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專(zhuān)業(yè)知識(shí)分享—電壓、電流還充滿(mǎn)疑問(wèn),一篇帶你精準(zhǔn)了解

來(lái)源:深圳市樂(lè)買(mǎi)宜電子有限公司   2022年08月31日 09:27  

你的專(zhuān)業(yè)知識(shí)還記得多少?話(huà)不多說(shuō)一起來(lái)看下這篇干貨知識(shí)重新開(kāi)啟新的一年吧。




功率計(jì)/功率分析儀的用途?

1.電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換成為電熱器、電爐的熱量、發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)力、熒光燈或水銀燈的光能等所需的能量。


電能應(yīng)用.png

2.測(cè)量用電工具電功率的測(cè)量?jī)x器稱(chēng)之為功率計(jì)或是功率分析儀。經(jīng)過(guò)使用功率分析儀,能夠使用數(shù)值(電功率值)的形式檢測(cè)到肉眼觀察不到的信號(hào)(電功率),從而知道此電功率值的增減,然后可掌握電器的性能還有節(jié)能情況。


3.需要對(duì)消耗電力的產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)時(shí),功率分析儀是非常關(guān)鍵的測(cè)量?jī)x。


功率分析儀.png


功率分析儀/功率計(jì)的測(cè)量項(xiàng)目

可大致分為兩類(lèi):一種是基本項(xiàng)目另一種為其他的一些應(yīng)用。


基本項(xiàng)目如下所示:

1.電壓/電流(rms值、mean值、DC值、交流成分)、功率(有功功率、視在功率、無(wú)功功率)、功率因數(shù)、相位角、效率


2.電壓或電流的頻率(交流場(chǎng)合)

3.電流積分(Ah)、有功功率積分(Wh)測(cè)量

4.諧波(電壓/電流有效值、功率基波成分、各次諧波成分、總諧波含量)


其他應(yīng)用:

1.電壓、電流波形的顯示


2.電機(jī)評(píng)價(jià)(扭矩、轉(zhuǎn)速、機(jī)械功率、效率)





電力中的直流電和交流電




經(jīng)常作業(yè)于電路的朋友們都知道電力中存在著直流電與交流電,二者的區(qū)別以及用途是如下所示:


直流電源

周期不變、維持固定電壓的電源。直流同時(shí)也表示“DC(Direct Current)”。一般經(jīng)常見(jiàn)到的直流電源例如:干電池、蓄電池。(干電池或是蓄電池持續(xù)使用將會(huì)消耗,電壓降低,可不變的是一直是正向電壓(極性)。)


正向電壓.png


交流電源

在一定的周期內(nèi),電壓的正負(fù)極(極性)變化的電源。交流也將表示為“AC(Alternating Current”)。例如在家庭使用的或是工廠的用電都屬于交流電,其按照正弦波的波形周期性變化。


正弦波.png



交流電的算法及周期變化

上面我們說(shuō)到家庭和工廠用電屬于交流(Alternating Current)。交流電的電壓和電流依照正弦波周期性變化。其演示圖如下所示:


正弦波周期性變化.png


一般計(jì)算方式是由有功功率由電壓、電流及功率因數(shù)(相位差)計(jì)算得出。即,有功功率P=電壓x電流x相位差(cosφ)


交流有效值(RMS)

1.在顯示交流電流和電壓的值時(shí),有效值是使用率是最高的,單位分別是“Arms”、“Vrms”。


2.有效值以某個(gè)大小的直流電流和電壓的做功量為基準(zhǔn),面對(duì)電阻施加直流電壓時(shí)的發(fā)熱量,與之施加不同波形的交流電壓時(shí)的發(fā)熱量相同時(shí),其交流電壓的有效值與直流電壓值是一樣的。






電流&電壓除RMS以外的測(cè)量方法




RMEAN(整流平均值)

對(duì)源信號(hào)的波形得出絕對(duì)值之后,計(jì)算平均值。


整流平均值.png


在此需要注意的是:※整流平均值即可簡(jiǎn)單理解為表示此一交流電在全波整流后在相同時(shí)間內(nèi)波形圍出的面積跟多大數(shù)值直流信號(hào)圍出的面積是一樣的。


MEAN(校準(zhǔn)到有效值的整流平均值)

測(cè)量波形絕對(duì)值的平均值,換算成有效值表示。輸入信號(hào)為正弦波時(shí),能夠獲得和RMS相同值的廉價(jià)測(cè)量方法。公式如下所示:


