PLC/变频器维修中交流电压测量技术

    在电子测量领域中，电压是基本参数之一。许多电参数，如增益、频率特性、电流、功率调幅度等都可视为电压的派生量。各种电路工作状态，如饱和、截止等，通常都以电压的形式反映出来。不少测量仪表也都用电压来表示。因此，电压的测量是许多电参数测量的基础。电压的测量对PLC/变频器的维修可以说是必不可少的。PLC/变频器电路中电压测量的特点是：

    ①频率范围宽：PLC/变频器电路中电压的频率可以从直流到数百兆赫范围内变化。

    ②电压范围广：PLC/变频器电路中电压范围由微伏级到近千伏以上高压，对于不同的电压挡级必须采用不同的电压表进行测量。

    ③存在非正弦量电压：被测信号除了正弦电压外，还有大量的非正弦电压。

    ④交、直流电压并存：被测的电压中常是交流与直流并存，甚至还夹杂有噪声干扰等成分。

    ⑤为了使仪表对被测电路的影响减至足够小，要求测量仪表有更高的输入电阻。

    所以，在PI. C/变频器电路中，应根据被测电压的波形、频率、幅度、等效内阻，针对不同的测量对象采用不同的测量方法。如：测量精度要求不高，可用普通万用表；如果希望测量精度较高，根据现有条件，选择合适的测量仪表。电压测量是通电检测手段中最基本、最常用的方法。根据电源性质又可分为交流和直流两种电压测量。

    1)交流电压参数

    交流电压大致可分为正弦和非正弦交流电压两类，测量方法一般可分为两种，一种是具有一定内阻的交流信号源的测量，如图1-10(a)所示。另一种是电路中任意一点对地的交流电压的测量，如图1-10(b)所示电路中的U1、U2，也包括电路中任意两点间的交流电压，如UR1、UR3。在用间接测量法求UR =U1-U2电压时，其值由矢量差求出，只有当U1和U2同相位时，才能用代数差表示。在时间域中，交流电压的变化规律是各种各样的，有按正弦规律变化的正弦波、线性变化的三角波、跳跃变化的方波、随机变化的噪声波等。但无论变化规律多么不同，一个交流电压的大小均可用峰值（或峰峰值）、平均值、有效值、波形因数、波峰因数来表征。

 

    图1-10  测量两种交流电压方法

    ①峰值UP是交变电压在所观察的时间或一个周期内所达到的最大值，如图1-11所示，峰值是从参考零电平开始计算的，有正峰值UP+和负峰值UP-之分。正峰值与负峰值一起包括时称为峰峰值UPP。常用的还有振幅Um，它是以直流电压为参电平计算的。因此，当电压中包直流成分时，UP与Um是不相等的，只有纯交流电压时UP =Um。

 

    图1-11  交流电压的峰值与幅度

    ②平均值在数学上定义为

    (1-8)

    原则上，求平均值的时间为任意时间，对周期信号而言，T为信号周期。在实际测量中，总是将交流电压通过检波器变换成直流电压后再进行测量的，因此平均值通常是指检波后的平均值。根据检波器的不同又可分为全波平均值和半波平均值，一般不加特别说明时，平均值都是指全波平均值，即

    (1-9)

    ③有效值U。一个交流电压和一个直流电压分别加在同一电阻上，若它们产生的热量相等，则交流电压的有效值U等于该直流电压值，即

    (1-10)

    有效值作为交流电压的一个参数，有效值比峰值、平均值用得更为普遍，当不特别指明有一定内阻的交流信号源的测量，如图1-10(a)所示。另一种是电路中任意一点对地的交流时，交流电压的量值均指有效值，各类交流电压表的示值，除特殊情况外，都是按正弦波的

有效值来刻度的。

    ④波形因数KF。电压的有效值与平均值之比称为波形因数KF，即

    (1-11)

    ⑤波峰因数KP。交流电压的峰值与有效值之比称为波峰因数KP，即

    (1-12)

    2)模拟式万用表测量交流电压

    用万用表的交流电压挡测量电压时，交流电压是通过检波器转换成直流后直接推动磁电式微安表头，由表头指针指示出被测交流电压的大小。因此这种表的内阻较低，且各量程的内阻不同，各挡的内阻Rv=量程×交流电压灵敏度Sv，测量时应注意其内阻对被测电路的影响。此外，模拟式万用表测量交流电压的频率范围较小，一般只能测量频率在1kHz以下的交流电压。它的优点是：由于模拟式万用表的公共端与外壳绝缘胶木无关，与被测电路无共同机壳接地（即接“地”）问题，因此，可以用它直接测量两点之间的交流电压。

    3)数字式万用表测量交流电压

    数字式万用表的交流电压挡，是将交流电压检波后得到的直流电压，通过A/D变换器变换成数字量，然后用计数器计数，以十进制显示被测电压值。与模拟式万用表交流电压挡相比，数字式万用表的交流电压挡输入阻抗高，如DT890型数字万用表的交流电压挡的输入阻抗为10MΩ（在40～400H：的测量频率范围内），对被测电路的影响小，但它同样存在测量频率范围小的缺点。如DT890型数字万用表测量交流电压的频率范围为40～400Hz。

    一般电子线路中交流回路较为简单，对50／60Hz交流电源升压或降压后的电压只需使用普通万用表选择合适的AC量程即可，测高压时要注意安全，并养成用单手操作的习惯。

    对非50/60Hz的电源，例如对变频器逆变器IGBT输出电压的测量，就要考虑所用电压表的频率特性，一般指针式万用表为45～2000Hz，数字式万用表为45～500Hz，超过范围或非正弦波测量结果都不正确。

    为了判断IGBT输出电路的信号和同步信号是否存在，可利用万用表的交流挡，在其测试棒上串接入0.1～0.2μF左右的电容器，隔离直流仅测量其交流部分。万用表的指示是用正弦波的有效值进行刻度的，因为各部分的信号波形多数为非正弦波，所以万用表的指示要比用示波器等观察的峰一峰值低，但可方便地判断该测试点是否有信号。