第六章 電磁參數(shù)的測量

1、西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 第六章第六章 電磁參數(shù)的測量電磁參數(shù)的測量 1 電壓、電流、功率的測量電壓、電流、功率的測量 2 頻率的測量頻率的測量 3 相位差的測量相位差的測量 4 波形參數(shù)的測量波形參數(shù)的測量 5 阻抗測量阻抗測量 6 磁參數(shù)的測量磁參數(shù)的測量 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電壓的測量電壓的測量 電壓的等級：高壓、中壓、低壓電壓的等級：高壓、中壓、低壓 分壓器、電壓互感器、放大器分壓器、電壓互感器、放大器 電電磁磁力力指針，模擬指針電壓表指針，模擬指針電壓表 電電ADC 數(shù)字，數(shù)字電壓表數(shù)字，數(shù)字電壓表 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-

2、電氣測試技術(shù) 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 交流電壓測量交流電壓測量 將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓：峰值變換器、平均值變 換器、有效值變換器。 峰值變換器：峰值變換器：峰值-有效值。波峰系數(shù)波峰系數(shù) Kp=峰值/有效 值，對于無直流分量的標(biāo)準(zhǔn)正弦波Kp=1.414 平均值變換器：平均值變換器：平均值-有效值。波形因數(shù)波形因數(shù)KF=有效值/ 平均值，對于正弦波KF=1.11 峰值變換器和平均值變換器的特點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)正弦波或特定 的波形；有些還受頻率的限制。成本低。 有效值變換器：有效值變換器

3、：有效值變換電路。 特點(diǎn)：受波形影響較小，成本高受波形影響較小，成本高。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 數(shù)字采樣方法求交流有效值：數(shù)字采樣方法求交流有效值： 影響測量準(zhǔn)確度的因素： 采樣頻率：越大，越接近真實(shí)波形 與信號頻率變化的相關(guān)性：信號頻 率變化了，要調(diào)整采樣點(diǎn)數(shù)或采樣頻率， 保證是整周期 電壓互感器：電壓互感器： 與功率變壓器的區(qū)別：與功率變壓器的區(qū)別： 功率變壓器：能量傳遞，高效； 電壓互感器：精度高、線性度好。鐵心 選用高導(dǎo)磁材料制成，而且要降低漏磁 不能飽和。副邊不能短路。 n-1 22222 0121i i 0 1 () N S rmsn T Uuuuuu T

4、 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電流的測量電流的測量 直流：分流器、霍爾效應(yīng)直流：分流器、霍爾效應(yīng) 交流：互感器、霍爾效應(yīng)等交流：互感器、霍爾效應(yīng)等 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 常用的方法：常用的方法： 串電阻與分流器法：串電阻與分流器法： 對電阻R有些特殊的要求： （1）電阻R的數(shù)值選擇要合理，要與R 所通過的電流相適應(yīng).。一般使電阻上的 電壓在40一l00mV左右。 (2)R的熱穩(wěn)定性要好，溫度系數(shù)小。注意滿足電阻R的允許功耗和散 熱條件，允許功耗比實(shí)際功耗大幾倍。 (3)在交流電路中，頻率較高時(shí)R選無感電阻，并且注意減小電感和分 布電容。 (4)電阻

5、R最好是四端電阻，即具有一對電流接點(diǎn)串聯(lián)到電路，一對電 位接點(diǎn)引出電壓，以降低接觸電阻對準(zhǔn)確度的影響；對于大電流 測量，最好采用標(biāo)準(zhǔn)化的分流器。 (5)為了避免對測量電路產(chǎn)生不良影響和危險(xiǎn)，放大器通常采用隔離 放大器。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電流互感器：電流互感器： 要求激磁阻抗 足夠大 ，副邊漏抗 足夠小 ，負(fù)載阻抗 不能 大于規(guī)定的數(shù)值。 這對電流互感器的設(shè)計(jì)制造工藝都提出了較高的要求： (1)必須采用高導(dǎo)磁材料，并工作在低磁密狀態(tài)下，在整個(gè)量程內(nèi)不 出現(xiàn)飽和，保證 足夠大。 (2)在工藝上保證原副邊耦合好，使 盡量減少。 021 III 022 () mf I

6、ZIZZ 2 12 ZZZ Z II fm m 21 II m Z 2 Z f Z m Z 2 Z 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電流互感器特點(diǎn)及注意事項(xiàng)： (1)原副邊電路起到了電隔離作用； (2)交流強(qiáng)電流直接串入電阻被測電路損耗太大。電流互感器副邊 接入電阻折算到原邊阻值很小，影響小，但電流互感器的接入對 瞬態(tài)電流的測試（如短路電流）不利。 （3）電阻R大小由互感器的容量伏安值決定（一般常用電流互感器 為10 VA或5VA） （4）由于電流互感器副邊匝數(shù)遠(yuǎn)大于原邊，在使用時(shí)副邊絕對不允 許開路。否則，會使原邊電流完全變成激磁電流，鐵心達(dá)到高度 飽和狀態(tài)，使鐵心嚴(yán)重發(fā)熱并

