淺談變頻器的電氣試驗(yàn)與測試儀表

　　交流變頻調(diào)速是集電力電子、自動(dòng)控制、微電子學(xué)和電機(jī)學(xué)等技術(shù)之精華的一項(xiàng)高新技術(shù)，自問世以來倍受矚目。它以優(yōu)異的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果和廣泛的適用性而被國內(nèi)外公認(rèn)為世界上應(yīng)用最廣、效率最高、最理想的電氣傳動(dòng)方案。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展, 變頻技術(shù)得到了迅速提升, 應(yīng)用日漸廣泛。變頻調(diào)速在調(diào)速范圍、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出轉(zhuǎn)矩、智能控制、節(jié)約電能等方面的優(yōu)異性能，是其它交流調(diào)速方式無法比擬的，特別是在節(jié)約能源及提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備的效率方面, 獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　二、變頻技術(shù)的發(fā)展

　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯露出來。由于換向器的存在，直流電機(jī)的維護(hù)量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們開始轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)。但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)的需要。于是，從20世紀(jì)30年代開始，人們致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，直流調(diào)速一直以其優(yōu)異的性能統(tǒng)治著電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代以后，特別是70年代以來，電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速媲美。目前，交流調(diào)速已進(jìn)入逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代。

　　20世紀(jì)80年代, 脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM —VVV F) 調(diào)速研究引起了人們的高度重視， 并得出諸多優(yōu)化模式, 其中以鞍形波PWM 模式效果最佳。20 世紀(jì)80年代后半期開始, 美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVV F 變頻器已投入市場并廣泛應(yīng)用，但它的靜態(tài)調(diào)速精度較差。

　　之后出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差頻率控制變頻是根據(jù)速度傳感器的檢測, 可以求得轉(zhuǎn)差頻率△f , 再把它與速度設(shè)定值f相疊加,以該疊加值作為逆變器的頻率設(shè)定值f1 , 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差補(bǔ)償。與VVV F 相比, 其高速精度大為提高。但是, 使用速度傳感器求取轉(zhuǎn)差頻率, 要針對(duì)具體電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性調(diào)整控制參數(shù), 因而這種控制方式的通用性較差。

　　矢量控制變頻技術(shù)的做法是: 根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型, 利用坐標(biāo)變換的手段, 將交流電機(jī)的定子電流分解成磁場分量電流和轉(zhuǎn)矩分量電流, 并分別加以控制, 即模仿自然解耦的直流電動(dòng)機(jī)的控制方式，對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩分別進(jìn)行控制, 以獲得類似于直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義，然而在實(shí)際應(yīng)用中, 由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確檢測, 系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大, 且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜,使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。

　　1985年, 德國魯爾大學(xué)的DePenb rock 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足, 并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前,該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制變頻是利用空間電壓矢量PWM 控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)的。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī), 因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制, 也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

　　矩陣式交-交變頻, 省去了中間直流環(huán)節(jié), 從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l, 輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行, 系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟, 但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

　　三、變頻技術(shù)的應(yīng)用

　　變頻技術(shù)主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

　　3.1節(jié)能

　　我國的電動(dòng)機(jī)用電量占全國發(fā)電量的60％～70％，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是：風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門地截流過程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，應(yīng)用變頻器節(jié)電率為20％～50％。與此類似, 許多變動(dòng)負(fù)載電機(jī)一般按最大需求來設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。如采用變頻調(diào)速, 可大大提高輕載運(yùn)行時(shí)的工作效率。因此推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。

　　作為節(jié)能目的, 變頻器廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調(diào)、水處理等行業(yè)中。以電力行業(yè)為例, 由于中國大面積缺電, 電力投資將持續(xù)增長,同時(shí), 國家電改方案對(duì)電廠的成本控制提出了要求, 降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點(diǎn), 因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿? 變頻器的節(jié)能應(yīng)用前景非常廣闊。

　　3.2工藝控制(速度控制)

　　由于變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn), 在許多需要精確速度控制的應(yīng)用中, 變頻器正在發(fā)揮著提高工藝質(zhì)量和生產(chǎn)效率的顯著作用。以紡織行業(yè)為例, 中國具有世界最大的紡織產(chǎn)品生產(chǎn)能力, 市場范圍遍及全球, 產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大。紡織與化纖行業(yè)也是變頻器應(yīng)用最多的行業(yè)。在最常見的化纖機(jī)械設(shè)備中, 選用變頻器的設(shè)備有螺桿擠出機(jī)、紡絲機(jī)和后加工機(jī)等。選用變頻器較多的棉紡設(shè)備主要有細(xì)紗機(jī)、粗紗機(jī)、精梳機(jī)等。這些設(shè)備都要求精確速度控制、多單元同步傳動(dòng)或比例同步(牽伸) 傳動(dòng)等。應(yīng)用變頻器可以提高工藝要求、提升產(chǎn)品質(zhì)量, 同時(shí)減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度, 提高生產(chǎn)效率?？梢哉f, 變頻器是紡織行業(yè)增強(qiáng)國際競爭能力的重要裝備。

