采用 QuantumX 和 catman 软件精确计算电功率

在很多应用中,获取电信号然后计算功率并分析时域和频域信号是一个非常重要的课题。本文提供了如何采用 HBM QuantumX MX403B 测量模块 和 catman 软件执行必要的步骤完成这些任务的一些  实用技巧

电动执行器 的应用领域越来越广泛,例如电梯,自动扶梯或汽车部件。 执行器 (例如制动器或阀门) 正在迅速替代液压系统来计算电功率。因此,获取电信号,例如电压和电流等物理量变得日益重要。

QuantumX MX403B 4 通道测量模块 专门用于 电压 的高精度采集,能够在高电势下测量非常小的差分电压。

提示: 危险电压 测量只可以由经过培训的人员完成。IEC 61010定义的测量类别在帮助您选择正确的测量设备方面起着重要作用。 请参考MX403B操作手册安全说明。

QuantumX MX403B

QuantumX MX403B 模块带有 四个隔离差分测量通道,可以对 1,000 V DC 或 1,000 Vrms AC 电压直接测量。测量范围 10, 100 和1,000 V 可以自由设定。进行高电压以及在高电势下非常小的差分电压采集。每个通道都配有模拟抗混叠滤波器, 24-bit AD 转换和数字滤波器,并且每个都可以单独设定。

QuantumX 模块可紧靠测量点分布和连接 (光纤以太网或火线), 确保测量点和PC间的极高可靠性。

模块的采样率高达 100 kS/s 每通道,带宽高达 40 kHz,无缝地集成到现存的 QuantumX 数据采集系统中。QuantumX 测量放大器可以进行机械量,电气量以及热信号的采集,完全同步。通过信号计算,建立完整的解决方案,是您研发的宝贵工具。

采用 QuantumX MX403B 测量电压

当然,在测量电压时,必须知道在哪个电位/参考点进行测量。MX403B 模块非常适合测量、分析和测试任务,可测量储能装置的直流电压,或是符合 II 类和 III 类测量类别的要求的单相或三相交流电压。在三相系统中,我们可以对 3线和4线三相电流系统进行区分,这取决于是否存在中性点。

三相电流系统通常采用星形或Y形方式。三个绕组(L1、L2、L3)连接到电机的一个公共点。这个“共同星点”被引入接线盒,用于在启动电机时从星形切换到三角形状态。

随着逆变器的日益普及,这一点正在迅速改变。对于三相系统来说,由于电流是在每个相位单独测量的,因此需要乘以每相的电压。只有在极少数情况下才可以直接分接相电压。因此,需要使用以下方法:

  • 通过三角电压 U12, U23, U31  计算星形电压 U1N, U2N, U3N。这是不准确的,但它在实际中有很多应用
  • 通过 R 或 RC 网络(虚拟星形)在电机外部生成参考点。这更准确,更适合于负载平衡。假设电机在设计和性能方面都是完美平衡的,那么一个单一的功率通道就足够了。但这需要具体分析。

在电机设计时,应特别考虑平衡负载,即中性点不载流。如果星形没有引出(即没有中性线,因此是三线电路),可以配置“外部虚拟星”。HBM 提供的G068-2 适配器由三个RC网络组成,可用于此目的。

采用 QuantumX MX403B 采集电流

电流可以采用不同原理进行测量。零磁通变换器、分流或霍尔传感器可对小电流进行精确,相位同步测量,电流探头适用于单相和三相系统电流测量。电流钳可对交流信号(通常也包括直流)进行电隔离测量,而无需打开载流线路。电流钳比较便宜,通常用于较低精度的应用中。不同设计的电流探头可用于不同的用途(感应、霍尔效应)。

感应测量原理会导致电流互感器中实际电流和输出电压之间的相位延迟(倾斜),需要在计算功率之前进行补偿。这包括相应地延迟测量电压。对于某些电流钳,相位角误差会随频率变化并影响功率计算!根据测量范围的不同,参考条件下误差可能会达到 3到10°。请注意:在大多数情况下,通常将理想正弦电压、45…60 Hz、23°C环境温度和50%相对湿度作为参考基准。与该基准的每一个偏差都会影响电流测量的精度,从而影响功率计算的精度。因此,选择合适的电流钳位至关重要。

因此需要对相移进行补偿,以便正确地执行功率计算。最简单方法是相应地延迟测量电压。下面将更详细地描述此过程。

catman 软件

HBM catman 软件 可按照以下步骤进行测量采集:

