电气测量技术基础知识与应用.ppt

内部培训讲座,电气测量技术基础知识与应用,美国福禄克公司,主要内容,电能质量测量与分析测量仪器，FLUKE对于谐波测量仪器，A级一致性意味着什么？IEC61000-4-30：“标记”的重要性电压骤降：原因、危害与解决方法电压波动与闪变三相不平衡：IEEE与IEC标准算法差异电压瞬变现象的捕获IEC标准测量仪器与国标的关系问题有效值测量电压有效值测量与评估：IEC61000-4-30与EN50160电能质量测量标准概述：IEC61000-4-30电能质量限值标准概述：EN50160谐波：产生原因、危害与治理非正弦系统的功率、有效值和谐波中国电能质量标准简介,常用电参数测量变频调速系统的测量功率因数、最大需量与电费两瓦特计法：测量三相三线制系统直流耦合与交流耦合示波表：波形采集、记录与分析示波表的带宽、采样率与真实带宽通道隔离：适合复杂的工业现场情况FFT及频谱分析FFT分析时间与窗函数PLL同步采样DMM：基本概念与产品特点问题：精准、安全的内涵F289：新的特点测量仪表的安全认证标记，意味着什么？万用表测电阻，兆欧表测电阻，有什么区别？,内部培训讲座,电能质量测量与分析,测量仪器、FLUKE,古埃及：建造金字塔的长度标准公元前3000年，长度的统一标准“埃尔”。法老的肘关节到中指指尖的长度加上他手中一根棕榈枝长的总长度定义为“1埃尔”，将该长度标准用黑色花岗岩刻制，作为原始标准。中国：秦始皇，商鞅变法，统一了的中国的度量衡。,1949年：FLUKE推出第一个产品，101型高精度台式功率计，通用电气公司是首家用户。1994年：F40/41，世界首款便携式谐波分析仪成功地降低了专业谐波分析仪器的门槛，电网及动力部门谐波普查的基础工具。1999年：F43，测试谐波和瞬态信号的电能质量分析仪。2003年：6100A，世界第一台电功率与电能质量标准源。（ElectricalPowerStandard）电能质量行业独一无二的标准源。众多电能质量分析仪厂家必备的校准工具。2005年：F1760，世界首款完全符合IEC61000-4-30A级标准的便携式三相电能质量分析仪F430，世界首款完全符合IEC61000-4-30标准的手持式三相电能质量分析仪,测量的意义,度,量,衡,FLUKE：测量仪器及工具的领导者，在所涉足的领域内都保持着第一或第二的领导地位。,6100A,F1760,门捷列夫：“没有测量，就没有科学”,FLUKE-电能质量监测、分析与评估，专业领域的先锋和标准！,F41,对于谐波测量仪器，A级一致性意味着什么？,IEC61000-4-30:2003“TestingandMeasuringTechniquesPowerQualityMeasurementMethods”“测试和测量技术电能质量测量方法”IEC电能质量标准61000-4-30：草案于1999年2月提出，正式版于2003年2月发布。IEC61000-4-30标准对于A级谐波测量仪器的要求：一致性。引用目前最新的IEC61000-4-7:2002标准，对谐波计算方法有严格规定。如时间窗、同步、窗函数等。50Hz系统的时间窗必须为10个周波（200ms）。旧的标准允许为400ms、320ms或1个周波等时间间隔。旧标准的问题：不同厂家的谐波测量仪器，测量结果差异很大。,例：对波动或快速变化谐波的分析*基于1个周期窗口采样的谐波分析仪器，与400ms窗口测量仪器结果对比：一台90t交流电弧炉，用不同窗口宽度（矩形窗）测得的35kV谐波电流值（用英国PA4400高精度电力谐波分析仪，现场实测记录）。宽窗口测得的谐波含量明显减小，特别是偶次谐波（2次，4次）。,英国PA4400测量结果,某型国产仪器测量结果,*林海雪：从IEC电磁兼容标准看电网谐波国家标准。电网技术，1999，23(5)：6467.,对用户的意义：谐波治理的投资额度谐波评估结果的准确性、一致性、权威性,IEC标准谐波分析：FFT谱线的计算(1),50Hz系统：采样率fs为10.24kS/s,窗口时间200ms,FFT数据点N为2048。频率分辨率：f=fs/N=5Hz谐波阶次：DC，150次间谐波阶次：1.549.5次,300Hz,350Hz,325Hz,如何对FFT谱线求方均根值来计算谐波和间谐波？,IEC61000-4-7:2002FFT分析窗口：10周期(约200ms)（RMS、不平衡计算时间）,信号系统：电力线载波（PLC）使用普通电力线为载体，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输。利用电力通讯可以实现宽带网络、电话、有线电视、电力网四网合一。国家标准单边带电力线载波系统设计导则GB/T14430-93与IEC标准相同。电能质量问题中，电力线载波通常被归纳为间谐波。,谐波与间谐波算法：IEC2002版与1991版,谐波与间谐波：对FFT谱线的处理方法。IEC2002版与1991版的区别。,IEC标准谐波分析：FFT谱线的计算(2),频谱分辨率的要求1991年以前：谐波测量以50Hz为间隔。IEC现行标准要求频谱分析间隔为5Hz。谐波与间谐波（子组）1991版算法：谐波：11条谱线，间谐波：9条谱线。2002版算法：谐波：3条谱线，间谐波：7条谱线。