大功率數(shù)字變頻功率標準源的校準方法的研究*

李銀軒　王有貴　吳雙雙　胡匡生

(湖南省計量檢測研究院，長沙 410014)

0　引言

隨著變頻技術在電機節(jié)能領域的運用，針對大功率變頻電量的測量設備量值傳遞需要，我們研制了大功率數(shù)字變頻功率標準源(以下稱“變頻功率標準源”)，如何對該標準功率源進行溯源，國內(nèi)外還沒有成熟的技術手段。本文對其校準方法進行了探索。

1　變頻功率標準源結(jié)構及技術指標

大功率數(shù)字變頻標準源由DDS波形發(fā)生器、純數(shù)字閉環(huán)控制模塊、大功率模擬功放模塊、專用變頻電量傳感器和測量系統(tǒng)組成[1]。其技術指標如表1所示。

表1　變頻功率標準源技術指標

為評價標準功率源的技術性能，在f=50Hz處對電壓、電流、相位和功率進行基本誤差校準，在5～400Hz頻率范圍對電壓、電流、相位和功率進行頻率特性校準[2]。

2　變頻功率標準源輸出電流的校準

輸出電流的校準接線如圖1所示，變頻功率標準源輸出的電流幅值范圍和頻率范圍在現(xiàn)有技術條件下無法采用單一標準器校準[3]，必需采用不同的標準器分段進行校準。

圖1　輸出電流頻率特性校準的接線圖

2.1　輸出電流基本誤差的校準

在頻率f=50 Hz，輸出電流為0～20A的范圍內(nèi)，可直接用Fluke 8508A數(shù)字多用表測量標準源的輸出電流，將標準功率源與負載、數(shù)表電流進行連接，在0～20A范圍內(nèi)設置輸出電流Ix，記錄數(shù)字多用表實測顯示值為Io，則電流基本誤差為：

δI1=(Ix-Io)/Io

(1)

在頻率為f=50Hz，輸出電流20～500A范圍內(nèi)，分流器選用0.01級標準電流互感器。根據(jù)標準源輸出電流的大小，選擇互感器合適的變比ki，使次級電流在數(shù)字多用表的測量量程范圍內(nèi)，將標準功率輸出標稱值Ix與測量值kiIo進行比較，在校準過程中，需要調(diào)整負載的大小，則電流的基本誤差為：

δI2=(kiIo-Ix)/kiIo

(2)

2.2　輸出電流頻率特性的校準

在5～400Hz、0～20A范圍內(nèi)輸出電流頻率特性校準分別設置輸出為10A、20A，用Fluke 8508A數(shù)字多用表直接測量50Hz時的輸出Io，改變輸出頻率，輸出電流保持不變，分別用數(shù)字多用表測量出不同頻率點的輸出電流實際值Ix，則電流頻率特性偏差為：

δI3=(Ix-Io)/Io

(3)

在5～400Hz、20～500A量程范圍內(nèi)，將標準變頻功率源不同頻率的輸出定值電流通過專用分流器轉(zhuǎn)換，由數(shù)字多用表進行測量，得出對應電流值Ii，并將測量結(jié)果與50Hz處此電流值Io進行比較，則電流頻率特性偏差為：

δI4=(Ii-Io)/Io

(4)

在5～400Hz、電流在20～100A量程范圍內(nèi)，采用Fluke A40B進行轉(zhuǎn)換后用數(shù)字多用表進行測量；分流器A40B內(nèi)部的物理結(jié)構和元件的精密性保證了它本身的頻率特性非常平坦，電阻值穩(wěn)定、準確，具有出色的低自加熱功率系數(shù)和低溫度系數(shù)，可以用于直接測量從直流到100kHz的電流信號，準確度可達2.3×10-5等特點，所以，專用分流器對變頻功率標準的頻率特性的影響可以忽略。

在45～400Hz、100～500A量程范圍內(nèi)，采用在45～400Hz頻率范圍經(jīng)過分流器A40B校準后的電流互感器轉(zhuǎn)換后用數(shù)字多用表進行測量，并對結(jié)果進行修正。在5～45Hz、100～500A量程范圍，采用直流分流器進行轉(zhuǎn)換測量。

3　變頻功率標準源輸出電壓的校準

輸出電壓的校準接線如圖2所示，變頻功率標準源輸出的電壓幅值范圍和頻率范圍在現(xiàn)有技術條件下同樣不能采用單一標準器校準，必需采用不同的標準器分段進行校準[4]。

圖2　電壓校準接線圖

3.1　輸出電壓基本誤差的校準

在f=50Hz，0～1000V量程段校準時，標準變頻功率源接入10kV/300kΩ/500W負載，直接用Fluke8508A數(shù)字多用表測量標準源的輸出電壓，設定標準變頻功率源的輸出電壓Ux，分別記錄數(shù)字多用表的顯示值Uo，變頻功率源的電壓誤差為：

δU1=(Ux-Uo)/Uo

(5)

在f=50Hz，1000～10000V量程段校準時，設定標準變頻功率源的輸出電壓Ux，經(jīng)過標準電壓互感器降壓(選擇互感器合適的變比kU)，再用數(shù)字多用表測量標準互感器二次端的輸出電壓Uo，將kU·Uo與Ux進行比較，該量程內(nèi)電壓誤差為：

δU2=(Ux-kU·Uo)/(kU·Uo)

(6)