  • 通道 设定 (传感器通道设置存储, 例如电流探头)
  • 采用电流探头时,可选相位补偿
  • 有效,视在和无功功率以及其他参数计算
  • 原始数据和计算值可视化并单独显示
  • 以所需的格式 存储数据
  • 测量的同时进行 分析
  • 后处理分析和报告

除了测量采集,catman 软件还提供集成的数学库。数学运算功能包括 简单的代数运算、统计、频谱分析以及功率和效率计算。 软件还可以计算输入量的均方根值 (RMS)。

一步步进行测量, 在线计算和分析

传感器数据库 能够帮助您快速设定测量通道。如何无法在传感器数据库中发现正确的信号描述,可查询相关技术参数表。采用传感器技术参数表 更容易进行通道设置,并在任何时候进行调用。

信号的相位同步分析 

QuantumX 数据采集系统 的所有通道都是 同步采集 的。其可以将所有通用传感器 信号,例如电压,电流,扭矩,转速,温度,加速度,振动,噪声和总线信号转换为数字信号。

分流通常用于测量交直流电流,其结构是纯电阻性的,因此,分流 没有相位延迟。

电流和电压之间相位延迟

由于采用感应式测量原理的 电流探头 会产生 相位延迟。这意味着转换器输出信号相位相对于电流相位是延迟的。 如果转换器的相位延迟不知道,可以通过电阻损耗器来测定,并采用 catman EASY 软件校正。测量电压的相应延迟。

例如, 电流探头可以采用 橡胶头 - (BNC) 适配器 连接到QuantumX MX403B 测量放大器中。

电流探头还可以通过 BNC-SubHD 适配器连接到 MX840A 通用放大器上。可记录以下物理量: 扭矩, 转速, 温度, 加速度, 振动和 CAN bus 信号。

下面是相位校正 的例子:  Computing channels > Filter > Phase correction function

在线功率计算

功率计算 只考虑 低频谐波信号(<100Hz)。该方法不涉及任何复杂的积分算法,只需采用通用标准公式。在 catman Easy 中,功率计算采用了基于窗口的计算过程。功率计算的精度依赖于信号的基础频率和所选窗口的宽度。即使在静态系统中,功率计算会产生轻微的残余纹波。

例如: 50 Hz 基波振荡 -> 每周期 20 ms -> 100 ms 窗口 -> 平均 5 周期

catman EASY 中计算包括时间窗口的均方根值(RMS)和 均值 (MEAN) 。在 QuantumX MX403B 放大器模块中,这两个值的 n 值平均处理无法直接产生 (这需要 n 值缓存,最大的时间窗口将受到限制!)  而通过以下方法可以直接计算,不需要缓存处理。公式 如下:

  • RMS (n) = sqrt((1-a)*measured value(n)*measured value(n) + a * RMS(n-1))
  • MEAN (n) =  (1-a)*measured value(n) + a * MEAN(n-1))
  • a = exp(-1/(采样率 * 时间窗口))

过程 更加快速, 无需缓存, 因此可以实现任意时间窗口的计算。并且结果同 QuantumX MX410B 或  QuantumX MX403B 放大器在线计算的值一致。RMS 和 MEAN 可以进行滤波,平滑处理。其他计算通道 可按照以下方法计算:

  • REALPOWER = MEAN(U * I)
  • APPARENTPOWER = RMS(U) * RMS(I)
  • REACTIVEPOWER = sqrt(APPARENTPOWER*APPARENTPOWER – REALPOWER*REALPOWER)
  • POWERFACTOR = REALPOWER/APPARENTPOWER
  • PHI = acos(POWERFACTOR) * 57.29 to go from rad to °

功率计算参数化 过程如下。

接下来, 你可以采用获得的量进行 测量。在该示例中,测量对象是一个60瓦的灯丝灯泡。图形可以导出到带有文字标记 Microsoft Word 文件生成 测量报告

作为对比,另外一个图显示的是 感应式负载的测量。在这个案例中,测量对象是一个 50 瓦的烙铁。

测量数据分析

随后,执行的是 频率范围的信号分析。这种类型的信号分析基于 快速傅立叶变换 (FFT)。这有利于时间信号到频率范围的转换。采用 catmanEasy 测量软件,您可以对一个或多个信号的频率分布进行可视化和分析。用于振幅谱计算的测量值数量是必须的参数。

后处理模式下,频率分析 采用 FFT 来计算 频谱 (振幅,相位或功率谱)。在动态测试上,多振幅谱显示非常重要。 瀑布图 可以在三个维度显示振幅谱,并可以在所有方向上自由旋转。激活 'Generate Frequency Data Set' 即导出频率通道。

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