電力電子領(lǐng)域高精度功率測試的電流測試技術(shù)

1.前言

功率調節器的功率變換效率測試,逆變器馬達的效率測試,電抗器的損失測試等，在電力電子領(lǐng)域的各個(gè)方面都被要求要有高精度的功率(電流和電壓)測試.本文，著(zhù)重圍繞電流測試技術(shù),將介紹我們公司過(guò)去就獨自擁有的電流傳感器和功率分析儀的開(kāi)發(fā)技術(shù).

2.關(guān)于電流的測試方式

功率分析儀的電流測試,一般通過(guò)直接測量方式(Fig.1(a))和電流傳感器方式的(Fig.1(b))其中一種來(lái)進(jìn)行.下面,將介紹一下各自的特征.

2.1直接測量方式

直接測量方式,是把測試對象的測試線(xiàn)直接連接到功率分析儀的電流端子進(jìn)行測試的方式.這種方式，測試的原理比較簡(jiǎn)單，而且因為功率計本身就有能夠測試電流的優(yōu)點(diǎn),從過(guò)去開(kāi)始就一直被使用.但是,把電流測試線(xiàn)連接到功率分析儀的電流輸入端子,電流直接輸入到測試的回路,會(huì )有以下的缺陷.

(1)測試的時(shí)候,測試對象的狀態(tài)和實(shí)際運行的狀態(tài)不同.

(2)所用測試線(xiàn)的阻抗會(huì )增加損耗.

(3)配線(xiàn)間以及配線(xiàn)—GND之間產(chǎn)生電容,增加高頻的漏電.

例如,上面所述(2),使用5m 長(cháng)的AWG6測試線(xiàn),配線(xiàn)阻抗約為6.5mΩ.如果測試對象的電流為30A,由于配線(xiàn)阻抗而引起的損失就為5.85W.就5.85W這個(gè)數值而言不能判斷是大還是小,但是根據測試對象的電力值,這部分損失是不容忽視的.另外,直接測量方式,一般使用分流電阻來(lái)測試電流.這種分流電阻的方式,存在以下的缺陷.

(1) 電流通過(guò)分流電阻,會(huì )產(chǎn)生電流的2次方比例的焦耳熱.這些熱量如果計算到計測器的損失上,就是由于自身發(fā)熱而引起分流電阻的阻值發(fā)生變化,以至于影響測試的精度.

(2)為了抑制焦耳熱的發(fā)生,可以選擇阻值較小的分流電阻.但是,阻值較小的分流電阻,不能忽視極少的誘導成分,使頻率特性惡化.

這些全部都是影響電流和電力測試精度的重要原因,在測試大電流的時(shí)候尤其應該注意.

在Fig2，說(shuō)明了20A的電流通過(guò)2mΩ的分流電阻的時(shí)候自身發(fā)熱的現象.為了比較,在配線(xiàn)上連接我們公司額定50A的電流傳感器CT6862.分流電阻由于焦耳熱引起的本身加熱,致使溫度上升至50℃的程度.

而另一方面,電流傳感器卻沒(méi)有受到焦耳熱的影響,自身幾乎沒(méi)有加熱現象.計測器的損失和傳感器本身的溫度特性對測試精度的影響幾乎很小.

通過(guò)以上的討論,直接測量方式在電子設備的待機電力測試和LED照明的消耗電力測試方面,由于受到分流電阻的焦耳熱的影響較小,在測試微小電流的時(shí)候(1A程度)時(shí)候是非常有效的.

2.2 電流傳感器方式

電流傳感器方式.是把電流傳感器連接到被測物的配線(xiàn)上,傳感器的輸出信號(電流或者電壓)輸入到功率分析儀進(jìn)行電流測試的方式.

使用電流傳感器方式,在測試時(shí)被測物的狀態(tài)和實(shí)際運行的狀態(tài)是相同的.并且大電流的時(shí)候自身發(fā)熱極少,對測試的精度沒(méi)有影響.電力電子領(lǐng)域一般使用電流傳感器方式.

在Fig.3,表示了直接測試方式和電流傳感器方式各自可以高精度測試的范圍和頻率的范圍.

需要注意的是,在這里不是說(shuō)用各自的方法絕對不能測試圖中表示范圍外的部分.

3 用電流傳感器方式來(lái)高精度的測試電力.如前所述,一般在超過(guò)5A電流的情況下使用.

電流傳感器的方式,和直線(xiàn)測量方式一樣并不是沒(méi)有缺陷.為了能進(jìn)行高精度的電流測試也有幾點(diǎn)需要注意.

本章節，將要說(shuō)明用電流傳感器方式來(lái)進(jìn)行高精度功率測試的注意點(diǎn).

3.1 合適的電流傳感器的選擇.

用電流傳感器方式來(lái)進(jìn)行高精度并且高重復性的電力測試的前提,是選擇合適的電流傳感器.作為具體的選定基準,首先舉下面兩個(gè)例子

(1)電流傳感器的額定電流值和測試對象的電流值大小相匹配.

