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用模块高速数据采集卡进行功率测量

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-02-23 11:35:00


 介绍

在评估设备或者电路性能时通常需要做线路功率测量。模块高速数据采集卡能够做这些功率测量。高速数据采集卡是电压响应的测量设备。它们也可以用合适的电流探针或者电流分流术测量电流。采集电流和电压后,接下来就可基于采集到的电流电压波形乘积来测量功率。功率是在一个电路中能量转换的速率,它通过一些属性例如实际,视在,无功和瞬时功率来描述。这个应用笔记将列举如何在交流电路和设备中使用北京坤驰科技有限公司的模块高速数据采集卡做一些基本的功率测量实例。
 
基本功率测量
 

瞬时功率是通过计算外加电压和电流的乘积而得。实际功率(P)是瞬时功率的平均值或者有效值,测量单位是瓦特。电路包括电抗元件(电感器或者电容器)能够储存能量并且逆转功率流向因而功率能从负载流回电源。这是无功功率(R),测量单位是无功伏安或者VAR。实际和无功功率的矢量和叫做总和或者视在功率,如图1所示。

 

功率测量

 
视在功率(S)能够通过计算有效的或者均方根电压,和有效或者均方根电流的乘积得到。视在功率的单位是伏安(VA)。实际和视在功率向量上的夹角代表了电流和电压波形之间的相位差。这个角度的cos值,也就是实际功率和视在功率的比值叫做功率因数(pf)。

功率公式

 
如果设备是纯阻抗的,那么电流和电压是同相的,视在和实际功率是相等的,而且功率因数等于一。这是由于电抗分量增加时,功率因数会增加。
 
测量线电压
 
电压测量需要用到探针。传统的示波器,高阻抗探针能够用于高速数据采集卡。能够测量垂直电压数值的能力对于探针来说非常有用。由于大多数功率测量需要线路(电源)电压测量,因此好能够差分地做这些测量来避免和单端探头有关系的接地问题。高速数据采集卡应该能够接受两个探针输入并且计算其差值。另一种选择是,热线和中线上的电压能够分开得到,并且能够通过波形计算相减。如果一个差分探针是有效的也可以使用。
 
测量线电流
 
做线电流测量方便的方法就是使用一个合适的电流探针。要确保你使用的任何电流探针都能够和测量设备分开独立进行控制。电流探针的输出能够用于高速数据采集卡的一个通道,并且具有合适的缩放比例能够在探针上以电流为单位显示信号。
 
高速数据采集卡选项
 
大多数线路频率测量是由基本的从50-400HZ频率组成,因而一个高速数据采集卡的带宽要求并不是很高。如果有兴趣做传导发射测量,那么容纳达到功率基波的第40个谐波而没有明显失真的能力是非常有用的。这个对带宽的要求将在20KHZ或者更高。
 
高速数据采集卡应该有足够充分的振幅分辨率来补偿电源线的高阶谐波,12到16bit能够满足。
 

通道数量取决于要做单端还是差分测量。差分测量进行每一次测量会结合两个通道。对于一个单相,线路测量,四个通道能够产生出两个差分通道。对于每种相位做三个相位测量则需要6个或者更多的通道。假设三个差分电压通道和一个单端电流通道,那么则需要9个通道。由于大多数高速数据采集卡提供1到16中的二进制级数(1/2/4/8/16)个通道,你可以选择接下来更高一级数量的通道来完成测量工作。

 

测量数据

 
采样率,像带宽应该比要求的带宽四五倍更高一点。
表1提供了一些可供选择spectrum高速数据采集卡和高速数据采集卡网络管理器模型的引导。
 
单相功率测量案例
 
接下来的例子通过一个小的线路的功率散热风扇来测量功率。测量是使用一个高速数据采集卡网络管理器模型DN2.496.04来测量的,其包含4个通道,16bit,60MS/s采样率,和一个30MHZ的带宽。我们用一个美国泰克模型P6042电流探针和一组无源示波器探针来测量电流和电压波形。测量的是线电流和线电压。线电压是差分测量的,因而输电线的热线和中线导线都不是接地的。
表2 显示了通过Spectrum的Sbench6 软件测量的结果,这个软件主要用来控制和处理采集到的数据。
 
