银河AnyWay宽带功率测试系统产品构成.docx

1、银河AnyWay宽带功率测试系统产品构成银河AnyWay宽带功率测试系统产品构成一、系统构成AnyWay宽带功率测试系统是湖南银河电气有限公司依托国防科技大学在多年从事电机试验及测试技术研究的基础上，遵循IEC及相关电机试验国家标准，为解决电机试验的宽频率范围、宽幅值范围及低功率因数等测试要求而研制的。系统由宽带功率传感器及宽带功率分析仪构成，宽带功率传感器在传感器内部即将被测信号数字化，并以光纤为介质将数字量上传至宽带功率分析仪，宽带功率分析仪对数字量进行分析、运算并以数值、图表、波形等方式显示被测参量信息。每个宽带功率传感器之间通过光纤通讯实现同步采样，应用更加灵活，评测更加准确。For

2、personal use only in study and research; not for commercial use国际电工委员会规定的基本原则“所有仪表和测量装置的误差都必须进行实际测量，未经测量，仅是以其它测量中计算出来的和引用电压、电流和功率因数组合的误差，不能作为评价装置基本误差的依据”。经独立计量检定的高精度电压、电流传感器与高精度的功率计组合在一起，功率测量精度不一定高，原因是：1）未作检定的电压、电流传感器的相位指标可能影响测量结果；2）传感器与功率计之间的接口可能存在匹配问题；3）传感器与功率计之间的传输环节可能带来损耗或引入干扰。AnyWay宽带功率测试系统通过以下

3、方式保证检定结果与实际应用的一致性。首先，被评测系统与采用标准传感器和仪表构成的系统同时测量标准功率源输出的电压、电流和功率，进行直接比对，实现检定。减少系统构建过程中的不确定因数。其次，传感器与分析仪之间，采用光纤数字通讯，传输环节不会受到干扰，影响精度的只有传感器一个环节。只要连接正确就能发挥系统应有的性能指标。二、工作原理电压、电流信号经传感器内部感应器件变送后变为低电压信号，该信号经过抗混叠低通滤波器后，在CPU的干预下进行自动或手动量程转换，量程转换后的电压信号直接进入AD转换器和频率测量电路，电流信号经过相位补偿进入AD转换器和频率测量电路，在CPU干预下自动或手动选择电压或电流信

4、号为同步源。CPU将采样信号通过光纤收发器与分析仪进行通讯。分析仪采用工业嵌入式计算机CPU作为运算处理器，采用FPGA作为实时通讯控制器，在FPGA的同步逻辑控制下与多个传感器进行通讯。由于CPU采用Windows操作系统，该操作系统为非实时操作系统，为了保证高速采样的实时性，FPGA设置了256kByte的高速缓存。CPU从FPGA获取数据经DFT及相关运算，通过屏幕显示电压、电流的真有效值rms、基波有效值h01、校准平均值Mean、算术平均值Avg等稳态幅值特征量；电压、电流对应的平均功率Avg、基波有功功率h01等功率参数；099次谐波的幅值和相位等频域特征量及实时波形等。三、传感器

5、特点1）前端数字化前端光纤传输具有很强的抗干扰能力，在变频器、整流器等强电磁辐射场合，系统的精度不会受传输线路及现场干扰的影响，安装要求低，测试精度高。由于在传感器内部就将被测信号数字化，没有信号传输环节的损失与干扰，并方便网络化、智能化应用。同时光纤传输具有很强的抗干扰能力，在变频器、整流器等强电磁辐射场合，系统的精度不会受传输线路及现场干扰的影响，安装要求低，测试精度高。2）宽幅值范围内的高精度测试电机试验测试对幅值范围的要求：1.3倍过电压试验与低频堵转试验，同步电机的过载试验与空载试验，不同电压等级，不同功率等级的电机试验等，对幅值测试范围提出了苛刻的要求。 传统工频互感器测量采用原边

