三相功率測試儀器對比

簡介

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/346930.htm

功率分析儀推出已有多年，且在各種應用中廣泛使用，通常情況下，很多的設置和參數選擇會對測量結果 產生重大影響，或者說，有些傳統的功能，我們沒有完全理解清楚，本文檔簡要解釋 TeledyneLecroy 電 機驅動分析儀 (MDA) 的設置，以獲得同橫河功率分析儀一致的測試結果，並解釋在有些場景下測試結果 不同的原因。

測試周期（「同步 」）計算

首先，對於正確的功率分析，必須確定所有功率計算發生的周期， 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 錯誤周期出現的機率，參照以下圖片︰

對於近似正弦（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 電機驅動分析儀還能夠調整磁滯（區間），允許自定義控制軟體忽略幹擾測量周期計算 的非單調性，這些在 MDA 軟體說明書中有詳細的說明，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）或者由於高壓力和失效事件產生的高畸變信號非常有用。

請注意 TeledyneLecroy 電機驅動分析儀還允許顯示濾波後的同步信號，並與測量周期疊加，使同步信號 設置更容易被理解，請參見下圖（同步信號的疊加顯示在底部）。

最後， TeledyneLecroy 電機驅動分析儀將同步濾波器和磁滯設置作為數據採集後的軟體處理過程，然而 大多數功率分析儀是在數據採集過程中對波形應用同步濾波器和磁滯設置，因此， TeledyneLecroy MDA 可以在採集波形後再對設置進行更改，而這些在功率分析儀中通常是無法做到的，結合同步周期疊加，則 可以使用 MDA 的採集後處理來調節濾波器和磁滯設置以獲取最佳結果，無需放棄所獲得的數據並重新進 行採集。

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 的結果，須將功率分析儀上的視在功率計算方法設置為\(Vrms*Irms\)。

三相（總）功率計算

TeledyneLecroy 採用一種方法用於功率值的計算，而橫河提供三種不同的方法，並且返回不同的結果， 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 導手冊。需注意的是 , 下表假定橫河功率分析儀採用 \(Vrms*Irms\) 公式計算視在功率。

對於完美的正弦（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，當波形有畸 變時（例如 PWM 驅動器輸出波形），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於畸變波形的無功功率（和功率因數以及相角）產生準確結果的唯一方法（對於 正弦波形兩者也能產生準確的結果） 。 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，然後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置值 = 「基波」或者 「基波 + N」（見下 文）的結果類似，前提是橫河功率分析儀的硬體鎖相環能夠適應採集窗口內測量信號周期的任何變化。

橫河的功率分析儀能夠準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，如果採用 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，儘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置定義，這對從三電壓和三電流轉換 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聯。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係，以此得到正確的每相功率， TeledyneLecroy 簡單的反轉一路電壓波形 計算三相總體功率

3. 橫河設定的電壓關係對三相總體功率（有功功率、視在功率、無功功率）、相位角、功率因數都是沒有影 響的，這是由於他們連線設置中電壓和電流的矢量關係對於用來計算總體功率的兩瓦特計算法是正確 的 。

4. 這兩種設備都可以支持 Line-Line 到 Line-Neutral 的轉換（橫河稱之為 delta-star 轉換，這是一個需要額 外購買的選項）， TeledyneLecroy 的 MDA 在轉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。

橫河連線設置的實際影響是電壓電流對都有不同的相位關係（這將導致錯誤的每相功率計算），如下實際 三相採集所示

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

靜態 VS.動態

橫河功率分析儀計算小段採集時間（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，依賴於 PLL 環路帶寬，它對寬幅變化的速度的鎖定能力有限，通常，對於具有緩慢變化測量同步周期的穩態信 號，這是沒有實際限制的，所以，橫河的功率分析儀非常適合測試穩態下的平均功率（恆定負載、扭矩、 速度等）。

TeledyneLecroy 的 MDA 可以採集一小段數據計算平均功率，顯示在一個表格中，如前所述，同步周期是 用軟體算法確定的，同時，由於沒有功率分析儀的限制，它也可以在動態條件下進行準確的測量。 如果負載是動態的，功率分析儀很可能不能提供有意義的結果，首先，確定在簡單、靜態、穩態負載條件 下的關係，然後嘗試動態下的關係，如果在動態條件下，結果沒有相關性，這可能是由於功率分析儀無法 準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

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，特別是在準確確定測量同步信號上，這對準確測量功率至關重要，在某些狀況下，橫河的功率分 析儀不同的設置或者連線方式導致不同的結果，一旦工程師理解其中的本質，就會更容易理解這些結果出 現的原因。