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交流道岔功率功率曲線采集原理及典型問題解析

舒軍

<p class="ql-block">幾年前筆者試著推算道岔功率曲線繪制的原理，但部分特殊曲線未嚴格推算出來，目前僅推算出部分曲線，供美友參考，助美友們分析解決問題，如有不對的地方歡迎批評指正。</p> <p class="ql-block">首先，我們來說說三相交流電機功率的相關(guān)問題。交流電功率分為視在功率、有功功率和無功功率，視在功率2=有功功率2+無功功率2 。三相功率的計算要看是三相三線制還是三相四線制，同時和三相負載對稱與否也有關(guān)系。</p><p class="ql-block">如果是三相三線制，不管負載是否對稱都可以用二瓦表來測量，接法如圖a所示，把C相做公共端（同理也可以把A相或C相做公共端，測量結(jié)果一樣），流過W1的電流為iA，加在W1的電壓為A相和C相之間的電壓uAC；流過W2的電流為iB，加在W2的電壓為B相和C相之間的電壓uBC，最后把兩個功率表的代數(shù)和就是要測得功率。計算公式為：iA×uAC＋iB×uBC，計算要注意它們都是矢量，是有角度的，我這里不好打出來，沒有給出完整的向量形式。</p><p class="ql-block">如果是三相四線制同時負載不對稱，可以單獨測每一相的功率，這次加在功率表兩端的電壓是每一相和零線之間的電壓，最后把W1、W2和W3相加就是要測量的功率。計算公式：每相電壓乘以每相電流最后求和，iA×uA＋iB×uB＋iC×uC，同樣也是向量形式。若果是三相四線制同時負載對稱，可以只測出A相（B相或C相）的功率，之后乘以三就是三相總功率；因為是對稱負載，零線N中是沒有電流的，可以把零線看成沒有，也可用三相三線制的二瓦表法來測出或計算出三相功率。三相四線制如圖b所示。</p> <p class="ql-block">以上是網(wǎng)上搜的</p> <p class="ql-block">視在功率S=電壓×電流，有功功率P=視在功率×cosφ（注：φ為電壓電流相位差），無功功率Q=視在功率×sin-φ。這個功率因數(shù)=有功功率?視在功率，也就是cosφ的值。當電流與電壓相位差為0時，視在功率就等于有功功率，即負責為純阻性時視在功率因數(shù)1，當負載為純?nèi)菪詴r，電流超前電壓90°，此時功率因數(shù)為cosφ=cos90°=0，當負載為純感性時，電壓超前電流90°，此時功率因數(shù)也為0，cosφ=cos-90°=0。正常情況下，電機都是對稱連接的，每一相內(nèi)部參數(shù)均一致，故相位差都是均等的。</p><p class="ql-block">信號交流轉(zhuǎn)轍機電機為額定380V2A的電機，一般室內(nèi)采集處電壓在400V之上，電流在1.6A左右，那么它的視在功率S=×400×1.6=1108W，電機在負載很輕時，轉(zhuǎn)速較高，電流與電壓相位差較少，也就是cosφ的值較小0.2左右，電機有功功率P大約220W，當負載很重時，電機轉(zhuǎn)速下降，cosφ變大，cosφ值可達到0.8左右，也就是880W，而此時電機的電流幾乎是沒變化的，若此時負載超過額定功率時，電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不能帶動負載時電機內(nèi)部磁路將飽和，電機線圈的感性將不再起作用，電流將急劇上升，直至跳空開。</p><p class="ql-block">道岔電流、功率曲線采集原理從未見任何資料介紹過，有可能涉及到采集模塊廠家的核心算法問題，不愿意公開或沒人去深究吧，現(xiàn)依據(jù)現(xiàn)場試驗的幾組采集曲線進行簡單剖析，供大家一起研究一下，錯與對不是那么重要，我也無從查考，重要的是學習一下交流道岔功率曲線采集分析，幫助我們平時去分析故障時的功率曲線。</p><p class="ql-block">斷開某一相采集電流時功率曲線如下圖</p> <p class="ql-block">從上圖分析，單個電流到0不影響整機功率曲線繪制，W1和W2僅需要兩個電流即可，那到底該模塊采集的是WAB、WAC還是WAB、WBC呢？因上圖中A、C相電流到0功率曲線不變，暫且可以推斷出WAB、WAC、WBC取其二（三相Y型接法的功率只需要兩相線功率的向量和），暫且依據(jù)上圖取B、C相電流。</p><p class="ql-block"><br></p><p class="ql-block">下圖為正常采集時的電流曲線</p> <p class="ql-block">電流不隨負載輕重變化，有功功率隨負載輕重變化。小尾巴線的功率暫且按照直流電功率推算，即W=IU=電源電壓U÷回路總電阻R×0.45（半波整流系數(shù)）×電源電壓U，U取400V，R=電機電阻+電纜電阻+二極管電阻，取R=20+30+300=350Ω。