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别被忽悠!正确评估电功测量中的误差!

发布日期:2021-07-19    

功率测量仪表从19世纪最早的机械式电功率表发展到现在多功能数字式功率分析仪,走过了一个多世纪,产品的性能和功能都有了巨大的变化。但本质上无论是功率表还是功率分析仪主要测量的参数还只是电流、电压和功率。评价一款功率分析仪是否高端或者决定价格的主要因素,毫无疑问就是这三个测量参数的测量精度或者是误差等级,简单来说千分级别的产品无论有多花哨的功能,其测量精度和误差等级也不可能高于万分级的功率分析仪,简单来说:那就是“贵在于精”。

 

抛开仪器本身的价格,对于研发工程师或者测量工程师来说,一款精度高、性能稳的功率分析仪能让测试更轻松、报告更精准、产品更可靠。

很多人以为,我的功率分析仪是0.01%的基本精度,那么测量10KW的变压器功率和测量10KW的变频器输出功率的误差都应是1W左右,却忽略是否使用传感器/功率因数/环境温度等条件。

而实际上,基本精度/传感器精度/信号频率/功率因数/环境温度/使用量程等很多方面组成了综合测试误差 。当然,也有读者会提出:电磁干扰/共模干扰/测试线线阻等外部因素也会影响测量精度。的确这些干扰的影响可大可小,大到超出实际100%的情况也不是没有,但这些因素我们无法去做定量分析,所以外部干扰因素在此不做详述。接下来,本文模拟实际测量中的诸多情况,定量分析不同情况下,功率测量误差的计算方法。

做模拟计算之前,必须要先确定几个关键参数。以Yokogawa的最高精度功率分析仪WT5000作为测试主机,性能参数如下:

交流基本精度(50/60Hz):± (0.01% of rdg+0.02 % of rng)

DC基本精度 :±(0.02% of rdg+ 0.05 % of rng)

功率因数的影响(50/60Hz):+/-0.02% of S at PF=0

温度系数:±0.01%/degree

传感器参数(CT200):输入/输出比例: 1000:1  

0.05% of reading + 30μA(For rated 0.2A, 0.015%),负载电阻误差: 0.05%

 

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使用传感器对测量误差的影响:

首先 PF=1  输入情况如下:

输入电压/电路:220V/25A ,PF=1/ P=5.5kW ,

量程设置:300V/30A 功率量程:9kW 环境温度:23℃

功率分析仪误差指标: 0.01% of reading + 0.02% of range

 

30A电流模块直接输入:

总误差:5.5kW×(0.01% of (5.5kW reading)+0.02% of(9kW range))=1.8W(0.0327%)

通过下图我们可以比较直观的了解PF=1时,总体误差的组成。

 

 

同样的输入条件当我们使用CT200电流传感器的情况下误差会增加多少呢?

同样30A电流单元(CT200输入)

输入电压/电路:220V/25A PF= 1/ P=5.5kW 量程设置:300V/500A(实际电流量程:0.5A) 功率量程:150kW

总误差:

5.5kW×(0.01% of reading(功率计本体)+0.05% of reading(CT)+0.05% of reading(负载电阻)+ 150kW×(0.02% of range(本体)+0.015% of range(CT))=6.05+52.5=58.55(1.06%)

 

使用了一个CT,误差就超过了1%,这个结果让大家吓一跳吧。

这种情况下我们采用WT5000有更小电流量程的5A输入模块测试,量程误差就会大大减少,实际计算如下:

 

5A电流模块(CT200输入):

输入条件:

输入电压/电路:220V/25APF= 1/P=5.5kW

传感器输入25A输出:25mA 量程设置:300V/50A(实际电流量程:50mA)功率量程:15kW

总误差:

 

5.5kW×(0.01% of reading(功率计本体)+0.05% of reading(CT)+0.05% of reading(负载电阻)+15kW×(0.02% of range(本体)+0.015% of range(CT))=6.05+5.855=11.905(0.216%)

 

上文中这么多的数字,大家看的头晕了吧,这里做一个小总结:

30A单元直接输入 : 

功率总误差:1.8W        误差率:0.0327%

30A单元CT200输入:

功率总误差:58.55W    误差率:1.06%

5A单元CT200输入:

功率总误差:11.905W   误差率:0.216%

 

显而易见,30A直接输入误差最小,而30A CT输入误差超过了1%,而第三种情况算是折中的做法。从这一系列的计算中可以看到,万分级高精度功率分析仪配万分级的CT,如此豪华的装备,如果没有选择合适的输入单元,最终的实际效果还不如一款手持功率表,也许这就是拿着神兵利器干着刨地挖坑的活。

 

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不同功率因数对测量误差的影响:

量程/CT的话题聊完了,下面我们来分析一下,不同的功率因数如何影响实际的测量误差。

首先我们看一下WT5000当功率因数0<λ<1直接输入的情况下的误差计算公式:

总误差=功率读数x[(功率读数误差%)+功率量程误差%)x(功率量程/视在功率读数)+{tanΦ×(%当 λ=0时的影响)}]      

Φ为电压和电流之间的相位角

考虑到计算比较繁杂,这里我们就假定以直接输入的方式来计算。

输入条件:220V/4A/PF=0.5/ P=440W ,

量程设置:300V/5A (1500W)

功率分析仪误差指标: 0.01% of reading + 0.02% of range(λ=0时 影响=0.02%)

 

总误差= 440W×[(0.01% of reading)+ (0.02% of range)×(1500W/880W)+ tan(60°)×0.02%]

= 0.044W+0.1496W+0.02816W=0.22176W(0.05%)

 

在测量变压器等低功率因产品时,PF值往往在0.1-0.2左右,那么通过下面的计算,看一下同样情况下当PF=0.1时,误差会增加多少呢。

输入条件:220V/4A/PF= 0.1/ P=88W ,量程设置:300V/5A(1500W) 

 

总误差=88W×[(0.01% of reading)+(0.02% of range)×(1500W/880W)+ tan(84.26°)×0.02%]

=0.0088W+0.1496W+0.175W=0.3334W(0.37%)

 

从以上两个计算结果来看,同样输入条件下,PF=0.1与PF=0.5 误差扩大了6倍,就仪器本身而言原因在于功率分析仪内部的电压/电流回路造成的相移会引起误差。输入波形的相位差越大造成的影响就越大,所以低功率因数的测量误差会变得很大。

 

这种影响虽然无法避免,但我们可以选择在低功率因下测量精度相对较高的功率分析仪,对于降低测量的综合误差还是很有必要的。

 

通过以上5个不同输入条件下的计算结果,我们可以清晰的认识到影响功率测量误差的最大因素在于合适的量程和输入方式的选择。这里的输入方式选择包括主机输入单元选择和CT的选择,高精度的CT如果使用不合适的量程,其效果往往会不如一个低端分流电阻。

 

此外,在实际测量中功率因数值也会影响测量误差,在评估综合误差时选择低功率因数下测量精度较高的功率分析仪更为必要。

 

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