高精度功率分析儀是如何煉成的？

一、功率分析儀定義

功率分析儀是一種多功能儀器，除了能夠?qū)﹄妷?、電流和功率進(jìn)行精確測(cè)量以外，還集成了波形顯示、諧波分析、閃變分析、積分等多種功能，如下圖所示。

圖1 功率分析儀的功能

功率分析儀的基本功能是一臺(tái)多通道的高精度功率測(cè)量儀器，可以精確測(cè)量多相高電壓和大電流，計(jì)算有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)、相位、能量累計(jì)等參數(shù)，通常用來測(cè)試變頻器、逆變器、電機(jī)和變壓器等功率轉(zhuǎn)換裝置的效率和功耗。下圖為功率分析儀在變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

圖2 變頻器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率分析檢測(cè)

隨著節(jié)能和新能源領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，功率分析儀被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電氣化高速鐵路、太陽能光伏逆變發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電機(jī)、變壓器、燃料電池、電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈、、開關(guān)電源供、不斷電系統(tǒng)(UPS)、電動(dòng)工具、信息及辦公設(shè)備(打印機(jī)、掃描儀)、家電等功率設(shè)備的開發(fā)和性能評(píng)估。也適用于對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析，提供電力運(yùn)行中的諧波分析及功率質(zhì)量分析。

二、功率分析儀的組成

圖3 功率分析儀的組成

如圖 3所示，由功率分析儀的功能確定，一方面功率分析儀需要完成對(duì)外部輸入信號(hào)的測(cè)量，包括被測(cè)裝置的電壓、電流信號(hào)，扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào);另一方面，對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到電壓、電流、功率、效率等參數(shù)，并能夠?qū)斎氲男盘?hào)進(jìn)行處理分析，例如進(jìn)行諧波分析、FFT分析、查看波形等，并可以與外部的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖4 功率分析儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由功率分析儀的功能需求可以確定，功率分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖 4所示，主要由采集板卡和主板組成，采集板卡實(shí)現(xiàn)單相輸入的采集，包括一個(gè)電壓通道和一個(gè)電流通道，主板主要實(shí)現(xiàn)顯示和通訊功能。

三、功率分析儀的實(shí)現(xiàn)

功率分析儀的核心功能是能夠準(zhǔn)確的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集，且各個(gè)通道間必須保證絕對(duì)的同步，因此功率分析儀的實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)是在于如何保證采集部分的同步性和采樣的高精度、穩(wěn)定性。

3.1低溫漂、低噪聲的高速數(shù)據(jù)采集

功率分析儀的目標(biāo)精度高達(dá)0.02%，高精度測(cè)量最難處理的兩個(gè)問題是溫漂和噪聲。整個(gè)模擬前端的框圖如圖5所示，其中每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲都會(huì)影響到最后的測(cè)量精度。

圖5 模擬前端框圖

如果要保證測(cè)量精度，這必須保證每個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲很低，或者能實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的補(bǔ)償處理。

對(duì)于溫漂問題，首先溫漂是必然存在的，所有的模擬器件都存在溫度系數(shù)，隨著溫漂變化其參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于我們無法保證儀器工作在恒溫環(huán)境，所有必須考慮處理溫漂問題。解決溫漂問題首先是元器件選型方面必須需要考慮選型一些溫漂小的器件，電路設(shè)計(jì)上考慮進(jìn)行溫漂補(bǔ)償，添加補(bǔ)償電路將溫漂降低，避免相關(guān)放大電路出現(xiàn)飽和問題，然后設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)電路，測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)各環(huán)節(jié)的溫漂，將偏置的溫漂影響降到最低，然后是元器件匹配和布局問題，處理增益補(bǔ)償電路，將增益誤差影響降到最低，同時(shí)將ADC的轉(zhuǎn)換參考電壓和模擬前端調(diào)理參考電壓使用同一組電壓，解決參考電壓溫漂產(chǎn)生的影響，另外采用16位分辨率的ADC進(jìn)行高速采集。

對(duì)于噪聲問題，要考慮電路內(nèi)部的噪聲和外部的噪聲，內(nèi)部噪聲的處理需要考慮原理設(shè)計(jì)方面的問題，外部噪聲問題需要考慮電路板布局和屏蔽問題。電路設(shè)計(jì)上面，需要考慮處理電阻熱噪聲、運(yùn)放噪聲問題，電路布局方面需要考慮將容易受到干擾的環(huán)節(jié)進(jìn)行特殊處理。然后設(shè)計(jì)合理的濾波器，將一些噪聲濾除。另外必須考慮屏蔽殼的設(shè)計(jì)，將外部的噪聲干擾降低。

3.2高精度同步采樣

功率分析儀和示波器、萬用表的最大區(qū)別就是能同時(shí)分析電壓和電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率信號(hào)的分析，如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的準(zhǔn)確分析，則必須準(zhǔn)確測(cè)量電壓和電流信號(hào)，并且需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流信號(hào)的采樣，電壓和電流信號(hào)經(jīng)過ADC數(shù)字化過程中每一個(gè)采樣點(diǎn)都必須發(fā)生在同一時(shí)刻，否則就無法實(shí)現(xiàn)同步測(cè)量。為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步測(cè)量，在功率分析儀內(nèi)部，采用了業(yè)界最高的同步時(shí)鐘，高穩(wěn)定性溫度補(bǔ)償?shù)?00MHz同步時(shí)鐘，避免溫度變化帶了的時(shí)鐘漂移所引入的誤差，嚴(yán)格保證ADC對(duì)各通道電壓和電流的同步測(cè)量，從而保證了功率測(cè)量的精度。

