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可動鐵之間相互作用的電磁力所確定的偏轉角度而確定。讀數誤差由動鐵的磁飽和以及諧波對線圈內電感的影響引起。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是π／(2 )=1．11。因此在測量非正弦電流的波形時．應該注意波形系數。典型的儀表精度是1.0級。

　　3) 熱電式儀表
 
　　溫升與測量電流產生的熱量成正比，這個溫升被熱電偶轉換為直流電動力，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，其指針偏轉角度等于兩個線圈間的力，也就是它的驅動轉矩(Im×IF×dT／dθ）電流IF是與負載串聯的固定線圈內的電流；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

　　輸入信號經高速A/D采樣，經過數字運算，將數據存儲于緩沖存儲器內，結果顯示在屏幕上。可測量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等，以及進行諧波分析，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，經三相橋路不可控整流成直流電壓信號，經濾波電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流信號。在整流回路中接有大電容，輸入電流的波形為不規則的矩形波，波形可進行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、輸出都不是標準的正弦波，有較多的高次諧波含量。因此，在測量儀器的選擇上，與傳統的測量就有所不同。

　　一些傳統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等產品。這類產品，不僅可以測量出基本的電參數，并且針對變頻器做了一些特殊設計，比如測量模塊比較多，可以同時測量輸入、輸出參數，進行諧波分析，測量真功率因數，而且帶寬比較寬，可以從DC到1MHz，精度也很高，一般可以達到0.15級或0.02級。顯示也很方便，可以顯示數值、波形、諧波柱狀圖、三相矢量圖等。同時，也可以測量變頻器驅動的電機的機械輸出，如電機轉速、扭矩等，這樣可以更方便的測量變頻器的驅動能力及驅動效果?？梢哉f，一臺WT系列的諧波分析儀可以替代一堆傳統儀表，提高了測量的準確度、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、驅動的電機的機械輸出（轉速、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），把被測電流轉變成儀器的測量量程內。

　　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，同時有電機測試模塊，可以測量電機的轉速、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，還可以測量電機的扭矩、轉速、滑差、機械輸出功率、電機效率等，以及變頻器系統的總效率。

　   　圖5－2 WT1600諧波分析儀背面圖

　　1） 輸入側的測量

　　變頻器輸入電源是50Hz交流電源，其測量基本與標準的交流工業電源的測量相同，但是由于變頻器的輸入側是整流電路，電流的波形一般不是標準的正弦波。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、功率因數等數據。但是，由于輸入端生產設計引起不平衡的，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果的準確性。

　　傳統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，按傳統公式計算會產生較大誤差。

　　橫河（YOKOGAWA）的WT系列的諧波分析儀，使用數字采樣方法。該法對指定的有效采樣周期內獲取的瞬時波形數據的總和進行平均。總和由樣本數N平均，得出一個功率值（如圖5－4）。

　　                      圖5－4 電壓、電流、功率采樣結果

　　計算公式為：

　　　　?。?－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

　　相應的，標準正弦波的功率因數PF＝cosφ。對于變頻器來說，PF＝P/S。
　　
　　對于三相系統來說，功率因數的計算公式為：

　　　　　                                                    （5－3）

　　式中：
　　ΣPF：三相功率因數
　　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：

　　　　?。?－4）

　　式中：
　　ΣPF：三相功率因數
　　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行分析，然后對系統進行綜合分析判斷。

　　電壓總的畸變率Uthd：

　　　　?。?－5）

　　式中：
　　U（1）：基波電壓
　　U（k）：k次諧波電壓
　　Max：最大諧波次數

　　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

　　作為對低壓配電線的高次諧波的管理指導值，電壓的總畸變率應在5％以下。所以當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，而電動機轉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。日本電機學會(JEMA)規定：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動電機的輸出轉矩。

　　圖5－5 變頻器輸出波形

　　平均整流值的計算公式為：

　　　　?。?－7）

　　校正后的平均整流值值的計算公式為：

　　　　?。?－8）

　　校正后的值指的是當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、整流平均值等數值，用戶可以根據需要進行方便的選擇。

　　輸出電流、輸出功率、功率因數等的測量方法，與上面說的輸入側基本相同，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還可以測量電機的機械輸出，可測量電機的速度和扭矩傳感器的輸出，然后計算扭矩、旋轉速度、機械功率、同步速度、滑差等，實現在一臺儀器上測量電機效率與總效率。

　　六、結束語

　　隨著變頻技術的發展，對測量也提出了更高的要求。而測量儀表廠家，也根據變頻器的發展和需求而進行進一步的儀器開發，不斷推出新產品，以滿足測試的新需求。比如目前變頻技術的日益復雜化，一些非標準的正弦調制的PWM波形出現，經常發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，改進了設計，使其可以同時測量常規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行數據對比。

　　總之，產品與測量手段是相輔相成、互相促進的，二者都會隨著技術的發展而推陳出新。

　　參考文獻

　　1． 趙相賓 郭保良  《低壓變頻器的參數額定值和試驗要求》

　　2． 張燕賓   《SPWM變頻調速應用技術》中國電力出版社 2001