第六章 电磁参数的测量

西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术第六章电磁参数的测量•1电压、电流、功率的测量•2频率的测量•3相位差的测量•4波形参数的测量•5阻抗测量•6磁参数的测量西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电压的测量•电压的等级：高压、中压、低压•分压器、电压互感器、放大器•电→磁→力→指针，模拟指针电压表•电→ADC→数字，数字电压表检流计是磁电式仪表，它是根据载流线圈在磁场中受到力矩而偏转的原理制成的。普通电表中线圈是安放在轴承上，用弹簧游丝来维持平衡，用指针来指示偏转。由于轴承有摩擦，被测电流不能太弱。检流计使用极细的金属悬丝代替轴承悬挂在磁场中。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术交流电压测量•将交流电压转换成直流电压：峰值变换器、平均值变换器、有效值变换器。峰值变换器：峰值------有效值。波峰系数Kp=峰值/有效值，对于无直流分量的标准正弦波Kp=1.414平均值变换器：平均值-----有效值。波形因数KF=有效值/平均值，对于正弦波KF=1.11，整流后加电容0.9峰值变换器和平均值变换器的特点：标准正弦波或特定的波形；有些还受频率的限制。成本低。有效值变换器：有效值变换电路。特点：受波形影响较小，成本高。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•数字采样方法求交流有效值：影响测量准确度的因素：•采样频率：越大，越接近真实波形•与信号频率变化的相关性：信号频率变化了，要调整采样点数或采样频率，保证是整周期电压互感器：与功率变压器的区别：•功率变压器：能量传递，高效；•电压互感器：精度高、线性度好。铁心选用高导磁材料制成，而且要降低漏磁不能饱和。副边不能短路。n-1222220121ii01()NSrmsnTUuuuuuT西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术ddBeNSdtdt10ttedtNSB101ttBedtNS磁位计：感应电势与电流成微分关系，需加积分环节电流的测量•直流：分流器、霍尔效应、磁位计•交流：互感器、霍尔效应、磁位计等西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术常用的方法：串电阻与分流器法：对电阻R有—些特殊的要求：（1）电阻R的数值选择要合理，要与R所通过的电流相适应.。一般使电阻上的电压在40一l00mV左右。(2)R的热稳定性要好，温度系数小。注意满足电阻R的允许功耗和散热条件，允许功耗比实际功耗大几倍。(3)在交流电路中，频率较高时R选无感电阻，并且注意减小电感和分布电容。(4)电阻R最好是四端电阻，即具有一对电流接点串联到电路，一对电位接点引出电压，以降低接触电阻对准确度的影响；对于大电流测量，最好采用标准化的分流器。(5)为了避免对测量电路产生不良影响和危险，放大器通常采用隔离放大器。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•电流互感器：要求激磁阻抗足够大，副边漏抗足够小，负载阻抗不能大于规定的数值。这对电流互感器的设计制造工艺都提出了较高的要求：(1)必须采用高导磁材料，并工作在低磁密状态下，在整个量程内不出现饱和，保证足够大。(2)在工艺上保证原副边耦合好，使尽量减少。021III022()mfIZIZZ212ZZZZIIfmm21IImZ2ZfZmZ'2Z西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电流互感器特点及注意事项：(1)原副边电路起到了电隔离作用；(2)交流强电流直接串入电阻被测电路损耗太大。电流互感器副边接入电阻折算到原边阻值很小，影响小，但电流互感器的接入对瞬态电流的测试（如短路电流）不利。（3）电阻R大小由互感器的容量伏安值决定（一般常用电流互感器为10V·A或5V·A）（4）由于电流互感器副边匝数远大于原边，在使用时副边绝对不允许开路。否则，会使原边电流完全变成激磁电流，铁心达到高度饱和状态，使铁心严重发热并在副边产生极高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿，并对人身及设备造成伤害。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•功率的测量（有功、无功、视在功率）iiiiuPcos)()(10UIdttituTPT()()e(t)=Kutit)sin(sinttIKUmm)]2cos([costKUI0)2cos(tcos)(UIKteU（1）功率变换器（2）计算机采样计算法0121SnTPPPPPT（）瞬时功率有正有负西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术频率的测量•计数法测频原理频率是单位时间内被测信号重复出现的次数。•频率测量的误差为总相对误差—般可采用分项误差绝对值合成（1）计数法测频的量化误差计数电路可能存在±1个脉冲误差，量化误差使N增大，减小相对误差：延长计数时间(控制闸门的时基增大)，或者将输入信号倍频。但由于受计数器位数的限制，N不可能太大。tNf2xNNftttttNNffxx1N西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（2）闸门开启时间误差•为闸门开启时间误差，即时基误差，主要决定于晶体振荡器频率的稳定度和准确度。此外也会受分频电路等开关速度及其稳定性的影响•由于晶体振荡器的频率稳定度很高，远小于1/N，所以，频率测量误差主要是量化误差，频率越低，相对误差就越明显。tccffttccxxffNff1ccff/ttNNffxx西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•计数法测周期1）量化误差同样存在土1个脉冲的原理误差，为了减小相对误差，可以采用周期倍乘的方法，即将被测信号分频m倍，计量m个周期内的脉冲数，然后取m个周期内的平均值0NTTxNTNTTx0000TTNNTTxx1NmNTTx/0西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（2）触发误差测量周期一般是将B端输入被测信号，进行过零触发控制闸门的，而被测倍号均不同程度存在有干扰噪声叠加产其上面，使触发提前或推迟，为了减小触发误差，要注意适当提高信号电平，增大信噪比。