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[導(dǎo)讀]功率分析儀推出已有多年,且在各種應(yīng)用中廣泛使用,通常情況下,很多的設(shè)置和參數(shù)選擇會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果 產(chǎn)生重大影響,或者說,有些傳統(tǒng)的功能,我們沒有完全理解清楚,本文檔簡(jiǎn)要解釋 TeledyneLecroy 電 機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀 (MDA) 的設(shè)置,以獲得同橫河功率分析儀一致的測(cè)試結(jié)果,并解釋在有些場(chǎng)景下測(cè)試結(jié)果 不同的原因。

功率分析儀推出已有多年,且在各種應(yīng)用中廣泛使用,通常情況下,很多的設(shè)置和參數(shù)選擇會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果 產(chǎn)生重大影響,或者說,有些傳統(tǒng)的功能,我們沒有完全理解清楚,本文檔簡(jiǎn)要解釋 TeledyneLecroy 電 機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀 (MDA) 的設(shè)置,以獲得同橫河功率分析儀一致的測(cè)試結(jié)果,并解釋在有些場(chǎng)景下測(cè)試結(jié)果 不同的原因。

測(cè)試周期(“同步 ”)計(jì)算

首先,對(duì)于正確的功率分析,必須確定所有功率計(jì)算發(fā)生的周期, TeledyneLecroy MDA 和橫河功率分析 儀都是使用 "同步"信號(hào)來確定測(cè)量周期,在這兩種設(shè)備中,同步信號(hào)都可以使用低通濾波器處理,以降低 錯(cuò)誤周期出現(xiàn)的幾率,參照以下圖片︰


對(duì)于近似正弦(如低失真)信號(hào),這兩種儀器使用相同的低通濾波器截止設(shè)置都能找到同樣的測(cè)量周期, 然而 TeledyneLecroy MDA 能提供更廣泛的選擇, TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀還能夠調(diào)整磁滯(區(qū)間),允許自定義控制軟件忽略干擾測(cè)量周期計(jì)算 的非單調(diào)性,這些在 MDA 軟件說明書中有詳細(xì)的說明,這種控制對(duì)有較高失真的信號(hào)(例如無刷直流六 步換向信號(hào))或者由于高壓力和失效事件產(chǎn)生的高畸變信號(hào)非常有用。

請(qǐng)注意 TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀還允許顯示濾波后的同步信號(hào),并與測(cè)量周期疊加,使同步信號(hào) 設(shè)置更容易被理解,請(qǐng)參見下圖(同步信號(hào)的疊加顯示在底部)。


最后, TeledyneLecroy 電機(jī)驅(qū)動(dòng)分析儀將同步濾波器和磁滯設(shè)置作為數(shù)據(jù)采集后的軟件處理過程,然而 大多數(shù)功率分析儀是在數(shù)據(jù)采集過程中對(duì)波形應(yīng)用同步濾波器和磁滯設(shè)置,因此, TeledyneLecroy MDA 可以在采集波形后再對(duì)設(shè)置進(jìn)行更改,而這些在功率分析儀中通常是無法做到的,結(jié)合同步周期疊加,則 可以使用 MDA 的采集后處理來調(diào)節(jié)濾波器和磁滯設(shè)置以獲取最佳結(jié)果,無需放棄所獲得的數(shù)據(jù)并重新進(jìn) 行采集。

視在功率公式

在橫河的功率分析儀中,用戶可以通過在設(shè)置菜單中選擇下面的任意公式測(cè)量視在功率 (S):


TeledyneLecroy 只提供 \(Vrms*Irms\) 視在功率的計(jì)算能力,如果需要對(duì)比橫河功率分析儀的功率值和 TeledyneLecroy MDA 的結(jié)果,須將功率分析儀上的視在功率計(jì)算方法設(shè)置為\(Vrms*Irms\)。

三相(總)功率計(jì)算

TeledyneLecroy 采用一種方法用于功率值的計(jì)算,而橫河提供三種不同的方法,并且返回不同的結(jié)果, 下面是 TeledyneLecroy 和橫河在單個(gè)功率周期計(jì)算功率的方法摘要---完整的公式化描述請(qǐng)參見各自的指 導(dǎo)手冊(cè)。需注意的是 , 下表假定橫河功率分析儀采用 \(Vrms*Irms\) 公式計(jì)算視在功率。


對(duì)于完美的正弦(零失真)波形,是可以測(cè)量電壓和電流的正弦波之間的相角 φ 的。然而,當(dāng)波形有畸 變時(shí)(例如 PWM 驅(qū)動(dòng)器輸出波形),是無法測(cè)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(duì)于畸變波形的無功功率(和功率因數(shù)以及相角)產(chǎn)生準(zhǔn)確結(jié)果的唯一方法(對(duì)于 正弦波形兩者也能產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果) 。 橫河功率分析儀在有諧波測(cè)量模式選項(xiàng)的型號(hào)上提供類型 3 方法,此選項(xiàng)似乎是使用 PLL 源從一個(gè) PWM 信號(hào)定義基波信號(hào),然后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(shè)置值 = “基波”或者 “基波 + N”(見下 文)的結(jié)果類似,前提是橫河功率分析儀的硬件鎖相環(huán)能夠適應(yīng)采集窗口內(nèi)測(cè)量信號(hào)周期的任何變化。


