变频功率传感器

变频功率传感器是数字量输出型变频电量变送器的一种。

1、定义

变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连，数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。

2、特征

带宽

应该具备合理的带宽，其带宽应能覆盖所需测量的变频电量的基波和关注的谐波的频率。

以SPWM波形为例：

假设SPWM波的载波频率为fc，基波频率为fs，fc/fs称为载波比N，对于三相变频器，当N为3的整数倍时，输出不含3次谐波及3的整数倍谐波。且谐波集中载波频率整数倍附近，即谐波次数为：kfc±mfs，k和m为整数。

下图是基波频率fs=50Hz，载波频率fc=3kHz，调制比为0.8的SPWM的波形及频谱的Matlab仿真图。

图中58次谐波和60次谐波的幅值分别为27.8%和27.7%，含量最大的谐波为119次和121次谐波，谐波幅值分别为39.1%和39.3%。即最大谐波在两倍载波频率附近。

随着谐波频率的升高，谐波幅值整体呈现下降趋势，按照GB/T22670变频器供电三相笼型感应电动机试验方法的规定，变频电量变送器的带宽应该在载波频率的6倍以上，当载波频率为3kHz时，带宽至少为18kHz，实际使用建议采用30kHz以上带宽的变频功率传感器及变频功率分析仪。

实际的SPWM波，其载波比不一定为整数，此时，为了降低频谱泄露，可适当增加傅里叶窗口长度，对多个基波周期的PWM进行傅里叶变换（FFT或DFT）。

采样频率

采样频率应该高于带宽的两倍以上，对于变采样频率的变频功率传感器，当采样频率低于传感器带宽2倍时，应当开启适当的防混叠滤波器，限制输入信号的带宽。

精度

作为变频电量测量的传感器/变送器，不仅仅在工频下可以获得准确度指标，而是应该在标称频率范围之内，误差应小于标称准确级对应的误差限值。

由于变频功率传感器用于功率测量，其电压、电流的角差不可忽视。相同的角差，在不同功率因数下其功率测量的精度不同，且功率因数越低，角差对功率测量精度的影响越大。

波峰因数

由于变频器输出PWM波的波峰因数不是固定值，而是电压越低时，波峰因数越大，因此，变频功率传感器应能准确测量较高峰值因数的电压、电流信号、若不具备验证条件时，可以用较低的电压或较小的电流输入传感器，检验其测量准确度，一般而言，若能在较宽的幅值范围内实现高精度测量，即可在较高的波峰因数下实现较高的测量准确度。

基波

在复杂的周期性振荡中,包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波。相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波。

谐波

谐波的危害十分严重——谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

谐波的危害

1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

3、应用

首先，变频功率传感器适用于工频电量测量和计量。

变频功率传感器应用

其次，变频功率传感器适用于带宽范围内的任意电参量的测量和计量。广泛应用于电力推进、电机、风机、水泵、风力发电、轨道交通、电动汽车、变频器、特种变压器、荧光灯、LED照明等领域的产品检试验、能效评测及电能质量分析。