例：150Hz频谱分量为10%，145Hz频谱分量为1%，155Hz频谱分量为2%。则标示为“150Hz”的第3次谐波还应该包括145Hz频谱分量及155Hz频谱分量：即：第3次谐波为10.2%，而不是10%。,频谱分析结果：频率分辨率要求,例：6th谐波的计算方法（1991版）,例：6th谐波的计算方法（2002版）,IEC61000-4-30：“标记”的重要性,在发生骤降、骤升或电压中断事件时，其它电能质量参数的测量结果是否可靠？利用标记（Flagging）的方法，避免重复计算某一电压事件。标记，仅由骤降、骤升或电压中断事件触发。适用于频率、电压幅值、闪变、电压不平衡、电压谐波、电压间谐波的测量。A级测量仪器的要求。,F430：被标记的测量结果由显示屏右上角的标记“P”来表示。由用户决定如何评估标记的数据。,P,IEC61000-4-7:2002：“标记”IEC要求采取严格同步采样加矩形窗的FFT。谐波分析仪只有在失去同步的情况下才允许使用汉宁窗加权的FFT，并且，仪器显示应标明此时的测试已失去同步，此时的谐波测量结果也应作出标记。例：“标记”，波动与闪变测量时有效地避免对电压骤降、骤升事件的重复计算，准确评估电压闪变。,IEC61000-4-30要求对某些测量值进行“标记”：,对用户的意义：正确查找电能质量有关的事故原因决定出“对症下药”的治理措施准确评估电能质量,某钢厂110kV电压骤降事件，电压电流波形发生时间：12/28/200403:35:07.157,电压骤降：原因与危害,电压骤降产生的原因,无论供电系统的可靠性如何提高，输配电网络以及特殊负荷等仍会造成无法避免的电压骤降。例如：各种短路故障、大型电机的启动雷击致使保护动作、倒闸开关操作变压器及电容器的投切、轧钢机等冲击性负荷的投切,电压骤降的危害,电压骤降现象,国际上已经公认：电压骤降是最严重的电能质量事件。约有80%以上的电能质量事故是由电压骤降造成的。,电压骤降原因的统计比例,瞬时值与有效值波形,电压骤升现象原因：大型负荷的切断等。,瞬时值与有效值波形,电压骤降，为什么成为近年最受关注的电能质量问题？由于目前微处理器控制设备和电力电子设备在工业中的广泛使用，这些设备对电压骤降特别敏感，电压骤降往往会导致这类设备损坏或误动作。例如：变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动化生产线、计算机系统等。在欧洲和美国，电力部门和用户对电压骤降的关注程度比对其他电能质量问题的关注程度要强得多。主要原因是，由电压骤降引起的用户投诉占整个电能质量问题投诉数量的80%以上，而由谐波等引起的电能质量问题投诉数量所占不到20%。IBM公司统计表明，48.5%的计算机数据丢失是由电压不合格造成的。,电压骤降：背景知识,电压骤降，对敏感用电设备有什么影响？例：计算机系统紊乱（幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s）变频调速设备跳闸（幅值下降大于15%，持续时间0.5周波）电压骤降问题，如何抑制与解决？例：动态电压调节器(DVR)是解决电压质量问题的有效措施。,例：由雷击造成的短路故障,电压骤降，是一种新的电能质量现象吗？不是。电压骤降是配电系统中最常见的一种电压扰动，当电力系统发生短路故障、大容量电动机启动、雷击、开关操作、变压器或电容器组投切时，都可能引起电压骤降。电压骤降并不是一个新的电能质量问题。由于过去的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，因此，电压骤降问题没有引起人们的关注。,目前的电能质量国家标准中，有类似于谐波等面对电网运行管理的电压骤降标准吗？目前还没有此国标。我国的电磁兼容标准GB/T17626.11-1999电磁兼容试验和测量技术电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验等同于IEC61000-4-11：1994，该标准是针对用电设备的抗扰度要求而制定的。上海、浙江等地区电网提出的电能质量监测技术规范（报批文件），已明确要求监测统计骤降等电压质量现象。F430等完全符合IEC61000-4-30的仪器，监测电压骤降等电能质量问题，有什么特点与优势？传统的测量仪器将电压骤降也处理为谐波、闪变及电压幅值不合格事件，重复计算。有学者提出小波变换法检测电压骤降并分析谐波。IEC61000-4-30采用半周期(10ms)刷新RMS值法(20ms)检测电压骤降，记录其发生时刻、持续时间及幅度，并作出电压事件标记。,电压骤降与电压中断：事件定义,电压骤降、骤升及电压中断事件,IEC61000-4-30标准：捕获电压事件骤降：供电电压突然降低到标称电压Uc的90%和1%之间的一个值，然后在很短时间内恢复正常。电压骤降的持续时间通常在10ms和1分钟之间。电压骤降的深度定义为电压骤降期间最小有效值与标称电压的差值。不会使供电电压降低到小于标称电压Uc的90%的电压变化不属于骤降。骤升：电压有效值上升至额定值的110%以上，典型值为额定值的110%180%，持续时间为0.5个周期至1分钟。电压中断：电压有效值降至额定值的1%以下，持续时间0.5个周期至3s为瞬时中断；持续时间3s至60s为暂时中断；持续时间大于60s为持续中断。