一陀螺儀電機測試目的

　　本次陀螺儀電機測試的主要目的是分析輸入功率波動的原因：是某一相還是三相都有波動；導致功率波動的是諧波或是間諧波、或是電源三相不平衡、或是電壓、電流相位差的波動、或是上述諸多因素的綜合結果。

二陀螺儀電機測試線路

　　本次測試采用湖南銀河電氣有限公司研制的WP4000變頻功率分析儀，該分析儀是目前國家變頻電量測量儀器計量站的測量基準，測試數據具有較高的精度和最高的權威性。 根據被測電機的電壓和電流，WP4000 的功率單元選擇 DT223B（128V/1.28A）數字變送器。每個DT 數字變送器可連接一路電壓和一路功率。 由于電機未引出中性線，一般采用二瓦計法測量三相功率，為了更加準確直接的反映三相電流，每相電流均采用一個DT數字變送器進行測量。
下圖為其測試線路圖。

　　由于二瓦計法的單個功率讀數沒有明確的物理意義，當三相功率不相同時，不便于分析功率波動的原因，因此，利用同型號的DT 數字變送器電壓通道輸入阻抗相等的原理，構建虛擬中性點，并在此基礎上采用三瓦計法進行測量。圖3c 為其測試線路圖。

三瓦計法測量三相功率線路圖

測試現場實物照片

 

三陀螺儀電機測試方法及記錄

　　本次測試采用WP4000 作為基本測試儀器，相關數據分析采用DH2000 諧波分析儀和DCCS2012 分布式數據采集系統等上位機軟件。

試驗電源測試

1、諧波測試

Uab 諧波頻譜

Ubc 諧波頻譜

Uca 諧波頻譜

　　由圖可知，三相電壓諧波含量非常小，基本可忽略。

2、三相不平衡度

 

　　電源負序分量占比約：0.2%

3、穩定度

10 分鐘線電壓幅值趨勢曲線（更新時間 500ms）

　　10 分鐘內，電壓波動在±0.02%以內。

四陀螺儀電機第一次測試

01三相電壓

 

02三相電流

10 分鐘電流幅值趨勢曲線（更新時間 500ms）

　　10 分鐘內，電流幅值變化在±0.2%以內。

03功率PAB、PCB、P

10 分鐘 PAB 幅值趨勢曲線（更新時間 500ms）

　　10 分鐘內，PAB 幅值變化量為 0.1W，相對變化量在 10%以內。

10 分鐘 PCB 幅值趨勢曲線（更新時間 500ms）

　　10 分鐘內，PCB 幅值變化量為0.06W，相對變化在1.3%以內。

10 分鐘 P 幅值趨勢曲線（更新時間 500ms）

　　10 分鐘內，P 幅值變化量為0.16W，相對變化在4.7%以內。

五陀螺儀電機第二次測試

　　通過第一次測試，發現功率的波動明顯大于電壓、電流的波動。對電壓、電流信號進行諧波分析，期望從中了解到功率波動的原因。
三相電壓

單相電壓實時波形

線電壓間諧波分析

　　電壓波形較純正，諧波含量可以忽略。最大間諧波含量不超過基波的0.075%。

單相電流實時波形

　　電流波形較純正，諧波含量可以忽略。最大間諧波含量約為基波的0.1%。

六陀螺儀電機第三次測試

　　經過第二次測試，發現電壓、電流信號均較純正，未發現顯著異常。于是對瞬時功率進行測試分析。
　　考慮到三相瞬時功率可能不同，而二瓦計法的單個功率讀數沒有明確的物理意義，本次測試采用虛擬中性點的三瓦計法進行測試。

單相瞬時功率

三相瞬時功率

　　理想狀態下，單相瞬時功率為倍頻（1000Hz）的正弦波上疊加一個直流分量（有功功率）。
　　理想狀態下，三相瞬時功率為一條直線。
　　對實測的單相瞬時功率波形進行諧波分析，發現2.74Hz 的間諧波含量較大，A、B、C 三相與有功功率（平均值）的占比分別為：4.4%、4.8%、5.4%。對實測的三相瞬時功率波形進行諧波分析，其主要諧波為500Hz 和1000Hz 兩種頻率分量，其中，1000Hz 占比較大。同時，也包括與單相功率瞬時波形相同的2.74Hz 的間諧波，約占有功功率的3.6%。
見下圖。

