三相功率測(cè)試儀器對(duì)比

簡(jiǎn)介

功率分析儀推出已有多年，且在各種應(yīng)用中廣泛使用，通常情況下，很多的設(shè)置和參數(shù)選擇會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果 產(chǎn)生重大影響，或者說(shuō)，有些傳統(tǒng)的功能，我們沒(méi)有完全理解清楚，本文檔簡(jiǎn)要解釋 TeledyneLecroy 電 機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀 (MDA) 的設(shè)置，以獲得同橫河功率分析儀一致的測(cè)試結(jié)果，并解釋在有些場(chǎng)景下測(cè)試結(jié)果 不同的原因。

測(cè)試周期（“同步 ”）計(jì)算

首先，對(duì)于正確的功率分析，必須確定所有功率計(jì)算發(fā)生的周期， TeledyneLecroy MDA 和橫河功率分析 儀都是使用 同步信號(hào)來(lái)確定測(cè)量周期，在這兩種設(shè)備中，同步信號(hào)都可以使用低通濾波器處理，以降低 錯(cuò)誤周期出現(xiàn)的幾率，參照以下圖片︰

對(duì)于近似正弦（如低失真）信號(hào)，這兩種儀器使用相同的低通濾波器截止設(shè)置都能找到同樣的測(cè)量周期， 然而 TeledyneLecroy MDA 能提供更廣泛的選擇， TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀還能夠調(diào)整磁滯（區(qū)間），允許自定義控制軟件忽略干擾測(cè)量周期計(jì)算 的非單調(diào)性，這些在 MDA 軟件說(shuō)明書(shū)中有詳細(xì)的說(shuō)明，這種控制對(duì)有較高失真的信號(hào)（例如無(wú)刷直流六 步換向信號(hào)）或者由于高壓力和失效事件產(chǎn)生的高畸變信號(hào)非常有用。

請(qǐng)注意 TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀還允許顯示濾波后的同步信號(hào)，并與測(cè)量周期疊加，使同步信號(hào) 設(shè)置更容易被理解，請(qǐng)參見(jiàn)下圖（同步信號(hào)的疊加顯示在底部）。

最后， TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀將同步濾波器和磁滯設(shè)置作為數(shù)據(jù)采集后的軟件處理過(guò)程，然而 大多數(shù)功率分析儀是在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中對(duì)波形應(yīng)用同步濾波器和磁滯設(shè)置，因此， TeledyneLecroy MDA 可以在采集波形后再對(duì)設(shè)置進(jìn)行更改，而這些在功率分析儀中通常是無(wú)法做到的，結(jié)合同步周期疊加，則 可以使用 MDA 的采集后處理來(lái)調(diào)節(jié)濾波器和磁滯設(shè)置以獲取最佳結(jié)果，無(wú)需放棄所獲得的數(shù)據(jù)并重新進(jìn) 行采集。

視在功率公式

在橫河的功率分析儀中，用戶(hù)可以通過(guò)在設(shè)置菜單中選擇下面的任意公式測(cè)量視在功率 (S):

TeledyneLecroy 只提供 (Vrms*Irms) 視在功率的計(jì)算能力，如果需要對(duì)比橫河功率分析儀的功率值和 TeledyneLecroy MDA 的結(jié)果，須將功率分析儀上的視在功率計(jì)算方法設(shè)置為(Vrms*Irms)。

三相（總）功率計(jì)算

TeledyneLecroy 采用一種方法用于功率值的計(jì)算，而橫河提供三種不同的方法，并且返回不同的結(jié)果， 下面是 TeledyneLecroy 和橫河在單個(gè)功率周期計(jì)算功率的方法摘要---完整的公式化描述請(qǐng)參見(jiàn)各自的指 導(dǎo)手冊(cè)。需注意的是 , 下表假定橫河功率分析儀采用 (Vrms*Irms) 公式計(jì)算視在功率。

對(duì)于完美的正弦（零失真）波形，是可以測(cè)量電壓和電流的正弦波之間的相角 φ 的。然而，當(dāng)波形有畸 變時(shí)（例如 PWM 驅(qū)動(dòng)器輸出波形），是無(wú)法測(cè)量相角 φ 的，因此，TeledyneLecroy 方法或橫河的類(lèi) 型 2 方法是明確的可以對(duì)于畸變波形的無(wú)功功率（和功率因數(shù)以及相角）產(chǎn)生準(zhǔn)確結(jié)果的唯一方法（對(duì)于 正弦波形兩者也能產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果） 。 橫河功率分析儀在有諧波測(cè)量模式選項(xiàng)的型號(hào)上提供類(lèi)型 3 方法，此選項(xiàng)似乎是使用 PLL 源從一個(gè) PWM 信號(hào)定義基波信號(hào)，然后該儀器通過(guò)比較基波電壓和電流，以及通過(guò) N 次諧波為基波和每次諧波確定的 功率確定相角，這和 TeledyneLecroy 提供的諧波濾波器設(shè)置值 = “基波”或者 “基波 + N”（見(jiàn)下 文）的結(jié)果類(lèi)似，前提是橫河功率分析儀的硬件鎖相環(huán)能夠適應(yīng)采集窗口內(nèi)測(cè)量信號(hào)周期的任何變化。

