第六章 电磁参数的测量

1、西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 第六章第六章 电磁参数的测量电磁参数的测量 1 电压、电流、功率的测量电压、电流、功率的测量 2 频率的测量频率的测量 3 相位差的测量相位差的测量 4 波形参数的测量波形参数的测量 5 阻抗测量阻抗测量 6 磁参数的测量磁参数的测量 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 电压的测量电压的测量 电压的等级：高压、中压、低压电压的等级：高压、中压、低压 分压器、电压互感器、放大器分压器、电压互感器、放大器 电电磁磁力力指针，模拟指针电压表指针，模拟指针电压表 电电ADC 数字，数字电压表数字，数字电压表 西北工业大学自动化学院电气工程系-

2、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 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：峰值变换器：峰值-有效值。波峰系数波峰系数 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：平均值变换器：平均值-有效值。波形因数波形因数KF=有效值/ 平均值，对于正弦波KF=1.11 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：有效值变换器

3、：有效值变换电路。 特点：受波形影响较小，成本高受波形影响较小，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：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：电压互感器： 与功率变压器的区别：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-1 22222 0121i i 0 1 () N S rmsn T Uuuuuu T

4、 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 电流的测量电流的测量 直流：分流器、霍尔效应直流：分流器、霍尔效应 交流：互感器、霍尔效应等交流：互感器、霍尔效应等 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：常用的方法： 串电阻与分流器法：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

5、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：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。 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10 VA或5VA） （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

7、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）功率的测量（有功、无功、视在功率） 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）功率变换器）功率变换器 （2）计算机采样计算法）计算机采样计算法 0121 S n T PPPPP T （） 瞬时功率有正有负瞬时功率有正有负 西北工业大学自动化学院电气工程系

8、-电气测试技术 频率的测量频率的测量 计数法测频原理计数法测频原理 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。 t N f 2 x NN ft tt t t N N f f x x 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）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

9、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 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 0 NTTx NTNTTx 00 0 0 T T N N T T x

10、x 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）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 加在其上面，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

11、界点，即中界频率问题。 x x T f 1 x x x x T T f f 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。 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 )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 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 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 波形的测量波形的测量 失真度、偏离系数、电压尖峰失真度、偏离系数、电压尖峰 （1）失真度测量（）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

14、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。 %100 1 2 2 U U n n 1 2 2 2 n n n n U U 2 1 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

15、不是 1 2 n n UU 2 2 n nk UU %100 U U k 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 频谱分析频谱分析 （1）数字式频谱分析仪）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

16、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= 1 max 1 max 100% xii uu u 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：测试方法： 设备：示波器或高速数据记录仪设备：示波器或高速数据记录仪 触发方法：触发方法：预设电平单次触发单次触发。 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 阻抗的测量阻抗的测量 实际

17、应用传感器的输出很多为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。测量方法：伏安法、电桥法、谐振法。 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 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 谐振法： c IE1 U j CZ j C nn 1 z= R, L= C 11 =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 2 nN 1 L

18、C 2 nN 1 C L 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： 单臂单臂 半桥半桥全桥全桥 西北工业大学自动化学院电气工程系-电气测试技术 电压源供电： 12 1234 31 AB11AD23 1234 1423 ABAD 1234 EE I;I ZZZZ ZZ UI ZE;UI ZE ZZZ