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實(shí)用技巧 | 采用QuantumX和catman精確計(jì)算電功率

2022-03-23 17:09:58·  來(lái)源：HBM 測(cè)試與測(cè)量  
　
采用QuantumX和catman軟件精確計(jì)算電功率在很多應(yīng)用中，獲取電信號(hào)然后計(jì)算功率并分析時(shí)域和頻域信號(hào)是一個(gè)非常重要的課題。
采用QuantumX和catman軟件精確計(jì)算電功率
在很多應(yīng)用中，獲取電信號(hào)然后計(jì)算功率并分析時(shí)域和頻域信號(hào)是一個(gè)非常重要的課題。本文提供了如何采用HBM QuantumX MX403B測(cè)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(shí)用技巧。
電動(dòng)執(zhí)行器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，例如電梯，自動(dòng)扶梯或汽車(chē)部件。執(zhí)行器 (例如制動(dòng)器或閥門(mén)) 正在迅速替代液壓系統(tǒng)來(lái)計(jì)算電功率。因此，獲取電信號(hào)，例如電壓和電流等物理量變得日益重要。
QuantumX MX403B 4通道測(cè)量模塊專門(mén)用于電壓的高精度采集，能夠在高電勢(shì)下測(cè)量非常小的差分電壓。
提示：危險(xiǎn)電壓測(cè)量只可以由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員完成。IEC 61010定義的測(cè)量類別在幫助您選擇正確的測(cè)量設(shè)備方面起著重要作用。請(qǐng)參考MX403B操作手冊(cè)安全說(shuō)明。
QuantumX MX403B
QuantumX MX403B模塊帶有四個(gè)隔離差分測(cè)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(shì)下進(jìn)行非常小的差分電壓采集。每個(gè)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(gè)都可以單獨(dú)設(shè)定。
QuantumX模塊可緊靠測(cè)量點(diǎn)分布和連接 (光纖以太網(wǎng)或火線)， 確保測(cè)量點(diǎn)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(wú)縫地集成到現(xiàn)存的QuantumX數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。QuantumX測(cè)量放大器可以進(jìn)行機(jī)械量，電氣量以及熱信號(hào)的采集，完全同步。通過(guò)信號(hào)計(jì)算，建立完整的解決方案，是您研發(fā)的寶貴工具。
電壓測(cè)量
當(dāng)然，在測(cè)量電壓時(shí)，必須知道在哪個(gè)電位/參考點(diǎn) 下進(jìn)行測(cè)量。MX403B模塊可測(cè)量?jī)?chǔ)能裝置的直流電壓，或是符合II類和III類測(cè)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(duì)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(diǎn)。
三相電流系統(tǒng)通常采用星形或Y形方式。三個(gè)繞組（L1、L2、L3）連接到電機(jī)的一個(gè)公共點(diǎn)。這個(gè)“共同星點(diǎn)”被引入接線盒，用于在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)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(diǎn)正在迅速改變。對(duì)于三相系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于電流是在每個(gè)相位單獨(dú)測(cè)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(guò)三角電壓U12, U23, U31計(jì)算星形電壓U1N, U2N, U3N。這是不準(zhǔn)確的，但它在實(shí)際中有很多應(yīng)用
- 通過(guò)R或RC網(wǎng)絡(luò)（虛擬星形）在電機(jī)外部生成參考點(diǎn)。這更準(zhǔn)確，更適合于負(fù)載平衡。假設(shè)電機(jī)在設(shè)計(jì)和性能方面都是完美平衡的，那么一個(gè)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(jì)時(shí)，應(yīng)特別考慮平衡負(fù)載，即中性點(diǎn)不載流。如果星形沒(méi)有引出（即沒(méi)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(gè)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(diǎn)）
3線制（星形連接）中的電壓和電流
電流測(cè)量
電流可以采用不同原理進(jìn)行測(cè)量。零磁通變換器、分流或霍爾傳感器可對(duì)小電流進(jìn)行精確，相位同步測(cè)量，電流探頭適用于單相和三相系統(tǒng)電流測(cè)量。電流鉗可對(duì)交流信號(hào)（通常也包括直流）進(jìn)行電隔離測(cè)量，而無(wú)需打開(kāi)載流線路。電流鉗相對(duì)便宜，通常用于較低精度的應(yīng)用中。不同設(shè)計(jì)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(cè)量原理會(huì)導(dǎo)致電流互感器中實(shí)際電流和輸出電壓之間的相位延遲，需要在計(jì)算功率之前進(jìn)行補(bǔ)償，相應(yīng)地延遲測(cè)量電壓。對(duì)于某些電流鉗，相位角誤差會(huì)隨頻率變化并影響功率計(jì)算！根據(jù)測(cè)量范圍的不同，參考條件下誤差可能會(huì)達(dá)到3到10°。請(qǐng)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(duì)濕度作為參考基準(zhǔn)。與該基準(zhǔn)的每一個(gè)偏差都會(huì)影響電流測(cè)量的精度，從而影響功率計(jì)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(duì)相移進(jìn)行補(bǔ)償，以便正確地執(zhí)行功率計(jì)算。最簡(jiǎn)單方法是相應(yīng)地延遲測(cè)量電壓。下面將更詳細(xì)地描述此過(guò)程。
HBM catman 軟件
HBM catman軟件可按照以下步驟進(jìn)行測(cè)量采集：
- 通道設(shè)定 (傳感器通道設(shè)置存儲(chǔ)，例如電流探頭)
- 采用電流探頭時(shí)，可選相位補(bǔ)償
- 有效、視在和無(wú)功功率以及其他參數(shù)計(jì)算
- 原始數(shù)據(jù)和計(jì)算值可視化并單獨(dú)顯示
- 以所需的格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
- 測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行分析
- 后處理分析和報(bào)告

