三相功率測試儀器對比

簡介

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)選擇會對測量結(jié)果 產(chǎn)生重大影響，或者說，有些傳統(tǒng)的功能，我們沒有完全理解清楚，本文檔簡要解釋 TeledyneLecroy 電 機(jī)驅(qū)動分析儀 (MDA) 的設(shè)置，以獲得同橫河功率分析儀一致的測試結(jié)果，并解釋在有些場景下測試結(jié)果 不同的原因。

測試周期（“同步 ”）計算

首先，對于正確的功率分析，必須確定所有功率計算發(fā)生的周期， TeledyneLecroy MDA 和橫河功率分析 儀都是使用 "同步"信號來確定測量周期，在這兩種設(shè)備中，同步信號都可以使用低通濾波器處理，以降低 錯誤周期出現(xiàn)的幾率，參照以下圖片︰

對于近似正弦（如低失真）信號，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量周期， 然而 TeledyneLecroy MDA 能提供更廣泛的選擇， TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動分析儀還能夠調(diào)整磁滯（區(qū)間），允許自定義控制軟件忽略干擾測量周期計算 的非單調(diào)性，這些在 MDA 軟件說明書中有詳細(xì)的說明，這種控制對有較高失真的信號（例如無刷直流六 步換向信號）或者由于高壓力和失效事件產(chǎn)生的高畸變信號非常有用。

請注意 TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動分析儀還允許顯示濾波后的同步信號，并與測量周期疊加，使同步信號 設(shè)置更容易被理解，請參見下圖（同步信號的疊加顯示在底部）。

最后， TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動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程，然而 大多數(shù)功率分析儀是在數(shù)據(jù)采集過程中對波形應(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設(shè)置進(jìn)行更改，而這些在功率分析儀中通常是無法做到的，結(jié)合同步周期疊加，則 可以使用 MDA 的采集后處理來調(diào)節(jié)濾波器和磁滯設(shè)置以獲取最佳結(jié)果，無需放棄所獲得的數(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，用戶可以通過在設(shè)置菜單中選擇下面的任意公式測量視在功率 (S):

TeledyneLecroy 只提供 (Vrms*Irms) 視在功率的計算能力，如果需要對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算方法設(shè)置為(Vrms*Irms)。

三相（總）功率計算

TeledyneLecroy 采用一種方法用于功率值的計算，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 和橫河在單個功率周期計算功率的方法摘要---完整的公式化描述請參見各自的指 導(dǎo)手冊。需注意的是 , 下表假定橫河功率分析儀采用 (Vrms*Irms) 公式計算視在功率。

對于完美的正弦（零失真）波形，是可以測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（例如 PWM 驅(qū)動器輸出波形），是無法測量相角 φ 的，因此，TeledyneLecroy 方法或橫河的類 型 2 方法是明確的可以對于畸變波形的無功功率（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量模式選項的型號上提供類型 3 方法，此選項似乎是使用 PLL 源從一個 PWM 信號定義基波信號，然后該儀器通過比較基波電壓和電流，以及通過 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”（見下 文）的結(jié)果類似，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)測量信號周期的任何變化。

橫河的功率分析儀能夠準(zhǔn)確測量任何狀況下的有功功率，如果僅僅對有功功率計算感興趣，所有方法都是 合適的，但是為了準(zhǔn)確計算 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（如果多個方 法被提供）。 每一相功率計算 橫河的設(shè)備使用了和計算三相總體功率相同的公式計算每一相功率，但是一次只計算一相。 當(dāng)使用三相四線（三電壓三電流）連接方式測量 Line-Neutral 或者 Line-Reference 電壓時，橫河視在功 率 =(Vrms*Irms)的類型 2 測量方法和 TeledyneLecroy MDA 通常是一致的。 然而，如果采用 Line-Line 電壓測試方法，橫河功率分析儀測量出來的每相功率將會是不平衡的和錯誤 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法設(shè)置定義，這對從三電壓和三電流轉(zhuǎn)換 為兩電壓和兩電流的測量是有好處的，功率分析儀無需重新連線。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法計算三相整體功率，但是 同時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 簡單的反轉(zhuǎn)一路電壓波形 計算三相總體功率

3. 橫河設(shè)定的電壓關(guān)系對三相總體功率（有功功率、視在功率、無功功率）、相位角、功率因數(shù)都是沒有影 響的，這是由于他們連線設(shè)置中電壓和電流的矢量關(guān)系對于用來計算總體功率的兩瓦特計算法是正確 的 。

4. 這兩種設(shè)備都可以支持 Line-Line 到 Line-Neutral 的轉(zhuǎn)換（橫河稱之為 delta-star 轉(zhuǎn)換，這是一個需要額 外購買的選項）， TeledyneLecroy 的 MDA 在轉(zhuǎn)換時會計算出每相的 P, S, Q, λ 和 φ，橫河的功率分析儀 僅能計算出 P。

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

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

靜態(tài) VS.動態(tài)

橫河功率分析儀計算小段采集時間（幾個周期）的平均值，存在一個提高平均值刷新率的選項，但是它還 是計算所定義的時間段或者多個周期的平均值，同步信號是通過 FPGA 上的 PLL 電路決定的，依賴于 PLL 環(huán)路帶寬，它對寬幅變化的速度的鎖定能力有限，通常，對于具有緩慢變化測量同步周期的穩(wěn)態(tài)信 號，這是沒有實(shí)際限制的，所以，橫河的功率分析儀非常適合測試穩(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)計算平均功率，顯示在一個表格中，如前所述，同步周期是 用軟件算法確定的，同時，由于沒有功率分析儀的限制，它也可以在動態(tài)條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。 如果負(fù)載是動態(tài)的，功率分析儀很可能不能提供有意義的結(jié)果，首先，確定在簡單、靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件 下的關(guān)系，然后嘗試動態(tài)下的關(guān)系，如果在動態(tài)條件下，結(jié)果沒有相關(guān)性，這可能是由于功率分析儀無法 準(zhǔn)確地確定或者驗證同步信號，而這些對 TeledyneLecroy MDA 是沒有限制的。

總結(jié)

我們很容易將橫河功率分析儀和 TeledyneLecroy MDA 放在一起對比，TeledyneLecroy 提供了更多的直 觀反饋，特別是在準(zhǔn)確確定測量同步信號上，這對準(zhǔn)確測量功率至關(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)，就會更容易理解這些結(jié)果出 現(xiàn)的原因。