　　此外, 在食品、飲料、包裝、造紙、機(jī)床、電梯等行業(yè), 國內(nèi)的企業(yè)需要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模, 提高生產(chǎn)技術(shù), 變頻器的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Χ疾豢尚∮U。

　　3.3軟啟動(dòng)

　　交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流一般為5-7倍額定電流，如果直接啟動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)引起沖擊，影響同一電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。另外巨大的啟動(dòng)電流對(duì)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械設(shè)備也會(huì)造成嚴(yán)重的電磁應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，縮短設(shè)備的使用壽命，因此電力系統(tǒng)希望能夠軟啟動(dòng)（特別是高壓大容量電動(dòng)機(jī)）。某些加工機(jī)械，例如自動(dòng)流水生產(chǎn)線（瓶、罐包裝線，輸送機(jī)等），要求平穩(wěn)啟動(dòng)和停車以免相互碰撞倒歪；水泵為了防止水錘、喘振現(xiàn)象，也希望軟啟動(dòng)和軟停止（最好是“泵控特性”專用的軟啟動(dòng)和軟停止）。

　　變頻器可以調(diào)整通過輸出電壓的頻率，從低頻開始，一直調(diào)到額定頻率，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)/停止，降低啟動(dòng)/停止沖擊。

　　3.4變頻家電

　　在普通家庭中, 節(jié)約電費(fèi)、提高家電性能、保護(hù)環(huán)境等受到越來越多的關(guān)注, 變頻家電成為變頻技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)廣闊市場。它在節(jié)能、減小電壓沖擊、降低噪音、提高控制精度、延長使用壽命等方面有很大的優(yōu)勢。以變頻微波爐為例, 它是以變頻器替代了傳統(tǒng)微波爐內(nèi)的變壓器, 變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉(zhuǎn)換成為20000～ 45000Hz 的高頻率, 通過改變頻率來得到不同的輸出功率, 解決了傳統(tǒng)微波爐加熱不均勻的弊端, 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調(diào)控。除此之外, 與傳統(tǒng)微波爐相比, 變頻微波爐還具有機(jī)身輕巧、噪音小、烹飪速度快、節(jié)電等特點(diǎn)。

　　目前, 中國是世界上最主要的家電供應(yīng)國, 但家電采用變頻器的比例很低, 而在日本, 90% 以上的家電是變頻控制。因此, 變頻家電具有非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/P>

　　四、變頻器的試驗(yàn)要求

　　近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)在我國有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，我國的變頻器產(chǎn)業(yè)從無到有不斷壯大，發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有大大小小的變頻器生產(chǎn)廠70多家，年銷售額在7億元左右，但這只占全國變頻器市場容量的一小部分，80%~90%的國內(nèi)市場被各種國外變頻器所占領(lǐng)?；仡櫸覈冾l器的發(fā)展歷程，結(jié)合我國國情開發(fā)出性能優(yōu)越、適銷對(duì)路的產(chǎn)品，逐步擴(kuò)大市場份額，是國人的期盼。而市場經(jīng)濟(jì)是依靠法規(guī)形式來規(guī)范、協(xié)調(diào)市場行為的，標(biāo)準(zhǔn)也將作為法律、法規(guī)的技術(shù)支撐來參與規(guī)范和調(diào)控市場。只有及時(shí)地了解先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展水平，制定符合我國國情的標(biāo)準(zhǔn)，提高企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)行業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

　　全國電力電子學(xué)調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)半導(dǎo)體電力變流器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)是在國內(nèi)外電氣傳動(dòng)調(diào)速產(chǎn)品迅速發(fā)展的形勢下于2000年成立的，秘書處掛靠在天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，負(fù)責(zé)國家電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)工作的組織及歸口，涉及的產(chǎn)品主要是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)工業(yè)交直流電氣傳動(dòng)設(shè)備。目前已制訂了6項(xiàng)電氣傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T3886.1-2002、JB/T10251-2001、GB/T12668.1-2003、GB/T12668.2-2003、GB/12668.3-2004、GB/T12668.4。此外，GB/12668.5、GB/12668.6正在進(jìn)行最后階段的審批。

　　變頻器的試驗(yàn)類型包括型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、抽樣試驗(yàn)、選擇試驗(yàn)、車間試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)、目擊試驗(yàn)。

1） 型式試驗(yàn)：對(duì)按照某一設(shè)計(jì)制造的一個(gè)或數(shù)個(gè)部件進(jìn)行的試驗(yàn)，用于說明該設(shè)計(jì)滿足特定的技術(shù)要求。
2 ） 出廠試驗(yàn)：在制造期間或制造之后對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行的試驗(yàn)，用于確定其是否符合某一準(zhǔn)則。
3） 抽樣試驗(yàn)：在一批產(chǎn)品中隨機(jī)抽取的一些部件上進(jìn)行的試驗(yàn)。
4） 選擇試驗(yàn)：除型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)之外，按照制造廠之意，或經(jīng)過制造廠和用戶或其代理人協(xié)商而進(jìn)行的試驗(yàn)。
5） 車間試驗(yàn)：為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，在制造廠的實(shí)驗(yàn)室里對(duì)部件或設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)。
6） 驗(yàn)收試驗(yàn)：合同上規(guī)定的、用以向用戶證明該部件滿足其技術(shù)規(guī)格中某些條件的試驗(yàn)。
7） 現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)：在現(xiàn)場對(duì)部件或設(shè)備進(jìn)行的試驗(yàn)，用于驗(yàn)證安裝和運(yùn)行的正確性。
8） 目擊試驗(yàn)：在客戶、用戶或其代理人在場的情況下進(jìn)行的上述任何一種試驗(yàn)。

