选择电机测量、分析仪器
测量复杂和扭曲的波形需要设备和技术的正确组合。
对电机和变频驱动(VFD)系统进行精确的电气和机械功率测量，特别是计算能源效率，可以通过三个简单步骤完成。
在这个由三部分组成的系列的第一部分，我们检查了基本的电机功率测量和分析。在这第二部分中，我们将研究在各种电机和变频驱动(VFD)系统上进行精密电气和机械功率测量的三步过程。我们还将展示如何使用这些测量来计算电机和驱动系统的能源效率。所有这一切都必须发生在波形复杂和扭曲的环境中，因此为各种应用选择仪器尤为关键。
选择工具
不同的协会已经制定了测试标准，定义了符合他们标准所需的仪器精度:IEEE 112 2004, NVLAP 160和CSA C390。这三个标准都包括测量输入功率、电压和电流、扭矩传感器、电机速度等的标准(见表1)。电流互感器(ct)和电位互感器(PTs)是用于进行这些测量的一些主要仪器设备。
除了少数例外，相应的标准非常相似。IEEE 112 2004和NVLAP 150标准的允许仪表误差是相同的。然而，CSA C390 2006在温度和读数方面有一些差异。
例如，CSA C390 2006的输入功率要求是读数的±0.5%，必须包括CT和PT误差，而IEEE 112 2004和NVLAP 150的输入功率要求都只要求满量程(FS)的±0.5%。
电流传感器
电流传感器通常用于测试，因为大电流不能直接带入测量设备。有各种各样的传感器可用于匹配特定的应用。夹式传感器可与功率分析仪一起使用。也可以使用瞄准镜探头，但必须谨慎使用，以确保仪器不会暴露在大电流中。
对于ct，馈线可以通过窗口连接(ct通常是甜甜圈形或椭圆形，孔或内部部分称为窗口)，或者可以将低电流连接到设备顶部的端子上。分流器通常用于直流应用，但不用于交流或失真频率，尽管它们可以用于高达几百Hz的同步电机。专门的ct可用于高频率，在照明应用中比在电机和驱动器中更常见。
一种新型的CT系统，可以提供从直流到kHz范围的高精度。它的特点是使用电源调节单元的有源型变压器。这种类型的CT系统提供高度精确的测量-大约0.02%到0.05%的读数-特别是对于vfd，其频率范围从0 Hz到连接电机的工作速度。
电压互感器只是将电压从一个电平转换到另一个电平。在测量应用中，有时需要降压变压器来降低传递到测量仪器的电压。然而，许多仪器可以适应相对较高的电压，不需要降压变压器。
仪表互感器通常是互感器和电压互感器的组合。在某些测量应用中，仪表互感器可以减少所需传感器的数量。
选择注意事项、注意事项
在决定使用哪种设备时，第一个问题是要测量的参数的频率范围。通常，直流到线频率正弦波可以使用直流分流器，它提供高精度和简单的安装。对于交流和直流应用，霍尔效应或有源型互感器可以使用。霍尔效应技术的准确率较低，而主动型提供了更高的精度。各种仪表变压器可以在30hz或更高的高频下工作，但不能用于直流。
接下来要考虑的是所需的准确性水平。对于仪表互感器，它通常被指定为“匝数比”精度。相移是另一个重要的因素，因为许多变压器只是为电流测量而设计，没有对相移进行补偿。
相移基本上是功率测量中功率因数的影响，因此会对功率计算产生影响。例如，作为其规格的一部分，具有2度最大相移的CT将引入Cos 2度的误差，或0.06%。用户必须决定该错误百分比对于应用程序是否可以接受。
CT是电流源。根据欧姆定律，电压(E)等于通过导体的电流(I)乘以导体的电阻(R)，单位为欧姆。打开CT的次级有效地将电阻驱动到无穷大。这意味着内部电流将饱和线圈，电压将接近无穷大以及，和单位将损坏或将摧毁自己。更糟糕的是，不慎打开二次切口的CT可能会严重伤害工作人员。
| 不要打开CT的二次电路。使用者可能会严重受伤，而CT可能会损坏或销毁。 |
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仪器的兼容性
为了确定仪器的兼容性，必须确定CT的输出电平。钳式和其他类型的CTs通常具有以毫伏/安培、毫安/安培或安培为单位指定的输出。典型的仪器CT输出可以指定从0到5 A。
必须考虑电流互感器的阻抗和负载。这两个因素受到连接CT和仪器的导线数量的影响。这种线路是仪器上的电阻或负担，因此可能影响其测量。