100MHz的同步時(shí)鐘引起的最大誤差為10ns，對(duì)于50Hz的工頻信號(hào)來說周期為20ms，所以10ns的時(shí)鐘誤差引起的相位測(cè)量誤差為

如果同步時(shí)鐘為10MHz則相位角誤差就會(huì)到0.0018°。

為了討論方便假設(shè)被測(cè)的電壓和電流都是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，那么功率運(yùn)算公式為

其中φ為不同步引起的相位角誤差，所以可以看到功率測(cè)量的精度會(huì)受到相位角的直接影響。[!--empirenews.page--]

當(dāng)電壓和電流的相位角較小時(shí)，即功率因數(shù)較大時(shí)，0.0.018°的相位誤差對(duì)測(cè)量精度影響很小，但是在極低功率因數(shù)情況下0.00018°的相位誤差帶來的功率誤差是就比較明顯，誤差對(duì)比如下表所示，如果同步時(shí)鐘頻率降低，則測(cè)量誤差就會(huì)成倍增大，這也是目前業(yè)界功率測(cè)量設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)在極低功率因數(shù)情況下精確測(cè)量的主要原因。

表1 100MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差

表2 10MHz同步時(shí)鐘引起的測(cè)量誤差

通過上表我們可以看到，使用的100MHz同步時(shí)鐘，有效保證了極低功率因數(shù)下的測(cè)量精度，功率因數(shù)低于0.01時(shí)依然可以保證優(yōu)于0.6%的功率測(cè)量精度。

3.3高共模抑制

功率分析儀需要與普通電力測(cè)量的儀器的最大區(qū)別是需要同時(shí)測(cè)量多路的電壓和電流信號(hào)，并且各測(cè)量通路之間必須進(jìn)行隔離浮地，隔離耐壓達(dá)到幾千伏以上。采集板卡的框圖如下圖，隔離耐壓達(dá)到5kV，由于采用了嚴(yán)格的隔離，所以可以很好的滿足各種接線應(yīng)用，保證接線和用戶的安全。

模擬前端浮地可以起到很好的隔離和安全效果，但是由于浮地的存在，導(dǎo)致模擬前端的屏蔽殼地和機(jī)殼大地之間存在共模電壓Vc如下圖所示。被測(cè)電壓Vd，屏蔽殼和模擬前端地連接在一起，由于被測(cè)信號(hào)Vd是浮地，所以Vd和大地之間存在Vc這個(gè)共模電壓，由于模擬前端浮地，所以共模電壓Vc加在屏蔽殼和機(jī)殼之間的這個(gè)雜散電容Cs上，因此該Cs的值直接影響到共模電流Ic的大小，Ic流經(jīng)被測(cè)信號(hào)的負(fù)端，該共模電流加在負(fù)端的輸入阻抗上就將共模電流轉(zhuǎn)換成差模電流，從而導(dǎo)致對(duì)被測(cè)信號(hào)的干擾，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，所以實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量降低共模電壓Vc的值，儀器設(shè)計(jì)上要盡量降低Cs這個(gè)雜散電容的值。

功率分析儀的雜散電容Cs小于60pF，所以對(duì)50Hz信號(hào)的共模阻抗為53MΩ，假設(shè)負(fù)端的電阻為1Ω，所以可以得到其理論誤差為0.018ppm，理論共模抑制高達(dá)159dB，實(shí)際測(cè)量功率分析儀的共模抑制大于120dB，120dB的意義就是當(dāng)存在1000V的共模干擾時(shí)，我們測(cè)量結(jié)果僅僅有1mV的誤差，即共模干擾小于1ppm。

四：創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 內(nèi)部基于PCIe的高速傳輸架構(gòu)

傳統(tǒng)的功率分析儀產(chǎn)品由于設(shè)計(jì)的年代比較早，處理能力弱，沒有辦法兼顧運(yùn)算性能和快速存儲(chǔ)的性能。

在功率分析儀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中我們采用了創(chuàng)新性的PCIe架構(gòu)，極大的提高了功率分析儀的內(nèi)部數(shù)據(jù)交互的速度，解決了大批量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的瓶頸。下表在儀器內(nèi)部常用的總線類型，從表中的數(shù)據(jù)可以知道，PCIe總線的帶寬和處理能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)其它類型的總線接口，傳輸速度高達(dá)2.5Gb/s。

表3 常用總線帶寬對(duì)比

通過采用PCIe架構(gòu)，這次設(shè)計(jì)的功率分析儀是業(yè)界唯一一款支持10ms更新率的功率分析儀器。10ms更新率是功率分析儀歷史上一個(gè)革命性的突破，同時(shí)滿足了功率測(cè)量和數(shù)據(jù)記錄的需求。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的測(cè)試中，如果你想看到更快的測(cè)量結(jié)果，如想看看全波分析或者半波分析，那你只能再花費(fèi)大量的金錢和時(shí)間去購買和學(xué)習(xí)另外一款儀器-記錄儀，但是最終你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的問題還是沒有很好的解決，你根本無法實(shí)時(shí)查看測(cè)量結(jié)果，只能走入一個(gè)記錄-軟件分析-調(diào)試-記錄-軟件分析的惡性調(diào)試模式，浪費(fèi)大量的時(shí)間和金錢，分析過程異常痛苦。支持10ms更新率功率分析儀的誕生將用戶完全從這種調(diào)試的怪圈中解放出來，實(shí)時(shí)的更新和處理能力，使調(diào)試時(shí)每次修改都立竿見影，讓你很快查看到結(jié)果。