高精度功率分析儀是如何煉成的？
功率分析儀是一種多功能儀器，除了能夠?qū)﹄妷?、電流和功率進行精確測量以外，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。
功率分析儀的基本功能是一臺多通道的高精度功率測量儀器，可以精確測量多相高電壓和大電流，計算有功功率P、無功功率Q、視在功率S、功率因數(shù)、相位、能量累計等參數(shù)，通常用來測試變頻器、逆變器、電機和變壓器等功率轉(zhuǎn)換裝置的效率和功耗。下圖為功率分析儀在變頻器、電機驅(qū)動系統(tǒng)中的應用實例。
隨著節(jié)能和新能源領域的迅猛發(fā)展，功率分析儀被廣泛應用于電動汽車、電氣化高速鐵路、太陽能光伏逆變發(fā)電、風力發(fā)電、電機、變壓器、燃料電池、電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈、、開關電源供、不斷電系統(tǒng)(UPS)、電動工具、信息及辦公設備(打印機、掃描儀)、家電等功率設備的開發(fā)和性能評估。也適用于對電網(wǎng)運行質(zhì)量進行監(jiān)測及分析，提供電力運行中的諧波分析及功率質(zhì)量分析。
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外部輸入信號的測量，包括被測裝置的電壓、電流信號，扭矩/轉(zhuǎn)速傳感器的信號；另一方面，對測量得到的數(shù)據(jù)進行運算，得到電壓、電流、功率、效率等參數(shù)，并能夠?qū)斎氲男盘栠M行處理分析，例如進行諧波分析、FFT分析、查看波形等，并可以與外部的設備進行數(shù)據(jù)交互。
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，采集板卡實現(xiàn)單相輸入的采集，包括一個電壓通道和一個電流通道，主板主要實現(xiàn)顯示和通訊功能。
功率分析儀的核心功能是能夠準確的對輸入信號進行采集，且各個通道間必須保證絕對的同步，因此功率分析儀的實現(xiàn)重點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。
功率分析儀的目標精度高達0.02%，高精度測量最難處理的兩個問題是溫漂和噪聲。整個模擬前端的框圖如圖5所示，其中每個環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲都會影響到最后的測量精度。
如果要保證測量精度，這必須保證每個環(huán)節(jié)的溫漂和噪聲很低，或者能實現(xiàn)各環(huán)節(jié)間的補償處理。
對于溫漂問題，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)會發(fā)生變化，同時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，電路設計上考慮進行溫漂補償，添加補償電路將溫漂降低，避免相關放大電路出現(xiàn)飽和問題，然后設計自校準電路，測量時實時校準各環(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，處理增益補償電路，將增益誤差影響降到最低，同時將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進行高速采集。
對于噪聲問題，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計方面的問題，外部噪聲問題需要考慮電路板布局和屏蔽問題。電路設計上面，需要考慮處理電阻熱噪聲、運放噪聲問題，電路布局方面需要考慮將容易受到干擾的環(huán)節(jié)進行特殊處理。然后設計合理的濾波器，將一些噪聲濾除。另外必須考慮屏蔽殼的設計，將外部的噪聲干擾降低。
功率分析儀和示波器、萬用表的最大區(qū)別就是能同時分析電壓和電流信號，從而實現(xiàn)對功率信號的分析，如果要實現(xiàn)對功率的準確分析，則必須準確測量電壓和電流信號，并且需要同時實現(xiàn)對電壓和電流信號的采樣，電壓和電流信號經(jīng)過ADC數(shù)字化過程中每一個采樣點都必須發(fā)生在同一時刻，否則就無法實現(xiàn)同步測量。為了實現(xiàn)嚴格的同步測量，在功率分析儀內(nèi)部，采用了業(yè)界最高的同步時鐘，高穩(wěn)定性溫度補償?shù)?00MHz同步時鐘，避免溫度變化帶了的時鐘漂移所引入的誤差，嚴格保證ADC對各通道電壓和電流的同步測量，從而保證了功率測量的精度。
100MHz的同步時鐘引起的最大誤差為10ns，對于50Hz的工頻信號來說周期為20ms，所以10ns的時鐘誤差引起的相位測量誤差為
如果同步時鐘為10MHz則相位角誤差就會到0.0018°。
為了討論方便假設被測的電壓和電流都是標準正弦信號，那么功率運算公式為
其中
為不同步引起的相位角誤差，所以可以看到功率測量的精度會受到相位角的直接影響。
當電壓和電流的相位角較小時，即功率因數(shù)較大時，0.00018°的相位誤差對測量精度影響很小，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，誤差對比如下表所示，如果同步時鐘頻率降低，則測量誤差就會成倍增大，這也是目前業(yè)界功率測量設備無法實現(xiàn)在極低功率因數(shù)情況下精確測量的主要原因。
通過上表我們可以看到，使用的100MHz同步時鐘，有效保證了極低功率因數(shù)下的測量精度，功率因數(shù)低于0.01時依然可以保證優(yōu)于0.6%的功率測量精度。
功率分析儀需要與普通電力測量的儀器的最大區(qū)別是需要同時測量多路的電壓和電流信號，并且各測量通路之間必須進行隔離浮地，隔離耐壓達到幾千伏以上。采集板卡的框圖如下圖，隔離耐壓達到5kV，由于采用了嚴格的隔離，所以可以很好的滿足各種接線應用，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，導致模擬前端的屏蔽殼地和機殼大地之間存在共模電壓Vc如下圖所示。被測電壓Vd，屏蔽殼和模擬前端地連接在一起，由于被測信號Vd是浮地，所以Vd和大地之間存在Vc這個共模電壓，由于模擬前端浮地，所以共模電壓Vc加在屏蔽殼和機殼之間的這個雜散電容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)被測信號的負端，該共模電流加在負端的輸入阻抗上就將共模電流轉(zhuǎn)換成差模電流，從而導致對被測信號的干擾，導致測量不準確，所以實際應用中應該盡量降低共模電壓Vc的值，儀器設計上要盡量降低Cs這個雜散電容的值。
功率分析儀的雜散電容Cs小于60pF，所以對50Hz信號的共模阻抗為53MΩ，假設負端的電阻為1Ω，所以可以得到其理論誤差為0.018ppm，理論共模抑制高達159dB，實際測量功率分析儀的共模抑制大于120dB，120dB的意義就是當存在1000V的共模干擾時，我們測量結(jié)果僅僅有1mV的誤差，即共模干擾小于1ppm。
傳統(tǒng)的功率分析儀產(chǎn)品由于設計的年代比較早，處理能力弱，沒有辦法兼顧運算性能和快速存儲的性能。
在功率分析儀產(chǎn)品的設計中我們采用了創(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遠高于傳統(tǒng)其它類型的總線接口，傳輸速度高達2.5Gb/s。
通過采用PCIe架構(gòu)，這次設計的功率分析儀是一款支持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革命性的突破，同時滿足了功率測量和數(shù)據(jù)記錄的需求。因為在傳統(tǒng)的測試中，如果你想看到更快的測量結(jié)果，如想看看全波分析或者半波分析，那你只能再花費大量的金錢和時間去購買和學習另外一款儀器-記錄儀，但是最終你會發(fā)現(xiàn)你的問題還是沒有很好的解決，你根本無法實時查看測量結(jié)果，只能走入一個記錄-軟件分析-調(diào)試-記錄-軟件分析的惡性調(diào)試模式，浪費大量的時間和金錢，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，實時的更新和處理能力，使調(diào)試時每次修改都立竿見影，讓你很快查看到結(jié)果。
