介紹
在評估設備或者電路性能時通常需要做線路功率測量,。模塊高速數(shù)據(jù)采集卡能夠做這些功率測量,。高速數(shù)據(jù)采集卡是電壓響應的測量設備。它們也可以用合適的電流探針或者電流分流術(shù)測量電流,。采集電流和電壓后，接下來就可基于采集到的電流電壓波形乘積來測量功率,。功率是在一個電路中能量轉(zhuǎn)換的速率,，它通過一些屬性例如實際，視在,，無功和瞬時功率來描述,。這個應用筆記將列舉如何在交流電路和設備中使用北京坤馳科技有限公司的模塊高速數(shù)據(jù)采集卡做一些基本的功率測量實例。
基本功率測量
瞬時功率是通過計算外加電壓和電流的乘積而得,。實際功率（P）是瞬時功率的平均值或者有效值,，測量單位是瓦特。電路包括電抗元件（電感器或者電容器）能夠儲存能量并且逆轉(zhuǎn)功率流向因而功率能從負載流回電源,。這是無功功率（R）,，測量單位是無功伏安或者VAR。實際和無功功率的矢量和叫做總和或者視在功率，如圖1所示,。
視在功率（S）能夠通過計算有效的或者均方根電壓,，和有效或者均方根電流的乘積得到。視在功率的單位是伏安（VA）,。實際和視在功率向量上的夾角代表了電流和電壓波形之間的相位差,。這個角度的cos值，也就是實際功率和視在功率的比值叫做功率因數(shù)（pf）,。
如果設備是純阻抗的,，那么電流和電壓是同相的，視在和實際功率是相等的,，而且功率因數(shù)等于一,。這是由于電抗分量增加時，功率因數(shù)會增加,。
測量線電壓
電壓測量需要用到探針,。傳統(tǒng)的示波器，高阻抗探針能夠用于高速數(shù)據(jù)采集卡,。能夠測量垂直電壓數(shù)值的能力對于探針來說非常有用,。由于大多數(shù)功率測量需要線路（電源）電壓測量，因此好能夠差分地做這些測量來避免和單端探頭有關系的接地問題,。高速數(shù)據(jù)采集卡應該能夠接受兩個探針輸入并且計算其差值,。另一種選擇是，熱線和中線上的電壓能夠分開得到,，并且能夠通過波形計算相減,。如果一個差分探針是有效的也可以使用。
測量線電流
做線電流測量方便的方法就是使用一個合適的電流探針,。要確保你使用的任何電流探針都能夠和測量設備分開獨立進行控制,。電流探針的輸出能夠用于高速數(shù)據(jù)采集卡的一個通道，并且具有合適的縮放比例能夠在探針上以電流為單位顯示信號,。
高速數(shù)據(jù)采集卡選項
大多數(shù)線路頻率測量是由基本的從50-400HZ頻率組成,，因而一個高速數(shù)據(jù)采集卡的帶寬要求并不是很高。如果有興趣做
傳導發(fā)射測量,，那么容納達到功率基波的第40個諧波而沒有明顯失真的能力是非常有用的,。這個對帶寬的要求將在20KHZ或者更高。
高速數(shù)據(jù)采集卡應該有足夠充分的振幅分辨率來補償電源線的高階諧波,，12到16bit能夠滿足,。
通道數(shù)量取決于要做單端還是差分測量。差分測量進行每一次測量會結(jié)合兩個通道,。對于一個單相,，線路測量，四個通道能夠產(chǎn)生出兩個差分通道。對于每種相位做三個相位測量則需要6個或者更多的通道,。假設三個差分電壓通道和一個單端電流通道,，那么則需要9個通道。由于大多數(shù)高速數(shù)據(jù)采集卡提供1到16中的二進制級數(shù)（1/2/4/8/16）個通道,，你可以選擇接下來更高一級數(shù)量的通道來完成測量工作,。
采樣率，像帶寬應該比要求的帶寬四五倍更高一點,。
單相功率測量案例
接下來的例子通過一個小的線路的功率散熱風扇來測量功率。測量是使用一個高速數(shù)據(jù)采集卡網(wǎng)絡管理器模型DN2.496.04來測量的,，其包含4個通道,，16bit，60MS/s采樣率,，和一個30MHZ的帶寬,。我們用一個美國泰克模型P6042電流探針和一組無源示波器探針來測量電流和電壓波形。測量的是線電流和線電壓,。線電壓是差分測量的,，因而輸電線的熱線和中線導線都不是接地的。
