1、1,功率测量,横河电机株式会社 通信测量仪器事业部 基本计测仪器开发中心,2,目录,功率测量的基本功率计的测量原理失真波形的功率谐波测量,3,功率测量的基本,功率计的测量原理,4,基本： 电压有效值、电流有效值、功率测量（有效功率、皮相功率、无效功率）、功率因素、相位差、效率 电压以及电流的频率（交流的情况） 累积电流量（Ah）、累积功率量（Wh）测量（WT3000的话、VAh，varh也可实现） 谐波（电压有效值、电流有效值、功率基本波形成分、各次数成分、综合谐波失真率等）应用： 电压、电流波形显示 发动机评价（扭矩、旋转速度、发动机功率、发动机效率等）,功率计的测量项目,注意 谐波测量和一
2、般测量（非谐波测量的测量）的测量原理不同。稍后在谐波的介绍之前,都是针对于一般测量的说明,5,电压输入波形,电流输入波形,瞬间功率波形,通过LPF实现平均化,平均化方式,有效功率,u(t),i(t),u(t)i(t),功率测量原理,6,电压输入波形,电流输入波形,瞬间功率波形,在1个周期或数周期间平均化,有效功率,u(t),i(t),u(t)i(t),需要正确验出周期, 但是原理上有1个周期的话,就能运算出有效功率,故可实现高速化,平均化方式,功率测量原理,7,交流信号的实效值、平均值,有效值与直流相比 拥有相同能源的值RMS Root Mean Square,平均值整流后平均的值MEAN（R
3、ectified Mean）,正弦波的情况,8,电压输入波形,u(t),|u(t)|,u(t)2,交流电压、电流的测量原理,平方根,系数,9,为了模拟运算 、显示输入信号,进行变换,模拟功率计,模拟运算式功率计（25332533E）内部构成,模拟电路多、容易受到时间变化及元件不一的影响。 因为线路LPF的方式（平均化方式） 低通滤波器的时间常数的错误会引起电压,电流间应答的错误 应答时间慢。,10,数字功率计,数字式功率计内部构成,输入信号变换成之后、用运算并显示,模拟电路少、容易广带宽化、高精度化。,特长,通过数字化,可实现平均化处理的多样化将平均化方式的LPF时间常数进行数字过滤化后最优化
4、可对应平均化方式的区间平均 电压-电流-功率间的相互关系得到维持。,通过对数字数据进行运算处理简单实现高功能化,photo coupler 绝缘,11,YOKOGAWA的功率计,自1980年后半期起到1990年前半期,1996,Digital Power Meter 2533,Digital Power Meter 2531 WT2000,Digital Power Meter WT110/130/1000,1996,2001,2005,Precision Power Analyzer WT3000,Digital Power Meter WT1600,模拟方式,数字方式平均化方式2 (ASS
5、P),数字方式 平均化方式 (EAMP),新数字方式 ASSP + EAMP,WT210/230,2002,1993,12,电压电流的测量,交流的电压电流测量的方式,电压、电流可更改测量模式。 有效功率测量与测量模式的设定无关。,13,有效功率以外的测量项目,无效功率 Q (Var) = UIsin Reactive power 皮相功率 S (VA) = UI Apparent power 功率因数 (PF) = cos Power Factor 相位 = cos-1（） Phase Angle,皮相功率S(VA),无效功率Q(Var),有效功率 P(W),S(VA),P(W),Q(Var)
6、的关系,S(VA)2 = P(W)2 + Q(Var)2,自电压、电流、有效功率测量值运算得出。 电压电流模式的设定Q、S、不同。,其他的功率测量项目,电压、电流、有效功率自瞬间数据开始运算,14,交流型号的实效、平均值,正弦波的情况,交流信号的振幅系数,測定器的振幅系数,Q）用振幅系数3的测量仪器测量振幅系数的波形？A)只要扩大范围就可以。 例）100Vrms 振幅5 的波形 500Vpk振幅3 100V范围 到300Vpk振幅3 300V范围 到900Vpk,15,功率测量的基本,失真波形的功率,16,失真 谐波,1,10,20,30,40,次数,谐波分析 结果,基本波形,次谐波,周期性的
7、 失真波形,次谐波,与失真波形的周期相同的正弦波,失真波形的整数倍的频率的正弦波,周期性的失真波形是产生于合成复数的正弦波的波形,谐波的 大小,周期性的失真波形可用基本波形的整数倍的频率合成来表示,17,失真波形的有效值,失真波形的实效值是各频率成分的实效值的2平方根求得的。,“重叠的原理如果成立的话、 针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。,失真波形的实效值,18,失真波形的误差主因,方形波,（）,誤差,測定高調波次数上限, ,第次,第次,第次,第次,第次,第次,第次,三角波,誤差,測定高調波次数上限,第次,第次,第次,失真波形里连高频率成分也包含着,测量仪器的带