6、或副边换挡的方式保障宽范围测试精度。变频测试目前尚无副边换挡传感器，而原边换挡需要的变频大电流开关制造困难，价格昂贵。 AnyWay宽带功率传感器的电压、电流传感器均在内部设置了8个量程，传感器根据测试结果进行自动无缝量程转换，用户无需关注量程信息。以SP*C型传感器为例，内部8个量程均按0.1级准确度配置，电压在0.75%150%额定值范围内，电流在1%200%额定范围内，读数的相对误差小于0.2%。3）宽频率范围内的高精度测试电机试验测试对频率范围的要求：直流、低频、工频、变频至中频电机等不同频率电机试验；低频堵转及超速试验；谐波测试分析试验等等，对测试系统的基波频率范围及测试带宽提出了苛

7、刻的要求。目前部分宽频功率分析仪的带宽高达1MHz甚至更高，但是，用于变频测试的传感器带宽普遍较低，以霍尔电压传感器为例，其带宽大多在15kHz以内，3000V以上传感器的带宽普遍低于2kHz，传感器的带宽决定了整个测量系统的带宽偏低。AnyWay宽带功率传感器有效测试带宽为100kHz，最高采样频率250kHz。满足变频电机试验国家标准的最高带宽要求。AnyWay宽带功率传感器适用直流、低频、工频、变频至中频电机试验的电参数测试；适应正弦波、叠频波、PWM波等试验电源供电的电机试验的电参数测试；全频段测试精度满足电机试验国家标准要求。4）宽相位范围内的高精度测试电机试验测试对相位范围的要求：

8、电机空载试验，同步电机零功率因数试验等，相位变化范围宽，宽相位范围的功率测试对测试设备的相位误差提出了苛刻的要求。AnyWay宽带功率传感器将相位指标作为主要的精度指标，以50Hz为例，AnyWay的SP*C系列宽带功率传感器的电压、电流之间的最大相位误差为0.5，常用的0.2级互感器的最大相位误差为10。以下是两者在功率因数为0.021时对功率测量的附加误差的对比曲线图。由图可知，SP*C系列宽带功率传感器在功率因数为0.02时，功率附加误差仍小于1%，0.2级互感器在功率因数为0.02时，功率附加误差接近15%，功率附加误差为1%时，对应功率因数为0.28。对于通常用于变频测试的霍尔传感器

9、而言，其相位指标不明确，实际测试表明(见下表)，应用于50Hz的标准正谐波测试时，某高精度功率分析仪（表中称A123）在功率因数为0.02时，直接测量的功率误差为-1.54%，外接某款霍尔电压传感器（表中称U4000）后，功率测量误差变为66.69%。而采用SP332102C的AnyWay宽带功率测试系统（WP4000）的功率误差均小于1%。5）基波有效值作为基本测量模式变频器的输出的PWM电压波形含有大量的高次谐波，而电动机转矩主要依赖于基波电压有效值（H01，即一次谐波）。因此，电机试验需要测量的电压值，以及变频器上指示的电压值都是指基波电压有效值。目前，关于变频电机的试验标准较少，IEC

10、60349-2:2002电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机-第2部分：电子变流器供电的交流电动机中已明确指出：电压测量采用基波有效值。校准平均值（MEAN）在理论上等于正弦波的真有效值，等于正弦调制PWM波形的基波有效值，且实现简单；因此，MEAN在许多仪器仪表中用于替代正谐波的有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的测量。但是，近年来，变频调速技术日新月异，非正弦调制PWM的应用越来越多，而且，变频器用户通常并不了解自己的变频器采用何种调制模式，MEAN值在PWM测量中局限性越来越大。AnyWay在高速采样基础上，对采样信号进行频谱分析，实时运算被测信号的基波有效值（H01），

11、该方式适用任意调制方式的PWM信号及其它任意正弦、非正弦信号的有效值测试。将基波有效值测试作为基本测试模式，同时，提供真有效值（RMS）、校准平均值（MEAN）、整流平均值（RMEAN）、算术平均值（DC，主要用于直流测量）等测量模式供用户选择。四、传感器技术指标SP*C型系列传感器的技术指标项目指标条件最高采样频率250kHz电压测量精度H01/RMS/MEAN/AVG读数的0.2%幅值0.75%150%UN基波频率DC，0.1Hz200Hz电流测量精度H01/RMS/MEAN/AVG读数的0.2%幅值1%200%IN基波频率DC.0.1Hz200Hz频率测量精度读数的0.1%0.1Hz20

