基于微处理器的HIOKI3286型电力分析仪的设计

随着科学技术的不断进步，对机床产品的技术要求日益提高。在贯彻JB/T3382.2-2000标准中，就需要对机床主轴空运转功率进行测试。按规定：任何一种型号的机床，要确定磨头空运转功率的指标，可选择装配较好的十套磨头，测量空运转功率，取平均值作为考核指标。这对于以小批量，多品种为特点的机床行业来说，如果采用传统的测量方法，即三表法或二表法测量磨头电机的功率，这些测量方法的测量系统体积庞大，接线复杂，无疑是一件十分繁重的工作，而且受测量系统结构的限制，测量精度较低，对主轴的空运转功率很难测试。

为了满足JB/T3382.2-2000标准中6.4章节的要求，经过一年多时间的调访，决定采用HIOKI3286型电力分析仪，成功地解决了机床的磨头空载功率的测试工作。

HIOKI3286型电力分析仪采用单片微处理器技术，可以完成对单相交流电动机或三相交流电动机的电压、电流、有功功率、视在功率、功率因数、相位角等多项性能的测试。

1.功率因数

相位角的测量是通过测量电压和电流过零点的差来完成的。如下图所示。仪器通过相位角φ，电压U和电流I来计算三相实时有功功率P，视在功率S ，无功功率Q，反应系数sinφ，功率因数cosφ。

对于变频器或晶闸管调速电路的畸变输入波形，或者是受干扰的畸变波形，测试会不准确或根本不能进行测试。在三相功率因数表的模式下，有功功率的计算是当作三相平衡负载处理的。如果三相不平衡，测试结果不准确。

对于变频器或晶闸管调速电路的畸变输入波形的测试为什么会造成不准确呢？这是因为对于畸变的波形，单相功率测量方式下测得的功率因数λ和单相功率因数测量方式下测得的功率因数λ是不同的。造成这种测量结果不同的，原因是单相功率测量方式是通过有功功率和视在功率来计算λ，即计算λ=P/S。而单相功率因数测量方式会将电压波形和电流波形认为是正弦波，通过相位角φ来计算λ。 相位角测量是功率因数方式计算的基础，如果说波形发生畸变，这种功率因数的测量方式计算会产生很大误差，甚至是完全错误。因此，对于波形发生畸变时，应该使用单相功率测量方式计算功率因数。

例如：

注：峰值因数为1.9的畸变波。

a）单相功率因数测量方式下的计算λ，功率因数测量方式会将电压波形和电流波形认为是正弦波，通过相位角来计算λ。 相位角测量是功率因数方式计算的基础，如果说电压波形和电流波形是正常的，无疑单相功率因数测量方式下的计算λ结果是正确的。

b）如果说输入的电压波形和电流波形发生了畸变时，而单相功率因数测量方式同样会将电压波形和电流波形认为是正弦波，通过相位角来计算λ。 相位角测量也是功率因数方式计算的基础，如果说波形发生畸变，这种功率因数的测量方式计算会产生很大误差。因此，对于波形发生畸变时，应该使用单相功率测量方式计算功率因数，原因是单相功率测量方式是通过有功功率和视在功率来计算λ。

c）三相功率因数测量方式下的计算λ，功率因数测量方式会将电压波形和电流波形认为是正弦波，通过相位角来计算λ。 相位角测量是功率因数方式计算的基础，如果说电压波形和电流波形是正常的，无疑三相功率因数测量方式下的计算λ结果是正确的。

d）如果说输入的电压波形和电流波形发生了畸变时，而三相功率因数测量方式同样会将电压波形和电流波形认为是正弦波，通过相位角来计算λ。 相位角测量也是功率因数方式计算的基础，如果说波形发生畸变，这种功率因数的测量方式计算会完全错误。因此，对于波形发生畸变时，应该使用三相功率测量方式计算功率因数。原因是与单相功率测量方式相同，三相功率测量方式也是通过有功功率和视在功率来计算λ。

