功率計(jì)也功率分析儀工作原理

下圖為典型的功率分析儀的工作原理框圖：

圖2 功率分析儀工作原理

　　目前基波及諧波測(cè)量主要采用離散傅里葉變換，離散傅里葉變換的前提是得到信號(hào)的離散時(shí)間數(shù)字信號(hào)樣本序列（簡(jiǎn)稱數(shù)字信號(hào)），數(shù)字信號(hào)通過(guò)AD采樣完成，AD采樣針對(duì)的是與原始信號(hào)成比例的信號(hào)，通常為交流信號(hào)，為了與功率表的直流AD采樣進(jìn)行區(qū)分，習(xí)慣稱這種方式為交流采樣方式。交流信號(hào)的特點(diǎn)是幅值和方向不斷變化，因此，交流采樣應(yīng)該具備足夠高的采樣率，否則，會(huì)錯(cuò)過(guò)信號(hào)的變化細(xì)節(jié)。

　　按照采樣定理的要求，只要交流采樣的采樣頻率高于信號(hào)帶寬上限頻率的兩倍，就可以通過(guò)采樣獲取的數(shù)字信號(hào)不失真（不考慮采樣誤差的影響）地還原被測(cè)信號(hào)。由于采樣頻率不能無(wú)限制的提高，通常為了確保在各種輸入信號(hào)的情況下都能滿足采樣定理的要求，在AD采樣之前還需加上抗混疊濾波器，抗混疊濾波器的截止頻率低于采樣頻率的1/2，以此保證采樣頻率滿足采樣定理的要求。

　　傅里葉變換的基本思想是：滿足狄利克雷收斂條件的周期信號(hào)（工程上遇到的周期信號(hào)均能滿足）可以分解為頻率為基波頻率（信號(hào)頻率）整數(shù)倍的若干正弦波的線性組合。從而將復(fù)雜的信號(hào)用不同幅值、頻率和相位的簡(jiǎn)單的正弦波表示。

　　值得注意的是，傅里葉變換本身并不具備識(shí)別基波頻率的能力，而是將傅里葉時(shí)間窗的長(zhǎng)度作為基波周期，基波頻率等于基波周期的倒數(shù)。傅里葉時(shí)間窗的長(zhǎng)度是人為給出的，例如，采樣頻率為250kHz（采樣周期為4uS），數(shù)字信號(hào)樣本數(shù)位5000個(gè)，那么，傅里葉時(shí)間窗的長(zhǎng)度為4*5000=20000uS=20mS=0.02S，基波頻率為50Hz。

　　因此，進(jìn)行傅里葉變換前，需要知道信號(hào)的周期，這個(gè)功能由同步源電路完成。

　　抗混疊濾波器保證了采樣頻率滿足采樣定理，AD在同步源電路的控制下，將電壓、電流的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，微處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換。

　　離散傅里葉變換包括快速傅里葉變換(FFT)和普通傅里葉變換(DFT)兩種方式，F(xiàn)FT對(duì)DFT在算法上的一種優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果是運(yùn)算速度更快，而優(yōu)化的前提是參與FFT的數(shù)字信號(hào)樣本數(shù)必須等于2^N。

　　樣本數(shù)同時(shí)受信號(hào)周期和2^N的約束，這種約束由同步源電路實(shí)現(xiàn)，即：同步源電路獲取信號(hào)頻率f1之后，產(chǎn)生2^N*f1的采樣頻率，確保進(jìn)入傅里葉時(shí)間窗的數(shù)字信號(hào)既滿足整周期的要求，也滿足樣本數(shù)為2^N的要求。

　　若微處理器的運(yùn)算速度足夠高，可以直接采用DFT，這樣，就可以不受樣本數(shù)為2^N的約束。

功率表的電壓電流測(cè)量通常采用下述三種方式之一

　　a、均值檢波法

　　采用均值檢波法將交流正弦波電量變換為與其均值成正比的直流電量，測(cè)量電路簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果乘以正弦波的波形因數(shù)變換為被測(cè)電量的有效值。正弦波的波形因數(shù)為：√2π/2≈1.1107。

　　均值檢波法利用了正弦波的波形因數(shù)，因此，只能測(cè)量正弦波或波形因數(shù)與正弦波相同的其它波形。

　　b、峰值檢波法

　　采用峰值檢波法將交流正弦波電量變換為與其峰值成正比的直流電量，測(cè)量電路簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果除以正弦波的峰值因數(shù)變換為被測(cè)電量的有效值。正弦波的峰值因數(shù)為：√2≈1.414。

