功率分析仪测量范围扩展
1 引言
在功率分析领域测量大于 30 A 的电流时， ，需要高精度的电流传感器将一次电流转换为功率分析仪 (PA) 可测量的二次信号。
电流传感器应能精确地将振幅转换到二次侧。在确定效率和损耗时，即使是微小的 比率误差也会导致重大偏差。这是因为损耗无法直接测量 ，只能通过计算输入功率与输出功率之差 。
2 比率误差的影响
利用图 1 中使用的功率值，可以对比率精度 为 0.1% 的电流传感器进行示例计算。在最坏的情况下，输入功率的测量值 增加了 0.1%，同时输出功率的测量值降低了 0.1%。这将导致 功率损耗计算的最大误差。
如果使用精度为 0.1% 的电流传感器来测量输入和输出功率，则计算得出的 功率损耗（如变频器）与真实值的偏差在最坏的 情况下可达 3.9%。
下图（图 3）显示了电流测量中各种比率误差对 损耗计算百分比偏差的影响。在实际应用中还必须考虑功率分析仪或电压 传感器的测量误差。3.9% 的计算值标注在 0.1% 精度的绿线上。损耗计算的百分比误差随着 测试设备效率的提高而增大。
即使对于高效率的变频器或电机，要保持尽可能低的误差，达尼森高精度磁通门电流传感器也是最佳选择。比率误差的精度在 ppm 范围内。
除了极小的直流偏移（大多数测量设备都能对其进行补偿）之外，在数据表中，比率误差被 分成两个值。第一个值是测量值的百分比误差。第二个 值是整个电流测量范围内的固定值，以全量程 值的百分比表示。例如，下表可在 DN1000ID1 的最新数据表中找到。
根据数据表，直流额定电流 𝐼𝑃𝑁 𝐷𝐶 为 1000 A。
对于 50 赫兹的 DN1000ID，总比率误差如下图 5 所示。
在较低的励磁水平下，由于 总误差的反比例函数，误差百分比较高。从 100 A 一次电流开始，误差值已达到功率分析的最佳值。
3 相位偏移的影响
使用的电流传感器的相位误差也会导致功率 测量的额外误差。这里的基础是众所周知的功率三角形和通过功率 三角形定义的功率因数。
电流传感器的相位误差会改变电流和电压信号之间的相位角 Θ。 对有功功率测量误差百分比的影响很大程度上取决于系统的功率因数， ，因为三角函数是非线性的。
如果被测设备消耗有功功率和无功功率，电流 变压器或测量系统相移角的增大会导致无功功率的增大，同时 有功功率的减小。这种关系如下图所示。
为了计算对有功功率的影响，功率因数降低百分比的计算公式为 。
在 IEC 61869-1 中，电流和电压互感器的相位移称为 ∆𝜑。同时，
，正相位误差意味着二次电流领先于一次电流。第 3.4.4 点指出：
...
当二次电压或电流相位领先于一次
电压或电流相位时，相位差为正。通常以分或厘弧度表示。
...
