大功率数字变频功率标准源的校准方法的研究*

李银轩　王有贵　吴双双　胡匡生

(湖南省计量检测研究院，长沙 410014)

0　引言

随着变频技术在电机节能领域的运用，针对大功率变频电量的测量设备量值传递需要，我们研制了大功率数字变频功率标准源(以下称“变频功率标准源”)，如何对该标准功率源进行溯源，国内外还没有成熟的技术手段。本文对其校准方法进行了探索。

1　变频功率标准源结构及技术指标

大功率数字变频标准源由DDS波形发生器、纯数字闭环控制模块、大功率模拟功放模块、专用变频电量传感器和测量系统组成[1]。其技术指标如表1所示。

表1　变频功率标准源技术指标

为评价标准功率源的技术性能，在f=50Hz处对电压、电流、相位和功率进行基本误差校准，在5～400Hz频率范围对电压、电流、相位和功率进行频率特性校准[2]。

2　变频功率标准源输出电流的校准

输出电流的校准接线如图1所示，变频功率标准源输出的电流幅值范围和频率范围在现有技术条件下无法采用单一标准器校准[3]，必需采用不同的标准器分段进行校准。

图1　输出电流频率特性校准的接线图

2.1　输出电流基本误差的校准

在频率f=50 Hz，输出电流为0～20A的范围内，可直接用Fluke 8508A数字多用表测量标准源的输出电流，将标准功率源与负载、数表电流进行连接，在0～20A范围内设置输出电流Ix，记录数字多用表实测显示值为Io，则电流基本误差为：

δI1=(Ix-Io)/Io

(1)

在频率为f=50Hz，输出电流20～500A范围内，分流器选用0.01级标准电流互感器。根据标准源输出电流的大小，选择互感器合适的变比ki，使次级电流在数字多用表的测量量程范围内，将标准功率输出标称值Ix与测量值kiIo进行比较，在校准过程中，需要调整负载的大小，则电流的基本误差为：

δI2=(kiIo-Ix)/kiIo

(2)

2.2　输出电流频率特性的校准

在5～400Hz、0～20A范围内输出电流频率特性校准分别设置输出为10A、20A，用Fluke 8508A数字多用表直接测量50Hz时的输出Io，改变输出频率，输出电流保持不变，分别用数字多用表测量出不同频率点的输出电流实际值Ix，则电流频率特性偏差为：

δI3=(Ix-Io)/Io

(3)

在5～400Hz、20～500A量程范围内，将标准变频功率源不同频率的输出定值电流通过专用分流器转换，由数字多用表进行测量，得出对应电流值Ii，并将测量结果与50Hz处此电流值Io进行比较，则电流频率特性偏差为：

δI4=(Ii-Io)/Io

(4)

在5～400Hz、电流在20～100A量程范围内，采用Fluke A40B进行转换后用数字多用表进行测量；分流器A40B内部的物理结构和元件的精密性保证了它本身的频率特性非常平坦，电阻值稳定、准确，具有出色的低自加热功率系数和低温度系数，可以用于直接测量从直流到100kHz的电流信号，准确度可达2.3×10-5等特点，所以，专用分流器对变频功率标准的频率特性的影响可以忽略。

在45～400Hz、100～500A量程范围内，采用在45～400Hz频率范围经过分流器A40B校准后的电流互感器转换后用数字多用表进行测量，并对结果进行修正。在5～45Hz、100～500A量程范围，采用直流分流器进行转换测量。

3　变频功率标准源输出电压的校准

输出电压的校准接线如图2所示，变频功率标准源输出的电压幅值范围和频率范围在现有技术条件下同样不能采用单一标准器校准，必需采用不同的标准器分段进行校准[4]。

图2　电压校准接线图

3.1　输出电压基本误差的校准

在f=50Hz，0～1000V量程段校准时，标准变频功率源接入10kV/300kΩ/500W负载，直接用Fluke8508A数字多用表测量标准源的输出电压，设定标准变频功率源的输出电压Ux，分别记录数字多用表的显示值Uo，变频功率源的电压误差为：

δU1=(Ux-Uo)/Uo

(5)

在f=50Hz，1000～10000V量程段校准时，设定标准变频功率源的输出电压Ux，经过标准电压互感器降压(选择互感器合适的变比kU)，再用数字多用表测量标准互感器二次端的输出电压Uo，将kU·Uo与Ux进行比较，该量程内电压误差为：

δU2=(Ux-kU·Uo)/(kU·Uo)

(6)

3.2　电压频率特性的校准

在5～400Hz、10～1000V量程范围内，电压频率特性特性的校准先用Fluke8508A数字多用表直接测量50Hz时的标准变频功率源输出Uo，改变输出频率，输出电压Ux保持不变，分别用数字多用表测量出不同频率点的输出电压实际值Ux，频响偏差为：