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•中界频率•周期与频率的测量均存在N=±1的量化误差．为了保证测量准确度，当频率比较高时，直接测量信号频率，这时示值大，相对误差可小些；而当频率比较低时，测量信号的周期，使相对误差小些。•对某一个被测频率信号，究竟是应该测频率还是应该测周期？存在一个分界点，即中界频率问题。xxTf1xxxxTTff西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•测频时•测周期时•在中界频率，相对误差相等，则两者计数值N应该是相等•—般电气测试，多数是低频信号，所以相对来说，测周期的情况较多。tNfxtfNxf0TmNTx0TmTNxT0Tfmtfmm0tTmfm,fTNN西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•数据拟合零点测频率西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术相位差的测量•（1）直接测量•（2）基于FFT频谱分析TxT)sincos()(01020tnbtnatxnnna,...)3,,2,1(n/210/2/22/2/22/222();()cos;()sin;;;nnTTTTnTTTnTTnnnbnaaxtdtaxtntdtbxtntdtAabarctg210()()NjnkNnXkxnTe西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•（3）基于相关原理求相位差20200,()ˆˆ0()(12)22Txy0TTxy00TT0TTx(t)=Asinty(t)Bsint1R()=x(t)y(t+)dtT11R()=x(t)y(t)dtAsintBsintdtTT1ABsintcosdtABsintcostsindtT1ABsintcosdtTABcoscostdtTABcos2ˆ0ˆ20arccosxyxycosR()ABR()AB西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术波形的测量失真度、偏离系数、电压尖峰（1）失真度测量（THD）：•定义：各谐波分量有效值之和与基波分量的有效值之比定义为失真度或波形畸变系数。•当失真不大时，波形总有效值近似等于基波有效值，失真度可近似等于各谐波分量有效值之和与被测波形总有效值之比，用表示。%100122UUnn1222nnnnUU21西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术.基波抑制法测量失真度•开关K置于“1”，指示值即与被测信号的U成正比•开关K置于“2”，调节基波抑制网络，使网络的谐振频率与被测信号的基波频率相同。这时，电压表的示值为最小，表示基波巳被滤除，该示值即为被测信号的谐波分量总有效值。•滤波器不可能完全滤除基波，带来误差；测得的是，而不是12nnUU22nnkUU%100UUk西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术频谱分析（1）数字式频谱分析仪实现数字频谱分析主要有两种方法，一是仿照模拟频谱分析的数字滤波法；另一种是基于快速傅里叶交换法(FFT)的分析法。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术(2)模拟式频谱分析仪带通滤波器的中心频率是可变的，可调出所需测量的各次谐波频率。被测信号经过滤波器选出所需测量的各次谐波信号，然后由检波器变为直流信号电压送到显示器，显示每个单次谐波的有效值．西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术波形偏离系数的测量•被测电压波形与其基波波形对应点进行比较，其最大偏差值与基波电压峰值之比称为偏离系数•偏离系数=1max1max100%xiiuuu西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•电压尖峰的测量：测试方法：设备：示波器或高速数据记录仪触发方法：预设电平单次触发。尖峰电压的出现具有随机性，而测试设备的存贮器RAM容量是有限的。为了保证对尖峰电压波形的完整记录，常采用预设电平触发工作方式。西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术阻抗的测量•实际应用传感器的输出很多为R、L、C。•测量方法：伏安法、电桥法、谐振法。伏安法：UZURABCZxRNUsIsxNsxZxxNsNRNxNxUI=Z+RUZU=IZ=Z+RURU=IR=Z+RZ=r+jx西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术•谐振法：ECRLUcIcIE1UjCZjCnn1z=R,L=C11=f=LC2LC或（1）未知电感L标准电容CN，谐振频率fn，电感为（2）未知电容C标准电容LN，谐振频率fn，电容为2nN1LC2nN1CL西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术（3）Q值的测量谐振时电容C上的电压达到最大值Ucmax（4）未知电阻RcmaxnncmaxnncmaxE1EUjLRjCRU1LQRCREUQEnnnnL1RQCQ西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术电桥法：•分类：电阻电桥、电感电桥、电容电桥•直流电桥（R）、交流电桥（R、L、C）•电路：单臂半桥全桥西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术Z1Z2Z3Z4UEI1I2电压源供电：12123431AB11AD2312341423ABAD1234EEI;IZZZZZZUIZE;UIZEZZZZZZZZU=UUE(ZZ)(ZZ)电流源供电：34121212341234AB11AD231423ABAD1234ZZZZI;IZZZZZZZZUIZ;UIZZZZZU=UUZZ+ZZIII西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术Z0+ΔZZ0-ΔZZZUEI1I2