變頻電機計量與檢測探討

李慶蓮, 徐偉專, 龐 林

(1. 湘電集團有限公司，湖南 湘潭 411101； 2. 國防科學技術大學,湖南 長沙 410073；3. 湖南銀河電氣有限公司,湖南 長沙 410073)

0 引 言

近年來，變頻電機發展迅速，許多電機廠已經或正在建設變頻電機試驗臺。試驗臺的變頻電量測量的正確性和準確性，是電機性能評價的關鍵。但在變頻電量測量方面，國內外尚無統一的、公認的標準及規范，導致許多用戶在選擇變頻電量計量檢測設備時，盲目追求片面的高精度指標，而忽視了測量設備的適用范圍和測量結果的正確性與科學性。

下述問題在實際測量中較普遍:

(1) 方法錯誤。國家標準明確要求電壓測量應該采用基波有效值，而儀表不具備該功能，其實際使用的是真有效值或修正平均值，在變頻器供電試驗中，兩者存在較大的差距。

(2) 現場干擾影響。儀表在計量室檢定時，準確度等級較高，但在現場運行時，干擾信號很大，儀表的準確度指標不能有效表達。

(3) 標稱準確度的條件與實際測量的條件不符。儀表按50Hz標稱準確度，準確度指標為0.02級，遠遠超過國家標準0.2級的要求，但在被試電機主要運行頻率范圍內(如30Hz以下)，儀表的準確度只有0.3級，不能滿足國家標準要求。

(4) 傳感器技術指標不完整。儀表和傳感器的準確度等級均很高，但由于未考慮傳感器相位誤差，低功率因數時的準確度不能滿足國家標準要求。

(5) 傳感器或儀表的測量范圍不夠寬。一般傳感器及儀器儀表標稱的準確度是指滿量程時的準確度，而電機試驗時，被測電壓、電流的變化范圍較寬，一個傳感器很難滿足試驗全部試驗范圍內的準確度指標。

這些問題，普遍存在于電機試驗的變頻電量測量中，且大部分并非變頻電量獨有的問題，而是工頻測量必須解決的。本文從傳統工頻測試中普遍采用的互感器相關技術標準及規范著手，結合變頻電量的特點，對變頻電機計量檢測系統的技術要求進行了探討，并提出了選擇測量設備的一些基本要求。

1 互感器及變頻傳感器的對比

(1) 二次輸出信號大。

除少數安裝PCB的微型互感器外，大部分工業環境下使用的電壓互感器的額定二次輸出為100V，電流互感器的額定二次輸出為5A。

互感器二次輸出之所以設計為100V、5A，是考慮到互感器一般用于工業環境，電磁干擾難以避免。采用較大的信號具有較強的抗干擾能力。

在變頻測量傳感器中，目前以霍爾電壓、電流傳感器為主，霍爾傳感器為有源傳感器，其輸出電壓信號受工作電源的影響，一般在±12V以內，輸出電流信號一般在200mA以內，少數傳感器的額定二次電流達到500mA或1A。在變頻環境下，由于大功率非線性設備的使用，現場電磁干擾遠比傳統的工頻環境大，即干擾源增大了，但傳感器的輸出信號變小了，抗干擾能力降低了。抗干擾是變頻測量中非常棘手的問題，如不正確對待，傳感器及儀表的高準確度指標，將會大打折扣，甚至得出完全不對的結果。

(2) 二次負荷大并加以限制。

一般電流互感器的額定二次負荷在2.5VA以上，電壓互感器的額定二次負荷在50VA以上。電力系統中，某些互感器的額定二次負荷達到100VA以上。由于互感器的二次負荷較大，電能計量一般需要估計計量裝置帶來的附加損耗。

在互感器與儀表組成的系統中，互感器相當于信號源。設計較大的互感器二次負荷，可減小儀表內阻對互感器的影響。理論上(不考慮干擾影響)，電壓表內阻越大，對被測信號的影響越小，測量相對越準確。

因此大部分的萬用表的電壓檔的輸入阻抗都設計得很大。但在互感器測量中，要求有所不同。由于互感器工作于額定二次負荷時，準確度最高，互感器對二次負荷的要求是一個區間。《JJG313—2010測量用電流互感器檢定規程》和《JJG314—2010測量用電壓互感器檢定規程》中對互感器的二次負荷的上限和下限均作了限制，規定互感器的二次負荷應在額定二次負荷的25%～100%。

