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功率分析仪最大峰值因数的真实含义

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  • 发布时间:2013/11/21 12:36:14
  • 作者:AnyWay中国

一、峰值因数的含义

  某些功率分析仪将可测量峰值因数作为重要特点进行宣传。例如:某高精度功率分析仪标称最大可测量峰值因数为6,另一高精度功率分析仪则标称最大可测量峰值因数为10,将最大可测量峰值因数作为技术指标进行对比。
  那么,是不是后者的测试能力更强、性能更加优越、或适用面更广?
  要对该问题作出判断,必须真正理解了峰值因数的含义和高峰值因数对功率分析仪的测量要求。
  峰值因数是指被测信号的瞬时值的峰值与有效值的比值。如:
  正弦波的峰值因数为根号2(约等于1.414);
  锯齿波和三角波的峰值因数为根号3;
  直流波形或对称交流方波具有最低的峰值因数,其峰值因数为1。
峰值因数的定义
图1 峰值因数的定义
  传统的交流电测仪表就是利用正弦波峰值因数为1.414的特点,采用峰值检波电路将交流电参量转变为与波形峰值成正比的直流电压信号,再依据正弦波峰值因数反算出被测电参量的有效值。因此,该类电测仪表只能满足正弦波的测量需要。
  功率分析仪一般适用标称带宽内任意波形电参量的测量。不同波形的电参量具有不同的峰值因数,对功率分析仪的测量要求有所不同,相同功率分析仪对不同峰值因数的电参量测量精度也有所不同。

二、高峰值因数对功率分析仪的测量要求

  计算机通常采用开关电源供电,开关电源输入侧的二极管整流电路导致输入电流产生较大的畸变,电流波形的峰值因数高达2.4~2.6,因此,一般UPS要求可驱动峰值因数为3的负载。
  6或10的高峰值因数波形,一般发生在变频器输出的PWM波。理论上,PWM波的峰值因数可达无穷大。因为PWM波在输出不同基波有效值电压时,其峰值始终保持不变,因此,输出电压基波有效值越低,峰值因数越高。以额定电压690V的变频器为例,输出电压(基波有效值)690V时,峰值因数接近正弦波峰值因数1.414,而输出电压为69V时,峰值因数接近14.14,输出电压为6.9V时,峰值因数接近141.4!
整流器输入波形
图2 二极管整流类设备输入电流具有较高的峰值因数
  事实上,上述标称最大峰值因数为6或10的功率分析仪,均可对更高峰值因数的波形进行测量,只是功率分析仪的测量原理不同时,仪器设置和测量精度有所不同。
  PWM波的峰值因数较高时,调制比较小,脉冲宽度较窄,因此,有一种观点认为,高峰值因数的PWM波,要求更高的带宽和采用频率。
  实际上,这仅仅是局限于直观、简单的时域理解,对于PWM波而言,载波频率确定了,其谐波分布和谐波频率就基本确定,如果我们关注的谐波频率是固定的,那么,测量带宽和采样频率与调制比无关。
  峰值因数的影响体现为:
  1、高峰值因数(低调制比)时,基波含量变大,高次谐波相对含量较小,受带宽限制不能准确测量影响带来的影响较小;低峰值因数(高调制比)时,基波含量变小,高次谐波相对含量变大,受带宽限制不能准确测量影响带来的影响较大。如果上述高次谐波不是关注对象,由此带来的影响可以忽略。
  2、信号基波频率是FFT算法的重要输入参数,基波频率测量错误或不准确,将导致FFT运算结果的错误或不准确。峰值因数越高,波形畸变越大,准确测量基波频率的难度越大。
  3、相同的有效值的PWM电压,峰值因数越高,峰值越大,需要采用更大的量程测量,测量精度下降。目前大部分功率分析仪具有自动转换量程功能,自动转换量程的依据是信号有效值,这样,当被测信号的峰值因数高于仪器默认的峰值因数时,会导致量程转换错误。例如:某功率分析仪具有1000V、600V、300V的量程,量程对应峰值因数为1.5。被测变频器的额定电压为690V。由于变频器输出为PWM波,正确的量程转换方案下,不论变频器输出电压为多少,都应该采用1000V的量程进行测量。采用有效值作为量程转换依据的功率分析仪,当输出电压低于600V时,会出现量程转换失误,由于PWM波为方波,削波后波形不变,但是,幅值按比例下降,一般不易察觉。

三、理想的峰值因数处理方案

  AnyWay系列变频功率分析仪采用无缝量程转换方案,按照被测信号的瞬时值进行量程切换,可以适用任意峰值因数波形的测量。无需根据峰值因数大小选择功率分析仪的量程,不会因为量程选择不当导致波形被削波造成错误测量结果。
WP4000变频功率分析仪
图3 适用任意峰值因数测量的WP4000变频功率分析仪


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