一、功率分析儀定義

功率分析儀是一種多功能儀器，除了能夠?qū)﹄妷?、電流和功率進(jìn)行精確測(cè)量以外，還集成了波形顯示、諧波分析、閃變分析、積分等多種功能，如下圖所示。

圖1 功率分析儀的功能

功率分析儀的基本功能是一臺(tái)多通道的高精度功率測(cè)量?jī)x器，可以精確測(cè)量多相高電壓和大電流，計(jì)算有功功率P、無(wú)功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)、相位、能量累計(jì)等參數(shù)，通常用來(lái)測(cè)試變頻器、逆變器、電機(jī)和變壓器等功率轉(zhuǎn)換裝置的效率和功耗。下圖為功率分析儀在變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

圖2 變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率分析檢測(cè)

隨著節(jié)能和新能源領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，功率分析儀被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電氣化高速鐵路、太陽(yáng)能光伏逆變發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)、變壓器、燃料電池、電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈、、開(kāi)關(guān)電源供、不斷電系統(tǒng)(UPS)、電動(dòng)工具、信息及辦公設(shè)備(打印機(jī)、掃描儀)、家電等功率設(shè)備的開(kāi)發(fā)和性能評(píng)估。也適用于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析，提供電力運(yùn)行中的諧波分析及功率質(zhì)量分析。

二、功率分析儀的組成

圖3 功率分析儀的組成

如圖 3所示，由功率分析儀的功能確定，一方面功率分析儀需要完成對(duì)外部輸入信號(hào)的測(cè)量，包括被測(cè)裝置的電壓、電流信號(hào)，扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào);另一方面，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到電壓、電流、功率、效率等參數(shù)，并能夠?qū)斎氲男盘?hào)進(jìn)行處理分析，例如進(jìn)行諧波分析、FFT分析、查看波形等，并可以與外部的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖4 功率分析儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由功率分析儀的功能需求可以確定，功率分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 4所示，主要由采集板卡和主板組成，采集板卡實(shí)現(xiàn)單相輸入的采集，包括一個(gè)電壓通道和一個(gè)電流通道，主板主要實(shí)現(xiàn)顯示和通訊功能。

三、功率分析儀的實(shí)現(xiàn)

功率分析儀的核心功能是能夠準(zhǔn)確的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，且各個(gè)通道間必須保證絕對(duì)的同步，因此功率分析儀的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是在于如何保證采集部分的同步性和采樣的高精度、穩(wěn)定性。

3.1低溫漂、低噪聲的高速數(shù)據(jù)采集

功率分析儀的目標(biāo)精度高達(dá)0.02%，高精度測(cè)量最難處理的兩個(gè)問(wèn)題是溫漂和噪聲。整個(gè)模擬前端的框圖如圖5所示，其中每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲都會(huì)影響到最后的測(cè)量精度。

圖5 模擬前端框圖

如果要保證測(cè)量精度，這必須保證每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲很低，或者能實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的補(bǔ)償處理。

對(duì)于溫漂問(wèn)題，首先溫漂是必然存在的，所有的模擬器件都存在溫度系數(shù)，隨著溫漂變化其參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于我們無(wú)法保證儀器工作在恒溫環(huán)境，所有必須考慮處理溫漂問(wèn)題。解決溫漂問(wèn)題首先是元器件選型方面必須需要考慮選型一些溫漂小的器件，電路設(shè)計(jì)上考慮進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，添加補(bǔ)償電路將溫漂降低，避免相關(guān)放大電路出現(xiàn)飽和問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)電路，測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)各環(huán)節(jié)的溫漂，將偏置的溫漂影響降到最低，然后是元器件匹配和布局問(wèn)題，處理增益補(bǔ)償電路，將增益誤差影響降到最低，同時(shí)將ADC的轉(zhuǎn)換參考電壓和模擬前端調(diào)理參考電壓使用同一組電壓，解決參考電壓溫漂產(chǎn)生的影響，另外采用16位分辨率的ADC進(jìn)行高速采集。

對(duì)于噪聲問(wèn)題，要考慮電路內(nèi)部的噪聲和外部的噪聲，內(nèi)部噪聲的處理需要考慮原理設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題，外部噪聲問(wèn)題需要考慮電路板布局和屏蔽問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)上面，需要考慮處理電阻熱噪聲、運(yùn)放噪聲問(wèn)題，電路布局方面需要考慮將容易受到干擾的環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊處理。然后設(shè)計(jì)合理的濾波器，將一些噪聲濾除。另外必須考慮屏蔽殼的設(shè)計(jì)，將外部的噪聲干擾降低。

3.2高精度同步采樣

功率分析儀和示波器、萬(wàn)用表的最大區(qū)別就是能同時(shí)分析電壓和電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率信號(hào)的分析，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的準(zhǔn)確分析，則必須準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流信號(hào)，并且需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流信號(hào)的采樣，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC數(shù)字化過(guò)程中每一個(gè)采樣點(diǎn)都必須發(fā)生在同一時(shí)刻，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步測(cè)量，在功率分析儀內(nèi)部，采用了業(yè)界最高的同步時(shí)鐘，高穩(wěn)定性溫度補(bǔ)償?shù)?00MHz同步時(shí)鐘，避免溫度變化帶了的時(shí)鐘漂移所引入的誤差，嚴(yán)格保證ADC對(duì)各通道電壓和電流的同步測(cè)量，從而保證了功率測(cè)量的精度。

