

三相功率測試儀器對比-云帆興燁
前言
測試周期(“同步”)計算
對于近似正弦信號(干擾和失真較?。?,這兩種儀器使用相同的低通濾波器設(shè)置都能找到同樣的正確測量周期,然而力科 MDA能提供更廣泛的選擇,
力科電機驅(qū)動分析儀還能夠調(diào)整磁滯區(qū)間,允許軟件忽略干擾測量周期計算的非單調(diào)性,這些在MDA軟件說明書中有詳細的說明,這種設(shè)置對有較高失真的信號(例如無刷直流六步換向信號)或者由于高壓和失效事件產(chǎn)生的高畸變信號非常有用。
請注意,力科電機驅(qū)動分析儀還可以顯示濾波后的同步信號,并與測量周期疊加,使同步信號設(shè)置更容易被理解,請參見下圖(同步信號疊加顯示在底部)。
最后,力科電機驅(qū)動分析儀將同步濾波器和磁滯設(shè)置作為數(shù)據(jù)采集后的軟件處理過程,然而大多數(shù)功率分析儀是在數(shù)據(jù)采集過程中對波形應(yīng)用同步濾波器和磁滯設(shè)置,因此,力科 MDA可以在采集波形后,再對設(shè)置進行更改。而在功率分析儀中通常是無法做到的。結(jié)合同步周期疊加顯示,可以使用MDA的采集后處理來調(diào)節(jié)濾波器和磁滯設(shè)置以獲取最佳結(jié)果,無需放棄所獲得的數(shù)據(jù),重新進行采集。
視在功率公式
在橫河的功率分析儀中,用戶可以在設(shè)置菜單中選擇下面的任意公式測量視在功率 (S):
\(Vrms * Irms\) ,和力科提供的一樣,詳見本文檔
\(Vmean * Imean\) ,校準到RMS有效值的整流平均值的乘積
\(Vdc * Idc\) ,電壓和電流簡單平均值的乘積
\(Vmean * Irms\),電壓整流平均值和電流RMS有效值的乘積
\(Vrmean * Irmean\) ,電壓和電流整流平均值的乘積
力科只提供 \(Vrms*Irms\) 視在功率計算方法,如果需要對比橫河功率分析儀和力科MDA的的功率值結(jié)果,須將功率分析儀上的視在功率計算方法設(shè)置為\(Vrms*Irms\)。
三相(總)功率計算
力科采用一種方法計算功率值,而橫河提供三種不同的方法,并且返回不同的結(jié)果,下面是力科和橫河在單個功率周期計算功率的方法摘要---完整的公式描述請參見各自的指導(dǎo)手冊。需注意的是, 下表假定橫河功率分析儀采用 \(Vrms*Irms\) 公式計算視在功率。
對于完美的正弦(零失真)波形,是可以測量電壓和電流正弦波之間的相位角 φ的。然而,當波形有畸變時(例如 PWM 驅(qū)動器輸出波形),是無法測量相角 φ的,因此,力科方法或橫河類型2方法是對于畸變波形的無功功率(和功率因數(shù)以及相角)可以產(chǎn)生準確結(jié)果的唯一方法(對于正弦波形兩者也能產(chǎn)生準確的結(jié)果)。
橫河功率分析儀在有購買諧波測量模式選項的型號上提供類型3方法,此選項似乎是使用PLL從一個PWM信號定義基波信號,然后該儀器通過比較基波電壓和電流,以及通過N次諧波為基波和每次諧波確定的功率確定相位角,這和力科提供的諧波濾波器設(shè)置值 “基波”或者“基波 + N”(見下文)的結(jié)果類似,前提是橫河功率分析儀的硬件鎖相環(huán)能夠適應(yīng)采集窗口內(nèi)測量信號周期的任何變化。
橫河的功率分析儀能夠準確測量任何狀況下的有功功率,如果僅僅對有功功率計算感興趣,所有方法都是合適的,但是為了準確計算S, Q,λ和φ,工程師必須從橫河功率分析儀中選擇正確的方法。
每相功率的計算