校準(zhǔn)到有效值的整流平均值.png


在此需要注意的是:※對(duì)于正弦波,MEAN值與RMS值為相同值;對(duì)于失真波形,則為不同值。


DC(簡(jiǎn)單平均值)

測(cè)量區(qū)間的單純平均值。公式如下:


簡(jiǎn)單平均值.png


在此需要注意的是:※DC模式一般常用于測(cè)量直流信號(hào)或交流信號(hào)中的直流偏置。


AC(交流成分)

從真實(shí)有效值的平方減去直流分量的平方所得值的根。僅顯示交流分量的值。


交流成分.png





實(shí)例分享:RMS值和MEAN值的對(duì)比




RMS值和MEAN值的對(duì)比.png

當(dāng)被測(cè)信號(hào)是正弦波時(shí),MEAN值等效于RMS值


PWM波形.png

(當(dāng)被測(cè)信號(hào)為PWM波時(shí),MEAN值與基波值相似  

Note:僅針對(duì)于正弦波調(diào)制的PWM波形



功率的測(cè)量方式


其他測(cè)量項(xiàng)目

電壓,電流,有功功率由瞬時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算得出。從電壓、電流、有功功率測(cè)量值運(yùn)算出Q、S、λ等值,并且隨電壓/電流測(cè)量模式的不同而變化。


其他測(cè)量.png





實(shí)例分享:?jiǎn)蜗喙β蕼y(cè)量常遇到的問(wèn)題




單相功率測(cè)量.png


面對(duì)電路測(cè)試大家在剛?cè)腴T(mén)的時(shí)候是不是都存在這樣的疑問(wèn):電壓、電流都是正的,功率為什么是負(fù)的?


造成這種情況的原因是接線(xiàn)時(shí)將電流或是電壓的正負(fù)接反了;又或是因?yàn)槟承┕r下電壓和電流的方向不一致,例如電池放電、電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電模式等有效值的算法是平方之后再開(kāi)方,所以不管怎么接線(xiàn),都只是正值。


功率的算法是電壓與電流的實(shí)際采樣值相乘之后再平均運(yùn)算,所以假如電壓與電流的方向相反,計(jì)算得到的功率則是負(fù)值。


平均運(yùn)算.png



三相及多相交流電

1.三相3線(xiàn)與三相4線(xiàn)



三相交流電矢量表示法

1.一般三相交流電每相電壓偏移120°。矢量圖如下所示。



2.各相的電壓稱(chēng)為相電壓,各相間的電壓稱(chēng)為線(xiàn)電壓。


3.當(dāng)電源和負(fù)載沒(méi)有中性線(xiàn)時(shí),不能測(cè)量相電壓。需要測(cè)量線(xiàn)電壓。

 

4.通常,在電機(jī)測(cè)試中會(huì)測(cè)量線(xiàn)電壓。


5.測(cè)量三相交流功率可以采用使用2個(gè)單相功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量的2瓦特表法。


2瓦特表法.png



三相功率測(cè)量

1.使用三相4線(xiàn)制系統(tǒng)時(shí),三相功率測(cè)量由3個(gè)功率計(jì)測(cè)量并簡(jiǎn)單相加。

 


2.面對(duì)沒(méi)有中性線(xiàn)的三相3線(xiàn)制系統(tǒng),依據(jù)布朗德?tīng)柖ɡ恚嗫偣β士梢杂?個(gè)功率計(jì)測(cè)量。(通常被成植物2瓦特表法)



布朗德?tīng)?Blondel)定理:N相系統(tǒng)的功率可以用N-1個(gè)功率計(jì)測(cè)量得到。


三相3線(xiàn)接線(xiàn)(T相基準(zhǔn)  3P3W)





三相不平衡的兩種解決辦法




解決辦法1

3P3W(3V3A)接線(xiàn)方式的補(bǔ)償功能,3P3W(3V3A)接線(xiàn)方式可以計(jì)算因?yàn)橹行渣c(diǎn)泄漏電流造成的功率損失。