除了測(cè)量采集，catman軟件還提供集成的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)。數(shù)學(xué)運(yùn)算功能包括 簡(jiǎn)單的代數(shù)運(yùn)算、統(tǒng)計(jì)、頻譜分析以及功率和效率計(jì)算。軟件還可以計(jì)算輸入量的均方根值 (RMS)。
一步步進(jìn)行測(cè)量, 在線計(jì)算和分析
傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)能夠幫助您快速設(shè)定測(cè)量通道。如何無(wú)法在傳感器數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)正確的信號(hào)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(shí)候進(jìn)行調(diào)用。
信號(hào)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(hào)，例如電壓、電流、扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、加速度、振動(dòng)、噪聲和總線信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。分流通常用于測(cè)量交直流電流，其結(jié)構(gòu)是純電阻性的，因此，分流沒(méi)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(cè)量原理的電流探頭會(huì)產(chǎn)生相位延遲。這意味著轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)相位相對(duì)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(guò)電阻損耗器來(lái)測(cè)定，并采用catman EASY軟件校正。測(cè)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(cè)量放大器中。
電流探頭可以通過(guò)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(dòng)和CAN bus信號(hào)。下面是相位校正 的例子: Computing channels > Filter > Phase correction function。
在線功率計(jì)算
功率計(jì)算只考慮低頻諧波信號(hào)（<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(jì)算采用了基于窗口的計(jì)算過(guò)程。功率計(jì)算的精度依賴于信號(hào)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(jì)算會(huì)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(jì)算包括時(shí)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(gè)值的n值平均處理無(wú)法直接產(chǎn)生 (這需要n值緩存，最大的時(shí)間窗口將受到限制!) 而通過(guò)以下方法可以直接計(jì)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(shí)間窗口))

過(guò)程更加快速, 無(wú)需緩存, 因此可以實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間窗口的計(jì)算。并且結(jié)果同QuantumX MX410B或QuantumX MX403B放大器在線計(jì)算的值一致。RMS和MEAN可以進(jìn)行濾波，平滑處理。其他計(jì)算通道可按照以下方法計(jì)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(jì)算過(guò)程
接下來(lái), 你可以采用獲得的量進(jìn)行測(cè)量。在該示例中，測(cè)量對(duì)象是一個(gè)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(cè)量報(bào)告。
作為對(duì)比，另一張圖顯示了感應(yīng)負(fù)載的測(cè)量值。在這個(gè)案例中，測(cè)量對(duì)象是一個(gè)50瓦的烙鐵。
測(cè)量數(shù)據(jù)分析
隨后，執(zhí)行的是頻率范圍的信號(hào)分析。這種類型的信號(hào)分析基于快速傅立葉變換 (FFT)。這有利于時(shí)間信號(hào)到頻率范圍的轉(zhuǎn)換。采用catmanEasy測(cè)量軟件，您可以對(duì)一個(gè)或多個(gè)信號(hào)的頻率分布進(jìn)行可視化和分析。用于振幅譜計(jì)算的測(cè)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(lái)計(jì)算頻譜 (振幅，相位或功率譜)。在動(dòng)態(tài)測(cè)試上，多振幅譜顯示非常重要。瀑布圖可以在三個(gè)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(guò)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(fèi)熱線電話：400-900-3165（周一至周五9:00-18:00）


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