額定二次電壓為100V，二次負荷為100VA的電壓互感器，其最佳的二次電流為1A。目前，許多數字式儀表的輸入阻抗往往很大，在與電子式儀表配合使用時，需要特別注意。

一方面，要求互感器二次負荷的比例不能太小，另一方面，設計時又加大互感器的額定二次負荷，還是為了提高現場抗干擾性能。

變頻測量中應用的有源傳感器，一般二次輸出負荷較小，其與高輸入阻抗的電子類儀表配套使用具有儀表附加損耗小的優點。但高輸入阻抗的儀器對干擾更敏感，應依據實際采取減小干擾的措施。

(3) 完善的量程解決方案。

任何傳感器都有一定的測量范圍，互感器也不例外。《JJG314—2010測量用電壓互感器檢定規程》中明確規定： 對于0.2級的互感器，當一次輸入為額定的80%時，準確度仍需滿足標稱指標，但在一次輸入為額定的50%時，允許其準確度降為0.3級。

因此，當輸入信號的變化范圍較寬時，為了滿足寬范圍內測量準確度，一般需要采用多個不同變比的互感器配合換檔控制進行測量。這需要同時切換一次回路和二次回路，而一次回路往往是高電壓、大電流信號，換檔成本較高。為了降低換檔成本，某些互感器設置有多個二次繞組，不同繞組的變比不同，通過二次換檔即可滿足寬范圍測量的準確度要求。該類互感器在電機試驗測量及電能計量室廣泛使用。

相比之下，變頻測量用的傳感器，往往不具備二次換檔的功能，只能采用多傳感器一次換檔的方法，一方面成本較高，另一方面，變頻尤其是低頻回路中帶電分斷的開關造價遠高于工頻分斷開關，且制造困難，一般不用于頻繁分斷的場合，頻繁分斷將大幅縮短開關的使用壽命。

因此，有人提出另一種變通的方案。基于傳感器在小信號時(相對于額定)準確度降低的規律，提高傳感器的準確度指標，在小信號時，仍能保持相對較高的準確度指標。比如說，額定時準確度指標為50ppm，在一次信號為額定的1%時，準確度雖然降低，但仍可滿足0.2級的準確度要求。這種方案考慮實際干擾之后，測量準確度仍很難保證。

干擾對信號的影響，可用信噪比表示。同樣的噪聲，信號越小，信噪比越小，干擾的影響越大。從這個角度看，信號變小后，除了需要考慮傳感器本身的準確度下降外，還應考慮干擾影響變大的因素。假設信號為額定值時，信噪比為80dB，那么，在信號為額定的1%時，信噪比降為40dB。信噪比為40dB時噪聲已經達到了有效信號的1%，此時，即便傳感器和儀表沒有誤差，0.2級的準確度也難于實現了。

因為具體干擾與干擾源、傳輸途徑、有效信號的大小有關，還與測量信噪比設備的抗干擾能力有關。專業音響的工作環境遠遠優于變頻現場環境，其傳輸信號與變頻電量傳感器輸出的信號基本相當，而專業音響在信噪比方面的要求，一般測量設備較難以達到。專業音響的信噪比的指標是85dB，由此可見，變頻現場要實現大于80dB的信噪比，并不容易。高精度傳感器，在1%量程時，要實現0.2級的準確度指標，并非易事。

(4) 明確的比差和角差。

互感器檢定規程中明確規定，一定準確度的互感器，其比差和角差必須同時滿足相關的要求。這一點是顯而易見的，因為互感器常用于功率計量，而功率的準確度與互感器的比差和角差均有關。功率因數越低，互感器的角差對功率測量的準確度影響越大。

但是，目前幾乎所有的適用于變頻電量測量的傳感器，均未提供角差指標。究其原因，可能與霍爾電壓、電流傳感器的應用領域有關，因在現實應用中，除互感器外，很少有傳感器用于功率計量。霍爾傳感器一般只用于電壓、電流獨立測量的領域。傳感器本身沒有提供這個指標，不等于實際角差很大，也不等于實際角差很小。在霍爾傳感器的技術指標中，有上升時間和帶寬兩個指標與角差有關。但只能粗略估計，并不能用于確定傳感器的實際角差范圍。比如說，LEM公司的LV200-AW/2/6400型霍爾電壓傳感器，其上升時間為500μs，假設數學模型為相同帶寬的一階低通濾波器，推算帶寬約700Hz，50Hz 時角差約249′(0.2級互感器的角差為10′)。顯然，這類傳感器用于功率測量，其角差的影響遠遠大于比差的影響。如果我們不關注角差，那么，測量結果的準確度可想而知。

