功率分析儀

來源：愛儀器儀表網發(fā)布時間：15-06-15 10:54 作者：ai1718 瀏覽次數：1098 分類：技術文章

什么是功率分析儀？

提到功率分析儀，很多人都會覺得這是一個的分析儀器，與自己生活毫無相關。其實不然，功率分析儀不僅能夠幫助工程師研發(fā)電力產品，也能為我們日常生活提供許多的幫助。功率分析儀中的功率指的是“電功率”（通過擴展也可以測量機械功率），“電功率”是反應用電設備耗電能力大小的指標，因此功率分析儀可以簡單的理解為檢測用電設備耗電能力大小的分析儀器。

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功率分析儀應用行業(yè)

根據功率分析儀的作用，我們可以知道功率分析儀所應用的場合，那*是只要與電力相關的場合*可能用到功率分析儀，如發(fā)電端（太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電），電力配送（逆變器、變壓器），用電端（家電、電機），移動用電（電動車、蓄電池）等，下圖反映了功率分析儀的應用場合。

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功率分析儀與電表的區(qū)別

我們家里的電表也是反應用電多少的儀器，既然功率分析儀是分析設備用電能力的儀器，那功率分析儀與電表有什么異同呢？

功率分析儀與電表相同的地方*是，兩者采集的基本電信號是一樣的，電信號包括電壓信號和電流信號。

功率分析儀與電表不同的地方是，電表只單純的計量用電多少，而功率分析儀采集電壓、電流后還需要對其做復雜的數據分析、處理、運算，顯示出數據、波形、諧波、矢量圖、頻譜分布圖、趨勢圖等內容，為研發(fā)人員設計研發(fā)電器產品提供可靠的理論依據。研發(fā)人員只有對電器的用電特性做出準確合理的判斷后才能設計出更多更好的電器設備，提高我們的生活品質。

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功率分析儀與電能質量分析儀的區(qū)別

電能質量分析儀是一種對電網中電能質量問題進行記錄分析的測量工具，它可以捕捉故障現場的諧波、電壓波動、閃變、功率和三相不平衡等常見的電能質量問題，為智能電網、新能源、電氣化鐵路和大型工業(yè)用戶提供電能質量方面的性能評估和治理決策。電能質量分析儀可分為便攜式系列和在線式系列。

電能質量分析儀采集的基本信號與功率分析儀一樣都是電壓、電流。那么兩者究竟有何區(qū)分呢？

電能質量分析儀主要應用在電網電力及用電場合，用于評估電能質量好壞，測試對象為工頻電，因為工頻電的頻率一般為50Hz，所以電能質量分析儀的帶寬比較固定，為工頻頻率附近。如FLUKE電能質量分析儀F435-2的測試頻率為50-60Hz，帶寬大于10kHz。電能質量分析儀采樣率一般為每周波512點，F435-2采樣率可達每周波5000點。下圖為電能質量分析儀測試的典型波形。

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功率分析儀不僅要求能應用于電網電力，而且要求能測試變頻器、電機等非工頻場合，因此功率分析儀的帶寬一般為寬頻輸入且采樣率更高。HIOKI高精度功率分析儀3390的帶寬為DC/0.5Hz~150kHz，采樣率為500kS/s，可以滿足各類應用場合的需要。下圖為功率分析測量變頻器輸出波形圖。

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知道了兩者的原理，我們再來說說兩者的功能。電能質量分析儀主要針對工頻電，進行電力故障診斷分析、供電質量評估管理、供電設備運行狀態(tài)監(jiān)測，對電能質量情況進行監(jiān)視、異常捕獲、數據記錄，并且符合國際及*相關等級標準。

功率分析儀帶寬廣，所以應用場合更多，甚至可以說包含了電能質量分析儀的各項功能。這些功能不僅可以做工頻范圍的電能測試，還可以做非工頻范圍的變頻測試，豐富了研發(fā)生產的測試手段。

功率分析儀與示波器的區(qū)別

相信只要是從事電類相關行業(yè)的人，大部分都接觸過示波器。想當初在大學期間做電子競賽，經常拿示波器觀看板子的信號，將示波器的探頭接到被測點，按一下AUTO按鈕，屏幕中間*出現了被測信號的波形，使用非常方便。那么示波器為什么能抓到波形？如何抓到波形？我們看到的是不是實際波形呢？

示波器*常被提及的參數*是帶寬和采樣率，帶寬表示示波器能測試信號的*大頻率，采樣率表示示波器采集信號的*大速度，如MDO3014示波器帶寬為100MHz，采樣率為2.5GS/s。由此可見示波器的采樣速度非?？欤@*必然導致示波器需要處理的數據量非常大，甚至超過示波器的運算能力，那么在這種情況下，數據如何處理呢？那*是幾乎所有的數字示波器都存在死區(qū)時間，如下圖所示。

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簡單的說，*是示波器并不是每時每刻都在采集數據，而是采集一段時間數據，計算一段時間，計算時前端ADC并不采集數據或者說采集的數據是無效數據，市面上大多數示波器的死區(qū)時間高達90%以上。由此可知示波器上看到的波形其實是真實波形的一小部分，而非全部波形。