电压事件的限值可以由EN50160标准定义或用户设定。电压骤降：IEEEStd.1159-1995称为sag，IEC61000-4-11-1994称为dips。,按事件的图表观察数据,按事件的清单观察数据,电压骤降事件在电力系统中普遍存在，无法避免。某美国公司于2005年进行的一项调查显示，98的电压波动历时少于2秒，只有2的电压波动事件（电源断电）历时超过15分钟，并且它们当中的大部分都和计划内停机相关。深入分析这些短期的电压波动，它们几乎都是电压骤降。该公司最终得出结论：在美国和加拿大，大部分的电压波动都是少于2秒持续时间的电压骤降。EPRI的研究报告显示，一般的制造业工厂每年都会遭遇一次均值为12-14V的电压骤降。大约一半的电压骤降事件没有对生产过程造成影响，另外一半的电压骤降事件可能导致自动化设备（例如继电器，PLC等）产生错误输出和故障。,骤升与骤降的限值设置,对用户的意义：正确分析事故原因,准确评估电能质量,电压骤降：实例*,企业背景：安飞电子玻璃有限公司是河南安彩集团与荷兰飞利浦公司在郑州经济技术开发区的合资公司，主要生产彩色显像管玻壳，月产值8500万，生产线上的任务考核等以分钟计。电能质量要求：该公司全部生产线自动化程度很高，采用了大量的PLC控制器，电压骤降对其影响很大。电压骤降的危害与影响：电压骤降发生时，将导致PLC控制程序紊乱。不仅当时在生产线的大量产品出现质量问题而报废，而且会损坏模具等，重新启动整条生产线也至少需要半个小时。电压骤降的经济损失：因电压骤降，每次事故造成的损失少则十到二十万元多则近百万元。电压骤降事件实录：2006年4月29日与4月30日，电源系统连续出现两次电压骤降。,*注：引自清华大学电机系文献资料,电压骤降：解决方案,电网短路故障：电压骤降与短时电压中断。故障点附近，电压幅值可能降到很低的水平，故障点较远区域，表现为不同程度的电压骤降。解决电压骤降的措施：1）减少故障数目、缩短故障切除时间；2）改变系统设计，降低电压扰动；3）安装电压补偿型装置；4）提高设备抵御电压骤降能力。电压补偿型装置:采用电压补偿型装置最为有效。典型的装置是UPS（不间断电源）、SSTS（固态转换开关）和DVR（动态电压恢复器）。UPS可以有效解决电压骤降及短时间供电中断等问题，但由于采用整流输入模式，谐波电流注入电网形成新的污染，另外，负荷的全部功率要通过UPS进行变换后提供，增加了系统损耗，降低了效率。另外，大容量UPS非常昂贵。SSTS是一种多路开关，通常接有两路电源对重要负荷供电，一路为正常供电电源，一路为备用电源。当正常电源出现电压骤降或供电中断时，快速切换到备用电源。优点是结构简单，工作可靠。缺点是在切换过程中仍然会使用户有短暂的骤降或断电情况发生。DVR是目前国内外最为关注的解决电压骤降的装置。DVR串联于线路中运行，但由于只需补偿电压骤降部分的能量，其设计功率只有负荷全部容量的1/3到1/5，价格优于同容量的UPS，损耗也远远低于后者。,DVR的工作原理图,DVR的工作原理：Main为系统电源，Converter为DVR的换流器，EnergyStorage为DVR的储能系统，一般为电容器组或蓄电池系统，Load为对电压骤降比较敏感的负荷，BoosterTransformer为升压变压器，将DVR输出的电压升高到系统需要的电压水平。例：电源电压发生电压骤降故障，由于DVR注入了骤降部分的电压，使得负荷处的电压保持原来的数值和波形，避免了系统扰动的影响。,例：清华大学研制的DVR对电压骤降的抑制效果,电压波动与闪变,电压波动与闪变：测量结果,电压波动：电压幅值在一定幅度内有规则的波动，或电压幅值不超过0.91.1的一系列随机变化。闪变：人眼对照度波动的一种主观感觉。如果电压变化达到0.5%，每秒钟6到8次，就会引起明显的闪变。闪变算法：由IEC61000-4-15标准定义。周期性的电压波动引起的明显的照明灯的闪烁。由统计学上的“灯眼脑”模型测量，该模型反映了大多数人如何受闪烁的白炽灯影响。原因：电弧炉、轧机引起的电压波动。注意：波动与闪变测量的分类范围：电压有效值的变动范围在10%之内。闪变国际标准从1986年的IEC868，到1996年的IEC61000-3-7，直至2002年的IEC61000-4-15，算法没有变化。IEC61000-4-305.3：闪变统计增加了“标记”的概念与要求。限值Pst为1.0，Plt为0.65。国标1990年版电能质量电压允许波动和闪变，参照日本的标准制定。2000年版电能质量电压波动和闪变，等同于IEC标准。基本测量：Pst：10分钟短时闪变的的统计描述。1.0的读数将会引起50%的人能感觉到的闪变。Plt：2小时长时间闪变的统计描述。,电压波动与闪变并不会影响电气设备（如计算机及控制设备、电动机等）的正常工作。但其引发的照明灯光闪烁现象，可能会刺激人的视感神经。,瞬时闪变趋势图,F430：提供瞬时闪变（PF5）的趋势图通过比较瞬时闪变（PF5）的趋势与电压、电流有效值趋势的关系，可以查明导致闪变现象的电压事件。,瞬时值与有效值波形,三相不平衡：IEEE与IEC标准算法差异,IEC标准（IEC61000-4-305.7不平衡）（国标的说明：适用于交流额定频率为50Hz的电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压不平衡。）