一、多相電機(jī)及多相功率分析儀

　　在過(guò)去的100多年中，電力系統(tǒng)的發(fā)電、變電、輸電荷配電系統(tǒng)都是三相系統(tǒng)。因此，大多數(shù)交流電機(jī)采用三相結(jié)構(gòu)。然而，隨著電機(jī)功率的逐漸加大和某些特殊場(chǎng)合對(duì)電機(jī)可靠性要求的提高，三相電機(jī)開(kāi)始面臨挑戰(zhàn)。多相電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

　　多相電機(jī)的有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

　　1、相數(shù)多，相同功率下單相電流小，降低了電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)難度。如：六相直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)已得到廣泛應(yīng)用。

　　2、多相冗余，即便某一相出現(xiàn)故障，還能正常運(yùn)行，提高電機(jī)可靠性。如：十五相新型感應(yīng)電機(jī)特別適合艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)。

　　用于五相、六相、十二相、十五相等多相電機(jī)功率測(cè)量的多相功率分析儀的接線及原理與三相功率分析儀有所不同，但基本原理類(lèi)似。因此，本文先講述三相功率分析儀的接線及原理。

二、三相功率分析儀的接線及原理

　　三相功率分析儀的接線包括兩表法和三表法兩種方式。

1、三相功率分析儀的三表法接線及原理

　　三相功率分析儀的三表法接線較容易理解，分別測(cè)量每相的有功功率Pa、Pb、Pc，而三相總功率P=Pa+Pb+Pc。每一相都有明確的物理意義，Pa、Pb、Pc分別代表負(fù)載A、B、C相消耗的功率。

　　圖1為三相功率分析儀的三表法接線原理圖，由圖可知，三表法測(cè)量需要有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，A、B、C三相節(jié)點(diǎn)之外，還需要中性點(diǎn)N。三表法一般用于三相四線制的功率測(cè)量。

圖1 三相功率分析儀的三表法接線

2、三相功率分析儀的兩表法接線及原理

　　三相功率分析儀的兩表法用于三相三線制的功率測(cè)量。兩表測(cè)量三相功率的基本原理是基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律。

　　在Y連接的三相電路中，記ia(t)、ib(t)、ic(t)分別為三相電流的瞬時(shí)值，根據(jù)基爾霍夫電流定律，有：

　　ia(t)+ib(t)+ic(t)=0  （1）

　　記uab(t)、ucb(t)為線電壓的瞬時(shí)值，uan(t)、ubn(t)、ucn(t)為相電壓的瞬時(shí)值，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有：

　　uab(t)=uan(t)-ubn(t) （2）

　　ucb(t)=ucn(t)-ubn(t) （3）

　　記pa、pb、pc分別為A、B、C相功率的瞬時(shí)值，p為三相功率的瞬時(shí)值，有：

　　p(t)=pa(t)+pb(t)+pc(t)=uan(t)*ia(t)+ubn(t)*ib(t)+ucn(t)*ic(t)  （4）

　　由式（1）得：

　　ib(t)=-ia(t)-ic(t)

　　上式代入式（4），有：

　　p(t)=uan(t)*ia-ubn(t)*ia-ubn(t)*ic+ucn(t)*ic(t)=[uan(t)-ubn(t)]*ia(t)+[ucn(t)-ubn(t)]*ic(t)

　　式（2）、（3）代入上式，有：

　　p(t)=uab(t)*ia(t)+ucb(t)*ic(t)  （5）

　　式（5）就是三相功率分析儀兩表法測(cè)量原理。

　　對(duì)于三角形接法的三相電路，采用星三角等效變換原理，可以得到同樣的結(jié)論。其中ia(t)和ic(t) 在Y連接中，既是相電流，也是線電流，在△連接中，表示線電流。

　　依據(jù)式（5），得到三相功率分析儀兩表法接線如下：

圖2 三相功率分析儀的兩表法接線

3、三相功率分析儀接線方式選擇

　　值得注意的是，三相功率分析儀的兩表法并不是三表法的簡(jiǎn)化測(cè)量方法，三表法和兩表法的接線方式主要取決于被測(cè)電路：

　　a、三表法應(yīng)用的前提是有四個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用可以是下述情況下的任意一種：

　　三相四線制；

　　三相三線制，被測(cè)端采用星型連接并且中性點(diǎn)可以引出；

　　三相三線制，被測(cè)端采用星型連接但中性點(diǎn)不可引出，可采用三個(gè)等值阻抗采用星型連接虛構(gòu)中性點(diǎn)；

　　三相三線制，被測(cè)端采用三角形連接，沒(méi)有中性點(diǎn)，可采用三個(gè)等值阻抗采用星型連接虛構(gòu)中性點(diǎn)。

　　b、兩表法應(yīng)用的前提是只有三根電流線。

　　兩表法只能用于三相三線制；

　　對(duì)于采用變頻器供電的電機(jī)，若載波頻率較高，由于雜散電容泄露電流的存在，會(huì)影響功率測(cè)量的準(zhǔn)確度。但是，這個(gè)問(wèn)題并非采用三表法就可以解決。（詳細(xì)參見(jiàn)銀河文庫(kù)_淺談變頻電機(jī)試驗(yàn)的功率測(cè)量）。

　　c、兩表法與三表法選用與三相電路是否平衡無(wú)關(guān)。

三、五相功率分析儀的接線及原理

　　類(lèi)似三相電機(jī)，五相功率分析儀依據(jù)五相電機(jī)的中性線是否存在且連接（有電流），分為下述兩種接線方式：

1、五相功率分析儀的四瓦特表法

　　當(dāng)五相電機(jī)具有中性點(diǎn)且中性點(diǎn)未引出時(shí)（無(wú)電流），利用基爾霍夫電流定律，采用四個(gè)瓦特表可以測(cè)量出五個(gè)電壓和五個(gè)電流，從而計(jì)算出五相電機(jī)的總功率，其推導(dǎo)方法與量表法類(lèi)似。