通過之前的介紹，我們知道功率分析儀是分析電能量轉換設備性能的重要工具，在實際應用中，必須要求功率分析儀工作無死區(qū)時間，否則*不能真實反映電能量轉換設備的性能。功率分析儀前端ADC往往是16bit（大部分示波器ADC為8bit），功率分析儀的數據長度比示波器長，因此相對示波器而言，功率分析儀的帶寬和采樣率會低很多。

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既然功率分析儀帶寬不高，那么在實際測試中會不會影響測試結果呢？當然不會，因為功率分析儀測試的對象是電能量轉換設備，常見的如變壓器、逆變器、變頻器、適配器、家用電器等等。我們可以發(fā)現這些設備的特點*是電壓、電流頻率不會很高，頻率較高的如變頻器等，基頻也*在幾十KHz，功率分析儀的帶寬足夠測試該信號。如此一來既能滿足功率分析儀測試無死區(qū)的要求，又能滿足被測信號的帶寬要求。

下圖為示波器測試信號的周期與功率分析儀測試信號的周期對比情況，示波器往往測試周期更短頻率更高的信號，示波器是見微知著，功率分析儀測試的是周期較長頻率較低的信號，功率分析儀無所遺漏！

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功率分析儀與萬用表的區(qū)別

電子工程師必定都用過萬用表，但所有電子工程師都敢說了解萬用表的工作原理和測試對象的嗎？我想不一定。萬用表顧名思義*是功能用處極多，測試對象極廣的一款電子測量儀器。

如泰克的DMM4050六位半數字萬用表，其可測試內容包括：電壓、電流、電阻、頻率、周期、導通、二極管測試、電容、溫度等，并提供豐富的硬件接口，方便客戶二次開發(fā)。

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通過之前的介紹，我們可以知道功率分析儀測試的原始信號*是交/直流電壓、電流，而萬用表也可以測試，也有人用萬用表測試電壓、電流來計算設備的功率。那么萬用表是否能測試的準確呢？

示波器的采樣率很高導致測試有死區(qū)，電能質量分析儀的測試帶寬有限，所以無法測試高頻。那么萬用表呢？如DMM4050六位半數字萬用表，其采樣率為5kHz，測試帶寬*大為10kHz，由此可見萬用表的采樣率并不高，且?guī)捯膊桓?。而功率分析儀的采樣率和帶寬則高出很多。

除了帶寬和采樣率不同以外，萬用表和功率分析儀的計算方法也不一樣。

萬用表測試交流信號得到的是真有效值（rms），且無法改變測試模式。而真有效值的特點*是只有當被測試的信號為標準正弦波時，其測試結果才*準確，如果測試對象不是正弦波，那么測試結果*會與實際值有偏差，甚至相差很大。萬用表測試直流信號時，采樣率會很慢，如果直流信號很穩(wěn)定，那么萬用表測試的值會非常準確，但是如果直流信號不穩(wěn)定或帶有紋波，那么萬用表測試的結果也會偏差很大。

功率分析儀則不同，它的信號模式有有效值、平均值、峰值、基頻測量值等，可以完全適應現實中的各種形式的信號類型，并進行準確測試。

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功率分析儀和萬用表還有一個*大的區(qū)別*是，萬用表只能單獨測試電壓或電流，如果要計算功率，那么*必須先測電壓或電流，然后再測電流或電壓，*后通過電壓電流來計算功率，如此一來電壓、電流根本不是同時測得的，計算的功率也不具有很大的參考價值。

而功率分析儀*能同時測試電壓、電流，3390分析儀的同步時鐘為50ms或100ms，測得的功率才是實時功率。

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功率分析儀基本原理

功率分析儀3390是一臺多通道的高精度功率測量儀器，可以*測量多相高電壓和大電流信號，計算有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數、相位、能量等參數，并集成有諧波分析儀功能。

功率分析儀3390可以具有1~4個輸入單元，每個輸入單元包括一路電壓和一路電流信號通道，每個信號通道均有自己獨立的ADC。

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諧波分析

幾乎所有的功率分析儀都有諧波測量功能，有的支持40次，有的支持100次，有的支持128次。

說到諧波，我們首先關注的參數*是THD(總諧波畸變率)，總諧波畸變率*是各次諧波的均方根值除以基波值（有時候是除以總波值叫THF），其值以百分比方式顯示。

公式中除數基波值是基本不變的，但是被除數各次諧波的均方根值，則隨著諧波次數的增多而增大。也*是說，用于計算THD的諧波次數越大，THD值*越大。而諧波次數越多測試出來的THD值離真實值*越接近。

THD*是告訴你，被測信號里面含有多少諧波成分，是否足夠“純凈”。我們的常識里面諧波*是危害很大的，幾乎沒有好處（諧波當然也可以廢物利用，比如供電線融冰），THD的真實值可以*準確的告訴我們，被測信號的“純度”，*像飲用水里面各種成分的含量一樣，諧波*像水里面的漂白粉、重金屬、有機物成分等，我們當然希望了解我們的飲用水里面所有各種成分的含量。

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