3.2　電壓頻率特性的校準

在5～400Hz、10～1000V量程范圍內(nèi)，電壓頻率特性特性的校準先用Fluke8508A數(shù)字多用表直接測量50Hz時的標準變頻功率源輸出Uo，改變輸出頻率，輸出電壓Ux保持不變，分別用數(shù)字多用表測量出不同頻率點的輸出電壓實際值Ux，頻響偏差為：

δU3=(Ux-Uo)/Uo

(7)

在45～400Hz、1000～10000V量程范圍內(nèi)，頻率特性特性校準的接線原理圖如2，利用在45～400Hz頻率范圍經(jīng)過校準后的電壓互感器和Fluke 8508A數(shù)字多用表相結(jié)合完成標準源輸出電壓頻率特性特性的校準，先在50Hz處測量標準功率源的輸出幅值kU·Uo，將標準變頻功率源不同頻率的輸出定值電壓通過標準分壓器分壓，由Fluke 8508A數(shù)字多用表進行測量，得出對應電壓值kU·Ux，并將測量結(jié)果與50Hz處此電壓值kU·Uo進行比較，得到偏差為：

δU4=(kU·Ux-kU·Uo)/(kU·Uo)

(8)

在實際校準的結(jié)果處理中，根據(jù)有效溯源證書給予修正。

在5～45Hz、1000～10000V量程范圍內(nèi)，利用電阻分壓器和Fluke 8508A數(shù)字多用表相結(jié)合完成標準源輸出電壓頻率特性特性的校準，為消除阻抗匹配所帶來的誤差，電阻分壓器輸出的信號，經(jīng)過場效應管構成的電壓跟隨器再由數(shù)表進行測量，將各個頻率點輸出的電壓與50Hz處的輸出電壓進行比較。

4　變頻功率標準源相位角的校準

由于變頻功率標準源的量傳對象是廣泛用于變頻節(jié)能電機的功率分析儀器設備，且這些設備經(jīng)常需要工作在低相位狀態(tài)，顯然，功率因數(shù)越低，相同的相位誤差對功率測量準確度的影響越大，要滿足功率測量的相位差技術要求，普通的相位計無法滿足要求，我們選擇Clarke-hess Model 6000A相位計進行直接測量，相位差校準接線如圖3所示。

圖3　相位誤差校準接線原理圖

電壓通過電阻分壓器和跟隨器后接入相位計，電流通過專用分流器和電阻R取樣后接入相位計。在不同頻率點設置變頻功率標準源的電壓、電流輸出和相位角φx，讀取相位計示值φs，相位基本誤差為：

Δφ=φx-φs

(9)

5　變頻功率標準源輸出功率的校準

在f=50Hz處，變頻功率標準源輸出功率的校準，借助標準電流互感器、標準電壓互感器和CL317儀表電能表檢定裝置校驗儀來完成。

在非工頻頻段范圍的內(nèi)，通過對變頻功率標準源輸出的電壓、電流和相位的測量來達到校準輸出功率的目的，校準接線原理圖如圖4所示，利用專用分壓器、專用分流器將變頻功率標準源輸出的電壓、電流降低到Fluke 8508A數(shù)字多用表和標準相位計輸入信號范圍內(nèi)，記錄變頻功率標準源輸出的電壓U、電流I和相位φ的實際值，輸出功率誤差為：

δ=(kU·U·ki·I·cosφ-P)/P

(10)

式中，P為標準功率源顯示輸出功率；kU為專用分壓器的分壓比；ki為專用分流器的分流比。

圖4　功率校準接線圖

6　變頻功率標準源輸出功率誤差校準不確定度

1)專用分壓器測量不確定度引入的標準不確定度u1

專用分壓器的設計分壓比為20:1，經(jīng)過實驗室校準，其準確度為±0.05%，t分布，擴展因子k1=2，標準不確定度為：

u1=0.025%

2)數(shù)字電壓表測量引入標準不確定度u2

計量檢定證書給出Fluke 8508A交流電壓測量不確定度為8×10-5，k2=2，標準不確定度為：

u2=4×10-5

3)專用分流器測量引入標準不確定度u3

經(jīng)過實驗室校準，專用電流分流器準確度為±0.01%，t分布，擴展因子k3=2，標準不確定度為：

u3=0.005%

4)數(shù)字電壓表測量不確定度引入的標準不確定度u4

計量檢定證書給出Fluke 8508A的交流電流測量不確定度為2.1×10-4，k4=2，標準不確定度為：

u4=1.05×10-4

5)標準相位計測量不確定度引入的標準不確定度u5

u5=3.13×10-4。

6)變頻功率標準源輸出功率顯示分辨力引入的標準不確定度u6

7)合成標準不確定度

8)擴展不確定度U

考慮為t分布，按p=95%，k=2，U=kuc=0.08%。

7　結(jié)束語

通過對大功率數(shù)字變頻功率標準源的校準試驗，并與Fluke6100B進行比對，證明其輸出電壓、電流、相位和功率等技術指標滿足變頻電量測試設備量值傳遞工作的需要。

[1]陳愛軍，漆志佳，劉宏，等.機車直流絕緣監(jiān)測裝置的研制[J].電力機車與城軌車輛，2008(1)

[2]李鑫，變頻電源校準方法研究[J].計量技術，2010(8)

[3]王彪，張江濤，韓冰，等.負載對電流源校準的影響[J].計量技術，2012(9)

[4]王樂仁，章述漢.電壓加法在直流高壓分壓器電壓系數(shù)測量中的應用.計量學報，2003，24(1)

[5]倪育才.實用測量不確定度評定(第3版)[M].北京：中國計量出版社，2010