输入电压是通过测量连接到CH2和CH3两个通道的两个无源探针的差分值得到的。这些通道结合起来在通道CH2中显示出来,如图2上方中间格子中所示。这个数据也可以通过电流探针的密度来测量,所以其垂直单位是安培(A)。电流和电压的峰峰值和有效(rms)值都在表左侧的信息窗里显示。
 
电流电压的峰值和有效值


瞬时功率可以通过使用
Sbench6的模拟计算电流和电压波形的乘积计算得到。功率显示在左侧的网格里。功率的峰峰值和平均值也在左侧信息窗口里列举出来了。瞬时功率的平均值代表实际功率,记录值为6.6瓦特。

 
视在功率是通过计算线路电流和电压的有效值的乘积计算而得到。基于测量到的值(121.5V和63.2mA),其视在功率为7.68VA。
 
这使得我们计算功率因数的值为0.86。在右侧两个窗格里观察电流和电压波形水平方向扩展的情况,我们可以看到电压波形(右上)引导电流波形表明了一种感应性的特点。正斜率过零处光标记录值表明了其电压波形值比电流波形值提前1.44ms。这代表相位上超前了31度。这也可以通过计算cos-1(pf)或者30.68度得到。这种基于功率因数的计算会更准确一些,因为这不受光标放置位置的不确定性的影响。
 
 
线路谐波

已经采集到的电流和电压波形我们可以扩展其研究分析到频域范围,通过图3显示线电流(下方左侧)和线电压波形(上方左侧)的平均频谱。

 

电路谐波值

 

这个线电压频谱有更多,更高阶的谐波。奇数谐波是突出的。电流频谱有一个整体较低的谐波含量,但是它主要的也是奇数谐波。
 
三相功率

三相电功率是一种多相AC配电系统,包含电力功率的产生,传输和分配。它被用来给大的发动机和其他重电力负载供电。一个三相系统通常比一个单相或者双相系统在类似的电压水平上更经济,因为它用更少的导电材料来传输电力。一个单相AC电源需要两个导体,一个三相电源能够仅仅只多一个导体就传输三倍的功率。这意味着可以只增加50%的传输费用而增加200%的传输功率。

三相功率

 
三相连接术语
 
三相连接,例如三相发动机如图4所示,是按WYE(上图)或者DELTA(下图)配置连接的。
 
在WYE连接中电压Van, Vbn 和Vcn 叫做相电压。电压标记了Vab, Vbc和Vac是线电压。电流Ia, Ib, 和Ic是相电流。在负载上耗散的总功率是在WYE连接里单相电流电压乘积的总和。注意黑体部分表明是矢量操作:

Pt = Ia*Van + I b* Vbn + I c*Vcn 

通常,功率是通过线电压而不是相电压计算的。 

图5显示了相电压,相电流,线电压的矢量图。电压的计算是矢量计算的。


相电压、相电流、线电压的矢量图

 

在一个平衡系统中线电压的大小等于 倍的相电压。注意到相电压在线电压前面30度。这是一个向量减法的结果,用来通过相电压计算线电压。 

高电压差分探针是用来测量线电压和相电压的,他们对于原信号有一个100:1的衰减。高速数据采集卡产生的相电压输入的结果是1.69Vpk(3.38Vpk-pk)。这些电压需要按比例乘以100倍,因为使用了÷100的探针。这个产生的结果就是相电压为169Vpk(338Vpk-pk)。这是120Vrms。这个线电压是 倍的相电压,或者208Vrms。这是在美国常见的三相电压。

 
我们可以通过在高速数据采集卡上采集相电压然后计算线电压,来验证上述结果。如图6所示:
 
