這篇內(nèi)容是對(duì)一些“眾所周知”的功率測(cè)量參數(shù)的簡(jiǎn)單描述，這些測(cè)量參數(shù)是經(jīng)常用到的，但是事實(shí)上很少的人能記住，他們來(lái)自哪里，什么是他們的確切定義。

功率分析儀 測(cè)量和理論背景

Aron電路

這個(gè)電路可以用在三相三線系統(tǒng)。如果你是四線，這個(gè)不能用，因?yàn)榱鬟^(guò)這個(gè)線路的電流不會(huì)被計(jì)算進(jìn)去。請(qǐng)注意，在高頻應(yīng)用里地線可以是第四根“線”。

這個(gè)電路的主要優(yōu)點(diǎn)是，你只需要2個(gè)功率計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的總的有功功率。

你可以測(cè)量相一和相三中的電流以及相一關(guān)聯(lián)相三對(duì)相二之間的電壓。

這樣，你就可以在每個(gè)測(cè)量通道上施加一個(gè)線電壓和一個(gè)相電流。只要有電阻負(fù)載，測(cè)量通道就會(huì)看到30°的相位偏移。不是電阻負(fù)載，每個(gè)通道的有功功率可以是更大，更小或是負(fù)值。

每相的有功功率不能顯示，無(wú)功功率和視在功率一樣也不能顯示。只有總的有功功率是正確的。所有其他總的值都是無(wú)效的。

推導(dǎo)衍生

如下你可以發(fā)現(xiàn)測(cè)量方式的差異：

P =U1 * I1+U2 * I2 +U3 * I3

U 12=U1 ?U2 ，得到U1 =U 12+U2，同樣

U 32=U3 ?U2 ，得到 U3=U32 +U2 。

這正是上面描述的測(cè)量條件。當(dāng)然這種推導(dǎo)可以是一種通常的方式進(jìn)行。

測(cè)量角形電路電壓和星形電路電流

測(cè)量電機(jī)時(shí)一個(gè)非常典型的情況是，你只有L1，L2和L3，沒(méi)有中性線。因此，沒(méi)有其他的工具，你只可以測(cè)量電壓U12，U23和U31連同電流I1，I2和I3.

類似像Aron電路，你在每個(gè)測(cè)量通道上施加一個(gè)線電壓和一個(gè)相電流。只要有電阻負(fù)載，測(cè)量通道就會(huì)看到30°的相位偏移。不是電阻負(fù)載，每個(gè)通道的有功功率可以是更大，更小或是負(fù)值。

比Aron電路更糟的是，這里只有每個(gè)通道電壓和電流是正確的，但是所有其他的數(shù)值，同樣總和數(shù)值也都是錯(cuò)的。

LMG 功率分析儀提供一種測(cè)量功能，叫做星-三角轉(zhuǎn)換。如果你是上面提到的連接方式，你可以選擇2種特殊的接線：

a ） 3+1，U△I* ->U△I△ 數(shù)值被重新計(jì)算后在角形電路里獲得新值。

b ） 3+1， U△I* ->U*I* 數(shù)值被重新計(jì)算后在星形電路里獲得新值。

b ） b ） 是更常見(jiàn)的但兩者都有相同的正向結(jié)果：LMG 計(jì)算的值屬于一類的：

U1，I1，U2，I2，U3，I3關(guān)聯(lián)到U12，I12，U23，I23，U31，I31.

從而所有通道的所有數(shù)值包括總和數(shù)值都可能是正確的。

時(shí)間

在上面的文章中多次提到了時(shí)間：一段時(shí)期，周期，測(cè)量時(shí)間…

這是對(duì)儀器中不同時(shí)間的解釋，結(jié)合這一點(diǎn)，也解釋了同步性和其他一些重要的事情。

01、采樣時(shí)間

最快的時(shí)間是2個(gè)樣本值之間的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間取決于每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)。

02、同步時(shí)間

你必須選擇一個(gè)你想要同步的信號(hào)。為什么你必須同步所有？

如在“RMS 有效值”章節(jié)中描述的，數(shù)值是被定義在規(guī)定觀察時(shí)間內(nèi)的。對(duì)于某段信號(hào)是指信號(hào)的一段時(shí)間周期（或多個(gè)一段時(shí)間）。所以儀器必須測(cè)量信號(hào)的多個(gè)時(shí)間周期。LMG系列功率分析儀通常使用過(guò)正零交叉點(diǎn)開(kāi)來(lái)偵測(cè)一個(gè)信號(hào)時(shí)間段的結(jié)束。

03、數(shù)值更新周期

數(shù)值更新周期定義了你想要獲取測(cè)量結(jié)果的時(shí)間。如上面寫(xiě)到的，儀器測(cè)量多個(gè)數(shù)量的時(shí)間周期。你是如何處理這個(gè)的呢？

