致遠電子：高精度功率分析儀是如何煉成的？

功率分析儀是一種多功能儀器，除了能夠?qū)﹄妷?、電流和功率進行精確測量以外，還集成了波形顯示、諧波分析、閃變分析、積分等多種功能，如下圖所示。

功率分析儀的基本功能是一臺多通道的高精度功率測量儀器，可以精確測量多相高電壓和大電流，計算有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)、相位、能量累計等參數(shù)，通常用來測試變頻器、逆變器、電機和變壓器等功率轉(zhuǎn)換裝置的效率和功耗。下圖為功率分析儀在變頻器、電機驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用實例。

圖1 功率分析儀的功能

圖2 變頻器、電機驅(qū)動系統(tǒng)功率分析檢測

隨著節(jié)能和新能源領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，功率分析儀被廣泛應(yīng)用于電動汽車、電氣化高速鐵路、太陽能光伏逆變發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機、變壓器、燃料電池、電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈、、開關(guān)電源供、不斷電系統(tǒng)(UPS)、電動工具、信息及辦公設(shè)備(打印機、掃描儀)、家電等功率設(shè)備的開發(fā)和性能評估。也適用于對電網(wǎng)運行質(zhì)量進行監(jiān)測及分析，提供電力運行中的諧波分析及功率質(zhì)量分析。

二、功率分析儀的組成

圖3 功率分析儀的組成

如圖3所示，由功率分析儀的功能確定，一方面功率分析儀需要完成對外部輸入信號的測量，包括被測裝置的電壓、電流信號，扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的信號；另一方面，對測量得到的數(shù)據(jù)進行運算，得到電壓、電流、功率、效率等參數(shù)，并能夠?qū)斎氲男盘栠M行處理分析，例如進行諧波分析、FFT分析、查看波形等，并可以與外部的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。

圖4 功率分析儀的系統(tǒng)設(shè)計

由功率分析儀的功能需求可以確定，功率分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，主要由采集板卡和主板組成，采集板卡實現(xiàn)單相輸入的采集，包括一個電壓通道和一個電流通道，主板主要實現(xiàn)顯示和通訊功能。

三、功率分析儀的實現(xiàn)

功率分析儀的核心功能是能夠準確的對輸入信號進行采集，且各個通道間必須保證絕對的同步，因此功率分析儀的實現(xiàn)重點是在于如何保證采集部分的同步性和采樣的高精度、穩(wěn)定性。

3.1低溫漂、低噪聲的高速數(shù)據(jù)采集

功率分析儀的目標精度高達0.02%，高精度測量最難處理的兩個問題是溫漂和噪聲。整個模擬前端的框圖如圖5所示，其中每個環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲都會影響到最后的測量精度。

圖5 模擬前端框圖

如果要保證測量精度，這必須保證每個環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲很低，或者能實現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的補償處理。對于溫漂問題，首先溫漂是必然存在的，所有的模擬器件都存在溫度系數(shù)，隨著溫漂變化其參數(shù)會發(fā)生變化，同時由于我們無法保證儀器工作在恒溫環(huán)境，所有必須考慮處理溫漂問題。解決溫漂問題首先是元器件選型方面必須需要考慮選型一些溫漂小的器件，電路設(shè)計上考慮進行溫漂補償，添加補償電路將溫漂降低，避免相關(guān)放大電路出現(xiàn)飽和問題，然后設(shè)計自校準電路，測量時實時校準各環(huán)節(jié)的溫漂，將偏置的溫漂影響降到最低，然后是元器件匹配和布局問題，處理增益補償電路，將增益誤差影響降到最低，同時將ADC的轉(zhuǎn)換參考電壓和模擬前端調(diào)理參考電壓使用同一組電壓，解決參考電壓溫漂產(chǎn)生的影響，另外采用16位分辨率的ADC進行高速采集。

對于噪聲問題，要考慮電路內(nèi)部的噪聲和外部的噪聲，內(nèi)部噪聲的處理需要考慮原理設(shè)計方面的問題，外部噪聲問題需要考慮電路板布局和屏蔽問題。電路設(shè)計上面，需要考慮處理電阻熱噪聲、運放噪聲問題，電路布局方面需要考慮將容易受到干擾的環(huán)節(jié)進行特殊處理。然后設(shè)計合理的濾波器，將一些噪聲濾除。另外必須考慮屏蔽殼的設(shè)計，將外部的噪聲干擾降低。

3.2高精度同步采樣

功率分析儀和示波器、萬用表的最大區(qū)別就是能同時分析電壓和電流信號，從而實現(xiàn)對功率信號的分析，如果要實現(xiàn)對功率的準確分析，則必須準確測量電壓和電流信號，并且需要同時實現(xiàn)對電壓和電流信號的采樣，電壓和電流信號經(jīng)過ADC數(shù)字化過程中每一個采樣點都必須發(fā)生在同一時刻，否則就無法實現(xiàn)同步測量。為了實現(xiàn)嚴格的同步測量，在功率分析儀內(nèi)部，采用了業(yè)界最高的同步時鐘，高穩(wěn)定性溫度補償?shù)?00MHz同步時鐘，避免溫度變化帶了的時鐘漂移所引入的誤差，嚴格保證ADC對各通道電壓和電流的同步測量，從而保證了功率測量的精度。

100MHz的同步時鐘引起的最大誤差為10ns，對于50Hz的工頻信號來說周期為20ms，所以10ns的時鐘誤差引起的相位測量誤差為

如果同步時鐘為10MHz則相位角誤差就會到0.0018°。為了討論方便假設(shè)被測的電壓和電流都是標準正弦信號，那么功率運算公式為

其中為不同步引起的相位角誤差，所以可以看到功率測量的精度會受到相位角的直接影響。當(dāng)電壓和電流的相位角較小時，即功率因數(shù)較大時，0.00018°的相位誤差對測量精度影響很小，但是在極低功率因數(shù)情況下0.00018°的相位誤差帶來的功率誤差是就比較明顯，誤差對比如下表所示，如果同步時鐘頻率降低，則測量誤差就會成倍增大，這也是目前業(yè)界功率測量設(shè)備無法實現(xiàn)在極低功率因數(shù)情況下精確測量的主要原因。