介紹
在評(píng)估設(shè)備或者電路性能時(shí)通常需要做線路功率測(cè)量,。模塊高速數(shù)據(jù)采集卡能夠做這些功率測(cè)量。
高速數(shù)據(jù)采集卡是電壓響應(yīng)的測(cè)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(cè)量電流,。采集電流和電壓后，接下來(lái)就可基于采集到的電流電壓波形乘積來(lái)測(cè)量功率,。功率是在一個(gè)電路中能量轉(zhuǎn)換的速率,，它通過(guò)一些屬性例如實(shí)際，視在,，無(wú)功和瞬時(shí)功率來(lái)描述,。這個(gè)應(yīng)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(cè)量實(shí)例。
基本功率測(cè)量
瞬時(shí)功率是通過(guò)計(jì)算外加電壓和電流的乘積而得,。實(shí)際功率（P）是瞬時(shí)功率的平均值或者有效值,，測(cè)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(chǔ)存能量并且逆轉(zhuǎn)功率流向因而功率能從負(fù)載流回電源,。這是無(wú)功功率（R）,，測(cè)量單位是無(wú)功伏安或者VAR。實(shí)際和無(wú)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(guò)計(jì)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(shí)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(gè)角度的cos值,，也就是實(shí)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(shí)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(shí),，功率因數(shù)會(huì)增加,。
測(cè)量線電壓
電壓測(cè)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(cè)量垂直電壓數(shù)值的能力對(duì)于探針來(lái)說(shuō)非常有用。由于大多數(shù)功率測(cè)量需要線路（電源）電壓測(cè)量,，因此好能夠差分地做這些測(cè)量來(lái)避免和單端探頭有關(guān)系的接地問(wèn)題,。高速數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該能夠接受兩個(gè)探針輸入并且計(jì)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(guò)波形計(jì)算相減,。如果一個(gè)差分探針是有效的也可以使用。
測(cè)量線電流
做線電流測(cè)量方便的方法就是使用一個(gè)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(cè)量設(shè)備分開獨(dú)立進(jìn)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(gè)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(hào),。
大多數(shù)線路頻率測(cè)量是由基本的從50-400HZ頻率組成,，因而一個(gè)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(dǎo)發(fā)射測(cè)量,，那么容納達(dá)到功率基波的第40個(gè)諧波而沒(méi)有明顯失真的能力是非常有用的,。這個(gè)對(duì)帶寬的要求將在20KHZ或者更高。
高速數(shù)據(jù)采集卡應(yīng)該有足夠充分的振幅分辨率來(lái)補(bǔ)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(cè)量。差分測(cè)量進(jìn)行每一次測(cè)量會(huì)結(jié)合兩個(gè)通道,。對(duì)于一個(gè)單相,，線路測(cè)量，四個(gè)通道能夠產(chǎn)生出兩個(gè)差分通道,。對(duì)于每種相位做三個(gè)相位測(cè)量則需要6個(gè)或者更多的通道,。假設(shè)三個(gè)差分電壓通道和一個(gè)單端電流通道，那么則需要9個(gè)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(jìn)制級(jí)數(shù)（1/2/4/8/16）個(gè)通道,，你可以選擇接下來(lái)更高一級(jí)數(shù)量的通道來(lái)完成測(cè)量工作。
采樣率,，像帶寬應(yīng)該比要求的帶寬四五倍更高一點(diǎn)。
單相功率測(cè)量案例
接下來(lái)的例子通過(guò)一個(gè)小的線路的功率散熱風(fēng)扇來(lái)測(cè)量功率,。測(cè)量是使用一個(gè)
高速數(shù)據(jù)采集卡網(wǎng)絡(luò)管理器模型DN2.496.04來(lái)測(cè)量的，其包含4個(gè)通道,，16bit,，60MS/s采樣率，和一個(gè)30MHZ的帶寬,。我們用一個(gè)美國(guó)泰克模型P6042電流探針和一組無(wú)源示波器探針來(lái)測(cè)量電流和電壓波形,。測(cè)量的是線電流和線電壓。線電壓是差分測(cè)量的,，因而輸電線的熱線和中線導(dǎo)線都不是接地的,。
表2 顯示了通過(guò)Spectrum的Sbench6 軟件測(cè)量的結(jié)果，這個(gè)軟件主要用來(lái)控制和處理采集到的數(shù)據(jù),。
輸入電壓是通過(guò)測(cè)量連接到CH2和CH3兩個(gè)通道的兩個(gè)無(wú)源探針的差分值得到的,。這些通道結(jié)合起來(lái)在通道CH2中顯示出來(lái),，如圖2上方中間格子中所示。這個(gè)數(shù)據(jù)也可以通過(guò)電流探針的密度來(lái)測(cè)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(shí)功率可以通過(guò)使用Sbench6的模擬計(jì)算電流和電壓波形的乘積計(jì)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(lái)了。瞬時(shí)功率的平均值代表實(shí)際功率,，記錄值為6.6瓦特,。
視在功率是通過(guò)計(jì)算線路電流和電壓的有效值的乘積計(jì)算而得到?；跍y(cè)量到的值（121.5V和63.2mA）,，其視在功率為7.68VA。