(2)電流傳感器可以測試的頻率范圍要包含測試對象電流全部的頻率成分

并且，在上面2點(diǎn)的基礎之上，

(3)電流傳感器所覆蓋的頻率范圍的測試精度要在測試對象的要求之上.

(4)電流傳感器的輸出干擾,溫度特性,導體位置的影響,外部磁場(chǎng)的影響,帶磁的影響,

共模電壓的影響等誤差的主要原因都要在規定的基礎之上,甚至更小.

所以說(shuō).電流傳感器在選擇上,要十分的注意.特別是關(guān)于(3),一般的電流傳感器的精度規定為DC或者50/60Hz,關(guān)于其它頻率范圍的特性都往往都容易忽視.有必要注意.為了在功率分析儀上用傳感器方式來(lái)進(jìn)行高精度電流測試,要注意電流傳感器必須要具備足夠的性能.

3,2 包括電流傳感器功率測試系統整體的最適合化.

為了用電流傳感器方式進(jìn)行高精度的電力測試,如前章節所述,不僅要選擇適合的電流傳感器而且包括電流傳感器的功率測試系統都需要最適合化.也就是說(shuō)不管電流傳感器測試精度有多高,如果感應器的輸出信號不能正常的傳送到功率分析儀上.那么也無(wú)法進(jìn)行高精度的電流測試.

在Fig.4顯示了包括電流傳感器的一般功率測試系統.并且,如前面所述,對于電流傳感器存在電流的輸出信號和電壓的輸出信號.一般來(lái)說(shuō).電流傳感器要比電壓傳感器更為廣泛的被使用,在這里以使用電流傳感器為前提,來(lái)進(jìn)行討論.

作為電流傳感器的信號正確傳送到功率分析儀的條件.

(1)感應器的電源要有良好的電源品質(zhì).GND的取得方法要適當.

(2)配線(xiàn)之間以及配線(xiàn)--GND間的結合容量要小,抗干擾性較強.

(3)功率分析儀的電流輸入部的頻率特性良好,發(fā)熱少,絕緣性能(CMRR高,漏電小)高，另外,抗干擾性能高, GND的取得方法適當等可以列舉的條件.

一般來(lái)說(shuō).目前的狀況是電流感應器,感應器用電源,功率分析儀都是不同的廠(chǎng)家,測試線(xiàn)的種類(lèi)和配線(xiàn)方法都是按照客戶(hù)的委托來(lái)進(jìn)行.

在這種狀況下,滿(mǎn)足上述的所有條件,電流傳感器的輸出信號正常的傳送到功率分析儀,保證實(shí)際高精度測試的電流值.對于電流傳感器的廠(chǎng)家.功率分析儀的廠(chǎng)家.再加上傳感器用電源的廠(chǎng)家來(lái)說(shuō),不容置疑都是非常困難的.

另一方面,我們公司從過(guò)去開(kāi)始就以獨自的技術(shù)開(kāi)發(fā)電流傳感器和功率分析儀.電力測試系統構成的全部要素都可以由一家獨自完成.也是世界上唯一可以做到的全部相關(guān)產(chǎn)品的計測器廠(chǎng)家.

我們公司的功率測試系統有以下特點(diǎn).

(1)電流傳感器是電壓輸出型,可以標定所列的全頻帶精度.

(2)把電壓輸出類(lèi)型的電流傳感器作為功率分析儀專(zhuān)有的電流輸入,

使傳感器的輸出電壓水平和功率分析儀的電流輸入部的輸入電壓水平最匹配.

(3)功率分析儀內部裝有傳感器用的電源,供給傳感器的電源品質(zhì)我們公司在規定精度時(shí)候必須統一.而且,我們公司的功率分析儀,傳感器用電源和GND一致的同時(shí),除去接地回路的重要原因,在提高測試精度和重復性方面也進(jìn)行了反復的評估和改善.

(4)使用屏蔽線(xiàn)作為傳感器輸出的線(xiàn)路,防止干擾的同時(shí),進(jìn)行增益的調節,與線(xiàn)路引起的微小電壓下降抵消.

并且我們公司電流傳感器和功率分析儀組合,公司內部以及在第三方認證機構,進(jìn)行測試精度的評價(jià)和抗干擾試驗.

在Fig.5 也顯示說(shuō)明了我們公司的電流傳感器(CT6862, CT6863, 9709, CT6841, CT6843, 3274)和功率分析儀(PW6001)組合的功率測試系統的抗擾,試驗在第三方認證機構進(jìn)行的情景.

正是這樣,為了使系統整體最匹配,設計每個(gè)構成要素的同時(shí),也對構成要素在整個(gè)系統中的適配度進(jìn)行了評估.

4 結束語(yǔ)

本文,介紹了關(guān)于在電力電子領(lǐng)域的各個(gè)方面被要求的高精度功率測試,特別是集中了電流測試技術(shù)討論的焦點(diǎn).從過(guò)去開(kāi)始用獨自的技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)電流傳感器和功率分析儀訣竅的一部分.在書(shū)面上,本文不能詳細介紹和未能涉及的內容還有很多.類(lèi)似這樣的信息以后會(huì )繼續提供給廣大的讀者.