三相不平衡的程度，用电压负序分量Vn与正序分量Vp的百分比表示。IEC标准要求的计算时间为200ms。三相四线系统：V1、V2、V3为三相电压基波有效值，为基波电压相角。三相三线系统：V12、V23、V31为线电压基波有效值。,IEEE定义的方法：三相电压（或电流）的平均值的最大偏差。该偏差与平均值的百分比。,优点：评价三相基波的幅值与相角情况。可能的问题：计算三相基波序分量的有效值，不包含高次谐波。电网的额定运行频率；规定电压不平衡度限值。,优点：基于通用的RMS计算，使用方便。包括高次谐波的影响，适应于畸变波形情况没有限定基波频率可能的问题：不包括相角影响,IEC：电压不平衡度测量结果,IEC：电压、电流不平衡度的监测,IEEE:不平衡度测量结果,捕获电压瞬变的原理：包络线触发F1760：以纯正弦波为基础，按用户指定的容差限值设计波形包络线范围。如果实际波形超出设定的范围，仪器启动其捕获功能，并将捕获的波形与事件发生的时间等存储记录。F1750瞬变记录的规格：测量类型：波形采样，并非峰值检测。测量范围：8000Vpk采样分辨率：200ns，即采样频率为5MHz。F1760瞬变记录的规格：采样率：100kHz至500kHz或10MHz，由用户选择设定。(F1760的瞬变选购件：500kHz或10MHz)测量范围：6000Vpk。F43B瞬变记录功能：检测电压瞬变：40ns(F43B的示波器功能采样率达25MS/s)。可以捕获并储存40个电压瞬变波形。F430瞬变记录的规格：采样分辨率：5us，即采样频率为200kHz。测量范围：6000Vpk。,电压瞬变现象的捕获,例：包络线触发（F17601750）,电压波形,捕获的波形,包络线限值,例：F430捕获到的瞬变现象,电压瞬变：包括冲击型瞬变现象、振荡瞬变现象。,瞬态：半个周波(10ms)以内，瞬变现象。测量方法：与标准正弦波比较。（暂态：从10ms到1min，骤升、骤降与电压中断事件。测量方法：半周期有效期计算。）,F43B瞬变检测原理：包络线触发,EN61010-1定义的瞬变,电压瞬变：记录与分析,高频振荡瞬变：主导频率一般在0.55MHz之间，持续时间约为几个s。中频振荡瞬变：主导频率在5500kHz之间，持续时间约为几十个ms。电容器的充电会产生主导频率为几十kHz的振荡瞬变，电缆的投切也会产生同样频率范围内的振荡瞬变。冲击瞬变也会引起中频振荡暂态。低频振荡瞬变：主导频率低于5kHz，持续时间在0.350ms之间。低频振荡瞬变在输电系统和配电系统中经常遇到，很多事件都可能导致低频振荡瞬变的产生。电容器组的充电会产生主导频率在300900Hz之间，峰值约为2.0pu的低频振荡瞬变。,冲击瞬变,振荡瞬变,振荡分量,0.1s100ns,最大的时间分辨力：100ns记录长度：65.536点/每次事件,F1760采样率（选件）：100kS/s500kS/s、100kS/s10MS/s,现场实测记录结果,IEC标准测量仪器与国标的关系问题,国标：现行电能质量国家标准主要是谐波、闪变与三相不平衡。闪变、三相不平衡国标与IEC相同。需要注意的是谐波标准。标准包括两方面：限值与测量算法。限值：国标要求低压380V谐波THD限值为5%，而EN标准对中低压网（35kV）电压谐波THD限值为8%。国标要求35kV、10kV系统按用户设备容量(或最小短路容量)来计算允许注入电网的谐波电流限值。测量算法：国标GB/T14549-1993电能质量：公用电网谐波，推荐采用3s平均法，对仪器的采样与计算周期没有明确规定。与谐波测量仪器有关的另一个国标：GB/T17626.7-1998电磁兼容试验和测量技术：供电系统及所连设备谐波、谐间波的测量和测量仪器导则，等同于IEC61000-4-7:1991。电磁兼容国标基本上与IEC同步。说明：电能质量分析与测量是一个相对较新而且发展迅速的领域，随着该领域研究的深入，IEC标准的修订与改变是相当大的。例如最近几年的变化：IEC61000-3-2:V2.1(或EN61000-3-2:A14)标准，规定了相应的谐波限值与统计方法。现在已更改为IEC61000-3-2:V2.2(或EN61000-3-2:2000)标准。IEC标准对测量仪器的谐波分析方法也有具体而明确规定。如目前的IEC61000-4-30:2003标准，谐波部分引用IEC61000-4-7:2002，闪变部分引用IEC61000-4-15。相应的测量方法，早期的IEC61000-4-7:1991标准要求仪器的谐波分析计算周期为16个周波。目前的IEC61000-4-7:2002标准，要求测量仪器谐波分析的计算周期为10个周波（50Hz系统）。最新颁布的谐波限值标准IEC61000-3-22005-11edition3.0，闪变限值标准IEC61000-3-32005-10edition1.2，已于2006年4月发表，将于2009年2月起执行。,有效值测量,有效值测量方法平均整流原理(MEAN)：正弦波：算术平均值为零。平均整流原理测量有效值：绝对值平均，乘1.11倍。问题：只适用于正弦波。,标准正弦波：,峰值为Im。,有效值测量方法-峰值检测法：标准正弦波：峰值与有效值的关系为1.414倍。以峰值检测电路测量有效值。,表示正弦波的幅度：有效值。