100MHz的同步時(shí)鐘引起的最大誤差為10ns，對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)周期為20ms，所以10ns的時(shí)鐘誤差引起的相位測(cè)量誤差為

如果同步時(shí)鐘為10MHz則相位角誤差就會(huì)到0.0018°。

為了討論方便假設(shè)被測(cè)的電壓和電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，那么功率運(yùn)算公式為

其中φ為不同步引起的相位角誤差，所以可以看到功率測(cè)量的精度會(huì)受到相位角的直接影響。[!--empirenews.page--]

當(dāng)電壓和電流的相位角較小時(shí)，即功率因數(shù)較大時(shí)，0.0.018°的相位誤差對(duì)測(cè)量精度影響很小，但是在極低功率因數(shù)情況下0.00018°的相位誤差帶來(lái)的功率誤差是就比較明顯，誤差對(duì)比如下表所示，如果同步時(shí)鐘頻率降低，則測(cè)量誤差就會(huì)成倍增大，這也是目前業(yè)界功率測(cè)量設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)在極低功率因數(shù)情況下精確測(cè)量的主要原因。

表1 100MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差

表2 10MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差

通過(guò)上表我們可以看到，使用的100MHz同步時(shí)鐘，有效保證了極低功率因數(shù)下的測(cè)量精度，功率因數(shù)低于0.01時(shí)依然可以保證優(yōu)于0.6%的功率測(cè)量精度。

3.3高共模抑制

功率分析儀需要與普通電力測(cè)量的儀器的最大區(qū)別是需要同時(shí)測(cè)量多路的電壓和電流信號(hào)，并且各測(cè)量通路之間必須進(jìn)行隔離浮地，隔離耐壓達(dá)到幾千伏以上。采集板卡的框圖如下圖，隔離耐壓達(dá)到5kV，由于采用了嚴(yán)格的隔離，所以可以很好的滿足各種接線應(yīng)用，保證接線和用戶的安全。

模擬前端浮地可以起到很好的隔離和安全效果，但是由于浮地的存在，導(dǎo)致模擬前端的屏蔽殼地和機(jī)殼大地之間存在共模電壓Vc如下圖所示。被測(cè)電壓Vd，屏蔽殼和模擬前端地連接在一起，由于被測(cè)信號(hào)Vd是浮地，所以Vd和大地之間存在Vc這個(gè)共模電壓，由于模擬前端浮地，所以共模電壓Vc加在屏蔽殼和機(jī)殼之間的這個(gè)雜散電容Cs上，因此該Cs的值直接影響到共模電流Ic的大小，Ic流經(jīng)被測(cè)信號(hào)的負(fù)端，該共模電流加在負(fù)端的輸入阻抗上就將共模電流轉(zhuǎn)換成差模電流，從而導(dǎo)致對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，所以實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量降低共模電壓Vc的值，儀器設(shè)計(jì)上要盡量降低Cs這個(gè)雜散電容的值。

功率分析儀的雜散電容Cs小于60pF，所以對(duì)50Hz信號(hào)的共模阻抗為53MΩ，假設(shè)負(fù)端的電阻為1Ω，所以可以得到其理論誤差為0.018ppm，理論共模抑制高達(dá)159dB，實(shí)際測(cè)量功率分析儀的共模抑制大于120dB，120dB的意義就是當(dāng)存在1000V的共模干擾時(shí)，我們測(cè)量結(jié)果僅僅有1mV的誤差，即共模干擾小于1ppm。

四：創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 內(nèi)部基于PCIe的高速傳輸架構(gòu)

傳統(tǒng)的功率分析儀產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)的年代比較早，處理能力弱，沒(méi)有辦法兼顧運(yùn)算性能和快速存儲(chǔ)的性能。

在功率分析儀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中我們采用了創(chuàng)新性的PCIe架構(gòu)，極大的提高了功率分析儀的內(nèi)部數(shù)據(jù)交互的速度，解決了大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的瓶頸。下表在儀器內(nèi)部常用的總線類型，從表中的數(shù)據(jù)可以知道，PCIe總線的帶寬和處理能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)其它類型的總線接口，傳輸速度高達(dá)2.5Gb/s。

表3 常用總線帶寬對(duì)比

通過(guò)采用PCIe架構(gòu)，這次設(shè)計(jì)的功率分析儀是業(yè)界唯一一款支持10ms更新率的功率分析儀器。10ms更新率是功率分析儀歷史上一個(gè)革命性的突破，同時(shí)滿足了功率測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄的需求。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的測(cè)試中，如果你想看到更快的測(cè)量結(jié)果，如想看看全波分析或者半波分析，那你只能再花費(fèi)大量的金錢(qián)和時(shí)間去購(gòu)買(mǎi)和學(xué)習(xí)另外一款儀器-記錄儀，但是最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的問(wèn)題還是沒(méi)有很好的解決，你根本無(wú)法實(shí)時(shí)查看測(cè)量結(jié)果，只能走入一個(gè)記錄-軟件分析-調(diào)試-記錄-軟件分析的惡性調(diào)試模式，浪費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)，分析過(guò)程異常痛苦。支持10ms更新率功率分析儀的誕生將用戶完全從這種調(diào)試的怪圈中解放出來(lái)，實(shí)時(shí)的更新和處理能力，使調(diào)試時(shí)每次修改都立竿見(jiàn)影，讓你很快查看到結(jié)果。