这意味着，对于上图所示的欧姆电感负载，电流传感器的二次信号滞后于一次电流 会导致功率因数角 Θ 变大。在这种情况下，电流传感器 的相位位移 ∆𝜑 为负值。此外，如下图所示，随着 无功功率分量的增加，相位位移的影响也会明显增大。
计算基于正弦波形。对于通过脉宽 调制产生的电流和电压信号，影响可能更大。无论如何，可以说整个测量系统和 ，以及使用的电流传感器都应具有尽可能小的相位差。
3.1 相位补偿的可能性
一些功率分析仪制造商提供对 测量传感器造成的相位差进行补偿的选项。要使用该功能，应从 制造商处获得有关电流传感器的精确数据。正如以下说明所示，在标称频率下以角分为单位的相位误差规格通常是不够的。
3.2 相位偏移与时间延迟
假设一个 50 赫兹的信号在 20 毫秒内代表一个完整的正弦振荡。如果电流传感器没有给出时间偏移，我们就会得到一个无延迟的次级信号，如下图中蓝色所示。
如果电流传感器现在产生一毫秒的时间延迟，则次级信号向右移动一毫秒 。在这种情况下，红色延时次级信号落后于理想信号。
信号 𝑇 的时间周期可以通过频率 𝑓 的倒数计算出来。
时间延迟 ∆𝑡 为 1 毫秒，一个周期对应 360° 的全角。因此，相移角 ∆𝜑 的计算公式如下。
一毫秒的相移角度为 18°。当次级 信号落后于主信号时，相位误差显示为负值。如果次级信号领先于初级信号，则相位误差 为正值。在这种情况下，对于传统的电感式电流 变压器，正确的数据表规格应为 ∆𝜑 = -18°，该变压器指定用于 50 赫兹网络。
从数学公式中可以明显看出，在 电流互感器二次侧具有恒定延时的高频信号会导致更大的相移角。例如，如果较高频率的 信号振荡频率为 500 赫兹，则相应的时间周期将缩短为 2 毫秒。
对于 500 Hz 信号，这将导致在 1 ms 时延内产生 180° 的相移角。
如果电流传感器在信号的所有可测量频率分量上具有恒定的时移， ，则相移角与信号频率之间存在线性关系。对于 滞后于主信号的次级信号，下式相应适用。
3.3 恒定延时电流传感器
丹麦精密电流传感器制造商 Danisense 的开发部门能够 ，在最新的顶级型号 DW500UB-2V 中将所有寄生影响因素（如磁化损耗和次级 绕组的杂散磁场）降到最低，从而使电流传感器仅有非常小的 和恒定信号时间延迟，这主要是由次级输出 BNC 电缆造成的。 2 米电缆的时延约为 12.5 毫微秒，不同设备的时延略有不同。有了这个特定值，就可以利用上述公式比较容易地计算出每个频率下各自的 相移。从图形上看， 相移与频率之间的线性关系变得更加明显。
对于每个交付的设备，达尼森公司都会在相应的电子 测试报告中记录这一特定的时间延迟，可通过二维码直接在设备上访问。现在，可将该时间延迟输入 功率分析仪的输入掩码，这样，电流传感器的相位误差几乎可以得到完美的补偿 。
DW500UB-2V 10 MHz 以下的实际测量结果如下图所示： ，由于 10 MHz 以下有 12.5 ns 的时间延迟补偿，测量结果几乎是理想的。
特别是在使用开关频率较高的变频器控制电机时，由于开关 频率的倍数会根据下式在电流和电压信号中显示出来，因此在三位数千赫范围内也能发现功率的有源 分量。
下文将讨论电机中最终可预期的电流。为此，我们使用了一台 2.2 kW 电机的实际参数，如下图所示。
频率越高，电机的电抗越大。这就降低了功率因数，高频 电流分量也会受到抑制。
这些关系如下图所示。
由于电机的电感，电流信号被平滑化，因此其曲线形状显然比电压信号更 正弦。尽管阻抗比不利，但较高频率的信号也 会产生有源元件，这也需要精确测量。在下图中，4 W 电机空载运行。逆变器的开关频率约为 6 kHz。 开关频率的整数倍显示，最高约为 150 kHz。下列振幅由电缆反射引起， ，最大值约为 340 kHz。
高频成分的有功功率约占总有功功率的 13%。
4 结论
功率分析需要高精度的测量系统。尤其是电流互感器， ，会导致测量出现不应有的误差。在电流和电压 变压器的国际标准化中，IEC 61869 系列将精度等级 0.1 定义为最大值。该等级相当于 变压器额定范围内 ±0.1 % 的变比误差。功率分析和效率 测定需要高精度传感器技术，以避免测量 链中的重大误差。Danisense 磁通门电流传感器是功率分析仪测量范围 扩展的首选电流传感器。如果用户能够补偿功率分析仪中的时延，最新型号 DW500UB-2V 的高精度带宽可达 10 MHz。如果使用带宽较低的电流传感器 ，功率放大器中的滤波措施应限制模拟带宽。不过，在许多情况下，这些 措施会对功率放大器的精度产生负面影响，因为模拟分量会添加到 测量通道中。尤其是基于碳化硅的新型半导体模块，其开关 频率预计在 50-100 kHz 之间。 建议使用 DW500UB-2V 等高精度宽带通门电流传感器。
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