我們假設(shè)你有一個(gè)50Hz（20ms時(shí)間周期）的信號(hào)和50ms的數(shù)值更新周期。當(dāng)數(shù)值更新周期開(kāi)始時(shí)，你也開(kāi)始了20ms的時(shí)間周期。儀器開(kāi)始了測(cè)量。50ms后更新周期停止。儀器測(cè)量從0到40ms，實(shí)際是信號(hào)的2個(gè)周期。這些數(shù)值被計(jì)算并顯示出來(lái)，例如Utrms，Idc，P…

實(shí)際測(cè)量時(shí)間在這個(gè)周期中只有40ms！

第二個(gè)數(shù)值更新周期采樣值是從t=40ms開(kāi)始的（我們的儀器測(cè)量是沒(méi)有間隙的！！！）。t=100ms 第二個(gè)更新周期結(jié)束。在這個(gè)時(shí)間，信號(hào)的一段時(shí)間周期也結(jié)束了。現(xiàn)在儀器從t=40ms到100ms時(shí)間內(nèi)采樣計(jì)算。實(shí)際的測(cè)量時(shí)間在這個(gè)周期中是60ms。這里三個(gè)周期被計(jì)算了。這個(gè)更新周期有另外的時(shí)間間隔。對(duì)于周期性信號(hào)這個(gè)是不重要的，因?yàn)槊總€(gè)周期其實(shí)是一樣的！波動(dòng)信號(hào)可能對(duì)結(jié)果有影響。

你看：數(shù)值更新周期定義了你想要獲得數(shù)值的時(shí)間。實(shí)際準(zhǔn)確的時(shí)間是通過(guò)同步信號(hào)定義的。

另外重要的要求是，數(shù)值更新周期必須比時(shí)間周期要大！不可能測(cè)量1Hz的信號(hào)用500ms的更新時(shí)間。

04、積分時(shí)間

為了實(shí)現(xiàn)能量測(cè)量，你必須定義一個(gè)能量測(cè)量時(shí)間。這個(gè)時(shí)間必須是更新周期的整數(shù)，因?yàn)閮x器只可以用完整的周期來(lái)計(jì)算能量。

05、諧波觀測(cè)時(shí)間

當(dāng)計(jì)算諧波時(shí)，你使用整數(shù)周期上的采樣值。這個(gè)窗口寬度的倒數(shù)是計(jì)算諧波的頻率步長(zhǎng)。

舉例：當(dāng)測(cè)量50Hz信號(hào)用20ms（一個(gè)周期）時(shí)，你獲得以50Hz為步長(zhǎng)的諧波。當(dāng)測(cè)量16個(gè)周期（320ms），你獲得以3.125Hz為步長(zhǎng)的諧波。

通過(guò)選擇不同觀測(cè)時(shí)間，你可以定義你想獲得多少次的整數(shù)諧波。

觀測(cè)周期是源于同步信號(hào)的。

由正弦源供電的非線性負(fù)載的無(wú)功功率

測(cè)量無(wú)功功率的兩種方法，一種是使用原始畸變電流信號(hào)，另一個(gè)是濾波后的電流信號(hào)。在這個(gè)例子中被測(cè)物是一臺(tái)LMG95測(cè)量自己的消耗。

01、用畸變電流信號(hào)的測(cè)量

電壓信號(hào)從ZES ZIMMER 5000i功率源中獲得。這個(gè)電壓是頻率50Hz的正弦波。

電流信號(hào)是未濾波的并且是有畸變的，但是只包含諧波分量（50Hz，100Hz，…）。

上面顯示的數(shù)值是在“HARM100”模式下獲得。如你所看到的，視在功率“S”是非常高的，是由畸變無(wú)功功率“D”造成的而不是相位偏移。你可以計(jì)算相位偏移無(wú)功功率Qshift。

02、用濾波后的電流信號(hào)測(cè)量

另一個(gè)方法獲得畸變無(wú)功功率“D”在如下實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。我們使用和上面一樣的設(shè)置，另外再設(shè)置一個(gè)30Hz的數(shù)字濾波。

為了過(guò)濾掉畸變電流輸入信號(hào)，我們做了如上的濾波設(shè)置。

現(xiàn)在電流波形是接近正弦的了，因?yàn)?次以上諧波被過(guò)濾掉了。

由于設(shè)置了濾波器，基本分量會(huì)稍微小一點(diǎn)。如你看到的，有功功率P是與總的視在功率S是很接近的。現(xiàn)在測(cè)量到的無(wú)功功率Q是由于電壓和電流之間的相位偏移造成的。Qshift=3，7961var，是在“用畸變電流信號(hào)的測(cè)量”內(nèi)容中計(jì)算得出。