橫河使用了和計算三相總功率相同的公式計算每相功率,但是一次只計算一相。
當使用三相四線(三電壓三電流)連接方式測量Line-Neutral或者Line-Reference電壓時,橫河視在功率=\(Vrms*Irms\)的類型2測量方法和力科 MDA通常是一致的。
然而,如果采用Line-Line電壓測試方法,橫河功率分析儀測量出來的每相功率將會是不平衡的和錯誤的,盡管三相總功率是正確的,差異的原因如下:
橫河三相三線(三電壓,三電流)連線方式原本被作為兩瓦特計法設(shè)置定義,這對從三電壓和三電流轉(zhuǎn)換為兩電壓和兩電流的測量是有好處的,功率分析儀無需重新連線。當然這也意味著,在每相中,Line-Line電壓和電流不能正確的相互關(guān)聯(lián)。參看圖1(橫河)和圖2(力科)
力科三相三線(三電壓,三電流)連線方式也可以使用兩瓦特計法計算三相總功率,但是同時保持每相中正確的矢量關(guān)系,以此得到正確的每相功率,力科簡單的反轉(zhuǎn)一路電壓波形計算三相總體功率
橫河設(shè)定的電壓關(guān)系對三相總功率(有功功率、視在功率、無功功率)、相位角、功率因數(shù)都是沒有影響的,這是由于他們連線設(shè)置中電壓和電流的矢量關(guān)系,對于用來計算總體功率的兩瓦特計算法是正確的。
這兩種設(shè)備都可以支持Line-Line到Line-Neutral的轉(zhuǎn)換(橫河稱之為delta-star轉(zhuǎn)換,這是一個需要額外購買的選項),力科的MDA在轉(zhuǎn)換時會計算出每相的P, S, Q, λ和 φ,橫河的功率分析儀僅能計算出P。
橫河連線設(shè)置的實際影響是電壓電流對都有不同的相位關(guān)系(這將導(dǎo)致錯誤的每相功率計算),如下實際三相采集所示
帶有和不帶有Line-Line到Line-neutral(Delta-Star)的計算結(jié)果分別如下所示:
功率靜態(tài)分析VS.動態(tài)分析
橫河功率分析儀計算小段采集時間(幾個周期)的平均值,存在一個提高平均值刷新率的選項,但是它還是計算所定義的時間段或者多個周期的平均值,同步信號是通過FPGA上的PLL電路決定的,依賴于PLL環(huán)路帶寬,它對寬幅變化的速度的鎖定能力有限,通常,對于具有緩慢變化測量同步周期的穩(wěn)態(tài)信號,這是沒有實際限制的,所以,橫河的功率分析儀非常適合測試穩(wěn)態(tài)下的平均功率(恒定負載、扭矩、速度等)。
力科的MDA可以采集一小段數(shù)據(jù)計算平均功率,顯示在一個表格中,如前所述,同步周期是用軟件算法確定的,同時,由于沒有功率分析儀的限制,它也可以在動態(tài)條件下進行準確的測量。
如果負載是動態(tài)的,功率分析儀很可能不能提供有意義的結(jié)果,首先,確定在簡單、靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)負載條件下的關(guān)系,然后嘗試動態(tài)下的關(guān)系,如果在動態(tài)條件下,結(jié)果沒有相關(guān)性,這可能是由于功率分析儀無法準確地確定或者驗證同步信號,而這些對力科 MDA是沒有限制的。
總結(jié)
通常,我們很容易將功率分析儀和力科MDA放在一起對比,力科提供了更多的直觀反饋,特別是在準確確定測量同步信號上,這對準確測量功率至關(guān)重要,在某些狀況下,橫河的功率分析儀不同的設(shè)置或者連線方式導(dǎo)致不同的結(jié)果,一旦工程師理解其中的本質(zhì),就會更容易理解這些結(jié)果出現(xiàn)的原因。