變頻功率感測器

變頻功率感測器通過對輸入的電壓、電流信號進行交流採樣，再將採樣值通過電纜、光纖等傳輸系統與數字量輸入二次儀錶相連，數字量輸入二次儀錶對電壓、電流的採樣值進行運算，可以獲取電壓有效值、電流有效值、基波電壓、基波電流、諧波電壓、諧波電流、有功功率、基波功率、諧波功率等參數。

特徵帶寬應該具備合理的帶寬，其帶寬應能覆蓋所需測量的變頻電量的基波和關注的諧波的頻率。以SPWM波形為例：假設SPWM波的載波頻率為fc，基波頻率為fs，fc/fs稱為載波比N，對於三相變頻器，當N為3的整數倍時，輸出不含3次諧波及3的整數倍諧波。且諧波集中載波頻率整數倍附近，即諧波次數為：kfc±mfs，k和m為整數。下圖是基波頻率fs=50Hz，載波頻率fc=3kHz，調製比為0.8的SPWM的波形及頻譜的Matlab模擬圖。圖中58次諧波和60次諧波的幅值分別為27.8%和27.7%，含量最大的諧波為119次和121次諧波，諧波幅值分別為39.1%和39.3%。即最大諧波在兩倍載波頻率附近。隨著諧波頻率的升高，諧波幅值整體呈現下降趨勢，按照GB/T22670變頻器供電三相籠型感應電動機試驗方法的規定，變頻電量變送器的帶寬應該在載波頻率的6倍以上，當載波頻率為3kHz時，帶寬至少為18kHz，實際使用建議採用30kHz以上帶寬的變頻功率感測器及變頻功率分析儀。實際的SPWM波，其載波比不一定為整數，此時，為了降低頻譜泄露，可適當增加傅里葉窗口長度，對多個基波周期的PWM進行傅里葉變換（FFT或DFT）。採樣頻率採樣頻率應該高於帶寬的兩倍以上，對於變採樣頻率的變頻功率感測器，當採樣頻率低於感測器帶寬2倍時，應當開啟適當的防混疊濾波器，限制輸入信號的帶寬。精度作為變頻電量測量的感測器/變送器，不僅僅在工頻下可以獲得準確度指標，而是應該在標稱頻率範圍之內，誤差應小於標稱準確級對應的誤差限值。由於變頻功率感測器用於功率測量，其電壓、電流的角差不可忽視。相同的角差，在不同功率因數下其功率測量的精度不同，且功率因數越低，角差對功率測量精度的影響越大。波峰因數由於變頻器輸出PWM波的波峰因數不是固定值，而是電壓越低時，波峰因數越大，因此，變頻功率感測器應能準確測量較高峰值因數的電壓、電流信號、若不具備驗證條件時，可以用較低的電壓或較小的電流輸入感測器，檢驗其測量準確度，一般而言，若能在較寬的幅值範圍內實現高精度測量，即可在較高的波峰因數下實現較高的測量準確度。基波在複雜的周期性振蕩中，包含基波和諧波。和該振蕩最長周期相等的正弦波分量稱為基波。相應於這個周期的頻率稱為基本頻率。頻率等於基本頻率的整倍數的正弦波分量稱為諧波。諧波諧波的危害十分嚴重——諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和雜訊，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波的危害1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、雜訊和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。（3）諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀錶計量不準確。（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生雜訊，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。應用首先，變頻功率感測器適用於工頻電量測量和計量。其次，變頻功率感測器適用於帶寬範圍內的任意電參量的測量和計量。廣泛應用於電力推進、電機、風機、水泵、風力發電、軌道交通、電動汽車、變頻器、特種變壓器、熒光燈、LED照明等領域的產品檢試驗、能效評測及電能質量分析。