輸入信號(hào)的畸變可能會(huì)造成一個(gè)非常大的視在功率。為了計(jì)算畸變無(wú)功功率D，你需要無(wú)功功率Q的兩個(gè)不同數(shù)值。首先需要測(cè)量畸變輸入信號(hào)，這個(gè)意味著總的無(wú)功功率包含2個(gè)部分：Qdist（D）和Qshift。第二個(gè)測(cè)量需要帶入濾波后的輸入信號(hào)。現(xiàn)在畸變無(wú)功功率Qdist“D“變成0（沒(méi)有諧波），這個(gè)代表Q等于Qshift。

注意：這是有效的情況是濾波后只有Qshift存在。下面是一個(gè)無(wú)效的例子。

在LMG95上，你可以用“HARM100“選件直接測(cè)量獲得準(zhǔn)確的“D”值。

03、熱風(fēng)槍的爆射控制信號(hào)的測(cè)量

下面的電路將描述測(cè)量不同類型功率的正確值的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，你會(huì)找到很多如上的理論解釋。

04、試驗(yàn)

05、時(shí)間信號(hào)

峰值顯示的電流，是需要加熱熱線圈。加熱前后的信號(hào)是風(fēng)扇電機(jī)的單向整流電流。這個(gè)信號(hào)可解釋為具有50Hz載波頻率的調(diào)幅為1.5Hz矩形信號(hào)，而忽略單向整流電流。

用于測(cè)量不同種類功率的最佳設(shè)備是帶”HARM100”選件功能的ZES ZIMMER LMG系列產(chǎn)品。數(shù)值更新周期是你使用普通儀器面臨的最大問(wèn)題。上面的矩形信號(hào)有一個(gè)639ms的時(shí)間周期；用1s的更新時(shí)間來(lái)測(cè)量，將會(huì)得到非常波動(dòng)的功率測(cè)量值。問(wèn)題是電壓或電流頻率的觸發(fā)。因?yàn)檎{(diào)幅信號(hào)的基帶信號(hào)（1.5Hz）是不存在的，因此不可能用普通的濾波器觸發(fā)。

LMG系列提供了一個(gè)特殊的觸發(fā)器設(shè)置，以允許測(cè)量AM調(diào)解。

06、測(cè)量菜單設(shè)置

下面的調(diào)整必須在測(cè)量菜單里設(shè)置：重要！！Xtrig！

07、XTrig 菜單設(shè)置

為了測(cè)量不同功率的正確值，調(diào)幅信號(hào)必須用30Hz濾波器進(jìn)行開(kāi)方和濾波。由于直流分量在開(kāi)方后沒(méi)有零交叉，因此將觸發(fā)電平設(shè)置為是很重要的。

08、默認(rèn)菜單里的數(shù)值

默認(rèn)菜單中顯示的值是正確地測(cè)量爆射控制信號(hào)的真有效值TRMS.信號(hào)的基礎(chǔ)頻率是1.5Hz。所有的數(shù)值都是穩(wěn)定的！這是一個(gè)正確同步的展示。

09、諧波分析

為了更好地理解測(cè)量值，諧波分析是非常有幫助的。下面的數(shù)字顯示了不同電流諧波的參與，是對(duì)測(cè)量的真有效值有影響的，是在1.5Hz基波上觸發(fā)。

諧波分析顯示出信號(hào)有一個(gè)非常高的畸變無(wú)功功率“D”，因?yàn)殡妷菏钦业模娏饔泻芏囝l譜分量在0.。.50Hz和50.。.100Hz之間。

10、較“normal”測(cè)量模式的區(qū)別：線觸發(fā)

信號(hào)的諧波分析，通過(guò)線頻率觸發(fā)。第一張圖是當(dāng)加熱線圈不在運(yùn)行狀態(tài)下獲取的。直流分量是由于風(fēng)扇電機(jī)造成的。

加熱線圈開(kāi)始加熱，電流增加到8A。

畸變無(wú)功功率是一直存在的，獨(dú)立于加熱線圈在運(yùn)行或是非運(yùn)行。在這個(gè)例子中畸變無(wú)功功率“D”是由于風(fēng)扇電機(jī)電流的單向整流造成的。有功功率和視在功率改變是非常大的，基于加熱線圈是運(yùn)行還是非運(yùn)行。所有測(cè)量是在2個(gè)周期線頻率下完成的。

11、功率分析

當(dāng)X同步到1.5Hz調(diào)制信號(hào)的頻率時(shí)，測(cè)量功率值。

這里50Hz功率分量是在第32次諧波。畸變無(wú)功功率是更大了，因?yàn)閮蓚?cè)帶寬都被納入了計(jì)算。有功功率和視在功率都是穩(wěn)定的。

結(jié)論

積分時(shí)間是測(cè)量中可以獲得正確數(shù)值的非常重要的參數(shù)。同樣測(cè)量信號(hào)的解釋是非常重要的。如你看到的，你可以測(cè)量到3個(gè)不同的有功功率：

1.79kW 加熱中

0.13kW 只有風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)行中

0.34kW 一個(gè)完整的控制周期

所有的測(cè)量在他們所屬的時(shí)間都是準(zhǔn)確的。

責(zé)任編輯：tzh