橫河的功率分析儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量任何狀況下的有功功率,如果僅僅對(duì)有功功率計(jì)算感興趣,所有方法都是 合適的,但是為了準(zhǔn)確計(jì)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(gè)方 法被提供)。 每一相功率計(jì)算 橫河的設(shè)備使用了和計(jì)算三相總體功率相同的公式計(jì)算每一相功率,但是一次只計(jì)算一相。 當(dāng)使用三相四線(三電壓三電流)連接方式測(cè)量 Line-Neutral 或者 Line-Reference 電壓時(shí),橫河視在功 率 =\(Vrms*Irms\)的類型 2 測(cè)量方法和 TeledyneLecroy MDA 通常是一致的。 然而,如果采用 Line-Line 電壓測(cè)試方法,橫河功率分析儀測(cè)量出來的每相功率將會(huì)是不平衡的和錯(cuò)誤 的,盡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(jì)法設(shè)置定義,這對(duì)從三電壓和三電流轉(zhuǎn)換 為兩電壓和兩電流的測(cè)量是有好處的,功率分析儀無需重新連線。當(dāng)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(guān)聯(lián)。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(jì)法計(jì)算三相整體功率,但是 同時(shí)保持每相中正確的矢量關(guān)系,以此得到正確的每相功率, TeledyneLecroy 簡(jiǎn)單的反轉(zhuǎn)一路電壓波形 計(jì)算三相總體功率

3. 橫河設(shè)定的電壓關(guān)系對(duì)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(shù)都是沒有影 響的,這是由于他們連線設(shè)置中電壓和電流的矢量關(guān)系對(duì)于用來計(jì)算總體功率的兩瓦特計(jì)算法是正確 的 。

4. 這兩種設(shè)備都可以支持 Line-Line 到 Line-Neutral 的轉(zhuǎn)換(橫河稱之為 delta-star 轉(zhuǎn)換,這是一個(gè)需要額 外購買的選項(xiàng)), TeledyneLecroy 的 MDA 在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)計(jì)算出每相的 P, S, Q, λ 和 φ,橫河的功率分析儀 僅能計(jì)算出 P。


橫河連線設(shè)置的實(shí)際影響是電壓電流對(duì)都有不同的相位關(guān)系(這將導(dǎo)致錯(cuò)誤的每相功率計(jì)算),如下實(shí)際 三相采集所示


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



靜態(tài) VS.動(dòng)態(tài)

橫河功率分析儀計(jì)算小段采集時(shí)間(幾個(gè)周期)的平均值,存在一個(gè)提高平均值刷新率的選項(xiàng),但是它還 是計(jì)算所定義的時(shí)間段或者多個(gè)周期的平均值,同步信號(hào)是通過 FPGA 上的 PLL 電路決定的,依賴于 PLL 環(huán)路帶寬,它對(duì)寬幅變化的速度的鎖定能力有限,通常,對(duì)于具有緩慢變化測(cè)量同步周期的穩(wěn)態(tài)信 號(hào),這是沒有實(shí)際限制的,所以,橫河的功率分析儀非常適合測(cè)試穩(wěn)態(tài)下的平均功率(恒定負(fù)載、扭矩、 速度等)。

TeledyneLecroy 的 MDA 可以采集一小段數(shù)據(jù)計(jì)算平均功率,顯示在一個(gè)表格中,如前所述,同步周期是 用軟件算法確定的,同時(shí),由于沒有功率分析儀的限制,它也可以在動(dòng)態(tài)條件下進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。 如果負(fù)載是動(dòng)態(tài)的,功率分析儀很可能不能提供有意義的結(jié)果,首先,確定在簡(jiǎn)單、靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)負(fù)載條件 下的關(guān)系,然后嘗試動(dòng)態(tài)下的關(guān)系,如果在動(dòng)態(tài)條件下,結(jié)果沒有相關(guān)性,這可能是由于功率分析儀無法 準(zhǔn)確地確定或者驗(yàn)證同步信號(hào),而這些對(duì) TeledyneLecroy MDA 是沒有限制的。

總結(jié)

我們很容易將橫河功率分析儀和 TeledyneLecroy MDA 放在一起對(duì)比,TeledyneLecroy 提供了更多的直 觀反饋,特別是在準(zhǔn)確確定測(cè)量同步信號(hào)上,這對(duì)準(zhǔn)確測(cè)量功率至關(guān)重要,在某些狀況下,橫河的功率分 析儀不同的設(shè)置或者連線方式導(dǎo)致不同的結(jié)果,一旦工程師理解其中的本質(zhì),就會(huì)更容易理解這些結(jié)果出 現(xiàn)的原因。

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