三相电压
 

通道Va,Vb,和Vc是通过相电压测量的。Vab,Vbc,和Vca是计算的线电压。相电压和相临线电压之间的相位差是30度,通过在左侧的窗口中变焦跟踪的光标测量可确认。线电压,Vab在16.67ms的一个周期中滞后于相电压Va 1.38ms。相电压之间的相位差是120度。 

图5中显示当前的相量和相电压有一个普通的相位差Q这个角度Q代表无功分量,也许能够合并到发动机线圈中。我们的实验使用一个纯阻抗负载,导致Q等于零度。
 
三相功率测量

在图7中,我们显示了一个WYE连接的负载(我们能够同时获得相电压和线电压)的相电压(Va, Vb, Vc),相电流(Ia, Ib, Ic)和相功率损耗(Pa, Pb, 和Pc)。将相电压乘以相关的相电流,得到的结果就是每一种相位的瞬时相功率。瞬时功率的平均值就是实际功率分量。三相功率的总和就是负载的总实际功率。

 

三相功率测量 
 

这个测量是称为三瓦特(three-wattmeter)功率测量。为了让这个测量使用外部差分探针来测量电压,需要6个通道。如果使用单端探针,则通道数需要增加到9。在高速数据采集卡配置中通道数高可指定到16的弹性是这种测量的一个主要优势。

 
相电压如图7中上面一行所示。相电流在中间那一行显示。相功率在底下一行显示。三相功率总和的波形在左侧标签为“Total Power”的网格中显示。要注意总功率是相对恒定的。在左侧信息面板中的参数,可同时读出单相功率波形的平均值和总功率值。三相功率测量平均值的总和,与平均总功率是相等的。总功率测量的结果是850.9瓦特。
 
双瓦特法
 
另外一种技术是双瓦特测量法,这只需要测量两个线电压和两个相电流。其数学表达式:

PT(t) = Vac(t) ia(t) + Vbc(t) ib(t)

这能够推断出如下结果:
能够用如下的数学推导推断出:
 

PT = Va(t) ia(t) + Vb(t) ib(t) + Vc(t) ic(t)

 

但是,用基尔霍夫电流定律:ia + ib + ic = 0 +ic = - ia - ib


PT(t) = Va(t) ia(t) - Vc(t) ia(t) - Vc(t) ib(t)+ Vb(t) ib(t)


PT (t) = Vac(t) ia(t) + Vbc(t) ib(t)

 

这里Va - Vc º Vac Vb – Vc º V bc

 

这是一个应用双瓦特法的例子,用Spectrum高速数据采集卡的四个通道和两个差分电压,两个差分电流探针就可以完成。

差分电流

 
同样,在这个例子中,计算总功率是基于单相电压和单相电流的,这个方法需要两个线电压(Vac 和Vbc)和两个相电流(Ia 和 Ib)。线电压在上面那一行显示,相电流在中间行显示,单相功率波形在下面那一行显示。和上面一样,总功率在左侧的网格中显示标签为“Total Power”。每一种功率波形的平均值在左侧信息面板中显示。标称功率仍然是851瓦特。
 
结论:
 
AC功率测量的基本概念包含瞬时功率,实际功率,视在功率和无功功率。高速数据采集卡,包括合理数量的通道数,能够用于利用合适的电压和电流探针进行单相或者多相功率测量。高速数据采集卡的多功能性,易通信和信息传输快的特点使之成为AC功率测量完美的工具。Spectrum高速数据采集卡是小的,精简的,并且可实现多种不同的组成系数,因而可以被用于种类多样的测试装置。例如,北京坤驰科技有限公司的数字化NETBOX产品被设计于以太网的控制之下,使之能够远程操作,或者,实际上,只要是有局域网(LAN)的任何地方都可以。PXI卡可以应用在一系列模块化仪器中,作为测试系统中的一部分。然而PCI卡和PCIe卡能够直接安装在大多数现代计算机中,这使之成为非常强大的单机测试站。