虹科案例：使用虹科模块化数字化仪进行功率测量

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虹科案例：使用虹科模块化数字化仪进行功率测量

一、介绍

通常需要进行线路功率测量来评估设备或电路的性能。虹科模块化数字化仪可以进行这些功率测量。数字化仪是电压响应测量仪器。他们还可以使用合适的电流探头或电流分流器测量电流。获取电流和电压接下来会导致基于获取的电流和电压波形的乘积计算功率。

功率是电路中能量传输的速率，它由许多属性来描述，例如有功功率、视在功率、无功功率和瞬时功率。本应用笔记将介绍使用模块化数字化仪对交流电路和设备进行基本功率测量。

二、基本功率测量

瞬时功率计算为施加电压和电流的乘积。有功功率 (P) 是以瓦特为单位测量的瞬时功率的平均值或平均值。包含电抗元件（电感器或电容器）的电路可以存储能量和反向功率流，以便功率从负载流回电源。这是无功功率 (R)，以无功电压或 VAR 为单位测量。有功功率和无功功率的矢量和称为总功率或视在功率，如图 1 所示。

图 1：功率元件的矢量图

视在功率 (S) 可以计算为有效或 rms 电压与有效或 rms 电流的乘积。视在功率的单位是伏安 (VA)。实际和视在功率矢量所包围的角度 (a) 表示电流和电压波形之间的相位差。该角度的余弦、有功功率与视在功率之比称为功率因数 (pf)。

pf=cos(a)=P/S

如果设备是纯电阻的，则电流和电压波形同相，视在功率和实际功率相等，功率因数等于 1。随着无功分量增加，功率因数降低。

三、测量线电压

电压测量需要使用探头。传统的示波器、高阻抗探头可以与数字化仪一起使用。能够缩放垂直电压数据以考虑探头的能力非常有用。由于大多数功率测量都需要线路（电源）电压测量，因此最好以差分方式进行这些测量，以避免与单端探头相关的接地问题。虹科数字化仪应该能够接受两个探头输入并计算差异。或者，可以单独获取火线和中性线上的电压，并使用波形计算减去。如果有差分探头，也可以使用。

四、测量线路电流

进行电流测量最方便的方法是使用合适的电流探头。确保您使用的任何电流探头都具有与测量仪器分开的控件。电流探头的输出可以通过适当的比例应用于数字化仪通道，以电流单位显示来自探头的信号。

五、数字化仪选择

大多数线路频率测量是使用 50 到 400 Hz 的基频进行的，因此数字化仪的带宽要求不是很高。如果有兴趣进行传导发射测试，那么在没有显着损耗的情况下适应高达 40 次功率基波谐波的能力是有用的。这将使带宽要求达到大约 20 kHz 或更高。

数字化仪应该有足够的幅度分辨率来呈现电力线的高次谐波，12 到 16 位就足够了。

通道数取决于是单端测量还是差分测量。差分测量为每个测量组合两个通道。对于单相线测量，四个输入通道将产生两个差分通道。对于每相的三相测量，需要六个或更多通道。假设三个差分电压通道和三个单端电流通道，则需要九个通道。由于大多数数字化仪以二进制级数 (1/2/4/8/16) 提供 1 到 16 个通道，因此您应该选择下一个更高数量的通道来完成测量任务。

采样率（如带宽）应大于所需带宽的四到五倍。

 

表 1 为选择虹科 Spectrum 数字化仪或 digitizerNETBOX 型号提供了一些指导

表 1：与线路功率测量最兼容的数字化仪和 digitizerNETBOX 系列

六、单相功率测量示例

以下示例测量小型线路供电冷却风扇所需的功率。使用具有 4 个模拟通道、16 位分辨率、60 MS/s 采样率和 30 MHz 带宽的 digitizerNETBOX 型号 DN2.496.04 进行测量。泰克 P6042 型电流探头和一对无源示波器探头用于采集电流和电压波形。测量线电流和线电压。线电压是差分测量的，因此电源线的火线或中性线都没有接地。