DMM测量的电压、电流读数，就是被测物理量的有效值。标准电压220V，也是指供电电压的有效值。什么是有效值？,交流电流i通过电阻R在一个周期T内产生的热量与一直流电流I通过同一电阻在同一时间T内产生的热量相等，则称I的数值为i的有效值,（方均根值、有效值）RootMeanSquare，RMS,当,时,有效值：,有效值测量方法真有效值原理(T-RMS)：适用于正弦与非正弦波形例：128点采样值的有效值计算例：F1760电压有效值监测算法：10周期、2048个采样点计算一个RMS值。,平均整流原理与真有效值原理测量结果比较,电压有效值测量与评估：IEC61000-4-30与EN50160,IEC61000-4-30计算电压有效值时间间隔为：200ms(10周期)、3s、10min、2h。200ms有效值：由10周期内采样到的N个电压瞬时值作方均根计算。(每10周期间隔的要求：连续，无重叠)3s有效值：对3秒内的上述15个“200ms有效值”作方均根计算。10min有效值：对10分钟内的上述200个“3s有效值”作方均根计算。2h有效值：对2小时内的上述12个“10min有效值”作方均根计算。,EN50160监测与评估例：230V系统电压，时间为7天。每10个周期(200ms)计算一次RMS电压，由连续、无重叠的“200ms有效值”作方均根计算得“10min有效值”。7天共有168小时x6=1008个“10min有效值”95%的读数（958个数据）必需在额定值10的范围之内，不能有读数高于额定值10%或低于额定值15%。因此，最多有5%的读数（50个数据）可能会低于207V，但不会低于195.5V。,“10min有效值”不得超出该范围,7天的有效值数据，95%必需在此范围之内。,国标电能质量供电电压允许偏差GB12325-9010kV及以下三相：7%。220V单相：+7%，-10%。,国标电能质量公用电网谐波GB/T14549933s平均、95%概率。,3s有效值,200ms有效值,10m有效值,2h有效值,F1750：电压有效值(10min)监测结果,电能质量：IEC标准,IEC61000-4-30:2003“Electromagneticcompatibility(EMC)Part4-30:TestingandMeasuringTechniquesPowerQualityMeasurementMethods”“测试和测量技术电能质量测量方法”IEC61000-4-7:2002“TestingandMeasuringTechniquesGeneralGuideonHarmonicsandInterharmonicsMeasurements”“测试和测量技术谐波和间谐波测量的通用指导”IEC61000-4-15:2003“TestingandMeasuringTechniquesFlickermeterFunctionalandDesignSpecifications”“测试和测量技术闪变仪功能和设计指标”EN50160:1999“VoltageCharacteristicsofElectricitySuppliedbyPublicDistributionSystems”“公用配电系统供电特性”,IEC61000-4-30:2003定义的12个电能质量测量参数：频率供电电压幅值闪变供电电压骤降和骤升电压中断瞬态电压供电电压不平衡电压谐波电压间谐波供电电压上的信号电压快速的电压变化欠偏差和过偏差参数的测量,IEC61000-4-30：电能质量测量方法概述(1),1、电源频率测量A级：每10秒钟获得频率读数。在10s间隔内，电源频率可能不恰好是50Hz，因此周期的数量可能不是整数。基波频率测量结果是在10s内所计的完整周期数量除以完整周期的时间。f=n/T。测量时间间隔应无重叠。删除10s内重叠的单个周期，在一个绝对10秒钟时钟上(50Hz系统为20ms)开始每个10秒钟间隔的测量。测量不确定度不应该超过0.01Hz。B级：制造商应该指出用于频率测量的过程。2、供电电压幅值A级：每10周期时间间隔计算电压有效值。注1：该测量方法用于准稳态信号，不用于检测骤降、骤升、电压中断和瞬变等干扰信号。注2：该有效值测量方法也用于谐波、间谐波、电源信号等的计算。A级测量不确定度不应该超过Udin的0.1%。(B级为0.5%)3、闪变电压骤降、骤升和中断，将对Pst和PIt值进行标记。4、供电电压不平衡10周期时间间隔，使用对称分量法计算基波正序分量、负序分量及零序分量。要求：使用滤波器或者通过离散傅里叶变换（DFT）算法将谐波的影响降至最小。测量不确定度：小于0.15%。例1.0%负序，仪器提供的读数x为0.85%252kV()分别指断路器变电所侧和线路侧。,内部培训讲座,电参数计算与电气测试,变频调速系统的测量,例：交-交变频控制,输入为恒定电压与恒定频率,输出为可变电压与可变频率,电机端电压与电流波形：严重的高频噪音电磁兼容问题5、7次谐波电流,有功功率与功率因数监测,整流部分逆变部分,调速电机（电网侧）：有功功率按需调节基波功率因数高5次、7次谐波电流,F190：变频器测量,变频调速装置输出电压有效值的测量,平均整流原理、真有效值计算有效值：RMS，平均值：Mean。