表2 顯示了通過Spectrum的Sbench6 軟件測量的結(jié)果,，這個軟件主要用來控制和處理采集到的數(shù)據(jù),。
輸入電壓是通過測量連接到CH2和CH3兩個通道的兩個無源探針的差分值得到的。這些通道結(jié)合起來在通道CH2中顯示出來,，如圖2上方中間格子中所示。這個數(shù)據(jù)也可以通過電流探針的密度來測量,，所以其垂直單位是安培（A）,。電流和電壓的峰峰值和有效（rms）值都在表左側(cè)的信息窗里顯示。
瞬時功率可以通過使用Sbench6的模擬計算電流和電壓波形的乘積計算得到,。功率顯示在左側(cè)的網(wǎng)格里,。功率的峰峰值和平均值也在左側(cè)信息窗口里列舉出來了。瞬時功率的平均值代表實際功率,，記錄值為6.6瓦特,。
視在功率是通過計算線路電流和電壓的有效值的乘積計算而得到?；跍y量到的值（121.5V和63.2mA）,，其視在功率為7.68VA。
這使得我們計算功率因數(shù)的值為0.86,。在右側(cè)兩個窗格里觀察電流和電壓波形水平方向擴展的情況,，我們可以看到電壓波形（右上）引導電流波形表明了一種感應性的特點。正斜率過零處光標記錄值表明了其電壓波形值比電流波形值提前1.44ms。這代表相位上超前了31度,。這也可以通過計算cos-1(pf)或者30.68度得到,。這種基于功率因數(shù)的計算會更準確一些，因為這不受光標放置位置的不確定性的影響,。
線路諧波
已經(jīng)采集到的電流和電壓波形我們可以擴展其研究分析到頻域范圍,，通過圖3顯示線電流（下方左側(cè)）和線電壓波形（上方左側(cè)）的平均頻譜。
這個線電壓頻譜有更多,，更高階的諧波,。奇數(shù)諧波是突出的。電流頻譜有一個整體較低的諧波含量,，但是它主要的也是奇數(shù)諧波,。
三相功率
三相電功率是一種多相AC配電系統(tǒng)，包含電力功率的產(chǎn)生,，傳輸和分配,。它被用來給大的發(fā)動機和其他重電力負載供電。一個三相系統(tǒng)通常比一個單相或者雙相系統(tǒng)在類似的電壓水平上更經(jīng)濟,，因為它用更少的導電材料來傳輸電力,。一個單相AC電源需要兩個導體，一個三相電源能夠僅僅只多一個導體就傳輸三倍的功率,。這意味著可以只增加50%的傳輸費用而增加200%的傳輸功率,。
三相連接術(shù)語
三相連接，例如三相發(fā)動機如圖4所示,，是按WYE（上圖）或者DELTA（下圖）配置連接的,。
在WYE連接中電壓Van, Vbn 和Vcn 叫做相電壓。電壓標記了Vab, Vbc和Vac是線電壓,。電流Ia, Ib, 和Ic是相電流,。在負載上耗散的總功率是在WYE連接里單相電流電壓乘積的總和。注意黑體部分表明是矢量操作：
Pt = Ia*Van + I b* Vbn + I c*Vcn
通常,，功率是通過線電壓而不是相電壓計算的,。
圖5顯示了相電壓，相電流,，線電壓的矢量圖,。電壓的計算是矢量計算的。
在一個平衡系統(tǒng)中線電壓的大小等于
倍的相電壓。注意到相電壓在線電壓前面30度,。這是一個向量減法的結(jié)果,，用來通過相電壓計算線電壓,。
高電壓差分探針是用來測量線電壓和相電壓的，他們對于原信號有一個100：1的衰減,。高速數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的相電壓輸入的結(jié)果是1.69Vpk（3.38Vpk-pk）,。這些電壓需要按比例乘以100倍，因為使用了÷100的探針,。這個產(chǎn)生的結(jié)果就是相電壓為169Vpk(338Vpk-pk),。這是120Vrms。這個線電壓是
倍的相電壓,，或者208Vrms,。這是在美國常見的三相電壓。
我們可以通過在高速數(shù)據(jù)采集卡上采集相電壓然后計算線電壓,，來驗證上述結(jié)果,。如圖6所示：
通道Va,Vb,和Vc是通過相電壓測量的。Vab,，Vbc,，和Vca是計算的線電壓。相電壓和相臨線電壓之間的相位差是30度,，通過在左側(cè)的窗口中變焦跟蹤的光標測量可確認,。線電壓，Vab在16.67ms的一個周期中滯后于相電壓Va 1.38ms,。相電壓之間的相位差是120度,。