7、在副邊產(chǎn)生極高的電壓，引起互感 器的熱破壞和電擊穿，并對人身及設(shè)備造成傷害。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 功率的測量（有功、無功、視在功率）功率的測量（有功、無功、視在功率） iii iuP cos)()( 1 0 UIdttitu T P T ( ) ( )e(t)= Ku t i t sinsin() mm KU Itt )2cos(costKUI 0)2cos(t cos)(UIKteU （1）功率變換器）功率變換器 （2）計(jì)算機(jī)采樣計(jì)算法）計(jì)算機(jī)采樣計(jì)算法 0121 S n T PPPPP T （） 瞬時(shí)功率有正有負(fù)瞬時(shí)功率有正有負(fù) 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系

8、-電氣測試技術(shù) 頻率的測量頻率的測量 計(jì)數(shù)法測頻原理計(jì)數(shù)法測頻原理 頻率是單位時(shí)間內(nèi)被測 信號重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)。 頻率測量的誤差為 總相對誤差般可采用分項(xiàng)誤差絕對值合成 （1） 計(jì)數(shù)法測頻的量化誤差計(jì)數(shù)法測頻的量化誤差 計(jì)數(shù)電路可能存在1個(gè)脈沖誤差 ，量化誤差 使N增大，減小相對誤差：延長計(jì)數(shù)時(shí)間(控制閘門的時(shí)基增大)，或 者將輸入信號倍頻。但由于受計(jì)數(shù)器位數(shù)的限制，N不可能太大。 t N f 2 x NN ft tt t t N N f f x x 1N 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) （2）閘門開啟時(shí)間誤差）閘門開啟時(shí)間誤差 為閘門開啟時(shí)間誤差，即時(shí)基誤差，主要決定于晶體振蕩

9、器頻 率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度。此外也會受分頻電路等開關(guān)速度及其穩(wěn)定 性的影響 由于晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度很高， 遠(yuǎn)小于1/N ，所以，頻 率測量誤差主要是量化誤差，頻率越低，相對誤差就越明顯。 t c c f f t t c c x x f f Nf f 1 cc ff / t t N N f f x x 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 計(jì)數(shù)法測周期 1）量化誤差 同樣存在土1個(gè)脈沖的原理誤差， 為了減小相對誤差，可以采用周期倍乘的方法，即將被 測信號分頻m倍，計(jì)量m個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，然后取m 個(gè)周期內(nèi)的平均值 0 NTTx NTNTTx 00 0 0 T T N N T T x

10、x 1N mNTTx/ 0 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) （ 2）觸發(fā)誤差）觸發(fā)誤差 測量周期一般是將B端輸入被測信號，進(jìn)行過零觸發(fā)控 制閘門的，而被測倍號均不同程度存在有干擾噪聲疊 加在其上面，使觸發(fā)提前或推遲，為了減小觸發(fā)誤差， 要注意適當(dāng)提高信號電平，增大信噪比。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 中界頻率中界頻率 周期與頻率的測量均存在N=1的量化誤差為了保證測量準(zhǔn)確 度，當(dāng)頻率比較高時(shí)，直接測量信號頻率，這時(shí)示值大，相對誤 差可小些；而當(dāng)頻率比較低時(shí)，測量信號的周期，使相對誤差小 些。 對某一個(gè)被測頻率信號，究竟是應(yīng)該測頻率還是應(yīng)該測周期？存 在一個(gè)分

11、界點(diǎn)，即中界頻率問題。 x x T f 1 x x x x T T f f 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 測頻時(shí) 測周期時(shí) 在中界頻率，相對誤差相等，則兩者計(jì)數(shù)值N 應(yīng)該是相等 般電氣測試，多數(shù)是低頻信號，所以 相對來說，測周期的情況較多。 t N f x tfN xf 0 T m N Tx 0 T mT N x T 0 Tf m tf m m 0 tT m f m , fT NN 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 數(shù)據(jù)擬合零點(diǎn)測頻率 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 相位差的測量 （1）直接測量 （2）基于FFT頻譜分析 )sincos()( 0

12、 1 02 0 tnbtnatx n n n a ,.)3 , , 2 , 1( n / 2 1 0 / 2 / 2 2 / 2 / 2 2 / 2 22 ( ); ( ) cos; ( ) sin; ; ; n n T T T T nT T T nT T nnn b na ax t dt ax tntdt bx tntdt Aab arctg 2 1 0 ( )() N jnk N n X kx nT e 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) （3）基于相關(guān)原理求相位差 2 0 2 0 0 ,() 0() (12) 2 2 T xy 0 TT xy 00 TT 0 T T x(t)