12、0Hz 功率测量精度读数的0.5%功率因数0.21基波频率0.1Hz200Hz读数的1%功率因数0.050.2基波频率0.1Hz200Hz电压过载时间10分钟UN U1.5UN电流过载时间3分钟IN I2IN隔离电压2UN+1kV50/60Hz，1分钟五、传感器选型AnyWay宽带功率传感器命名规则以SP 103 202 C宽带功率传感器命名为例：SP为AnyWay宽带功率传感器识别符；103和202分别表示传感器的额定电压(UPN)及额定电流(IPN) ，参照科学计数法，采用10的n次方的形式，其中前两位数字为底数，第三位为指数。即103表示UPN为10kV，202表示IPN为2000A。

13、AnyWay宽带功率传感器的电压有效测试范围为0.75%150%UPN，电流的有效测试范围为1%200%IPN。C表示精度，定义如下：D：电压、电流精度为读数的0.5%，功率精度为读数的1%C：电压、电流精度为读数的0.2%，功率精度为读数的0.5%B：电压、电流精度为读数的0.1%，功率精度为读数的0.2%即SP103202C表示该传感器的电压、电流精度为读数0.2%，功率精度为读数的0.5%；额定电压UPN为10kV，额定电流IPN为2000A；电压有效测试范围为75V15kV；电流有效测试范围为20A4000A。 AnyWay宽带传感器的测试范围已经考虑了电机试验中1.3倍过电压试验及2

14、倍电流过载(小功率电机电流过载能力可能要求更高)试验要求，因此用户选型时，只需考虑被试电机中最高电压等级电机的额定电压及最大电流电机的额定电流即可。六、分析仪特点1）支持任意峰值因素峰值因数(CF)是波形峰值和RMS值的比率，如正弦波的峰值因数为1.414。不同的波形，有不同的峰值因数。对于同一台变频器输出的PWM波，基波电压有效值越低，峰值因数较大。一般仪器当峰值因数较大时，需人为选择较高的量程，以提高峰值测试能力；量程过小，会造成错误的测试结果；量程过大，又会降低测量精度。AnyWay产品根据瞬时值，自动选择最佳量程，支持任意波峰因数波形的测量，除了适用各种电机试验测试外，还可用于冲击电压

15、、电流、分断电压、电流等的测试。2）根据电机试验特点设计的多种平均方式电机试验过程中，电压、电流、功率等的读数会有不同程度的波动；试验记录需要相对稳定的读数，为此，部分仪器仪表设置了平均功能，使读数稳定。读数的稳定程度与平均时间及信号变化的规律有关，一般而言，平均时间越长，读数越稳定。另外，平均时间与信号变化周期越吻合，读数越稳定。显然，理想状态是响应快，读数稳。为了解决快与稳的矛盾。AnyWay产品除了设置了常用滑动平均和指数平均等方式外，在研究电机试验信号变化规律的基础上，增加了AnyWay独有的智能平均模式。滑动平均：最真实、最全面平均模式。即将平均时段内的所有数据采用同一加权系数1进行

16、平均。指数平均：指数平均有累加效应，理论上，之前所有时间内的信号大小都会影响输出，随着时间的推移，之前信号的影响逐渐减弱，影响最大的是当前的信号。智能平均：智能平均是滑动平均的变通应用。在滑动平均中，平均的点数固定。智能平均则根据信号波动的规律，自动选择平均点数，使平均点数与信号变化周期尽量相符，从而达到减少平均点数、提高平均结果稳定度的目的。3）根据电机试验标准计算的多种谐波特征“谐波分量是对周期性交流分量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。”也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整倍数。用于表征谐波含量的特征量有多种，常用特征量可通过谐波分析设备分析获

17、取，电机试验需要的部分特征量，一般需要采用谐波分析设备结合专用软件实现。AnyWay宽带功率分析仪谐波分析功能除了列举各次谐波的幅值、相位以满足常规需要外，参照IEC、DIN及常用电机试验标准，通过分析运算直接给出这些特征量。七、分析仪配置项目子项目WP4000功率单元输入接口光纤接口基本配置2最大配置6同步测量采样时钟同步常规测量主要测量参量U、I、P、F、cos有效值RMS测量基波有效值H01测量校准平均值MEAN测量频率同步电压、电流自动选择直流AVG测量基波相位角谐波分析DFT实时波形双通道试验电源质量分析谐波失真THD（IEC标准）谐波含量HC（DIN标准）波形畸变率K（%）谐波电压