圖5中顯示當前的相量和相電壓有一個普通的相位差Q。這個角度Q代表無功分量,，也許能夠合并到發(fā)動機線圈中,。我們的實驗使用一個純阻抗負載，導致Q等于零度,。
三相功率測量
在圖7中,，我們顯示了一個WYE連接的負載（我們能夠同時獲得相電壓和線電壓）的相電壓（Va, Vb, Vc），相電流（Ia, Ib, Ic）和相功率損耗(Pa, Pb, 和Pc),。將相電壓乘以相關的相電流，得到的結(jié)果就是每一種相位的瞬時相功率,。瞬時功率的平均值就是實際功率分量,。三相功率的總和就是負載的總實際功率。
這個測量是稱為三瓦特（three-wattmeter）功率測量,。為了讓這個測量使用外部差分探針來測量電壓,，需要6個通道。如果使用單端探針,，則通道數(shù)需要增加到9,。在高速數(shù)據(jù)采集卡配置中通道數(shù)高可指定到16的彈性是這種測量的一個主要優(yōu)勢,。
相電壓如圖7中上面一行所示。相電流在中間那一行顯示,。相功率在底下一行顯示,。三相功率總和的波形在左側(cè)標簽為“Total Power”的網(wǎng)格中顯示。要注意總功率是相對恒定的,。在左側(cè)信息面板中的參數(shù),，可同時讀出單相功率波形的平均值和總功率值。三相功率測量平均值的總和,，與平均總功率是相等的,。總功率測量的結(jié)果是850.9瓦特,。
雙瓦特法
另外一種技術(shù)是雙瓦特測量法,，這只需要測量兩個線電壓和兩個相電流。其數(shù)學表達式：
PT(t) = Vac(t) ia(t) + Vbc(t) ib(t)
這能夠推斷出如下結(jié)果：
能夠用如下的數(shù)學推導推斷出：
PT = Va(t) ia(t) + Vb(t) ib(t) + Vc(t) ic(t)
但是,，用基爾霍夫電流定律：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)
這里Va - Vc º Vac 及Vb – Vc º V bc
這是一個應用雙瓦特法的例子,，用Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡的四個通道和兩個差分電壓，兩個差分電流探針就可以完成,。
同樣,，在這個例子中，計算總功率是基于單相電壓和單相電流的,，這個方法需要兩個線電壓(Vac 和Vbc)和兩個相電流(Ia 和 Ib),。線電壓在上面那一行顯示，相電流在中間行顯示,，單相功率波形在下面那一行顯示,。和上面一樣，總功率在左側(cè)的網(wǎng)格中顯示標簽為“Total Power”,。每一種功率波形的平均值在左側(cè)信息面板中顯示,。標稱功率仍然是851瓦特。
結(jié)論：
AC功率測量的基本概念包含瞬時功率,，實際功率,，視在功率和無功功率。高速數(shù)據(jù)采集卡,，包括合理數(shù)量的通道數(shù),，能夠用于利用合適的電壓和電流探針進行單相或者多相功率測量。高速數(shù)據(jù)采集卡的多功能性,，易通信和信息傳輸快的特點使之成為AC功率測量完美的工具,。Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡是小的，精簡的,，并且可實現(xiàn)多種不同的組成系數(shù),，因而可以被用于種類多樣的測試裝置,。例如，北京坤馳科技有限公司的數(shù)字化NETBOX產(chǎn)品被設計于以太網(wǎng)的控制之下,，使之能夠遠程操作,，或者，實際上,，只要是有局域網(wǎng)（LAN）的任何地方都可以,。PXI卡可以應用在一系列模塊化儀器中，作為測試系統(tǒng)中的一部分,。然而PCI卡和PCIe卡能夠直接安裝在大多數(shù)現(xiàn)代計算機中,，這使之成為非常強大的單機測試站。
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