變頻器標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目見表4-1：

　　表4－1

　　其中電氣試驗(yàn)方面主要的是測量變頻器的輸入、輸出值，主要包括以下幾個(gè)值：

　　1）輸入值
──額定輸入電壓；
──額定輸入電流；
──輸入頻率；
──額定容量；
──有功功率；
──功率因數(shù)；
──相數(shù)；
──輸入各次諧波；
──輸入總失真度。

　　2）輸出值
──最大額定輸出電壓；
──額定連續(xù)電流；
──額定功率；
──頻率范圍；
──過載能力（過載能力適用于額定的轉(zhuǎn)速范圍）；
──輸出各次諧波；
──輸出總失真度；
──相數(shù)；
──輸出相序。

　　3）效率

　　在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)，各個(gè)頻率下的效率。[next]

　　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(dòng)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(dòng)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(dòng)鐵的磁飽和以及諧波對(duì)線圈內(nèi)電感的影響引起。儀表精度一般是0.5級(jí)。

　　2)整流式儀表

　　交流電流經(jīng)整流然后作用于動(dòng)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(shí)．應(yīng)該注意波形系數(shù)。典型的儀表精度是1.0級(jí)。

　　3)熱電式儀表

　　溫升與測量電流產(chǎn)生的熱量成正比，這個(gè)溫升被熱電偶轉(zhuǎn)換為直流電動(dòng)力，其電流有效值由直流毫伏表指示。

　　4)電動(dòng)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(gè)線圈間的力，也就是它的驅(qū)動(dòng)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(dòng)圈中的電壓)。典型精度為0.5級(jí)。

　　5)諧波分析儀

　　輸入信號(hào)經(jīng)高速A/D采樣，經(jīng)過數(shù)字運(yùn)算，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于緩沖存儲(chǔ)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(hào)，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(hào)。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(hào)是受PWM 載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，輸出回路電壓信號(hào)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(hào)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(duì)變頻器做了一些特殊設(shè)計(jì)，比如測量模塊比較多，可以同時(shí)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(jí)或0.02級(jí)。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(shí)，也可以測量變頻器驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力及驅(qū)動(dòng)效果?？梢哉f，一臺(tái)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(duì)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(gè)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(dòng)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(gè)模塊，可以同時(shí)輸入6個(gè)電壓、6個(gè)電流，同時(shí)有電機(jī)測試模塊，可以測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等。一臺(tái)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(shí)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(gè)電壓線電壓Vab、Vcb和2個(gè)電流Ia、Ic，從而計(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)算會(huì)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(duì)指定的有效采樣周期內(nèi)獲取的瞬時(shí)波形數(shù)據(jù)的總和進(jìn)行平均?？偤陀蓸颖緮?shù)N平均，得出一個(gè)功率值（如圖5－4）。

　　圖5－4 電壓、電流、功率采樣結(jié)果

　　計(jì)算公式為：

　　（5－2）

式中：
u(t)：時(shí)刻“t”的電壓瞬時(shí)值
i(t)：時(shí)刻“t”的電流瞬時(shí)值
Δt：采樣時(shí)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(duì)于變頻器來說，PF＝P/S。

　　對(duì)于三相系統(tǒng)來說，功率因數(shù)的計(jì)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(duì)于不同的測量方式，ΣΡ和ΣS的計(jì)算公式是不一樣的。對(duì)于不平衡電路來說，我們一般采用3V3A法測量，因此計(jì)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(duì)各次諧波進(jìn)行分析，然后對(duì)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(duì)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(shí)，請(qǐng)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(hào)，含有較多的高次諧波，而電動(dòng)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(duì)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(huì)(JEMA)規(guī)定：使用平均整流方法來計(jì)算有效值，因?yàn)樵撝蹈线m地反映了驅(qū)動(dòng)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(jì)算公式為：

　　（5－7）

　　校正后的平均整流值值的計(jì)算公式為：

　　（5－8）

　　校正后的值指的是當(dāng)測量對(duì)象是正弦波時(shí)，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(shí)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(jì)算扭矩、旋轉(zhuǎn)速度、機(jī)械功率、同步速度、滑差等，實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)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(duì)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(duì)這種情況，橫河公司推出WT系列的最新型號(hào)WT3000，在不改變測量模式的情況下，改進(jìn)了設(shè)計(jì)，使其可以同時(shí)測量常規(guī)項(xiàng)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(duì)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(huì)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(yàn)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