功率分析仪基础:电压

1.1 电压定义

电压是两点间电场强度的线积分,代表电场力对单位正电荷由场中一点移动到另一点所做的功。电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。标量,符号“U”。

电压在国际单位制中的主单位是伏特(V),简称伏,用符号V表示。1伏特等于对每1库仑的电荷做了1焦耳的功,即1 V = 1 J/C。

强电压常用千伏(KV)为单位,弱小电压的单位可以用毫伏(mV)微伏(μv)。

他们之间的换算关系是:

1kV=1000V;

1V=1000mV;

1mV=1000μv。

如果电压的大小及方向都不随时间变化,则称之为稳恒电压或恒定电压,简称为直流电压,用大写字母U表示。如果电压的大小及方向随时间变化,则称为变动电压。对电路分析来说,一种最为重要的变动电压是正弦交流电压(简称交流电压),其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。交流电压的瞬时值要用小写字母u或u(t)表示。

电压可分为高电压,低电压和安全电压。高低压的区别是:以电气设备的对地的电压值为依据的。对地电压高于或等于1000伏的为高压。对地电压小于1000伏的为低压。其中安全电压指人体较长时间接触而不致发生触电危险的电压。按照国家标准《GB3805-83》安全电压规定了为防止触电事故而采用的,由特定电源供电的的电压系列。我国对工频安全电压规定了以下五个等级,即42V,36V,24V,12V以及6V。

1.2 电压测量

电压测量是电子测量的基础,传统测量仪器中,用于电压测量的仪表主要是数字万用表,但是数字万用表通常适用于直流或低频正弦波电压测量。

目前由于各种大功率的电力电子开关设备的普及应用,需要对交直流电压信号进行全面的测量:观测其波形,分析信号的谐波含量,测量有效值、直流值等。PA系列功率分析仪就是一种能够很好满足这一需求的测试仪器。


图 1PA系列功率分析仪电压等参数测量示意图


图 2PA系列功率分析仪波形显示示意图:变频器输出PWM波形


图 3PA系列功率分析仪电压电流谐波测量示意图

PA系列功率分析仪可以用于各类变频调速系统、逆变系统等设备的测试,对电压、电流、功率、效率、谐波等进行测量与分析的高性能仪器,是变频技术高速发展的必然产物,也是变频技术持续健康发展的重要基础仪器,更是变频设备能效评测不可或缺的工具。


图 4功率分析仪对电压信号的测量:采样

PA系列功率分析仪的每个测量通道,可以对输入的电压信号进行采样,采样得到的数据按照特定公式计算得到结果。PA系列功率分析仪可以测量得到电压信号的有效值、校准到有效值的整流平均值、直流分量和整流平均值。

[1] Urms是电压的真有效值。将1个周期里的每个瞬时值先平方,求它们的平均值,然后再求平方根。相关计算公式如下所述。

[2] Umn是校准到有效值的整流平均值。将电压的1个周期进行整流,求得平均值,再乘以当输入信号为正弦波时成为真有效值的系数;但若输入波形为畸变波形或直流波形,则运算结果约等于基波有效值。相关计算公式如下所述:

[3] Udc即电压1个周期的平均值。对计算直流输入信号的平均值和叠加在交流输入信号上的直流成分非常有效。

[4] Urmn即整流平均值。是将电压的1个周期进行整流,求得平均值。