18、因数HVF电话谐波因数THF（%）相间不平衡度正序分量、零序分量、负序分量分辨率电压、电流、功率9999频率99999人机界面显示器800X600输入软键、快键键扩展大屏幕输出（VGA）数据交互移动存储U盘（4G）RS232/RS485LANWLAN可选八、应用领域电机试验测试1、电压、电流幅值范围宽2、电压、电流频率范围宽3、电压、电流相角范围宽4、电磁干扰大变频器试验测试1、谐波频率高，基波频率低2、效率高，效率评测时对测试精度要求高变压器试验测试1、空载电流小，电流幅值范围宽2、空载功率因数低，相角范围宽九、技术背景电机技术进入变频调速时代，对测试设备提出了全新的要求从19世纪20年代至

19、19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。从20世纪初至20世纪70年代，是电机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电机、同步电机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电力电子技术的发展，实现变频驱动的实用化。从20世纪70年代至20世纪末期，电力电子技术和计算技术的高速发展为电机的高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21世

20、纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。电机试验为电机设计、质量检验等提供必要的数据支撑，其测试数据的正确性和准确度是验证设计及保证质量的前提，试验站的能力和形象成为企业设计能力和产品品质的重要象征。新的产品、新的试验方法，尤其是采用变频电源供电的变频电机试验，对电机试验主要参量电压、电流、功率等的测试提出了新的挑战。1）电磁干扰对测试的影响电磁干扰对测量结果的影响程度是相对于信号而言的。高电压、大电流信号允许有较大的干扰，而低电压、小电流信号，对干扰比较敏感。传统机组供电试验时，干扰较小，而所用的互感器输出电压较

21、高（一般为100V）、电流较大（一般为5A），抗干扰能力较强。变频器供电试验时，变频电机试验现场，开关器件的频繁开、合，对周边线路及设备产生较强的电磁干扰。而所用的有源传感器如霍尔传感器等输出电压较低（峰值在15V以内）、电流较小（一般小于500mA），抗干扰能力较差。与机组供电的工频测试相比，变频测试时，一方面干扰源加大，另一方面传感器抗干扰能力减弱，此消彼长，如何解决测试中的干扰问题成为变频测试的公认难题。2）宽范围测试的量程转换电机试验测试对幅值范围的要求：1.3倍过电压试验与低频堵转试验，同步电机的过载试验与空载试验，不同电压等级，不同功率等级的电机试验等，对幅值测试范围提出了苛刻的要

22、求。以永磁直驱风力发电机为例，一台2MW的电机，额定电流是1834A，过电流试验中，电流达2750A，而空载试验时，最低频率点的电流仅10.5A。即同一台电机的试验测试中，最大电流是最小电流的262倍。 一般而言，传感器和测试设备在量程值附近，测量精度最高。电机试验国家标准GB1032-2005指出，在选择测试设备时 ，“应尽量按实际读数的需要，选择低量程仪表”。工频测试时，为了满足宽范围内的高精度测试，一般采取多组互感器，通过开关切换实现档位转换，对不同大小的信号采用不同量程的互感器进行测量。根据测试范围的要求，通常采用310组互感器，每组互感器连接一个换挡开关。在高压、大电流测试系统中，这

23、种换挡开关体积庞大、造价昂贵，加上频繁动作，使用寿命普遍较短。为了降低换挡的成本，部分互感器生产厂家设计了副边换挡的互感器，由于互感器副边电压低、电流小，换挡装置体积大大减小，成本大幅度降低。变频测试目前尚无副边换挡的传感器，只能进行原边换挡。在低频、高压、大电流系统中，换挡开关带载分断能力弱，换挡非常困难。 3）复杂波形的基波测试通常，我们用真有效值（RMS）来表征电压/电流信号的大小。变频器的输出的PWM电压波形，含有基波及大量的高次谐波，而电动机转矩主要依赖于基波分量。因此，电机试验需要测量的电压值，以及变频器上指示的电压值都是指基波有效值（H01 ，即1次谐波），目前，关于变频电机的试