</p><p class="ql-block">那么P= 400V÷350Ω×0.45×400=205W，這個0.45也就是交流信號對應直流半波時的等效系數(shù)，故是可以按照直流平均值進行計算的。</p><p class="ql-block">按照WAB+WBC來計算WAB=IU cosφ，I從小尾巴曲線上看為0.5A，電壓400V，故同樣通過曲線平直判斷，相位差應不變，故此時的相位差測試不出來了，相位差可能因為是直流屬性判斷為0°。也即WAB= 400V×0.5×1=200W，因C相電流為0，故WBC=0，另一邊是WAB=0，WBC=200W。</p><p class="ql-block">有人問：交流模塊能夠采集到直流值嗎？此處小尾巴電流是半波整流，是交流電的一半，在全周期內(nèi)的系數(shù)是0.45倍，此處雖是直流電但因其為周期性變化的直流信號，故能夠采集到該值。當然，全按直流去算也不準確，畢竟電機屬于非線性器件。</p><p class="ql-block">斷開任一相電壓時采集圖片</p> <p class="ql-block">斷開任一相電壓時，功率曲線明顯變低。那么這個又是如何計算得出的呢？筆者臆測如下，模塊采集時，若三個點均需要采集電壓，那么電壓表的連接方式如圖所示</p> <p class="ql-block">正常時，V1、V2、V3均為380，一般為400V左右。當A相采集斷開時，那么V1、V3將會串接于BC之間，因V1、V3內(nèi)阻均等，那么，V2=V1+V3=2V1=2V3，這一點大家可以斷開各自管轄站場的任何一個外電網(wǎng)采集試試看，線電壓是符合此現(xiàn)象。模塊采集內(nèi)部僅采集兩相電壓，也就是圖2、圖3中所示。</p><p class="ql-block">依據(jù)正常時的功率曲線可看出該有功功率在400W-600W之間，推算出該道岔功率因數(shù)在0.35-0.55之間，此處正常曲線基本上處于500W左右位置，此時的功率WBC=400×1.6×=288W，按照本例電機功率因數(shù)估測出功率因數(shù)大概等于0.45，那么電流應滯后電壓大約63°。此時相位差分別為-63°+120°和-63°-120°，此時測試出三個不同的相位差即-60°、57°、-183°，后面為方便計算相位差取60°。</p><p class="ql-block">推測：按照模塊取B、C相電流計算，圖2中A相采集斷線,此時UAB、UAC與UBC同相位。正常時IC滯后C線60°,此時因采集到的是C相線電壓的一半，故IB卻是超前B線60°，而且此時夾角的變大或變小是同步的，也即當正常時若IC滯后C線50°, IB卻是超前B線70°。這也是為什么曲線平直的原因。</p><p class="ql-block">P=WAB+WAC=IBU ABcosφB+ ICU BCcosφC 此時設定UB為0°時,那么IB為60°、IC為-60°</p><p class="ql-block">那么上式等于IU（cos60°+cos-60°）=1.6×200=320W</p><p class="ql-block">圖3、圖4的情況相同P=WAC或WAB ，斷線處電壓為0。即P=IUcosφ=320W</p><p class="ql-block">電壓與電流任一接錯，如下圖所示</p> <p class="ql-block">按照本例電機功率因數(shù)估測出功率因數(shù)大概等于0.5，那么電流應滯后電壓60°。此時若顛倒了兩個電壓，那么顛倒后的兩個相位差為60°+120°和60°-120°，此時測試出三個不同的相位差即-60°、60°、180°，此時三個電壓、電流均有效，實際UC與IB是反向的，功率計算為負值，實際無效</p> <p class="ql-block">整機功率： UC超前或滯后UB120°，設定A相為0°，BC接反時， 正常時UBIB夾角-60°， 電壓接錯時UC線IB夾角-180°，UB線IC夾角60°，以A相為0°，B相-120°,C相120°,全帶角度去算即</p><p class="ql-block">S=SAB+SBC= UB∠-120°IC ∠180°cos60°+UC∠120°IB∠60° cos180°</p><p class="ql-block">=400（-1/2-/2 j）×1.6×（-1）×0.5+400（-1/2+/2 j）×1.6（1/2+/2 j）×（-1）</p><p class="ql-block">=320（1/2+/2 j）+640</p><p class="ql-block">=800+160j</p><p class="ql-block">那么有功功率P=800W，當電流與電壓相位差發(fā)生變化時對應的變化是一個變大另一個將會變小，故曲線平直，變化很小。</p><p class="ql-block">右邊的小尾巴不一樣了，目前沒推斷出此處功率采集數(shù)據(jù)是如何處理的。</p>