（MEAN：传统的整流型平均值测量原理，有效值为平均值的1.11倍）两种测量原理所得结果的差别与意义正弦波测量，有效值计算结果相同。畸变波形测量，有效值结果不同。仪器的测量带宽影响真有效值计算结果。真有效值可以准确反映电压与电流实际的热效应对于电机控制器，正弦波PWM类型的功率变换器：使用平均整流方法来计算有效值因为MEAN有效值更合适地反映了驱动电机的输出转矩（MEAN有效值更最接近基波有效值）,例：实际值为144V的变频器输出电压,用不同的仪表测量：结果变化很大，从154V到1001V。原因：各仪表具有不同测量带宽，对输入信号的不同频段计算RMS值。,变频调速装置输出电压：波形及频谱,F199C测量结果：144V,F41B测量结果：143V,F41B测量结果：143V,变频器设定：144V,F190计算方法,变频调速装置输出端的测量仪器,可用于PWM电压有效值测量的仪器及计算原理F87V：滤波法测量基波RMSF190：计算MEAN值F43B：滤波法，以及FFT分析基波RMS值（基频范围）F434：滤波法，以及FFT分析基波RMS值（基频范围）N4000：计算MEAN值，以及FFT分析基波RMS值N5000：计算MEAN值，以及FFT分析基波RMS值,调速电机PWM电压的正确测量,正弦PWM,正弦PWM情形：“校正平均值”与基波电压有效值基本相同。,新型变频电机非正弦PWM：矢量控制方式,非正弦PWM情形：“校正平均值”不再与基波有效值相等，需要准确测量电压波形的基波分量。,F87V,对功率因数测量结果的影响：有功功率：视在功率：功率因数：选择不正确的电压有效值测量方法将得到不正确的功率因数测量结果,变频调速装置综合测试,概要,应用,测量变频器输入电压、电流、功率、功率因数、谐波。监测电源的电压骤降等电能质量现象。测量电机控制器内部信号。测量电机控制器输出电压、电流。（综合测量内容：电动机三相电压、电流、工作温度，有功功率、功率因数、额定功率、机械功率、负载率、电机效率）,节能效果检测（有功功率与电能测量）、功率因数测量、电磁兼容评估。电动机与运行负载不匹配，常称为“大马拉小车”。负载周期性变化，而电动机却始终以一定转速出力。电动机的非经济运行直接的结果是造成了电能的大量浪费，给电网络带来了不必要的负担，增加了电能在传输过程中的损耗。节能控制器：使电动机工作在高功率因数、高效率的状态。观测IGBT变频器等高压高速开关设备的波形时，要求测试仪器通道间绝缘，高带宽，耐压水平高。电参数、能量转换效率精确分析。,电网侧电压与电流波形,电机端电压与电流波形,功率因数、最大需量与电费,供电局对工业用户的电费计算方法：1、基本电费：由最大需量决定(Peakdemand)2、电度电费：由实际用电量计算(kWh)3、功率因数调整电费：按平均功率因数增加或减少(PF),负载曲线，最大需量,负载工况,F43B、F434：真功率因数，PF基波功率因数，DPF最大需量记录功能,最大需量：连续测量的15分钟或30分钟kW读数的最大值,真功率因数低，基波功率因数低。两者基本一致。感性负载。电容器无功补偿，提高功率因数。,真功率因数低，基波功率因数高。因谐波引起，治理谐波提高功率因数。,负载工况,例：物价局功率因数调整电费方法：对于0.9标准的用户，如实际功率因数为0.65，则月电费增加15%。如实际功率因数为0.95以上，月电费减少0.75%。,Head=VARs,Beer=Watts,Glass=VA,视在功率：S=UI，电气设备的功率设计极限值，或设备的最大可利用容量。由额定电流（与导线截面积和铜损发热相关）及额定电压（与电气绝缘相关）决定。功率因数：PF=P/S，反映了电力的利用率。,基本电费+电度电费+功率因数调整电费,两瓦特计法：三相三线制系统,三相电路有功功率的测量1、单表法，测量三相负载有功功率：P=3P1可以用于三相四线制、对称负载2、两表法，测量三相三线制有功功率P=P1+P2仪器测量线电压与线电流单个功率表的计算结果P1或P2没有任何物理意义即使在三相平衡系统中，P1与P2测量结果一般也不相同只有在纯阻型负载情况下，P1=P2P1或P2其中之一有时为负值总功率P为两者的代数和。可以用于三相三线制、对称或不对称负载3、三表法，测量三相四线制有功功率P=P1+P2+P3三相四线制负载一般为不对称负载。,两表法：三相功率,两表法：三相功率（U13、I2不参与功率计算）,两表法：单个功率表P1、P2没有物理意义,直流耦合与交流耦合,AC耦合测量输入信号中AC分量，不包含直流分量。例：当测量一个峰值为2V的正弦波信号的均方根值时，测量结果显示为幅值约1.4V的直流波形。,DC耦合（AC+DC）,测量输入信号中AC与DC成分。例：当信号为一个2V峰值的正弦波叠加一个1V的直流信号，测量该信号的均方根值时，测量结果显示为幅值约1.7V的直流波形。,F189：ACDC测量结果,输入耦合电路示意图:,输入耦合和频率特性,AC耦合：低频信号和低频成份不能采样到。,N4000/5000：输入耦合方式的选择,波峰因数：CF,CF=1.43CF=2.39CF=4.68,电流峰值与CF：,仪器测量峰值电流的范围测量CF值的能力：3，6，10,F434：CF测量范围高达10。F189：CF测量范围可达6。,波形与CF测量实例：,直流纹波测量,F345：RPL：交流电压RMS值与直流分量的百分比。