介紹
在評估設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(guān)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,?？偣β蕼y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(shè)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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