一、概述
功率测量用于测量电气设备消耗的功率,广泛应用于家用电器、照明设备、工业用机器、储能等研究开发或生产线等领域中,要想精准的测量被测量,一个好的测量方法和一台高精度的测量仪器同样重要,目前主流的仪器是功率分析仪。
二、测试目标
(1)提高产品的能源效率——即使是小数点后几位——对制造商来说既是一个重要目标,也是一个重大挑战。
(2)为了验证效率的微小改进,研发团队需要了解其功率分析仪的总体准确度或不确定性。
(3)作为制造商,重要的是了解影响仪器不确定度的所有因素。
(4)在考虑功率精度时,评估不仅要考虑基本参数,还要考虑峰值因数、相位角误差、温度范围、预热时间、稳定期和共模抑制等其他因素。
三、精度
1、仪器的精度是测量值与真值的接近程度,通常用相对百分比来表。
2、仪器制造商发布的规格通常包括“保证值"和“典型值"等术语。一些制造商在其发布的数据中使用典型值,这往往会误导客户。典型值通常是基于制造商对其产品期望的参考值,但这些值通常不能100% 保证。
3、峰值因数的影响
(1)峰值因数的含义
(2)功率分析仪的峰值因数规格
CF3表示:当前量程下,允许输入的信号峰值为有效值量程的3倍。并不是只能测量峰值因数为3的信号。
以WT5000为例,设置为CF3时,信号有效的输入范围为量程的1%~130%
(3)当信号峰值超过功率分析仪允许的峰值时:
① 使用固定量程时,会显示超峰值错误,无法正确测量。
② 使用自动量程时,会自动切换到下一档量程,切换过程无法正确测量。
(4)对于功率分析仪,峰值因数在以下方面具有重要意义。
① 峰值因数能够显示仪器对于畸变信号的正确测量能力。
② 正确测量输入信号的峰值因数,为评估输入信号的质量提供定量依据(电源行业等)。
③ 稳定测量高度失真的波形,如家用电器,防止频繁切换量程。
4、环境温度的影响
影响功率分析仪精度的另一个因素是温度。
(1)功率分析仪保证精度的温度范围为23°C ±5°C,即在18°C ~ 28°C温度范围内都可以保证精度。
(2)如果只有23°C ±2°C,即21°C ~ 25°C,测试现场的环境温度很难保证,会增加很大的不确定性。
(3)超出保证精度的温度范围,要在精度上增加相应的温度系数。
(4)如果在23°C±2°C时,精度为:±(读数的0.01%+量程的0.02%)。
(5)那么在23°C±5°C时,补偿了温度系数之后的精度为:±(读数的0.04%+量程的0.02%)。
5、预热对测量的影响
对于高精度功率测量来说,预热是非常重要的步骤。
(1)开机后,测量之前,一般需要预热30分钟以上。
(2)预热之后,仪器内部温度达到稳定状态,元器件也进入稳定工作状态。
(3)预热之后需进行调零校准操作。
6、调零校准的必要性
(1)去除输入通道零漂和传感器偏移量是高精度测量的必要步骤。
① 当预热之后,或者长时间测量之后环境温度发生变化,会产生一定的零漂。
② 外部传感器的零点偏移量需要尽量去除。
(2)对于功率分析仪:
① 输入通道的校准(Cal)与是否接线无关,可以在测量过程中进行。
② 动态测试时,建议打开自动量程,减小量程误差,在量程切换时可自动调零。
③ 积分过程中可设定自定校准。
④ 对于电流传感器、扭矩转速传感器信号,在开始测量之前打开NULL功能,可以去除传感器的直流零漂。
7、带宽对测量的影响
带宽是示波器的主要指标,是所谓的-3dB点,即:在输入端输入正弦波信号,如果采集到的幅值衰减到原始信号的70.7%(-3dB),那么这个正弦波的频率点就是示波器的带宽。
功率计产品对幅值精度的要求远远高于示波器产品,必须有足够的带宽保证有效信号不被衰减。
8、采样率对测量的影响
高采样率能够保证高频成分被尽可能完整地采集。对于类似SiC变频器这样的高频输出电压信号,必须要足够高的采样率才能计算出准确的电压有效值。
9、滤波器的作用
滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定的频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分。利用滤波器的选频特性,可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。例如:去除电源中的高频噪声。
截止频率(Cutoff Frequency): 指低通滤波器的通带右边频点,及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。
10、功率分析仪中滤波器的种类
(1)线路滤波器
线路滤波器属于低通滤波器,会去除信号的高频成分(高频谐波成分),仅测量低频成分,会导致电压RMS,电流RMS等测量值发生变化,谨慎使用。
(2)频率滤波器
频率滤波器又可称作零交叉滤波器,用于去除进入频率测量电路输入信号的高频分量,对测量的电压/电流波形没有直接影响,但对周期检测有影响。
11、滤波器对测量的影响
(1)功率分析仪一般可以同时进行常规测量和谐波测量。
① 常规测量:一般功率参数,包括电压、电流、功率等参数的有效值、平均值等。
② 谐波测量:对输入的电压电流信号进行傅里叶变换,获得基波和谐波等相关参数。
(2)常规测量和谐波测量对于滤波器的截止频率设定有不同的要求。
① 常规测量:要求滤波器的截止频率不能设置过低。
② 谐波测量:需要设置较低的截止频率,防止混淆现象发生。
(3)WT5000有两种类型的数字线路滤波器,用户可以单独设置截止频率。
(4)较高的截止频率设置用于常规测量,较低的频率设置用于谐波测量。
12、传感器的选择
(1)电流传感器:功率分析仪能保证功率精度达到“ 读数的0.05% + 量程的0.05%",且直接测量5A以内的电流,当电流大于5A,应选择AC/DC电流传感器CT系列,通过使用专用连接线和分流器, 功率分析仪可以测量大电流,通过这种方式连接传感器, 可以提高信噪比和抗干扰度。当被测电流为高频脉冲信号,可以选用刚性罗氏线圈。
(2)电压传感器:由于功率分析仪的设计理念及构造要求,国内外功率分析仪供应厂家的电压输入均限制到了1500V。这对于一些电机应用、变频器应用、逆变器应用、储能领域会出现超过1500V的现象造成了巨大的困扰。之前部分公司提出了采用分压电阻的方式,但这种方案无法做到高频、高压下的高精度测试。宽频高压分压器是用于解决高压分压问题的设备,可以实现3.5KV、7KV、10KV及14KV的电压分压。同时依照功率分析仪的设计,分压器设备每一个型号均可配置不同的一个,两个或三个通道版本,以匹配特定的测量任务。