如果使用不当，作用域探测会产生自己的问题。许多示波器探头被设计成与示波器的输入阻抗一起工作。因此，功率分析仪的输入阻抗范围可能是不同的，必须知道并考虑到这一点。
确定仪器兼容性时要考虑的另一个项目是设备的物理要求。尺寸必须考虑CT的类型，例如夹式或甜甜圈型，每种类型在特定情况下都能更好地工作。
例如:三相电机系统
我们现在将检查一个典型的三相，三线电机功率测量使用两瓦特表的方法。布朗德尔定理指出，所需测量元件的数量比载流导体的数量少1。这使得在没有中性点时，使用两个传感器测量三相3线系统中的功率成为可能。然而，当有一个中性点时，使用三个换能器，因为现在有四个导体。
三相电源主要用于商业和工业环境，特别是为电机和驱动器提供动力，因为使用三相电源运行大型设备更经济。为了计算三相功率，每个相的电压乘以每个相的电流，然后再乘以功率因数。这个值乘以根号3(根号3等于1.732)。
功率分析仪用于测量负载电机所消耗的三相功率。图1显示了一个典型的测量连接，显示器显示了所有三个电压，所有三个电流，总功率和功率因数。
图2显示了使用两瓦特计方法完成的三相3线功率测量。所有三个电流和电压以及总VA和VAR被列出。这种配置可以显示各个相位功率读数，但不应直接使用，因为对于这种测量方法，只有总功率是准确的读数。
基本上，当在三线三相系统上使用双瓦特计方法时，不能直接测量单个相位功率，也不能测量任何相位参数，包括相位功率因数。但是，总的相位参数是可以测量的。
对于三相三线三角连接电机，可以测量线对线电压和单个相电流。因为没有中性点，所以不可能测量相电压。这种情况导致一些读数必须进行解释。
查看图3中的波形显示，可以看到线对线电压Vab, Vbc和Vac。在平衡系统中，仪器所看到的线对线电压为60度。电流是相电流，仪器显示它们相距120度。
另一种表示系统图形化的方法是用相量矢量图(见图4)。图上半部分的三角形用黑色表示线对线电压测量值，红色表示相电压值(但这些都是理论值，因为没有中性点)，蓝色表示相电流。图的下半部分显示了电压和电流之间的相位差。再次注意，线对线电压是60度，而相电流是120度。此外，如果上面的图表代表一个纯电阻性负载，那么蓝色电流将与红色电压同步。然而，对于感性负载，如电机，蓝色电流矢量与电压不相。
此外，对于这种测量方法，在下面的图表中，电流矢量将始终经历一个额外的30度的电压偏移。最重要的是，一个正确配置的功率分析仪将考虑所有这些条件。
如果相位功率和相位功率因数必须在三相三线制系统上精确测量，而不仅仅是近似，那该怎么办?图5显示了一种通过创建所谓的“浮动中性”来测量三相三线电机上的相位参数的技术。
然而，这种技术也有局限性。它将很好地工作在输入到感应电机，同步电机，或类似的电机没有变频器。在VFD系统上使用这种技术时必须谨慎，因为高频失真波形和谐波会导致测量不一致。
此外，浮动中性技术仅适用于具有正弦波类型波形的设备。使用脉宽调制(PWM)驱动器，可以启用500 Hz线路滤波器(低通滤波器)，然后允许显示基频读数，但不显示谐波。
进行3线和4线功率测量
重要的是要认识到，无论用三相3线法还是三相4线法测量功率，读数都是相同的。然而，使用三相4线连接，被测量的电压值是从线路到中性的相位电压。
图6是功率分析仪的截图，显示了PWM驱动器操作电机时的功率和功率因数读数是多么相似，比较了三相3线500 Hz滤波输入和三相4线浮动中性输入。
另一种解决方案是使用先进功率分析仪中的增量测量函数。delta测量函数使用瞬时线对线电压和相电流测量来获得真正的线对中性电压，即使相位不平衡(见图7)。处理器内部的矢量振幅计算使这成为可能。该功能还提供了三线电路上的相位功率测量。delta测量方案还提供了中性电流。
我们的三部分系列的最后一部分将涵盖三相电机的电力测量这一非常重要的主题。
Bill Gatheridge是Yokogawa Test & Measurement电力测量仪器的产品经理，在公司精密电力测量领域拥有20多年的经验。他是ASME PTC19.6电力测量委员会的成员和副主席，用于公用事业发电厂性能测试。
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