δU3=(Ux-Uo)/Uo

(7)

在45～400Hz、1000～10000V量程范围内，频率特性特性校准的接线原理图如2，利用在45～400Hz频率范围经过校准后的电压互感器和Fluke 8508A数字多用表相结合完成标准源输出电压频率特性特性的校准，先在50Hz处测量标准功率源的输出幅值kU·Uo，将标准变频功率源不同频率的输出定值电压通过标准分压器分压，由Fluke 8508A数字多用表进行测量，得出对应电压值kU·Ux，并将测量结果与50Hz处此电压值kU·Uo进行比较，得到偏差为：

δU4=(kU·Ux-kU·Uo)/(kU·Uo)

(8)

在实际校准的结果处理中，根据有效溯源证书给予修正。

在5～45Hz、1000～10000V量程范围内，利用电阻分压器和Fluke 8508A数字多用表相结合完成标准源输出电压频率特性特性的校准，为消除阻抗匹配所带来的误差，电阻分压器输出的信号，经过场效应管构成的电压跟随器再由数表进行测量，将各个频率点输出的电压与50Hz处的输出电压进行比较。

4　变频功率标准源相位角的校准

由于变频功率标准源的量传对象是广泛用于变频节能电机的功率分析仪器设备，且这些设备经常需要工作在低相位状态，显然，功率因数越低，相同的相位误差对功率测量准确度的影响越大，要满足功率测量的相位差技术要求，普通的相位计无法满足要求，我们选择Clarke-hess Model 6000A相位计进行直接测量，相位差校准接线如图3所示。

图3　相位误差校准接线原理图

电压通过电阻分压器和跟随器后接入相位计，电流通过专用分流器和电阻R取样后接入相位计。在不同频率点设置变频功率标准源的电压、电流输出和相位角φx，读取相位计示值φs，相位基本误差为：

Δφ=φx-φs

(9)

5　变频功率标准源输出功率的校准

在f=50Hz处，变频功率标准源输出功率的校准，借助标准电流互感器、标准电压互感器和CL317仪表电能表检定装置校验仪来完成。

在非工频频段范围的内，通过对变频功率标准源输出的电压、电流和相位的测量来达到校准输出功率的目的，校准接线原理图如图4所示，利用专用分压器、专用分流器将变频功率标准源输出的电压、电流降低到Fluke 8508A数字多用表和标准相位计输入信号范围内，记录变频功率标准源输出的电压U、电流I和相位φ的实际值，输出功率误差为：

δ=(kU·U·ki·I·cosφ-P)/P

(10)

式中，P为标准功率源显示输出功率；kU为专用分压器的分压比；ki为专用分流器的分流比。

图4　功率校准接线图

6　变频功率标准源输出功率误差校准不确定度

1)专用分压器测量不确定度引入的标准不确定度u1

专用分压器的设计分压比为20:1，经过实验室校准，其准确度为±0.05%，t分布，扩展因子k1=2，标准不确定度为：

u1=0.025%

2)数字电压表测量引入标准不确定度u2

计量检定证书给出Fluke 8508A交流电压测量不确定度为8×10-5，k2=2，标准不确定度为：

u2=4×10-5

3)专用分流器测量引入标准不确定度u3

经过实验室校准，专用电流分流器准确度为±0.01%，t分布，扩展因子k3=2，标准不确定度为：

u3=0.005%

4)数字电压表测量不确定度引入的标准不确定度u4

计量检定证书给出Fluke 8508A的交流电流测量不确定度为2.1×10-4，k4=2，标准不确定度为：

u4=1.05×10-4

5)标准相位计测量不确定度引入的标准不确定度u5

u5=3.13×10-4。

6)变频功率标准源输出功率显示分辨力引入的标准不确定度u6

7)合成标准不确定度

8)扩展不确定度U

考虑为t分布，按p=95%，k=2，U=kuc=0.08%。

7　结束语

通过对大功率数字变频功率标准源的校准试验，并与Fluke6100B进行比对，证明其输出电压、电流、相位和功率等技术指标满足变频电量测试设备量值传递工作的需要。

[1]陈爱军，漆志佳，刘宏，等.机车直流绝缘监测装置的研制[J].电力机车与城轨车辆，2008(1)

[2]李鑫，变频电源校准方法研究[J].计量技术，2010(8)

[3]王彪，张江涛，韩冰，等.负载对电流源校准的影响[J].计量技术，2012(9)

[4]王乐仁，章述汉.电压加法在直流高压分压器电压系数测量中的应用.计量学报，2003，24(1)

[5]倪育才.实用测量不确定度评定(第3版)[M].北京：中国计量出版社，2010