(5) 明確的工作頻率。

互感器檢定規程的開始部分即明確互感器的頻率適用范圍為50Hz(或60Hz)，檢定條件中進一步明確信號頻率范圍為50Hz±0.5Hz(60Hz ±0.6Hz)。也就是說，其準確度指標在50Hz(或60Hz)時生效。但是，互感器實際有較寬的運行頻率范圍，除了不能在直流下工作，理論上互感器可以工作在任意頻率，只是頻率變化后，互感器的測量范圍和準確度都會發生變化。

實際上，用于變頻電量測量的傳感器，也有類似的特性。比如，霍爾傳感器可以在直流至較寬的頻率范圍內工作，其帶寬指標可反映傳感器的頻率工作范圍。但是，對于精確計量而言，這個帶寬指標的參考價值并不大，因帶寬指標通常是指信號衰減到正常值的70.7%時的頻率，這個頻率下，傳感器是不能用于精確計量的。用戶更關心的是在使用頻率范圍內，傳感器能否滿足準確度要求，或者說，在滿足準確度要求的前提下，傳感器的對應帶寬指標能否涵蓋實際運行頻率。

(6) 鐵心的利弊。

鐵心的非線性及易飽和特性，尤其是磁飽和導致互感器的使用范圍大幅度降低。

互感器的一次和二次繞組，緊靠鐵心，其產生的磁力線，經過很短的氣隙，即進入高導磁性的鐵心，在鐵心內部，磁感應強度得到了大幅度的提升。而周圍的磁場，要經過很長的氣隙才能進入鐵心。這樣，周圍磁場對互感器的影響程度被大幅度降低。

相比之下，霍爾傳感器的霍爾元件是安裝在氣隙當中的，并且，由于設計時保留了充分的抗飽和裕量，氣隙處的磁感應強度相對較小，外部磁場對霍爾元件的影響較大。羅氏線圈完全拋棄了導磁材料，外部磁場對其影響更大。磁通門傳感器可檢測非常微弱的磁場信號，外部磁場的影響更不容忽視。

磁場干擾主要由電流信號產生，磁場較難屏蔽，因此，使用上述傳感器或使用由上述原理制造的傳感器，尤其是傳感器安裝環境附近有大電流存在時，需要特別注意外部磁場對其的影響。在三相測量中，這種情況很難避免。雖然制造廠家會采取系列抗干擾措施，提高其電磁兼容性，但用戶應該清醒認識到，在電機試驗環境下，該類原理的傳感器實現超高精度測量是不現實的。選擇傳感器時，準確度指標以能滿足為原則，不必過分追求過高的準確度指標。

(7) 電氣隔離。

對于電機試驗的電壓等級范圍之內，互感器的電氣隔離技術已經非常成熟。相比之下，霍爾傳感器的電氣隔離的電壓等級較低，這是目前限制霍爾電壓傳感器最高測試電壓的主要原因之一。

對于穿心方式的霍爾電流傳感器，只要載流體絕緣層的絕緣強度足夠，安裝符合規范，電氣隔離可得到有效保障。對于霍爾電壓傳感器，則須嚴格遵守傳感器標稱的被測電壓范圍及隔離電壓，這直接影響測量設備和人員的安全，需要特別注意。但仍有部分用戶或集成商，為了拓展霍爾電壓傳感器的電壓測試范圍，在傳感器外部串聯超過標稱值的電阻，用于測試高于標稱值的電壓，這是非常危險的。

2 變頻功率測量設備選擇的基本要求

復雜電磁環境下的變頻功率測量，對測試設備的要求，遠遠高于工頻下互感器的要求。遺憾的是，用于工業環境下功率準確計量的變頻電量傳感器，目前國內外均無標準可依，對其各項技術指標，亦無檢定規程可循。但不能因為沒有標準和規程，就認為沒有要求，也不能把進口品牌當成標準和規程，而應從實際出發，對測量設備的相關性能指標進行合理的評估和檢測。