测量带宽：DC，10Hz至1kHz。,概要,应用,高频开关电源、变电站直流电源设备、UPS等要求检测直流电压的纹波系数。充电机：新型蓄电池对充电机的直流纹波指标提出了更高的要求。交流纹波频率一般为50Hz、100Hz等，通常的DC分量测量仪表不能准确检测出纹波系数。,F345给出直流纹波含量测量结果,功能独特的F345,F192：RippleVoltage直流纹波电压测量。案例：新加坡某炼油厂，以6脉冲整流电路将交流电转换成直流，对电池充电供应UPS并给安全自动装置提供电源。要求：稳定的直流电压故障现象及原因：充电机的晶闸管损坏，输出电压纹波高达4V（峰-峰值）。解决方法：更换故障器件，纹波电压降至0.5V（峰-峰值）。,故障：输出电压纹波高达4V,纹波电压降至0.5V,采用IGBT晶闸管的UPS：充电、电池及逆变,变频驱动系统综合测试：EV行业应用,概要,应用,电动汽车（EV）行业以直流电源驱动交流电机工作，电能转换至机械能的过程，追求高效率控制。如：DC/AC转换效率95%以上，电能/机械能转换效率90%以上。能耗及工况检测要求精确的综合测试系统。,N4000、N5000：高带宽：10MHz，高精度：0.1%具有36路测量输入，可同步记录最多4台电机的转矩（M）、转速（n）及机械功率（Pm）一台仪器完成EV驱动系统综合测试。所有输入通道均进行了电气隔离，以免在任何使用中发生短路。以太网、USB2.0接口，用户可以利用PowerView软件进行计算机数据通讯与处理。,DCInput,电动汽车驱动部分测试现场,微小电机的测量,概要,应用,N4000、N5000直接输入的最小电流量程为30mA，最小电压量程为300mV。带宽DC至10MHz，趋势记录功能内存标配为4M，可扩至128MB,航天航空领域：高速微电机的工作电流曲线、有功功率曲线分析（陀螺寿命测试）。可同时完成多台微电机的质量检验。小功率家用电器领域：电能消耗检测。,电流、有功功率监测曲线,内部培训讲座,手持式示波表通道隔离示波器、万用表与记录仪,F190F123F124F125,通道隔离：适合复杂的工业现场情况,示波表的带宽、采样率与真实带宽,数字示波表结构模拟带宽：前置放大器的带宽模拟低通滤波器抗混叠滤波器数字带宽：AD采样率数字低通滤波器有效数字带宽真实带宽：模拟带宽与有效带数字宽，取最小值F199CF196CF199BF196BF192BF124F123模拟带宽200M100M200M100M60M40M20M最大A/D采样率2.5G1.0G2.5G1.0G500M25M25M,示波表：DMM功能,高精度毫安型过程电流钳表F771测量变送器的4-20mA输出信号，无需断开回路。0.2%的高精度。0.01mA的分辨率。,F771,F287/289电流测量,由输入通道特性决定的模拟带宽,例：50MHz的方波信号在各不同带宽示波器上的显示结果。,20MHz示波器：波形测量错误。幅值也不正确。,100MHz示波器：丢失了较多的高频分量。上升时间比原始波形要慢很多。,150MHz示波器：显然丢失了高频分量。上升时间比原始波形要慢一些。,500MHz示波器：波形再现最好。反映了更多的高频分量，信号的上升时间测量更准确。,原因：方波信号中包含的频率成分至少是基波频率的10倍。示波器的带宽越高，波形再现越准确。,模拟带宽：决定了输入信号的频率范围，即可以准确测量的最大频率分量。,F180系列数字万用表：100kHz带宽,F199C示波表：200MHz带宽,由采样率决定的有效带宽,选择采样率时，有几个矛盾的因素要考虑，这些因素包括：采样应尽可能快，以提高波形测量的精度采样应尽可能慢，以增大波形记录的时间采样应快到能完整捕获所分析频带内的所有信息采样应慢到输入信号不受噪声的影响因此，应该根据具体的应用情况选择合适的采样频率。此时设定的采样频率决定了此次测量的有效带宽。,真实带宽：模拟带宽与有效带宽取最小值,DSO的带宽数字示波器用两个指标来代表其最大测量带宽：模拟带宽与最大采样率。DSO的模拟带宽，由输入通道的技术指标决定。DSO的最大有效带宽，由最大采样率决定。,有效带宽可以表述为：,采样率的选择,F123：模拟带宽20MHz最大采样率25MS/s,F199C：模拟带宽200MHz最大采样率2.5GS/s,A/D采样的混叠现象,输入信号(红色)的频率f大于fs/2测量结果：混叠信号（蓝色），频率为fs-f,对模拟信号进行A/D采样，将出现混叠现象。简单地说，混叠现象会产生错误的信号，而测量仪器如果对这些错误的信号进行处理，就会得到不正确的结果。,原始输入信号,实际上不存在的低频信号,采样点,解决方法,选择合适的采样频率，fs2fmax加抗混滤波器，fcfmax,国标对谐波测试的抗混叠要求：f7850Hz，幅值衰减至20%以下,问题,如何从抽样信号中恢复原连续信号？在什么条件下才可以无失真地完成这种恢复作用？,“奈奎斯特采样定理”作出了明确而精辟的回答。Nquist1928年提出的。,采样率低于输入信号的频率时，带来两个问题：输入信号中的高频分量不能测量更严重的是，将会把高频信号计算成为低频分量,F1760的频率特性,低通滤波器,一阶低通滤波器的频率响应,低通滤波器：截止频率,低通滤波器截止频率位于-3dB处的意义,例如：100MHz正弦波输入到一台带宽为100MHz的示波器中，示波器的测量结果：幅值将衰减-3dB，约为原始信号幅值的70%。