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實用技巧 | 采用QuantumX和catman精確計算電功率

2022-03-23 17:09:58·  來源：HBM 測試與測量  
　
采用QuantumX和catman軟件精確計算電功率在很多應(yīng)用中，獲取電信號然后計算功率并分析時域和頻域信號是一個非常重要的課題。
采用QuantumX和catman軟件精確計算電功率
在很多應(yīng)用中，獲取電信號然后計算功率并分析時域和頻域信號是一個非常重要的課題。本文提供了如何采用HBM QuantumX MX403B測量模塊和catman軟件執(zhí)行必要的步驟完成這些任務(wù)的一些實用技巧。
電動執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，例如電梯，自動扶梯或汽車部件。執(zhí)行器 (例如制動器或閥門) 正在迅速替代液壓系統(tǒng)來計算電功率。因此，獲取電信號，例如電壓和電流等物理量變得日益重要。
QuantumX MX403B 4通道測量模塊專門用于電壓的高精度采集，能夠在高電勢下測量非常小的差分電壓。
提示：危險電壓測量只可以由經(jīng)過培訓(xùn)的人員完成。IEC 61010定義的測量類別在幫助您選擇正確的測量設(shè)備方面起著重要作用。請參考MX403B操作手冊安全說明。
QuantumX MX403B
QuantumX MX403B模塊帶有四個隔離差分測量通道，可以涵蓋從0到1000V的廣泛應(yīng)用。在高電壓和高電勢下進(jìn)行非常小的差分電壓采集。每個通道都配有模擬抗混疊濾波器，24-bit AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波器，并且每個都可以單獨設(shè)定。
QuantumX模塊可緊靠測量點分布和連接 (光纖以太網(wǎng)或火線)， 確保測量點和PC間的極高可靠性。
模塊的采樣率高達(dá)100 kS/s每通道，帶寬高達(dá)40 kHz，可無縫地集成到現(xiàn)存的QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。QuantumX測量放大器可以進(jìn)行機(jī)械量，電氣量以及熱信號的采集，完全同步。通過信號計算，建立完整的解決方案，是您研發(fā)的寶貴工具。
電壓測量
當(dāng)然，在測量電壓時，必須知道在哪個電位/參考點 下進(jìn)行測量。MX403B模塊可測量儲能裝置的直流電壓，或是符合II類和III類測量類別的要求的單相或三相交流電壓。在三相系統(tǒng)中，我們可以對3線和4線三相電流系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分，這取決于是否存在中性點。
三相電流系統(tǒng)通常采用星形或Y形方式。三個繞組（L1、L2、L3）連接到電機(jī)的一個公共點。這個“共同星點”被引入接線盒，用于在啟動電機(jī)時從星形切換到三角形狀態(tài)。
隨著逆變器的日益普及，這一點正在迅速改變。對于三相系統(tǒng)來說，由于電流是在每個相位單獨測量的，因此需要乘以每相的電壓。只有在極少數(shù)情況下才可以直接分接相電壓。因此，需要使用以下方法：
- 通過三角電壓U12, U23, U31計算星形電壓U1N, U2N, U3N。這是不準(zhǔn)確的，但它在實際中有很多應(yīng)用
- 通過R或RC網(wǎng)絡(luò)（虛擬星形）在電機(jī)外部生成參考點。這更準(zhǔn)確，更適合于負(fù)載平衡。假設(shè)電機(jī)在設(shè)計和性能方面都是完美平衡的，那么一個單一的功率通道就足夠了。但這需要具體分析。

在電機(jī)設(shè)計時，應(yīng)特別考慮平衡負(fù)載，即中性點不載流。如果星形沒有引出（即沒有中性線，因此是三線電路），可以配置“外部虛擬星”。HBM提供的G068-2適配器由三個RC網(wǎng)絡(luò)組成，可用于此目的。
四線制系統(tǒng)中的電壓和電流（星形連接，中性點）
3線制（星形連接）中的電壓和電流
電流測量
電流可以采用不同原理進(jìn)行測量。零磁通變換器、分流或霍爾傳感器可對小電流進(jìn)行精確，相位同步測量，電流探頭適用于單相和三相系統(tǒng)電流測量。電流鉗可對交流信號（通常也包括直流）進(jìn)行電隔離測量，而無需打開載流線路。電流鉗相對便宜，通常用于較低精度的應(yīng)用中。不同設(shè)計的電流探頭可用于不同的用途（感應(yīng)、霍爾效應(yīng)）。
感應(yīng)測量原理會導(dǎo)致電流互感器中實際電流和輸出電壓之間的相位延遲，需要在計算功率之前進(jìn)行補(bǔ)償，相應(yīng)地延遲測量電壓。對于某些電流鉗，相位角誤差會隨頻率變化并影響功率計算！根據(jù)測量范圍的不同，參考條件下誤差可能會達(dá)到3到10°。請注意：在大多數(shù)情況下，通常將理想正弦電壓、45…60 Hz、23°C環(huán)境溫度和50%相對濕度作為參考基準(zhǔn)。與該基準(zhǔn)的每一個偏差都會影響電流測量的精度，從而影響功率計算的精度。因此，選擇合適的電流鉗位至關(guān)重要。
因此需要對相移進(jìn)行補(bǔ)償，以便正確地執(zhí)行功率計算。最簡單方法是相應(yīng)地延遲測量電壓。下面將更詳細(xì)地描述此過程。
HBM catman 軟件
HBM catman軟件可按照以下步驟進(jìn)行測量采集：
- 通道設(shè)定 (傳感器通道設(shè)置存儲，例如電流探頭)
- 采用電流探頭時，可選相位補(bǔ)償
- 有效、視在和無功功率以及其他參數(shù)計算
- 原始數(shù)據(jù)和計算值可視化并單獨顯示
- 以所需的格式存儲數(shù)據(jù)
- 測量的同時進(jìn)行分析
- 后處理分析和報告