解決辦法2

首先需要確認(rèn)電壓電流是否平衡,之后再進(jìn)行更加精確計(jì)算功率因數(shù)PF。


三相不平衡-2.png



3V3A接線(xiàn)時(shí)的電壓接線(xiàn)示意圖


3V3A接線(xiàn)時(shí)的電流接線(xiàn)示意圖


3V3A接線(xiàn)時(shí)的電流、電壓波形顯示





實(shí)例分享:三相交流功率測(cè)試時(shí)的錯(cuò)誤




三相交流功率測(cè)試時(shí)的錯(cuò)誤.png


根據(jù)上述圖片可以看到問(wèn)題:單元2、單元3的功率為負(fù)值,促使計(jì)算三相功率時(shí)總功率接近0。


分析的原因如下:觀察三相電壓、電流的波形,可以看到電流波形相位順序正常,電壓波形U2、U3的順序相反。排查電壓的接線(xiàn)后根本原因是因?yàn)榻泳€(xiàn)時(shí)將V相、W相搞混了。



電能測(cè)量(積分功能)和平均功率測(cè)量

1.對(duì)功率進(jìn)行積分運(yùn)算,能夠計(jì)算用電設(shè)備所消耗的電能。功率分析儀可以同時(shí)顯示功率值與積分結(jié)果。


功率值與積分結(jié)果.png



2.為何不使用對(duì)功率值進(jìn)行求取平均值的方法來(lái)計(jì)算平均功率?


計(jì)算平均功率.png


由上圖可得出以下結(jié)論:

  1. 在常規(guī)測(cè)量模式下,功率的測(cè)量存在死區(qū)時(shí)間 

  2. 在被測(cè)設(shè)備功率波動(dòng)較大時(shí),功率測(cè)量值會(huì)跳動(dòng)

  3. 在通過(guò)積分功能計(jì)算整個(gè)過(guò)程的平均功率,無(wú)測(cè)量死區(qū)





實(shí)例分享:智能照明設(shè)備平均功率測(cè)量




平均功率測(cè)量.png


測(cè)量方案如下:

1.選擇標(biāo)準(zhǔn)積分模式,設(shè)定積分定時(shí)器≥30min。

2.在功率分析儀上選擇“自定義運(yùn)算” 功能,把預(yù)設(shè)好的平均功率計(jì)算公式設(shè)定為ON



頻率濾波器與線(xiàn)路濾波器的使用

濾波器的用途及使用如下:

1.濾波器是一種選頻裝置,能夠使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò),在某種范圍內(nèi)極大地衰減掉其他頻率成分。


2.采用濾波器的選頻特性,能夠?yàn)V除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。譬如:去除電源中的高頻噪聲


3.截止頻率(Cutoff Frequency):指低通濾波器的通帶右邊頻點(diǎn),及高通濾波器的通帶左邊頻點(diǎn)。一般以1dB或3dB相對(duì)損耗點(diǎn)來(lái)標(biāo)準(zhǔn)定義。


濾波器.png


WT系列配備了兩種濾波器。接下來(lái)簡(jiǎn)單講解一下各自的不同之處。


線(xiàn)路濾波器 Line Filter的用途及使用如下:

在此是去除輸入信號(hào)的高頻成分的濾波器。減少了轉(zhuǎn)換器波形或偏斜波形等高頻成分,能夠測(cè)量電壓、電流、電功率。如果把濾波器調(diào)至ON,測(cè)量的電流、電壓波形發(fā)生變化,對(duì)此將會(huì)對(duì)有效值的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。


頻率濾波器 Freq Filter的用途及使用如下:

也可以稱(chēng)之為零濾波器。此濾波器除去輸入信號(hào)中輸往頻率測(cè)量電流的信號(hào)的高頻成分,用于檢測(cè)出周期。將濾波器調(diào)至ON,則可以比較準(zhǔn)確地檢測(cè)出周期,可是測(cè)量的電流、電壓波形不發(fā)生變化,因此不影響有效值等的測(cè)量結(jié)果。


頻率濾波器.png


在此需要注意的是:

1.使用線(xiàn)路濾波器會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減作用,需要評(píng)估設(shè)置適當(dāng)?shù)慕刂诡l率。


2.使用線(xiàn)路濾波器會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響,詳細(xì)的指標(biāo)請(qǐng)參考使用手冊(cè)。

3.對(duì)于變頻器PWM電壓測(cè)量來(lái)說(shuō),假如一定要開(kāi)啟線(xiàn)路濾波器去除高頻干擾的話(huà),通常需要保證線(xiàn)路濾波器的截止頻率至少是調(diào)制波頻率的9倍至10倍以上。電壓測(cè)量才有可能會(huì)產(chǎn)生一定的衰減作用,可基本不會(huì)對(duì)功率測(cè)量產(chǎn)生影響。