橫河的功率分析儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量任何狀況下的有功功率，如果僅僅對(duì)有功功率計(jì)算感興趣，所有方法都是 合適的，但是為了準(zhǔn)確計(jì)算 S, Q,λ 和 φ，工程師必須從橫河功率分析儀中選擇正確的方法（如果多個(gè)方 法被提供）。 每一相功率計(jì)算 橫河的設(shè)備使用了和計(jì)算三相總體功率相同的公式計(jì)算每一相功率，但是一次只計(jì)算一相。 當(dāng)使用三相四線（三電壓三電流）連接方式測(cè)量 Line-Neutral 或者 Line-Reference 電壓時(shí)，橫河視在功 率 =(Vrms*Irms)的類(lèi)型 2 測(cè)量方法和 TeledyneLecroy MDA 通常是一致的。 然而，如果采用 Line-Line 電壓測(cè)試方法，橫河功率分析儀測(cè)量出來(lái)的每相功率將會(huì)是不平衡的和錯(cuò)誤 的，盡管三相總體功率是正確的，差異的原因如下：

1. 橫河三相三線（三電壓，三電流）連線方式原本被作為兩瓦特計(jì)法設(shè)置定義，這對(duì)從三電壓和三電流轉(zhuǎn)換 為兩電壓和兩電流的測(cè)量是有好處的，功率分析儀無(wú)需重新連線。當(dāng)然這也意味著，在每相中， Line-Line 電壓和電流不能正確的相互關(guān)聯(lián)。參看圖 1（橫河）和圖 2（Teledyne LeCroy）

2. TeledyneLecroy 的三相三線（三電壓，三電流）連線方式也是使用兩瓦特計(jì)法計(jì)算三相整體功率，但是 同時(shí)保持每相中正確的矢量關(guān)系，以此得到正確的每相功率， TeledyneLecroy 簡(jiǎn)單的反轉(zhuǎn)一路電壓波形 計(jì)算三相總體功率

3. 橫河設(shè)定的電壓關(guān)系對(duì)三相總體功率（有功功率、視在功率、無(wú)功功率）、相位角、功率因數(shù)都是沒(méi)有影 響的，這是由于他們連線設(shè)置中電壓和電流的矢量關(guān)系對(duì)于用來(lái)計(jì)算總體功率的兩瓦特計(jì)算法是正確 的 。

4. 這兩種設(shè)備都可以支持 Line-Line 到 Line-Neutral 的轉(zhuǎn)換（橫河稱(chēng)之為 delta-star 轉(zhuǎn)換，這是一個(gè)需要額 外購(gòu)買(mǎi)的選項(xiàng)）， TeledyneLecroy 的 MDA 在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)計(jì)算出每相的 P, S, Q, λ 和 φ，橫河的功率分析儀 僅能計(jì)算出 P。

橫河連線設(shè)置的實(shí)際影響是電壓電流對(duì)都有不同的相位關(guān)系（這將導(dǎo)致錯(cuò)誤的每相功率計(jì)算），如下實(shí)際 三相采集所示

帶有和不帶有 Line-Line 到 Line-neutral(Delta-Star)的計(jì)算結(jié)果分別如下所示：

靜態(tài) VS.動(dòng)態(tài)

橫河功率分析儀計(jì)算小段采集時(shí)間（幾個(gè)周期）的平均值，存在一個(gè)提高平均值刷新率的選項(xiàng)，但是它還 是計(jì)算所定義的時(shí)間段或者多個(gè)周期的平均值，同步信號(hào)是通過(guò) FPGA 上的 PLL 電路決定的，依賴(lài)于 PLL 環(huán)路帶寬，它對(duì)寬幅變化的速度的鎖定能力有限，通常，對(duì)于具有緩慢變化測(cè)量同步周期的穩(wěn)態(tài)信 號(hào)，這是沒(méi)有實(shí)際限制的，所以，橫河的功率分析儀非常適合測(cè)試穩(wěn)態(tài)下的平均功率（恒定負(fù)載、扭矩、 速度等）。

TeledyneLecroy 的 MDA 可以采集一小段數(shù)據(jù)計(jì)算平均功率，顯示在一個(gè)表格中，如前所述，同步周期是 用軟件算法確定的，同時(shí)，由于沒(méi)有功率分析儀的限制，它也可以在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。 如果負(fù)載是動(dòng)態(tài)的，功率分析儀很可能不能提供有意義的結(jié)果，首先，確定在簡(jiǎn)單、靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件 下的關(guān)系，然后嘗試動(dòng)態(tài)下的關(guān)系，如果在動(dòng)態(tài)條件下，結(jié)果沒(méi)有相關(guān)性，這可能是由于功率分析儀無(wú)法 準(zhǔn)確地確定或者驗(yàn)證同步信號(hào)，而這些對(duì) TeledyneLecroy MDA 是沒(méi)有限制的。

總結(jié)

我們很容易將橫河功率分析儀和 TeledyneLecroy MDA 放在一起對(duì)比，TeledyneLecroy 提供了更多的直 觀反饋，特別是在準(zhǔn)確確定測(cè)量同步信號(hào)上，這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量功率至關(guān)重要，在某些狀況下，橫河的功率分 析儀不同的設(shè)置或者連線方式導(dǎo)致不同的結(jié)果，一旦工程師理解其中的本質(zhì)，就會(huì)更容易理解這些結(jié)果出 現(xiàn)的原因。