這使得我們計(jì)算功率因數(shù)的值為0.86,。在右側(cè)兩個(gè)窗格里觀察電流和電壓波形水平方向擴(kuò)展的情況,，我們可以看到電壓波形（右上）引導(dǎo)電流波形表明了一種感應(yīng)性的特點(diǎn)。正斜率過(guò)零處光標(biāo)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(guò)計(jì)算cos-1(pf)或者30.68度得到。這種基于功率因數(shù)的計(jì)算會(huì)更準(zhǔn)確一些,，因?yàn)檫@不受光標(biāo)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(kuò)展其研究分析到頻域范圍，通過(guò)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(gè)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(gè)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(lái)給大的發(fā)動(dòng)機(jī)和其他重電力負(fù)載供電,。一個(gè)三相系統(tǒng)通常比一個(gè)單相或者雙相系統(tǒng)在類似的電壓水平上更經(jīng)濟(jì),，因?yàn)樗酶俚膶?dǎo)電材料來(lái)傳輸電力。一個(gè)單相AC電源需要兩個(gè)導(dǎo)體,，一個(gè)三相電源能夠僅僅只多一個(gè)導(dǎo)體就傳輸三倍的功率,。這意味著可以只增加50%的傳輸費(fèi)用而增加200%的傳輸功率。
三相連接術(shù)語(yǔ)
三相連接,，例如三相發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)記了Vab, Vbc和Vac是線電壓,。電流Ia, Ib, 和Ic是相電流,。在負(fù)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(guò)線電壓而不是相電壓計(jì)算的,。
圖5顯示了相電壓，相電流,，線電壓的矢量圖,。電壓的計(jì)算是矢量計(jì)算的。
在一個(gè)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(gè)向量減法的結(jié)果,，用來(lái)通過(guò)相電壓計(jì)算線電壓。
高電壓差分探針是用來(lái)測(cè)量線電壓和相電壓的,，他們對(duì)于原信號(hào)有一個(gè)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?yàn)槭褂昧?divide;100的探針,。這個(gè)產(chǎn)生的結(jié)果就是相電壓為169Vpk(338Vpk-pk)。這是120Vrms,。這個(gè)線電壓是
倍的相電壓,，或者208Vrms。這是在美國(guó)常見的三相電壓,。
我們可以通過(guò)在高速數(shù)據(jù)采集卡上采集相電壓然后計(jì)算線電壓,，來(lái)驗(yàn)證上述結(jié)果。如圖6所示：
通道Va,Vb,和Vc是通過(guò)相電壓測(cè)量的,。Vab，Vbc,，和Vca是計(jì)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(guò)在左側(cè)的窗口中變焦跟蹤的光標(biāo)測(cè)量可確認(rèn),。線電壓,，Vab在16.67ms的一個(gè)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(dāng)前的相量和相電壓有一個(gè)普通的相位差Q,。這個(gè)角度Q代表無(wú)功分量,，也許能夠合并到發(fā)動(dòng)機(jī)線圈中。我們的實(shí)驗(yàn)使用一個(gè)純阻抗負(fù)載,，導(dǎo)致Q等于零度,。
三相功率測(cè)量
在圖7中，我們顯示了一個(gè)WYE連接的負(fù)載（我們能夠同時(shí)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(shí)相功率,。瞬時(shí)功率的平均值就是實(shí)際功率分量,。三相功率的總和就是負(fù)載的總實(shí)際功率。
這個(gè)測(cè)量是稱為三瓦特（three-wattmeter）功率測(cè)量,。為了讓這個(gè)測(cè)量使用外部差分探針來(lái)測(cè)量電壓,，需要6個(gè)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(cè)量的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)。
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(biāo)簽為“Total Power”的網(wǎng)格中顯示,。要注意總功率是相對(duì)恒定的,。在左側(cè)信息面板中的參數(shù)，可同時(shí)讀出單相功率波形的平均值和總功率值,。三相功率測(cè)量平均值的總和,，與平均總功率是相等的?？偣β蕼y(cè)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(cè)量法，這只需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)線電壓和兩個(gè)相電流,。其數(shù)學(xué)表達(dá)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(xué)推導(dǎo)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(gè)應(yīng)用雙瓦特法的例子，用Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡的四個(gè)通道和兩個(gè)差分電壓,，兩個(gè)差分電流探針就可以完成,。
同樣，在這個(gè)例子中,，計(jì)算總功率是基于單相電壓和單相電流的,，這個(gè)方法需要兩個(gè)線電壓(Vac 和Vbc)和兩個(gè)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(biāo)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(biāo)稱功率仍然是851瓦特。
結(jié)論：
AC功率測(cè)量的基本概念包含瞬時(shí)功率,，實(shí)際功率,，視在功率和無(wú)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(jìn)行單相或者多相功率測(cè)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(diǎn)使之成為AC功率測(cè)量完美的工具,。Spectrum高速數(shù)據(jù)采集卡是小的，精簡(jiǎn)的,，并且可實(shí)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(cè)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(jì)于以太網(wǎng)的控制之下,，使之能夠遠(yuǎn)程操作，或者,，實(shí)際上,，只要是有局域網(wǎng)（LAN）的任何地方都可以。PXI卡可以應(yīng)用在一系列模塊化儀器中,，作為測(cè)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(jì)算機(jī)中，這使之成為非常強(qiáng)大的單機(jī)測(cè)試站,。