2.功率测量

a）对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：P=IUcosφ，由于单相电路的功率测量电路是维一的测量回路，它的负载功率也是维一的，因此可以直接用HIOKI3286型电力分析仪测量，可以直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果，测量电路见附图1。

b）对于三相电路而言， 测量电路见附图2，三相电机功率的计算公式是：

P=1.732IUcosφ，由于三相电路的功率测量电路是三相的测量回路，这就涉及它的负载功率是否平衡， 如果说它的负载功率是平衡的，可以直接用HIOKI3286型电力分析仪测量，从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果。

c）如果说它的负载功率不是平衡的， 测量电路仍按附图2，直接用HIOKI3286型电力分析仪测量，从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果就会产生较在的测量误差。 这是因为公式是：P=1.732IUcosφ，其中电流I的取值源于仪器的钳形传感器，如果说钳形传感器所测量的那一相的负载大，则测量结果的读数就会相应的增大， 如果说钳形传感器所测量的那一相的负载轻， 则测量结果的读数就会相应的减小。

因此， 如果说它的负载功率不是平衡的， 测量电路应按附图3，对电机功率进行二次测量， 从HIOKI3286型电力分析仪上读出的二次测量结果，进行相加。电机功率是：

P=P1+P2

三相有功功率P=P1+P2=-O.54+1.98=1.44 kW

三相视在功率S=0.866（2.61+2.57）=4.49 kVA

功率因数λ=P/S=1.44/4.49=0.321

d）三相四线回路的测量，对于如果说它的负载功率是平衡的， 三相四线回路的功率和功率因数测量是与三相三线回路的测量相同，不需要使用中线，同样可以直接用HIOKI3286型电力分析仪测量，可以直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果。然而，对于三相不平衡负载，测量方式与单相二线系统相同，将单元设置为单相测量模式，但测量电路应按附图四进行接线和测量，以中线为基准，对三相负载进行分别测量， 分别从HIOKI3286型电力分析仪上读出的三次测量结果，将这些功率读数进行累加，此时的功率应是：

P=P1+P2+P3

e） 对于小功率的三相交流异步电机， 测量电路见附图2，在这种情况下， 虽然说它的三相负载功率是平衡的，但由于电机功率太小， 难以直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果。

以我公司生产的HZ-150手动小型1平面磨床为例，它的磨头电机的功率是0.75kW，而它的磨头电机的空载功率仅只有50W-80W之间，在这种情况下，已低于HIOKI3286型电力分析仪的最小分辨率，不可能直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果。因此，测量电路仍应按附图2接线，将单元设置为单相测量模式，直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出测量结果除以1.732即此时的磨头电机空载功率P=P（读数）/1.732。

3.视在功率S，无功功率Q，反应系数sinφ，功率因数cosφ的测量。这些是在功率测量和功率因数的基础上进行的。根据被测对象的不同，分别按附图1至附图4测量电路接线，然后按不模式按键，可直接从HIOKI3286型电力分析仪上读出。视在功率S，无功功率Q，反应系数sinφ，功率因数cosφ的测量结果。

4.电流，电压，频率和相序的检测

电流的检测要激活电流显示模式，打开钳头，钳住被测导体， 被测导体应置于钳头的中心位置，可以检测出电流的有效值，最大值和电路的频率。还可根据需要选择自动档和手动档测量。

电压的检测要激活电压显示模式，将电压连线连接到仪器，可以检测出电压的有效值，最大值。还可根据需要选择自动档和手动档测量。

相序的检测，按LINE/HARM键，选择三相功率因数方式，RST相序模式开始工作，将电压测试端子连接到仪器上，然后将红夹子，黑夹子，黄夹子连接到被测电路上，对于三相回路，仪器会分别显示出正常相序，反向相序和缺相三种测量结果。

除了上述所述的测试外，仪器还可以进行电流谐波和电压谐波的测量，还可以将瞬间测量的结果保持仪器中。

HIOKI3286型电力分析仪具有重量轻，便于携带，操作方便，读数直观正确等显著特点。在生产和科研工作中，笔者应用HIOKI3286型电力分析仪，成功地对我公司8种平面磨床产品的主轴空运转功率，满载功率进行测量。

根据这些测量数据，专程到海宁永发电机有限公司，利用该公司大型精密电机检测系统中，进行校核。校核的结果证明应用HIOKI3286型电力分析仪测量的数据是正确可靠。此后，还把仪器送浙江省测试技术研究院进行鉴定，证明仪器的各项性能是合格的。

在今年三月和九月，国家机床质量监督检测中心对我公司生产的MM7132A，M7150H，HZ-150三个产品的出口产品许可证复查中，应用HIOKI3286型电力分析仪测量三个被检产品的主轴空载功率和满载功率，圆满完成测量任务，受到国家机床质量监督检测中心专家的好评。

实践证明，应用HIOKI3286型电力分析仪是我公司电机性能测试技术的重大进步。

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