8、宽如果没有延伸到高频率就容易成为误差的原因。,理论上,三角波形的话,需要基本波形的5倍以上的带宽,方形波形的情况,需要200倍左右的带宽。 并且不仅仅是带宽、还必须要注意在高频率状态下的测量精度。,失真波形的测量带宽,19,失真波形的功率,失真波形的功率是由相同频率成分的电压电流以及功率的累积总和所得到。,“重叠的原理”如果成立的话、 针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。,失真波形的有效功率,20,失真波形的功率,电压波形,电流波形,频率成分,频率成分,功率 频率成分,P（）,U（）,因波形失真,功率减小。 （变成不是cos。） Total的功率称为综合功率以作区
9、别。,I（1）,I（）,I（）,I（7）,I（9）,对于失真波形的无效功率没有正确的定义,21,功率测量的基本,谐波测量,22,FFT 谐波的测量,波形（时间领域）通过FFT运算切换成频率、测量各频率成分。,失真波形,FFT计算,3,5,7,基本波形 ,谐波 3f,谐波 5f,谐波 7f,WT的话，将电压电流的各频率成分用实效值来表示,23,Fourier变换,Fourier级数所有的周期函数可用三角函数的和来记述。 Fourier积分将周期扩张到无限大，尽可能利用于所有的函数。 Fourier变换 对波形的时间函数进行Fourier积分的话，频率函数X(f)被导出,只采集信号频率之方法,电压
10、实效值,有效功率,无效功率,相位,Fourier变换,电流实效值,与一般测量的测量方法不同。,24,衰减器,放大器,A-D 转换器,内存,显示 线路,时间轴,CPU,clock,条件 采样时钟 f（Hz） FFT点数 N,采样时钟 100kHz FFT点数 1000最大分析频率 50kHz 频率分辨率 100Hz,Fourier变换 实现案例 FFT,最大分析频率 f/2 (Hz) 频率分辨率 f/N (Hz),25,FFT运算和谐波测量,窗口配合输入信号的周期，一旦决定采样速度 就可正确测量输入周期的整数倍谐波。例：基本波形50Hz的情况 采样频率 基本波形频率90045000Hz FFT数
11、据数：9000点 分析窗幅10,1,2,16,9000 点,900 点,3.75Hz,60Hz,180Hz,FFT运算结果,120Hz,26,谐波测量,通过Fourier变换输入电压、电流波形可直接算出特定频率成分的电压、电流、有效功率、无效功率。,电压 电流 有效功率 无效功率 皮相功率 功率因素,皮相功率S(VA),无效功率Q(Var),有效功率 P(W),每个频率成分都构成U,I,P,Q,S的关系,k次FFT結果 電圧実数部,k次FFT結果 電圧虚数部,k次FFT結果 電流実数部,k次FFT結果 電流虚数部,k次,27,YOKOGAWA的功率计,50/60Hz,10kHz,100kHz,
12、1MHz,1kHz,0.1,1.0,测量宽带,功率基本精度 %,QA/评价测试 市场,R&D 市場,保养维修 市场 面向现场（野外/Line）,WT3000 精度：0.06% 宽带：DC, 0.1Hz1MHz,WT2000 精度：0.08% 宽度：DC, 2Hz300kHz,PZ4000 精度：0.125% 带宽：DC2MHz,WT210/WT230 精度：0.2% 带宽：DC, 0.5Hz100kHz,面向试验台（测试/开发）市场,WT1600 精度：0.15% 带宽：DC, 0.5Hz1MHz,CW140/CW240（M&C产品),28,正弦波的情况,ADC,电压输入,ADC输入的最大峰值
13、 输入的实效值,振幅系数 =,交流信号的振幅系数,真的输入,原因 外来噪音 测量仪器内部线路噪音,ADC的采集 WT1600/WT3000 約200kSps PZ4000 最大5MSps（根据设定）,未能正确获得峰值的主因,未能正确获得峰值的主因,噪音重叠,依存于测量仪器及测量范围,采集速度越快越能正确获得。 若是迂回波形、长时间测量的话,在平均化效果上即使采集速度很慢却能捕捉峰值。,29,ADC,电压输入,ADC输入的最大峰值 输入的实效值,振幅系数 =,在10Vrms的10kHz的正弦波上重叠1Vrms的100kHz的正弦波（噪音）的情况下ADC输入的最大峰值 10Vrms10kHz的正弦波的峰值 14.142Vpk1Vrms100kHz的正弦波的峰值 1.414Vpk统合的峰值 15.556Vpk输入的实效值10Vrms和1Vrms的实效值 10.05Vrms,真的振幅系数 1.4142 实际测量的振幅系数 1.5478,原理上噪音重叠的情况 分子方的影响大,30,电压波形,电流波形,频率成分,频率成分,功率 频率成分,P（）,U（）,I（1）,I（）,I（）,I（7）,I（9）,失真波形在通常模式下的功率测量结果,谐波在测量模式下的功率测量结果,功率测量原理上的问题,
