功率分析儀選型基礎知識_了解被測電量特征
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- 發布時間:2013/12/5 12:13:57
- 作者:AnyWay中國
一、概述
觀測者、被測對象、測量儀器、測量方法、測量條件等構成了測量五要素。完成一次正確的測量,測量五要素一個都不能少。其中,觀測者據五要素之首,不但是五要素之一,還必須清除另外四個要素對測量結果的影響。
在功率分析儀選型時,選型者本身可能就是今后實施測量的觀測者,不論是還是不是,都必須考慮另外四要素對觀測者的要求。
圖1 功率分析儀選型需考慮觀測者、測量對象、測量儀器、測量方法、測量條件等測量五要素
現在要問的是,您是否知道選購的功率分析儀的測量對象是什么呢?
您可能會認為,這個問題過于簡單,測量對象不就是功率嗎?全面點講,還包括電壓、電流等其它對象,再細分,功率可以分為有功功率、無功功率和視在功率。
如果您真的是這么認為,那么,本文或許對您有幫助,至少,本文會告訴您,這個問題不是這么簡單!
二、測量目的與測量對象
測量的目的是人類認知自然的一種重要方式,沒有測量就沒有科學。JJF1001-2011通用計量術語及定義對測量做出如下定義:
測量(measurement)是通過實驗獲得可合理賦予某量一個或多個量值的過程。
定義中,某量是測量對象,而獲取量值是測量目的。
測量的對象是某個量(包括物理量,化學量和生物量);
測量的目的是獲取可以合理表征被測量的量值;
量值是指量化的數值,量化是測量的重要特征,量值可能是一個,也可能是多個;
量值用于表征被測量的特征,本文稱為特征值。
概括講,測量就是獲取可以合理表征被測對象的一個或多個特征值。
以最簡單的直流電壓為例,理想直流電壓在任意時刻的幅值(瞬時幅值)為一固定的常數,任意時刻的瞬時幅值包含了被測直流電壓的全部信息,瞬時幅值可以作為特征值表征直流電壓。
因此,對于理想直流電壓測量時,我們只需要關心一個特征值,就是直流電壓的幅值。然而,實際的直流電壓不可避免的回包含一定含量的紋波。此時,若仍然采用某一時刻的瞬時電壓作為特征值顯得不夠客觀。因此,通常會采用在一定時間內的瞬時電壓的平均值或有效值作為特征值。
值得注意的是,平均值和有效值是不同的特征值。也就是說,具有一定紋波的同一個直流電壓,其平均值和有效值可能不相等。
因此,選擇功率分析儀測量直流電壓之前,我們需要了解的是:需要測量的是直流電壓的平均值還是有效值?
這個問題與研究對象的特性和測量目的有關,比如:直流電壓施加在電阻兩端,紋波與直流分量一樣會做功,并把電能全部轉變為熱能。此時,測量直流電壓的有效值較合理。又如:直流電壓施加在電機兩端,并且紋波的頻率較高,由于電機為感性負載,對于高頻信號具有很大的阻抗,可以認為,起作用的主要是直流分量,此時,測量直流電壓的平均值較為合理。
直流電壓的有效值和平均值數值不相等,測量方法不同,實際測量時可能還需要不同的儀器(功率分析儀)。
至此,細心的讀者或許會發現,就用于直流電壓測量的功率分析儀而言,其測量對象可以細分為有效值電壓和平均值電壓或其它特征值。
就功率分析儀的被測
電量而言,直流電壓是最簡單的電量,交流電量,不同頻率的交流電量,不同波形的交流電量,需要更多的特征值才能全面描述,不同特征值,測量原理和測量方法也不相同,測量過程遠遠比直流電量復雜。
更加普遍的說法,功率分析儀測量的對象的主要測量對象是電壓、電流和功率,這只是較為籠統的說法,對于較復雜的電量而言,其電壓、電流和功率可能具有多個特征值,而這些特征值,才是真正的、最直接的測量對象。
三、電量的特征值
依據被測電量的工作頻率大體可分為:直流電量、工頻電量(50Hz/60Hz)、中頻電量(400Hz)和
變頻電量。
依據被測電量的波形特征或頻率構成可分為:直流電量、正弦交流電量、非正弦交流電量。
不同電量具有不同的特征值,直流電量的特征最簡單,只需要一個特征值即可表述其全部特征。這個特征值稱為幅值,具體的講,就是電壓多少伏,電流多少安。直流電壓的幅值在工程應用中可細分為有效值和平均值等。
正弦交流電量依據其頻率不同可以分為工頻正弦電量和非工頻正弦電量。
工頻正弦電量是最常見的交流電量,目前國內的發電、變電、配電、輸電、用電均以工頻正弦電量為主。
正弦電量的特征值有三個:幅值、頻率、相位。正弦電量的幅值隨時間變化而變化,為了表述方便,一般用一個變化周期內的有效值表示其幅值。相位是周期變化的,變化范圍固定為0-360°或-180°-180°,只對兩個以上的關聯電量才有意義。因此,更多時候關注的是兩個電量的相位差,比如說,A相電壓與B相電壓的相位差,A相電壓與A相電流的相位差等等。
對于工頻正弦電量而言,頻率為固定參數,只有幅值和相位兩個特征值需要測量。
對于非正弦電量而言,從波形(時域)角度看,很難用有限的特征值完整表述其特征。為此,我們一般需要通過直接觀測其實時波形了解其特征。然而,實時波形也只能給我們直觀的、定性的了解。通過觀測實時波形,可以對信號周期、峰值、峰峰值等特征值進行量化。想要了解非正弦電量的全部定量信息,或者說,對其內在構造進行準確的量化,需要采用頻域分析法。所謂頻域分析法,簡單講,就是看看這個信號是由哪些頻率的標準正弦波構成。法國數學家傅里葉發現,滿足一定條件的周期信號(工程應用中遇到的周期信號一般都可滿足)均可通過傅里葉變換分解為若干不同頻率、幅值、相位的正弦波的線性組合,而所有的這些正弦波,其頻率均為信號頻率(基波頻率)的整數倍。
圖2 WP4000變頻功率分析儀測量的變壓器空載電流波形及諧波頻譜
非正弦電量可以有大量的特征值,然而,并非每一次測量,我們都需要測量所有特征值,而不同特征值測量,對測量儀器的要求也不同。
功率分析儀選型之前,我們除了要了解測量對象是什么之外,還要弄清楚測量對象有哪些特征,而我們要測量哪些特征值,這些特征值才是我們真正的測量對象。