万用表直流挡测变频输出有误差的“深度解析”

万用表直流挡测变频输出有误差的“深度解析”

我在《能否用直流电压挡测量变频器的输出交流电压？》的博文中，谈到用指针式万用表，来测量变频器U、V、W端子输入的交流电压，假定因驱动或IGBT模块的故障原因，输出三相电压不平衡，即交流输出中混有了直流成分，则能测出直流电压值，并可由测量电压值的极性判断是哪一臂IGBT出现了问题。假定变频器的驱动电路与IGBT模块都是正常的，即输出3相交流电压平衡的，则所测交流成分的正、负波因想到抵消，而使测量值为零。如此一来，比用交流电压挡来测量输出电压，更为直观和有效。
但随之接到“部分网友”的回馈信息：反映即使变频器输出正常，用直接挡仍能测出一定的电压值，如此一来，用直流挡测量交流电压判断输出故障的方法，就无效了啊。按道理，用直流挡测量交流电压，只要交流电压是正常的，测量值就应该为零才对啊。也有一些起网友，对此方法大加赞扬，看来这个方法，还是灵验的（用我的MF47F型万用表测量，就好使嘛）。这其中可能就存在一个问题，同属于指针式万用表（甚至于是一个型号的，因出厂日期不同），可能内部的直流、交流电压测量电路，是不一样的，或已经有了改动。
有些万用表可以测量，为何有些表就不行，其原因何在呢？我虽然一直判断是万用表内部电路差异的问题，但未能抽出时间来深究一下，最近偶尔翻阅《用示波器检修彩显》一书（刘建清等编著），书中对此一现象有了“揭密”。嗨，省得我费事了，转发（直接转发是不对号的，我给改动了一下）到这里，解除朋友们的疑问吧。
用万用表的直流挡测量变频器输出电压，其实是对脉冲电压平均值的测量。因万用表型号或内部电路不同，所得结果则差异甚大。如变频器输出正常时，某块万用表显示直流电压为数百伏以上，某块万用表的直流电压显示值为0V。显然后者，适用于用直流挡判断交流输出的故障。原因何在呢？
下图1，为指针式万用表内部直流电压挡的等效电路，图2中的波形a是加在直流输入端子间的（单向）脉冲方波电压；波形b是开关K断开时加在表头上的波形；波形c是开关K闭合时加在表头上的波形。波形b为准确测量值，波形c则为测量误差值。
测量变频器输出电压有误差的万用表，使用直流挡时，转换开关K为闭合状态，为交流电压挡整流用的二极管D1、D2始终是接入电路的。测量无误差的万用表，直流挡开关K是断开的。K的两种状态，是直接挡测量稳定直流电压，是没有什么影响的，但测量脉冲电压时，所测脉冲电压的平均值，则存在很大的差异。
当K为闭合状态时，由于输入脉冲电压有丰富的谐波，而电路中有分布电容的存在，分布电容与电阻网络构成的阻容网络对脉冲电压的响应，使加在表头上的信号如图2中的c所示波形，由于D1、D2对负向脉冲的限幅作用（将负向脉冲电压钳位于1.4V以内），使负向脉冲面积大大小于正向脉冲面积，二者无法相抵消，测量平均值偏大，脉冲的峰值愈大，偏差愈大。变频器全速输出时，能测得250V左右的直流电压值（其实是错误显示值）。
当K为断开状态时，输入脉冲电压经阻容网络“异化”后，在表头两端形成如图2中的b所示波形，波形的上、下阴影部分面积完全相等，其直流平均值由于上、下阴影面积相等且为一正一负，而互相抵消，实际测量的平均值（非阴影部分）不受分布电容的影响。
变频器输出的脉冲电压，实际为正、负双向脉冲电压，其阴影和非阴影部分均分为一正一负面积相等的两部分，完全互相抵消，故不论输出电压值的高低，只要输出正、负半波对称，所测量直流电压值，即为0V。
早期购买的MF47型万用表，测量脉冲直流电压无误差。但MF92型万用表，测量则有误差。近年生产的MF47表，据说也有测量误差，显然内部测量电路有了改动，只适宜于测量稳定直流电压，不宜于测量脉冲直流电压了。结论：想用直流电压挡，得到测量脉冲直流电压的准确结果，应选用直流电压挡内部电路，（K处于断开位置）将D1、D2限幅电路断开的万用表才行。
俺费了不少劲，又画图又撰文的，不知对各位有无帮助？哈哈。

旷野之雪
2012年3月4日