除了測量采集，catman軟件還提供集成的數(shù)學(xué)函數(shù)庫。數(shù)學(xué)運算功能包括 簡單的代數(shù)運算、統(tǒng)計、頻譜分析以及功率和效率計算。軟件還可以計算輸入量的均方根值 (RMS)。
一步步進(jìn)行測量, 在線計算和分析
傳感器數(shù)據(jù)庫能夠幫助您快速設(shè)定測量通道。如何無法在傳感器數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)正確的信號描述，可查詢相關(guān)技術(shù)參數(shù)表。采用傳感器技術(shù)參數(shù)表更容易進(jìn)行通道設(shè)置，并在任何時候進(jìn)行調(diào)用。
信號的相位同步分析
QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所有通道都是同步采集的。其可以將所有通用傳感器信號，例如電壓、電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、加速度、振動、噪聲和總線信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。分流通常用于測量交直流電流，其結(jié)構(gòu)是純電阻性的，因此，分流沒有相位延遲。
電流和電壓之間相位延遲
由于采用感應(yīng)式測量原理的電流探頭會產(chǎn)生相位延遲。這意味著轉(zhuǎn)換器輸出信號相位相對于電流相位是延遲的。如果轉(zhuǎn)換器的相位延遲不知道，可以通過電阻損耗器來測定，并采用catman EASY軟件校正。測量電壓的相應(yīng)延遲。例如, 電流探頭可以采用橡膠頭 - (BNC) 適配器連接到QuantumX MX403B測量放大器中。
電流探頭可以通過BNC-SubHD適配器連接到MX840A通用放大器上并記錄以下物理量: 扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、加速度、振動和CAN bus信號。下面是相位校正 的例子: Computing channels > Filter > Phase correction function。
在線功率計算
功率計算只考慮低頻諧波信號（<100Hz）。該方法不涉及任何復(fù)雜的積分算法，只需采用通用標(biāo)準(zhǔn)公式。在catman Easy中，功率計算采用了基于窗口的計算過程。功率計算的精度依賴于信號的基礎(chǔ)頻率和所選窗口的寬度。即使在靜態(tài)系統(tǒng)中，功率計算會產(chǎn)生輕微的殘余紋波。例如：50Hz基波振蕩 -> 每周期20ms -> 100ms窗口 -> 平均5周期。
在catman EASY中計算包括時間窗口的均方根值（RMS）和均值 (MEAN) 。在QuantumX MX403B放大器模塊中，這兩個值的n值平均處理無法直接產(chǎn)生 (這需要n值緩存，最大的時間窗口將受到限制!) 而通過以下方法可以直接計算，不需要緩存處理。公式如下:
- RMS (n) = sqrt((1-a)*measured value(n)*measured value(n) + a * RMS(n-1))
- MEAN (n) = (1-a)*measured value(n) + a * MEAN(n-1))
- a = exp(-1/(采樣率 * 時間窗口))

過程更加快速, 無需緩存, 因此可以實現(xiàn)任意時間窗口的計算。并且結(jié)果同QuantumX MX410B或QuantumX MX403B放大器在線計算的值一致。RMS和MEAN可以進(jìn)行濾波，平滑處理。其他計算通道可按照以下方法計算:
- REALPOWER = MEAN(U * I)
- APPARENTPOWER = RMS(U) * RMS(I)
- REACTIVEPOWER = sqrt(APPARENTPOWER*APPARENTPOWER – REALPOWER*REALPOWER)
- POWERFACTOR = REALPOWER/APPARENTPOWER
- PHI = acos(POWERFACTOR) * 57.29 to go from rad to °

功率計算過程
接下來, 你可以采用獲得的量進(jìn)行測量。在該示例中，測量對象是一個60瓦的燈絲燈泡。圖形可以導(dǎo)出到帶有文本標(biāo)記Microsoft Word文件生成測量報告。
作為對比，另一張圖顯示了感應(yīng)負(fù)載的測量值。在這個案例中，測量對象是一個50瓦的烙鐵。
測量數(shù)據(jù)分析
隨后，執(zhí)行的是頻率范圍的信號分析。這種類型的信號分析基于快速傅立葉變換 (FFT)。這有利于時間信號到頻率范圍的轉(zhuǎn)換。采用catmanEasy測量軟件，您可以對一個或多個信號的頻率分布進(jìn)行可視化和分析。用于振幅譜計算的測量值數(shù)量是必須的參數(shù)。
后處理模式下，頻率分析采用FFT來計算頻譜 (振幅，相位或功率譜)。在動態(tài)測試上，多振幅譜顯示非常重要。瀑布圖可以在三個維度顯示振幅譜，并可以在所有方向上自由旋轉(zhuǎn)。激活"Generate Frequency Data Set"即可導(dǎo)出頻率通道。
您還可以通過如下方式聯(lián)系我們，了解更多產(chǎn)品與應(yīng)用詳情：
郵箱：hbmchina@hbm.com.cn
網(wǎng)址：www.hbm.com
免費熱線電話：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）


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