A 相瞬時功率的間諧波

B 相瞬時功率的間諧波

C 相瞬時功率的間諧波

三相瞬時功率的間諧波

　　第一次測試基于時域，發現功率明顯波動。
　　第二次測試期望通過對電壓、電流的頻域分析，得出造成功率波動的原因，未發現顯規律。
　　第三次測試對功率直接進行頻域分析，得出了功率變化的規律。
　　于是，我們做出如下推測：
　　理論上，只要電壓和電流為單一頻率的穩定信號，功率就應該是穩定信號。
　　本次測試雖然未在電壓、電流信號中發現顯著的多余頻率成分。但在功率信號中均發現有明顯的2.74HZ 的間諧波。
　　推測是電流中較微弱的間諧波引起的電壓和電流之間的相位的微小變化，而本電機的功率因數較低，微小相位變化會對功率產生較為顯著的影響。

10 分鐘 C 相相位變化趨勢曲線（更新時間 20ms）

　　A 相電壓、電流之間的相位差變化量約2.8°電壓、電流不變時，最小相位288°對應的功率因數為0.3090，最大相位差290.8 對應的功率因數為0.3551。功率因數的上述變化將引起功率15%的變化，這個測試結果與推測基本相符。

七陀螺儀電機綜合分析

　

01電源分析

　   陀螺電機是精密機械，其工作電源應有較高的精度和穩定性。
　　測試表明，其三相電壓包含0.2%的負序分量，應該予以消除。

02功率波動分析

　   理想的三相電機帶三相對稱負載，且在三相對稱電源供電時，其輸入的三相瞬時功率波形應為一條直線。實測三相功率的瞬時波形包含約4%左右的2.7Hz 的低頻的間諧波。
　　我們實際測試讀取的是三相瞬時功率的平均值，由于瞬時功率是波動的，平均值與平均時間有關，表現在儀表上，與更新時間有關。
　　下圖記錄了更新時間分別為20ms、500ms、730ms 和1000ms 下的有功功率趨勢曲線。

10 分鐘有功功率趨勢曲線（20ms）

　　10 分鐘內，有功功率變化量約為0.7W，相對變化量約為20%。

10 分鐘有功功率趨勢曲線（500ms）

　　10 分鐘內，有功功率變化量約為0.15W，相對變化量約為4.3%。

10 分鐘有功功率趨勢曲線（730ms）

　　10 分鐘內，有功功率變化量約為0.055W，相對變化量約為1.6%。

10 分鐘有功功率趨勢曲線（1000ms）

　　10 分鐘內，有功功率變化量約為0.09W，相對變化量約為2.6%。
　　相比之下，730ms 趨勢曲線較平緩，這是因為730ms 是間諧波周期365ms 的整數倍。
　　2.74Hz 的間諧波是造成功率波動的主要原因，盡管設置合適的更新時間，可以獲得相對穩定的讀數，但是，這個波動是真實存在的。從嚴格考核的角度出發，設置更新時間以獲取穩定讀數并沒有實際意義，相反由于實際信號的規律未充分展現時，由于更新時間的匹配程度不同，可能得出相反的結論。
　　例如：本電機的實際波動約4%，但是，采用合適的更新周期，讀數波動可以控制在1%以內。
　　而另外一臺電機實際波動約2%，由于更新時間不匹配；讀數波動完全可能大于1%。
　　2.74Hz 的間諧波產生原因可能在電機，也可能在負載，也可能是電機和負載都有關聯。
　　負載方面，對于三相電機的每一相的波動貢獻應該均等，這一點，從測試數據看，三相功率均包含2.74Hz的間諧波。
　　電機方面，C 相的波動最大，2.74Hz 的間諧波幅值最大，電機異常的可能性較大。
　　三相直流電阻存在一定的不平衡度。
　　僅從測試數據看，電機和負載都有可能是導致功率波動的原因。

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