五、變頻器的測量與儀器
1、 測量儀器儀表簡介
目前常見的測量儀表很多，這里僅介紹幾種常見的儀表。
1) 動鐵式儀表
這種儀表測量的是有效值，它的值由固定線圈磁場與其內(nèi)可動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)誤差由動鐵的磁飽和以及諧波對線圈內(nèi)電感的影響引起。儀表精度一般是0.5級。
2) 整流式儀表
交流電流經(jīng)整流然后作用于動圈式直流表，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。市場上可買到的該種儀表基本是用于測量正弦電流的。而正弦電流的波形系數(shù)是π／(2 )=1．11。因此在測量非正弦電流的波形時．應(yīng)該注意波形系數(shù)。典型的儀表精度是1.0級。
3) 熱電式儀表
溫升與測量電流產(chǎn)生的熱量成正比，這個溫升被熱電偶轉(zhuǎn)換為直流電動力，其電流有效值由直流毫伏表指示。
4) 電動式儀表
電流指示值具有均勻的刻度，其指針偏轉(zhuǎn)角度等于兩個線圈間的力，也就是它的驅(qū)動轉(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正比于動圈中的電壓)。典型精度為0.5級。
5) 諧波分析儀
輸入信號經(jīng)高速A/D采樣，經(jīng)過數(shù)字運算，將數(shù)據(jù)存儲于緩沖存儲器內(nèi)，結(jié)果顯示在屏幕上。可測量電壓、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。
目前最常用的變頻器主電路一般為交—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，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。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, 輸出電壓信號是受PWM 載波信號調(diào)制的脈沖波形，輸出回路電壓信號也可分解為只含正弦波的基波和其它各次諧波。其他類型的變頻器也類似，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，在測量儀器的選擇上，與傳統(tǒng)的測量就有所不同。
一些傳統(tǒng)的儀表一般不適合變頻器的測量。目前特別適于變頻器測量的儀器是諧波分析儀，主要型號有日本橫河（YOKOGAWA）的WT系列諧波分析儀，如WT1600、WT3000等產(chǎn)品。這類產(chǎn)品，不僅可以測量出基本的電參數(shù)，并且針對變頻器做了一些特殊設(shè)計，比如測量模塊比較多，可以同時測量輸入、輸出參數(shù)，進(jìn)行諧波分析，測量真功率因數(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級或0.02級。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，也可以測量變頻器驅(qū)動的電機(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量變頻器的驅(qū)動能力及驅(qū)動效果?？梢哉f，一臺WT系列的諧波分析儀可以替代一堆傳統(tǒng)儀表，提高了測量的準(zhǔn)確度、方便性，從而大大提高測試的效率。
2、 變頻器測試
對變頻器進(jìn)行測試的電路如圖5－1所示。
圖5－1測試電路圖
此測試電路是一個完整的變頻器測試方案，包括三相電源輸入、三相輸出、驅(qū)動的電機(jī)的機(jī)械輸出（轉(zhuǎn)速、扭矩）等。如果被測的變頻器功率較大，輸入、輸出電流超過了儀器的量程，就需要在電流的測量回路里接入CT（電流互感器），把被測電流轉(zhuǎn)變成儀器的測量量程內(nèi)。
測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個模塊，可以同時輸入6個電壓、6個電流，同時有電機(jī)測試模塊，可以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等。一臺WT1600不僅可以測量變頻器的輸入、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)的測量
變頻器輸入電源是50Hz交流電源，其測量基本與標(biāo)準(zhǔn)的交流工業(yè)電源的測量相同，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選擇時要考慮頻率范圍。
圖5－3輸入電壓、電流波形
輸入功率的測量可以采用2表法（3P3W），即測量兩個電壓線電壓Vab、Vcb和2個電流Ia、Ic，從而計算出輸入有功功率、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。這樣要測量三個線電壓、三相電流，即3V3A法才能夠保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
傳統(tǒng)的有功功率的計算公式為：
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，很難測量出相位角，按傳統(tǒng)公式計算會產(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。該法對指定的有效采樣周期內(nèi)獲取的瞬時波形數(shù)據(jù)的總和進(jìn)行平均。總和由樣本數(shù)N平均，得出一個功率值（如圖5－4）。
圖5－4 電壓、電流、功率采樣結(jié)果
計算公式為：
（5－2）
式中：
u(t)：時刻“t”的電壓瞬時值
i(t)：時刻“t”的電流瞬時值
Δt：采樣時間間隔
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。對于變頻器來說，PF＝P/S。
對于三相系統(tǒng)來說，功率因數(shù)的計算公式為：
（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，對于不同的測量方式，ΣΡ和ΣS的計算公式是不一樣的。對于不平衡電路來說，我們一般采用3V3A法測量，因此計算公式如下：
（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
采用諧波分析儀對各次諧波進(jìn)行分析，然后對系統(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：
（5－6）
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，請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)的測量
變頻器的輸出波形見圖5－5，是頻率可變的信號，含有較多的高次諧波，而電動機(jī)轉(zhuǎn)矩主要依賴于基波電壓有效值。因此，需要測量的電壓值，或者說一般變頻器的額定電壓值是基波有效值。對PWM類型的變頻器來說，PWM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(JEMA)規(guī)定：使用平均整流方法來計算有效值，因為該值更合適地反映了驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
圖5－5 變頻器輸出波形
平均整流值的計算公式為：
（5－7）
校正后的平均整流值值的計算公式為：
（5－8）
校正后的值指的是當(dāng)測量對象是正弦波時，校正值等于有效值。橫河公司的WT1600等WT系列諧波分析儀，可以同時測量有效值、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：
（5－9）
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還可以測量電機(jī)的機(jī)械輸出，可測量電機(jī)的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計算扭矩、旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械功率、同步速度、滑差等，實現(xiàn)在一臺儀器上測量電機(jī)效率與總效率。
六、結(jié)束語
隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，對測量也提出了更高的要求。而測量儀表廠家，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，以滿足測試的新需求。比如目前變頻技術(shù)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，針對這種情況，橫河公司推出WT系列的最新型號WT3000，在不改變測量模式的情況下，改進(jìn)了設(shè)計，使其可以同時測量常規(guī)項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)對比。
總之，產(chǎn)品與測量手段是相輔相成、互相促進(jìn)的，二者都會隨著技術(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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