2、五相功率分析儀的五瓦特表法

　　當(dāng)五相電機(jī)具有中性點(diǎn)且中性點(diǎn)有連接時(shí)（有電流），應(yīng)采用五塊瓦特表分別測(cè)量每一相的功率，結(jié)果求和。

四、六相功率分析儀的接線及原理

　　六相電機(jī)可以分為兩種情況，第一種是六相是采用兩套獨(dú)立的星形連接的三相繞組，兩個(gè)中性點(diǎn)不相連，第二種情況是六個(gè)繞組共用一個(gè)中性點(diǎn)。

　　每種情況又包含兩種測(cè)量方法，因此，六相功率分析儀共有四種接線方式：

1、六相功率分析儀的四瓦特表法

　　兩套獨(dú)立三相繞組時(shí)，就測(cè)量而言，兩套繞組相當(dāng)于兩臺(tái)三相電機(jī)，分別對(duì)兩套繞組采用三相功率分析儀的兩表法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果求和，需要四個(gè)瓦特表。

2、六相功率分析儀的五瓦特表法

　　六個(gè)繞組共用一個(gè)中性點(diǎn)時(shí)，且中性點(diǎn)未作連接時(shí)（無(wú)電流），利用基爾霍夫電流定律，采用五個(gè)瓦特表可以測(cè)量出六個(gè)電壓和六個(gè)電流，從而計(jì)算出六相的總功率，其推導(dǎo)方法與量表法類(lèi)似。

3、六相功率分析儀的六瓦特表法

　　兩套獨(dú)立三相繞組時(shí)，就測(cè)量而言，兩套繞組相當(dāng)于兩臺(tái)三相電機(jī)，分別對(duì)兩套繞組采用三相功率分析儀的三表法進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果求和，需要六個(gè)瓦特表。

　　六個(gè)繞組共用一個(gè)中性點(diǎn)時(shí)，且中性點(diǎn)有連接時(shí)（有電流），可采用六塊瓦特表分別測(cè)量每一相的功率，結(jié)果求和。

五、十五相功率分析儀的接線及原理

　　十五相電機(jī)根據(jù)繞組連接方式一般可分為五套獨(dú)立三相繞組或三套五相獨(dú)立繞組或一套十五相繞組三種情況，十五相功率分析儀接線主要有下述四種方式：

1、十五相功率分析儀的十瓦特表法

　　五套獨(dú)立三相繞組時(shí)（中性點(diǎn)獨(dú)立且無(wú)任何連接），相當(dāng)于五套獨(dú)立的三相功率分析儀的二瓦特表法，結(jié)果求和，共需要十個(gè)瓦特表。

2、十五相功率分析儀的十二瓦特表法

　　三套獨(dú)立五相繞組時(shí)（中性點(diǎn)獨(dú)立且無(wú)任何連接），相當(dāng)于三套獨(dú)立的五相功率分析儀的四瓦特表法，結(jié)果求和，共需要十二個(gè)瓦特表。

3、十五相功率分析儀的十四瓦特表法

　　一套十五相繞組時(shí)，若中性點(diǎn)未作任何連接（無(wú)電流），利用基爾霍夫電流定律，采用十四個(gè)瓦特表可以測(cè)量出十五個(gè)電壓和十五個(gè)電流，從而計(jì)算出十五相電機(jī)的總功率，其推導(dǎo)方法與量表法類(lèi)似。

4、十五相功率分析儀的十五瓦特表法

　　一套十五相繞組時(shí)，若中性點(diǎn)有連接（有電流），可采用十五塊瓦特表分別測(cè)量每一相的功率，結(jié)果求和。

六、多相功率分析儀接線注意事項(xiàng)

　　對(duì)于讀數(shù)穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)測(cè)量，多相功率分析儀可以分為多組分別進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于讀數(shù)不穩(wěn)定的瞬態(tài)測(cè)量，多相功率分析儀的每個(gè)萬(wàn)特表（或功率單元）之間應(yīng)該有同步測(cè)量機(jī)制保證多相之間為同步測(cè)量。

　　WP4000變頻功率分析儀單臺(tái)最多支持六個(gè)功率單元，每臺(tái)功率分析儀可通過(guò)同步光纖進(jìn)行嚴(yán)格同步采樣，單臺(tái)功率分析儀可實(shí)現(xiàn)上述的三相功率分析、五相功率分析儀及六相功率分析儀的任何一種連接方式。一臺(tái)WP4000變頻功率分析儀采用兩表法測(cè)量相當(dāng)于三臺(tái)三相功率分析儀。采用兩臺(tái)或三臺(tái)WP4000變頻功率分析儀可構(gòu)建十五相功率分析儀。

　　上述連接方式不能囊括實(shí)際工程應(yīng)用中的所有連接方式，然而，只要真正理解三相功率分析的兩表法和三表法接線方式和原理，并融會(huì)貫通，不但可輕松構(gòu)建五、六、十五相等任意相數(shù)電機(jī)功率分析儀，還可最大限度簡(jiǎn)化測(cè)試電路。

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