　　峰值檢波法利用了正弦波的峰值因數(shù)，因此，只能測(cè)量正弦波或峰值因數(shù)與正弦波相同的其它波形。

圖1 峰值檢波功率表工作原理

　　由于峰值檢波電路輸出為相當(dāng)于信號(hào)半波的包絡(luò)線，也稱包絡(luò)檢波電路。

c、真有效值法

　　采用真有效值轉(zhuǎn)換電路將交流電量轉(zhuǎn)換為與其有效值成正比的直流電量，直流電量可直接反應(yīng)被測(cè)交流電量的有效值，該法適用任意波形交流電量有效值的測(cè)量，也適用直流電量的測(cè)量。真有效值轉(zhuǎn)換電路有專業(yè)的IC，常用IC有AD637、AD536、AD737、AD736、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。電能表集成電路CS5460測(cè)量的也是電壓、電流的真有效值。

2功率表的有功功率工作原理

　　功率表的有功功率測(cè)量通常在時(shí)域內(nèi)完成。大致可分為下述兩種方法：

　　a、相位法

　　通過(guò)相位測(cè)量電路測(cè)量電壓、電流的相位差，再根據(jù)正弦電路有功功率計(jì)算公式P=UIcosφ計(jì)算出有功功率。

　　由于有功功率計(jì)算公式P=UIcosφ是在正弦電路技術(shù)上推導(dǎo)出來(lái)的，該方法只適用于正弦電路的有功功率測(cè)量。

　　另外，由于相位測(cè)量電路通常采用過(guò)零檢測(cè)法，而交流電零點(diǎn)附近不可避免會(huì)有一定的毛刺，因此，相位測(cè)量精度較低。在低功率因數(shù)下的功率測(cè)量準(zhǔn)確度亦較低。

　　b、模擬乘法器法

　　根據(jù)有功功率通用計(jì)算公式： 

　　采用模擬乘法器獲取電壓、電流的乘積，得到瞬時(shí)功率，再用固定的時(shí)間對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行積分，即可獲得瞬時(shí)功率的平均值，也就是有功功率。該方法適用任意波形電量的有功功率測(cè)量。

功率分析儀與功率表的區(qū)別

　　概括的講，功率分析儀是功率表的升級(jí)產(chǎn)品，包括了功率表的有功功率測(cè)量的功能，并且功能更強(qiáng)、適用面更廣。

功能上講，功率表大多只能適用正弦電路的功率測(cè)量。即便是可以測(cè)量非正弦電路功率的功率表，也只能測(cè)量出電壓、電流真有效值和總有功功率。

　　在非正弦電功率測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中，除了電壓、電流真有效值和總有功功率之外，我們還希望了解電壓、電流的基波有效值、總諧波含量、各次諧波的幅值、基波功率及各次諧波的功率。

　　功率分析儀可以測(cè)量正弦和非正弦電路的有功功率，還可測(cè)量非正弦電路的基波功率和諧波功率。

　　換言之，前者主要處理正弦信號(hào)，后者可以處理正弦和非正弦信號(hào)。

　　或者說(shuō)，前者對(duì)非正弦信號(hào)的處理功能較弱，只能觀其大概（信號(hào)的真有效值和有功功率），后者可以通過(guò)頻域分析了解信號(hào)的詳細(xì)構(gòu)造（諧波幅值和諧波功率）。

　　頻域分析的特點(diǎn)是準(zhǔn)確但過(guò)于抽象，頻域分析讓我們對(duì)信號(hào)的內(nèi)部構(gòu)造和細(xì)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確的量化，但不夠直觀！

　　觀測(cè)實(shí)時(shí)波形可以zui快的速度形象地了解未知的復(fù)雜信號(hào)，建立感性認(rèn)識(shí)，許多時(shí)候還可以利用觀測(cè)的波形進(jìn)行故障診斷或干擾排除，實(shí)時(shí)波形屬于時(shí)域分析。

　　基于上述需求，功率分析儀除了應(yīng)該具備功率表的電壓、電流有效值測(cè)量、總有功功率的測(cè)量之外，還應(yīng)具備時(shí)域分析和頻域分析兩大功能。

　　從功率表和功率分析儀工作原理上看，基于頻率域的諧波分析是功率分析儀區(qū)別于功率表的和關(guān)鍵之處，從信號(hào)的復(fù)雜程度看，除了zui簡(jiǎn)單的直流信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)正弦波之外，其它信號(hào)均包含兩種以上的頻率成分，頻域分析是深入了解信號(hào)的主要手段，某些功率分析儀不具備基波測(cè)量功能和諧波分析功能，與功率表相比，主要區(qū)別僅僅在屏幕的大小和顯示的多樣性上，只能算豪華版功率表，未免愧對(duì)“分析”二字！