,图a理想的抗混叠滤波器,图b实际的抗混叠滤波器,理想的低通滤波器：理想的低通滤波器应该具有如右边图a所示性能，在截止频率内的信号可以无衰减通过，高于截止频率的信号不能通过。但实际上这样的滤波器做不出来。实际的滤波器实际的滤波器如图b所示。由于实际低通滤波器的性能，采样频率应该取在截止频率的2.5倍以上，才能消除低频混叠现象。例如：为了测量带宽为100kHz的信号，采样频率应该设为250kHz，而不是奈奎斯特采样定理所表明的200kHz。在这个例子中，截止频率fc设为100kHz，采样频率fs设为250kHz。以保证频宽从DC到100kHz都没有混叠现象。,F190系列的采样率高达2.5GS/s!,消除混叠现象,FFT与谐波分析,专业术语（名词）傅立叶变换、频谱分析、谐波分析、DFT、FFT、时间域、频率域时域分析：波形的光标测量，各通道波形的算术运算频域分析：线性频谱、功率谱等傅立叶级数：1811年，法国数学家傅里叶（J.Fourier,1768-1830）在研究热传导理论时发表了“热的分析理论”著作，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。离散傅立叶变换，即DFT。快速付立叶变换：1965年，柯立杜开（Cooleg-Tukey）研究DFT算法后，发表了一个新的计算方法。柯立杜开巧妙的利用了复指数函数的周期性和对称性，充分利用中间运算结果，使计算工作量大大减少了。该法称为快速付立叶变换法，即FFT。,频谱分析原理,任何波形都可以由多个正弦波叠加而产生。,时间域信号的波形实例该信号可以由两个不同频率的正弦波叠加而成。,频谱分析,谐波频谱分析,谐波分析结果,频谱分析原理,时域与频域之间的关系,右图形象地反映了时域与频域之间的关系,图a)为时间、频率与幅值之间的三维关系。图b)为时域图。图c)为频域图，其中每条线代表了一个正弦波。,频谱分析示意图,频谱分析方法,在60年代FFT出现之前，频谱分析的模拟实现方法如下所示。右图a为对同一输入信号采用一组并联的带通滤波器。带通滤波器组的输出幅值就得出了图b所示的频谱分析结果。,频谱分析仪是滤波器的组合，频谱分析结果为一组具有不同中心频率的带通滤波器组的输出。,带通滤波器的中心频率：f0滤波器的带宽：f2-f1带通滤波器的高低端截止频率：f1,f2,FFT分析的优点,右图中，从时间域波形图上看起来就是一个正弦波，无法观察到其中包含的幅值较小的其他信号成分。但从频率域图可以明显分辨出其中的小信号成分来。,FFT相位分析结果的重要性,FFT分析的优点,频谱分析或谐波分析结果中，不仅有幅值频谱，还有相位频谱。下图显示出，由三个正弦波合成的波形，如果移动其中一个高频正弦波的相位，则合成波形与原始波形的差异就非常大。,IEC谐波标准对A类测试仪器的谐波相位测量误差有相关精度要求。,典型信号的频谱,正弦波、方波、暂态过程、脉冲信号的频谱。,FFT的应用,线性频谱应用实例：固有频率分析,例：桥梁的自振频率测量等,列车通过大桥时，桥梁墩台的振动波形及其功率谱与幅值谱分析结果,例：空调机室内噪音的功率谱分析及简单噪声源的定位,主要噪声源出现在110Hz处,所有型号的190C彩色示波表都包括基于快速傅立叶变换（FFT）的频谱分析功能。这就使得用户识别信号中的个别频率成份成为可能。利用频谱分析功能，还可以揭示振动、信号干扰或串扰的影响。自动的窗口函数能确保最佳的加窗，当然，用户也可以手动选择更适合的时间窗。,FFT分析时间与窗函数(1),FFT为什么要加窗函数？泄漏：对有限点数的波形数据作FFT分析与对原始信号的分析结果存在差异。对波形的截断产生了泄漏问题。使用窗函数可以减少泄漏。,时间窗的影响FFT计算基于周期信号，即假定信号一直是重复性的。,对于暂态信号没有问题。但是，如果信号是连续信号，例如正弦波的情况，FFT分析时数据块的选取就有问题了。如下图所示，实际信号是连续正弦波，如果精确地选定FFT数据块的起点和终点，该取出的数据块能匹配原始波形，分析结果准确。,FFT分析时间与窗函数(2),通常情况下，对于周期性的原始波形，取出的数据块很难保证其原始的周期性。如下图C所示，FFT分析结果将认为此波形不是正弦波，而是严重畸变、包含很多频率成分的波形。实际原始波形（图a）的频谱结果应该是一条单线，但从图b的数据块计算得出的FFT频谱将完全不同。,例：实际的测量结果。图a的波形数据块选择保证了信号的周期性，其分析结果（图b）是正确的。图c的FFT分析结果为图d所示，功率扩散到整个频谱段，泄漏非常严重。,FFT分析时间与窗函数(3),加窗函数后的结果,使数据块的起点与终点数值接近于零，保证数据块对于原始波形的周期性。,实测结果表明，窗函数有效地减少了泄漏现象。,FFT分析时间与窗函数(4),如何选择窗函数？,对于连续信号，汉宁窗有很好的分析结果。然而，对于暂态信号的FFT分析，不能使用汉宁窗或平顶窗。如下图所示，汉宁窗反而丢失了暂态现象的一些特征。,分析暂态过程应该使用矩形窗。矩形窗相当于FFT数据块的选取过程加了幅值为1。下图a为暂态过程不加窗时的正确结果，显然，暂态现象中能量应该分布在很宽的频域上。下图b为暂态过程使用汉宁窗的情况，结果看起来更像是一个正弦波的频