图 2：使用 虹科 digitizerNETBOX DN2.496.04 和 SBench 6 软件测量小型冷却风扇的线路功率。

图 2 显示了 虹科Spectrum 的 SBench 6 软件的测量结果，该软件用于控制和处理采集的数据。

输入电压通过连接到通道 Ch2 和 Ch3 的两个无源探头进行差分测量。通道合并并在顶部中心网格中显示为通道 Ch2。读数按比例缩放以反映探头的衰减。反映电流探头输出的电流出现在下部中央网格的通道 Ch0 上。该数据还根据电流探头的灵敏度进行缩放，因此它以安培为单位进行读取。电流和电压的峰峰值和有效 (rms) 值显示在图左侧的信息面板中。

瞬时功率是通过使用 SBench 6 的模拟计算对电流和电压波形进行多重计算来计算的。功率显示在最左侧的网格中。功率的峰峰值和平均值也列在信息窗格中。瞬时功率的平均值代表实际功率，记录为 6.6 瓦。

通过取线路电流和电压有效值的乘积计算视在功率。根据测量值（121.5 V 和 63.2 mA），视在功率为 7.68 VA。

这使我们可以将功率因数计算为 0.86。观察最右边两个网格中电流和电压波形的水平扩展视图，我们可以看到电压波形（右上）领先于电流波形，表明电感特性。标记正斜率过零的光标记录电压波形比电流波形提前 1.44 ms。这表示相位提前 31 度。这也可以计算为 cos-1(pf) 或 30.68 度。基于功率因数的计算更准确，因为它不受光标位置不确定性的影响。

七、线路谐波

图 3：使用 FFT 进行线路谐波分析。电压谱在右上角，电流谱在右下角

获得电流和电压波形后，我们可以将分析扩展到频域，图 3 显示了线路电流（左下）和线路电压（左上）波形的平均频谱：

线路电压频谱具有更多、更高阶谐波。奇次谐波最为突出。电流频谱具有较低的总谐波含量，但也主要是奇次谐波。

八、三相电源

三相电力是一种集发电、输电、配电于一体的多相交流配电系统。它用于为大型电机和其他重型电气负载供电。三相系统通常比同等电压水平的等效单相或两相系统更经济，因为它使用较少的导体材料来传输电力。单相交流电源需要两根导线，三相电源只需一根额外的导线就可以传输三倍的功率。这意味着传输成本增加 50% 会导致传输功率增加 200%。

九、三相连接术语

三相连接，例如图 4 中所示的三相电机，以 WYE（上图）或 DELTA（下图）配置连接。

图 4：显示 Wye 和 Delta 连接的电机（负载）的三相连接。

WYE 连接中的电压 Van、Vbn 和 Vcn 称为相电压。标记为 Vab、Vbc 和 Vac 的电压是线电压。电流Ia、Ib和Ic是相电流。负载消耗的总功率是 WYE 连接中各相电流电压乘积的总和。请注意，粗体文本表示向量运算：

Pt = Ia*Van + Ib* Vbn + Ic*Vcn

通常，使用线电压而不是相电压来计算功率。

图 5 显示了相电压、相电流和线电压的相量图。电压计算以矢量方式执行。

图 5：WYE 连接电机的相量图

平衡系统中线电压的大小等于 SQRT(3) 乘以相电压。请注意，相电压先于线电压 30 度。这是用于从相电压计算线电压的矢量减法的结果。

高压差分探头用于测量线电压和相电压，它们对信号施加 100:1 的衰减。虹科数字化仪输入端产生的相电压为 1.69 V 峰值 (3.38 Vpk-pk)。由于使用 ÷100 探头，这些电压按 100 倍缩放。这将导致相电压报告为 169 Vpk (338 Vpk-pk)。这是 120 Vrms。线电压是相电压的 3 倍，即 208 Vrms。这是美国的标称三相电压。