13、= Asin t y(t)Bsint 1 R ()=x(t)y(t+)dt T 11 R ()=x(t)y(t)dtAsin tBsintdt TT 1 ABsintcos dtABsin tcos tsin dt T 1 ABsintcos dt T AB coscost dt T AB cos 2 0 20 arccos xy xy cosR () AB R () AB 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 波形的測量波形的測量 失真度、偏離系數(shù)、電壓尖峰失真度、偏離系數(shù)、電壓尖峰 （1）失真度測量（）失真度測量（THD）：）： 定義：各諧波分量有效值之和與基波分量的有效值之 比

14、定義為失真度或波形畸變系數(shù)。 當(dāng)失真不大時(shí)，波形總有效值近似等于基波有效值， 失真度可近似等于各諧波分量有效值之和與被測波形 總有效值之比，用 表示。 %100 1 2 2 U U n n 1 2 2 2 n n n n U U 2 1 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) .基波抑制法測量失真度基波抑制法測量失真度 開關(guān)K置于“1” ，指示值即與被測信號的U成正比 開關(guān)K置于“2” ，調(diào)節(jié)基波抑制網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率與被測 信號的基波頻率相同。這時(shí)，電壓表的示值為最小，表示基波巳 被濾除，該示值即為被測信號的諧波分量總有效值 。 濾波器不可能完全濾除基波，帶來誤差；測得的是 ，而

15、不是 1 2 n n UU 2 2 n nk UU %100 U U k 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 頻譜分析頻譜分析 （1）數(shù)字式頻譜分析儀）數(shù)字式頻譜分析儀 實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻譜分析主要有兩種方法，一是仿照模 擬頻譜分析的數(shù)字濾波法；另一種是基于快速傅 里葉交換法(FFT)的分析法。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) (2) 模擬式頻譜分析儀模擬式頻譜分析儀 帶通濾波器的中心頻率是 可變的，可調(diào)出所需測量 的各次諧波頻率。被測信 號經(jīng)過濾波器選出所需測 量的各次諧波信號，然后 由檢波器變?yōu)橹绷餍盘栯?壓送到顯示器，顯示每個(gè) 單次諧波的有效值 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院

16、電氣工程系-電氣測試技術(shù) 波形偏離系數(shù)的測量 被測電壓波形與其基波波形對應(yīng)點(diǎn)進(jìn)行比較，其最大 偏差值與基波電壓峰值之比稱為偏離系數(shù) 偏離系數(shù)= 1 max 1 max 100% xii uu u 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電壓尖峰的測量： 測試方法：測試方法： 設(shè)備：示波器或高速數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)備：示波器或高速數(shù)據(jù)記錄儀 觸發(fā)方法：觸發(fā)方法：預(yù)設(shè)電平單次觸發(fā)單次觸發(fā)。 尖峰電壓的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，而 測試設(shè)備的存貯器RAM容量是有 限的。為了保證對尖峰電壓波形 的完整記錄，常采用預(yù)設(shè)電平觸 發(fā)工作方式。 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 阻抗的測量阻抗的測量 實(shí)際

17、應(yīng)用傳感器的輸出很多為實(shí)際應(yīng)用傳感器的輸出很多為R、L、C。 測量方法：伏安法、電橋法、諧振法。測量方法：伏安法、電橋法、諧振法。 伏安法：伏安法： s xN sx Zx xN sN RN xN x U I = Z +R U Z U = IZ = Z +R U R U = IR = Z +R Z = r+ jx 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 諧振法： c IE1 U j CZ j C nn 1 z= R, L= C 11 =f = LC2LC 或 （1）未知電感L 標(biāo)準(zhǔn)電容CN ，諧振頻率fn，電感為 （2）未知電容C 標(biāo)準(zhǔn)電容LN ，諧振頻率fn，電容為 2 nN 1 L

18、C 2 nN 1 C L 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) （3）Q值的測量 諧振時(shí)電容C上的電壓達(dá)到最大值Ucmax （4）未知電阻R cmaxn n cmaxn n cmax E1E UjL R jCR U1L Q RCRE U Q E nn nn L1 R QC Q 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電橋法： 分類：電阻電橋、電感電橋、電容電橋 直流電橋（R）、交流電橋（R、L、C） 電路： 單臂單臂 半橋半橋全橋全橋 西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院電氣工程系-電氣測試技術(shù) 電壓源供電： 12 1234 31 AB11AD23 1234 1423 ABAD 1234 EE I;I ZZZZ ZZ UI ZE;UI ZE ZZZ