完整的變頻器測(cè)試方案,包括三相電源輸入、三相輸出、驅(qū)動(dòng)的電機(jī)的機(jī)械輸出(轉(zhuǎn)速、扭矩)等。如果被測(cè)的變頻器功率較大,輸入、輸出電流超過了儀器的量程,就需要在電流的測(cè)量回路里接入CT(電流互感器),把被測(cè)電流轉(zhuǎn)變成儀器的測(cè)量量程內(nèi)。

  測(cè)試電路里的諧波分析儀是橫河公司的WT1600(如圖5-2)。該儀器有6個(gè)模塊,可以同時(shí)輸入6個(gè)電壓、6個(gè)電流,同時(shí)有電機(jī)測(cè)試模塊,可以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等。一臺(tái)WT1600不僅可以測(cè)量變頻器的輸入、輸出電壓、電流、功率、效率等參數(shù),還可以測(cè)量電機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速、滑差、機(jī)械輸出功率、電機(jī)效率等,以及變頻器系統(tǒng)的總效率。

       

     圖5-2 WT1600諧波分析儀背面圖

  1) 輸入側(cè)的測(cè)量

  變頻器輸入電源是50Hz交流電源,其測(cè)量基本與標(biāo)準(zhǔn)的交流工業(yè)電源的測(cè)量相同,但是由于變頻器的輸入側(cè)是整流電路,電流的波形一般不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。典型的輸入波形如圖5-3。如果輸入電壓或電流較大,超過了諧波分析儀的測(cè)量量程,可以接入VT或CT。但要注意,由于電流不是正弦波,含有較多的諧波含量,因此,CT選擇時(shí)要考慮頻率范圍。

        

                      圖5-3輸入電壓、電流波形

  輸入功率的測(cè)量可以采用2表法(3P3W),即測(cè)量兩個(gè)電壓線電壓Vab、Vcb和2個(gè)電流Ia、Ic,從而計(jì)算出輸入有功功率、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)。但是,由于輸入端生產(chǎn)設(shè)計(jì)引起不平衡的,特別是小容量的變頻器,其中的一相里往往有變頻器本身的消耗,造成三相電流不平衡。這樣要測(cè)量三個(gè)線電壓、三相電流,即3V3A法才能夠保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

  傳統(tǒng)的有功功率的計(jì)算公式為:

  P= Urms × Irms × cosφ              (5-1)

  式中:
  P:有功功率
  Urms:電壓有效值
  Irms:電流有效值
  φ:電壓電流夾角

  但是,變頻器的輸入電流包括高次諧波,很難測(cè)量出相位角,按傳統(tǒng)公式計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

  橫河(YOKOGAWA)的WT系列的諧波分析儀,使用數(shù)字采樣方法。該法對(duì)指定的有效采樣周期內(nèi)獲取的瞬時(shí)波形數(shù)據(jù)的總和進(jìn)行平均。總和由樣本數(shù)N平均,得出一個(gè)功率值(如圖5-4)。

       

                        圖5-4 電壓、電流、功率采樣結(jié)果

  計(jì)算公式為:

     (5-2)   
  式中:
  u(t):時(shí)刻“t”的電壓瞬時(shí)值
  i(t):時(shí)刻“t”的電流瞬時(shí)值
  Δt:采樣時(shí)間間隔
  N :總采樣樣本數(shù)

  相應(yīng)的,標(biāo)準(zhǔn)正弦波的功率因數(shù)PF=cosφ。對(duì)于變頻器來說,PF=P/S。
  
  對(duì)于三相系統(tǒng)來說,功率因數(shù)的計(jì)算公式為:

                                                         (5-3)

  式中:
  ΣPF:三相功率因數(shù)
  ΣP:三相有功功率
  ΣS:三相視在功率

  但是,對(duì)于不同的測(cè)量方式,ΣΡ和ΣS的計(jì)算公式是不一樣的。對(duì)于不平衡電路來說,我們一般采用3V3A法測(cè)量,因此計(jì)算公式如下:

     (5-4)

  式中:
  ΣPF:三相功率因數(shù)
  P1:第一路有功功率
  P2:第二路有功功率
  S1:第一路視在功率
  S2:第二路視在功率
  S3:第三路視在功率

  采用諧波分析儀對(duì)各次諧波進(jìn)行分析,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析判斷。

  電壓總的畸變率Uthd:

     (5-5)

  式中:
  U(1):基波電壓
  U(k):k次諧波電壓
  Max:最大諧波次數(shù)

  電流的總畸變率Ithd:

    ?。?-6)

  式中:
  I(1):基波電流
  I(k):k次諧波電流
  Max:最大諧波次數(shù)

  作為對(duì)低壓配電線的高次諧波的管理指導(dǎo)值,電壓的總畸變率應(yīng)在5%以下。所以當(dāng)Uthd為5%以上時(shí),請(qǐng)接入交流電抗器或直流電抗器,以抑制高次諧波電流。

  2) 輸出側(cè)的測(cè)量

  變頻器的輸出波形見圖5-5,是頻率可變的信號(hào),含有較多的高次諧波,而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩主要依賴于基波電壓有效值。因此,需要測(cè)量的電壓值,或者說一般變頻器的額定電壓值是基波有效值。對(duì)類型的變頻器來說,電壓的整流平均值正比于其輸出電壓基波有效值。日本電機(jī)學(xué)會(huì)(JEMA)規(guī)定:使用平均整流方法來計(jì)算有效值,因?yàn)樵撝蹈线m地反映了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。

  

  圖5-5 變頻器輸出波形

  平均整流值的計(jì)算公式為:

     (5-7)

  校正后的平均整流值值的計(jì)算公式為:

     (5-8)

  校正后的值指的是當(dāng)測(cè)量對(duì)象是正弦波時(shí),校正值等于有效值。橫河公司的WT1600等WT系列諧波分析儀,可以同時(shí)測(cè)量有效值、整流平均值等數(shù)值,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行方便的選擇。

  輸出電流、輸出功率、功率因數(shù)等的測(cè)量方法,與上面說的輸入側(cè)基本相同,就不再贅述了。

  變頻器的效率為:

    ?。?-9)

  式中:
  η:變頻器效率
  ΣPout:變頻器輸出有功功率
  ΣPin:變頻器輸入有功功率

  WT1600還可以測(cè)量電機(jī)的機(jī)械輸出,可測(cè)量電機(jī)的速度和扭矩傳感器的輸出,然后計(jì)算扭矩、旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械功率、同步速度、滑差等,實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)儀器上測(cè)量電機(jī)效率與總效率。

  六、結(jié)束語

  隨著的發(fā)展,對(duì)測(cè)量也提出了更高的要求。而測(cè)量儀表廠家,也根據(jù)變頻器的發(fā)展和需求而進(jìn)行進(jìn)一步的儀器開發(fā),不斷推出新產(chǎn)品,以滿足測(cè)試的新需求。比如目前的日益復(fù)雜化,一些非標(biāo)準(zhǔn)的正弦調(diào)制的PWM波形出現(xiàn),經(jīng)常發(fā)生輸出電壓的整流平均值與基波有效值不相等的情況,針對(duì)這種情況,橫河公司推出WT系列的最新型號(hào)WT3000,在不改變測(cè)量模式的情況下,改進(jìn)了設(shè)計(jì),使其可以同時(shí)測(cè)量常規(guī)項(xiàng)目如整流有效值以及諧波如基波有效值等,從而使用戶可以自己進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

  總之,產(chǎn)品與測(cè)量手段是相輔相成、互相促進(jìn)的,二者都會(huì)隨著技術(shù)的發(fā)展而推陳出新。

  參考文獻(xiàn)

  1. 趙相賓 郭保良  《低壓變頻器的參數(shù)額定值和試驗(yàn)要求》

  2. 張燕賓   《SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)》中國電力出版社 2001



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