我们可以通过获取虹科数字化仪上的相电压然后计算线电压来验证上述情况。如图 6 所示：

图 6：比较线电压和相电压

通道 Va、Vb 和 Vc 是测量的相电压。Vab、Vbc 和 Vca 是计算得出的线电压（标称值为 586 Vpk-pk）。相电压与其相邻线电压之间的相位差为 30 度，如最左侧网格中缩放轨迹中的光标测量所证实的那样。在 16.67 ms 的周期中，线电压 Vab 滞后相电压 Va 1.38 ms。线电压之间的相位差为 120 度。

图 5 中的电流相量与相电压具有一般相位差 [a]。这个角度 [a] 表示可能包含在电机绕组中的电抗分量。我们的实验使用纯电阻负载，导致等于 0 度。

十、三相功率测量

在图 7 中，我们显示了 WYE 连接负载（其中我们可以访问相电压和线电压）。将相电压乘以其相关的相电流，结果就是每相的瞬时功率。瞬时功率的平均值是有功功率分量。所有三相功率读数的总和是负载的总有功功率。

图 7：对于我们的简单示例，使用所有三相电压和三相电流计算相功率。

这种测量称为三瓦表功率测量。为了使用外部差分探头测量电压来进行这种测量，需要六个通道。如果使用单端探头，则通道数增加到九个。能够在数字化仪配置中指定多达 16 个通道的灵活性是此类测量的主要优势。

相电压显示在图 7 的顶行。相电流显示在中间行。相功率出现在底行。所有三相功率波形的总和出现在最左边的标有“总功率”的网格中。注意总功率是相对恒定的。左侧信息窗格中显示的参数读取各个相功率波形的平均值以及总功率。三相功率测量的平均值之和等于平均总功率。总功率的测量结果为 850.9 瓦

十一、两瓦表法

另一种技术是两瓦表法，它只需要测量两个线电压和两个相电流。以数学形式：

PT (t) = Vac(t) ia(t) + Vbc(t) ib(t)

 

这可以得出如下：

这可以使用以下数学推导来验证：

PT = Va(t) ia(t) + Vb(t) ib(t) + Vc(t) ic(t)

但是，使用基尔霍夫现行定律：

ia + ib + ic = 0 或 +ic = - ia - ib

PT(t) = Va(t) ia(t) - Vc(t) ia(t) - Vc(t) ib(t)+ Vb(t ) ib(t)

PT (t) = Vac(t) ia(t) + Vbc(t) ib(t)

其中： Va - Vc == Vac 和 Vb - Vc == Vbc

图 8：使用两个功率计方法计算总功率，仅需要 4 个数字化仪通道以及两个差分探头和两个电流探头。

这是一个应用两瓦表方法的示例，该方法可以使用四通道虹科数字化仪以及两个差分电压和两个电流探头来完成。

与基于单个相电压和电流计算总功率的示例一样，此方法使用两个线电压（Vac 和 Vbc）和两个相电流（Ia 和 Ib）。线路电压出现在顶行，相电流出现在中间行，各个功率波形出现在底行。和以前一样，总功率出现在最左边的标有“总功率”的网格中。每个功率波形的平均值或平均值显示在最左边的信息网格中。同样，标称功率为 851 瓦。

十二、结论

涵盖了交流功率测量的基本概念，包括瞬时功率、有功功率、视在功率和无功功率的定义。具有适当数量通道的数字化仪可用于测量采用适当电压和电流探头的单相和多相电力系统。数字化仪的多功能性、易于通信和快速的信息传输使其成为交流电源测量的理想选择。虹科数字化仪小巧紧凑，具有多种不同的外形尺寸，因此可用于各种测试设置。例如，digitizerNETBOX 产品的设计使得它们可以通过以太网进行控制，从而使它们可以远程操作，或者实际上可以在局域网 (LAN) 的任何地方操作。PXI 卡可用于混合模块化仪器作为完整测试系统的一部分一起工作的应用。而 PCI 和 PCIe 卡可以直接安装到大多数现代 PC 中，将它们变成强大的独立测试站。