4.進(jìn)行諧波分析時(shí)需要獲得準(zhǔn)確的基波頻率,需要使用頻率濾波器。


諧波測(cè)量

周期性的失真波形可用基波整數(shù)倍的頻率合成來(lái)表示。



使用FFT運(yùn)算功能會(huì)把波形由時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域,測(cè)量各頻率成分。


FFT運(yùn)算.png


電壓電流頻率成分.png


假如在操作中出現(xiàn)諧波結(jié)果不顯示或不正確時(shí),應(yīng)該如何檢測(cè)問(wèn)題,具體注意點(diǎn)如下:


1.確認(rèn)PLL源的頻率是否正確

PPL源即基波頻率,當(dāng)信號(hào)包含高頻成分時(shí),可能會(huì)促使沒(méi)有辦法準(zhǔn)確測(cè)量到基波的頻率,因而產(chǎn)生諧波測(cè)量錯(cuò)誤。此時(shí)需打開(kāi)頻率濾波器。


2.確認(rèn)數(shù)據(jù)更新周期

諧波測(cè)量需求一定的周波數(shù)以進(jìn)行FFT運(yùn)算,數(shù)據(jù)更新周期太快,將有可能導(dǎo)致周波數(shù)不夠,從而沒(méi)有辦法正確進(jìn)行諧波測(cè)量。


3.確認(rèn)PLL源量程

被選作PLL源的信號(hào),其幅值至少為所設(shè)置的測(cè)量量程的50%。若無(wú)法測(cè)到諧波時(shí),請(qǐng)減小量程至合適的檔位。





影響功率測(cè)量的主要因素




功率測(cè)量不只是對(duì)電壓、電流的測(cè)量

為了進(jìn)行精確的功率測(cè)量,不單是對(duì)精確測(cè)量電壓和電流,而是一定要把功率的精度當(dāng)做一個(gè)整體加以考慮。峰值因數(shù)、相位角誤差、溫度范圍、預(yù)熱時(shí)間、穩(wěn)定周期和共模抑制等參數(shù)都將影響到功率測(cè)量的總體精度,因此要更加規(guī)范,并在測(cè)量時(shí)按照步驟進(jìn)行實(shí)施。


精度的有效性

1.功率測(cè)量?jī)x器制造商在其產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)上填寫(xiě)的精度“典型值”一般是基于產(chǎn)品的期望值或統(tǒng)計(jì)值,并不是保證精度。這些數(shù)據(jù)并不是100%有保證,在沒(méi)有校準(zhǔn)的情況下更是如此。


2.功率測(cè)量的精度則會(huì)依據(jù)測(cè)量范圍有所改變。例如量程、頻率范圍等,任何規(guī)定的精度值都應(yīng)該有相應(yīng)的有效范圍。一些儀器的“典型值”很吸引人,但是需要特別小心,因?yàn)樗鼈兊木瓤赡軟](méi)有保證或只有在特定的點(diǎn)有效。



電流傳感器的用途

1.電流傳感器作為功率測(cè)量?jī)x器的附件常常被使用到,這表示著傳感器的誤差將與電壓輸入和分流器的誤差相疊加,因此所選傳感器的幅度和相位誤差要與高精度功率分析儀相匹配。


2.市面上有很多不同類(lèi)型的電流傳感器,高精度功率測(cè)量常用的是零磁通傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器將跟隨著時(shí)間的推移而逐漸飽和,羅氏線(xiàn)圈傳感器精度較低。零磁通傳感器能夠提供更高的精度,除此之外還可同時(shí)測(cè)量直流和交流信號(hào),因?yàn)榻涣鲬?yīng)用中也會(huì)有直流分量,因此十分的關(guān)鍵。


電流傳感器.png


溫度的影響

1.電路在不同溫度時(shí)所呈現(xiàn)出的情況也各不相同, 所以溫度系數(shù)可以表示出環(huán)境溫度對(duì)儀器帶來(lái)的影響。儀器的溫度范圍越寬越好。


2.舉例來(lái)說(shuō),溫度范圍指標(biāo)為23℃±5℃的儀器承受溫度變化的能力高于23℃±2℃的儀器。


3.與那些溫度范圍小、在溫度范圍之外性能無(wú)法保證的儀器不同,具有較寬溫度范圍的儀器不需要昂貴的冷卻解決方案。


相位誤差的影響

1.每臺(tái)功率計(jì)都存在著相位誤差,這是由輸入阻抗和分流器引起的。


2.當(dāng)使用外部傳感器時(shí),傳感器之間的性能差異也會(huì)增大相位誤差。



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