24、验标准较少，IEC60349-2:2002电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机-第2部分：电子变流器供电的交流电动机中已明确指出：电压测量采用基波有效值。校准平均值（MEAN）在理论上等于正弦波的真有效值，等于正弦调制PWM波形的基波有效值，且实现简单；因此，MEAN在许多仪器仪表中用于替代正谐波的有效值（RMS）或PWM的基波有效值（H01）的测量。 但是，近年来，变频调速技术日新月异，非正弦调制PWM的应用越来越多，如空间矢量脉宽调制SVPWM，直接转矩控制DTC等，而且，变频器用户通常并不了解自己的变频器采用何种调制模式，MEAN值在PWM测量中局限性越来越大。 对于非正弦调制PWM

25、的电压波形测试，需采用时域高速采样，通过傅里叶变换求取频域特征值的方式运算基波幅值和相位。4）高电压、大电流的传感技术高压、大电流的工频测试，一次回路均有成熟的互感器作为传感器，二次仪表也已经非常成熟。对于变频测试，目前应用较广的主要是基于霍尔原理的电压与电流传感器。霍尔电流传感器可适应直流至高频的大电流测试。霍尔电压传感器（以LEM公司为例）最高测试电压为6400V（有效值，峰值为9600V），不能满足6kV以上电机的测试需要。更为重要的是，电机试验除了需要测量电压和电流外，还需要测量有功功率。有功功率还与电压、电流的相位有关，而且，功率因数越低，相位误差对功率测量精度的影响越大。这就需要传

26、感器将相位误差控制在一定的范围内，并明示指标。例如0.2级互感器的比差（幅值误差）小于0.2%，角差（相位误差）小于10。而霍尔传感器并未提供相位指标，而且，目前，霍尔传感器的相位指标并无相应的规程对其进行检定。导致功率测量不能正确的溯源。为了解决变频电机试验测试中存在上述问题，2005年，湖南银河电气有限公司依托国防科技大学在多年从事电机试验及测试技术研究的基础上，研制了由AnyWay系列宽带功率传感器及宽带功率分析仪组成的宽带功率测试系统。并取得了湖南省计量研究院，中国计量科学研究院及德国DKD实验室的计量证明。截止2010年12月底，AnyWay宽带功率传感器销售突破2000台，实践证明

27、成功解决了上述问题。2010年12月，湖南银河电气有限公司与湖南省计量研究院联合成立全世界第一家变频电量检测中心，并开始起草相应的检定规程与产品标准。 孙注：对响应时间1s、电流跟随速度di/dt 100A/s的霍尔电流传感器；在50Hz 1000A测量回路里产生的附加相位偏移0.198，相当于11.88滞后，当实际功率因数是0.95时，可以推算出测量值为0.9489，误差为0.1158。结论：采用高精度的霍尔传感器可以达到0.2级测试水平。组表方法：1）高精度、高频带霍尔电流传感器； 2）高精度、高频带霍尔电压传感器； 3）0.2级测试仪表，做好相位补偿修正； 4）做好传感器的高压阻断； 5

28、）做好精密电阻的选配；准备条件：1）添置必要的仪器仪表（实验室） 数字记忆示波器100M 1台精密电桥 1台耐压测试仪 1台工频绝缘耐压测试仪 1台自耦调压器 1台 直流稳压电源 2台高精度通用电压表 2块高精度通用电流表 2块信号发生器 1块直流低阻仪 1块数字温度计 2块转速计 1块交直流钳形表 1块 万用表 2块 2）添置必要的电装工具（实验室）5MW中压永磁直驱风力发电试验站6MW 690V永磁同步风力发电机试验站/10MW 电励磁同步电机试验站永磁风电满功率型式试验系统永磁直驱风电电网回馈试验系统永磁直驱风电对拖试验系统双馈风电试验系统地铁城轨交流牵引电气传动系统4x800KW高中低

29、压变频电机试验系统军工试验某军工战车交流发电机及牵引电机试验站某军工推进试验系统23.6MW交、直流发电机试验站5MW船舶推进系统试验室交直流发电机、船舶推进试验系统控制设备仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下无正文