(1) 變頻電量測試測試設備的技術要求，首先要滿足工頻測量的要求，前文列舉的互感器的特性，都是在工頻測量領域積累的寶貴經驗，在變頻測試中，需要特別的注意。

(2) 變頻電量測量的一個顯著特點是適用的頻率范圍較寬。這一點，從用戶的角度講，要求也是很清晰的，原先工頻測量設備提供的技術指標是50Hz時的指標，對于變頻電量測試設備，只需擴大這些指標的頻率適用范圍，使其能夠涵蓋試驗實際發生的頻率范圍即可。

(3) 還需要充分考慮測試系統，包括傳感器、儀器儀表、傳輸電路及工作電源等在內的各個環節的電磁兼容性能。

(4) 互感器及工頻儀表的相關技術及標準規范非常成熟，獨立選擇互感器及儀表，經過合理的二次負荷及布線設計，可較簡單地估算最終的系統誤差范圍。變頻電量傳感器則不然，系統各個環節的不確定因素較多，建議用戶將所有環節構成系統后，按照系統進行校準檢定，在試驗室可能發生的幅值、頻率、相位范圍內獲取其實際系統誤差。

3 解決方案

湖南銀河電氣有限公司針對變頻電機試驗的特點，研制了適合在復雜電磁環境下實現寬范圍高精度測量、基于前端數字化技術的系列AnyWay變頻功率測試系統。該變頻測試系統由SP系列變頻功率傳感器及WP4000變頻功率分析儀構成，為變頻電機的計量檢測提供了完善的解決方案。該系統技術特點如下:

(1) 測量模式。以基波有效值(H01)作為基本測量模式，并具備真有效值(RMS)、校準平均值(MEAN)、算術平均值(AVG)等模式供用戶選擇。

(2) 電磁兼容性。采用先進的前端數字化技術，將被測量在傳感器端進行數字化處理，轉換為數字信號，再通過光纖傳輸至變頻功率分析儀，避免傳輸線路引入干擾，減少引入誤差的環節，極大增強了系統的電磁兼容性能。

(3) 標稱準確度。AnyWay變頻功率測試系統以測量范圍內的最差準確度作為系統的標稱準確度，全量程范圍內保證測量準確度的一致性。

(4) 相位指標。AnyWay變頻功率測試系統改變傳統的電壓傳感器、電流傳感器、功率計三處相位補償方式，將電壓、電流傳感器組合在一起，合并為功率傳感器內一處電壓、電流相差補償，簡化了電路，提高了相位測試精度，進而提高寬相位范圍內的功率測量精度。

(5) 幅值測量范圍。AnyWay變頻功率傳感器采用2N量程轉換方案，電壓、電流傳感器均在內部設置了8個量程，傳感器根據測試結果進行自動無縫量程轉換，每個量程只工作在半量程以上區域，從而保證了寬范圍的高精度測試。

(6) 計量檢定。傳統的測試系統由電壓傳感器、電流傳感器及功率計組成，一般采用獨立計量方式，系統精度(組合精度)無法評定，AnyWay變頻功率測試系統采用整體溯源方式標定系統精度，保證檢定結果與實際應用的一致性。

(7) 多峰值因數測量。變頻電機一般采用變頻電源供電，變頻器的調制模式不同(如正弦PWM調制、非正弦PWM調制等)，輸出波形的峰值因數不同，AnyWay產品根據瞬時值，自動選擇最佳量程，支持任意峰值因數波形的測量。

4 結 語

湖南銀河電氣有限公司研制的AnyWay變頻功率測試系統，能有效解決目前變頻電機計量檢測所存在的難題。去年該公司又與國防科技大學及湖南省計量檢測研究院合作，成功研制10kV、 500A、5～400Hz的變頻功率標準源。該標準源于2012年8月通過有關部門組織的鑒定。鑒定委員會認為: 該項目研制的高電壓、大電流變頻功率標準源，填補了國內外空白，整體技術達到國際先進水平，其中量程和頻率范圍等技術指標，居國際領先水平。該成果為開展我國變頻電量量值溯源體系建設打下了良好的基礎。

【參考文獻】

[1] JJG 313—2010.測量用電流互感器檢定規程[S].

[2] JJG 314—2010.測量用電壓互感器檢定規程[S].