功率計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的離散時間數字信號樣本序列（簡稱數字信號），數字信號通過AD采樣完成，AD采樣針對的是與原始信號成比例的信號，通常為交流信號，為了與功率表的直流AD采樣進行區分，習慣稱這種方式為交流采樣方式。交流信號的特點是幅值和方向不斷變化，因此，交流采樣應該具備足夠高的采樣率，否則，會錯過信號的變化細節。

　　按照采樣定理的要求，只要交流采樣的采樣頻率高于信號帶寬上限頻率的兩倍，就可以通過采樣獲取的數字信號不失真（不考慮采樣誤差的影響）地還原被測信號。由于采樣頻率不能無限制的提高，通常為了確保在各種輸入信號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（工程上遇到的周期信號均能滿足）可以分解為頻率為基波頻率（信號頻率）整數倍的若干正弦波的線性組合。從而將復雜的信號用不同幅值、頻率和相位的簡單的正弦波表示。

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

　　因此，進行傅里葉變換前，需要知道信號的周期，這個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、電流的模擬信號轉變為數字信號，微處理器對數字信號進行離散傅里葉變換。

　　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，FFT對DFT在算法上的一種優化，優化的結果是運算速度更快，而優化的前提是參與FFT的數字信號樣本數必須等于2^N。

　　樣本數同時受信號周期和2^N的約束，這種約束由同步源電路實現，即：同步源電路獲取信號頻率f1之后，產生2^N*f1的采樣頻率，確保進入傅里葉時間窗的數字信號既滿足整周期的要求，也滿足樣本數為2^N的要求。

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

功率表的電壓電流測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，測量電路簡單，測量結果乘以正弦波的波形因數變換為被測電量的有效值。正弦波的波形因數為：√2π/2≈1.1107。

　　均值檢波法利用了正弦波的波形因數，因此，只能測量正弦波或波形因數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，測量電路簡單，測量結果除以正弦波的峰值因數變換為被測電量的有效值。正弦波的峰值因數為：√2≈1.414。

　　峰值檢波法利用了正弦波的峰值因數，因此，只能測量正弦波或峰值因數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于信號半波的包絡線，也稱包絡檢波電路。

c、真有效值法

　　采用真有效值轉換電路將交流電量轉換為與其有效值成正比的直流電量，直流電量可直接反應被測交流電量的有效值，該法適用任意波形交流電量有效值的測量，也適用直流電量的測量。真有效值轉換電路有專業的IC，常用IC有AD637、AD536、AD737、AD736、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。電能表集成電路CS5460測量的也是電壓、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量通常在時域內完成。大致可分為下述兩種方法：

　　a、相位法

　　通過相位測量電路測量電壓、電流的相位差，再根據正弦電路有功功率計算公式P=UIcosφ計算出有功功率。

　　由于有功功率計算公式P=UIcosφ是在正弦電路技術上推導出來的，該方法只適用于正弦電路的有功功率測量。

　　另外，由于相位測量電路通常采用過零檢測法，而交流電零點附近不可避免會有一定的毛刺，因此，相位測量精度較低。在低功率因數下的功率測量準確度亦較低。

　　b、模擬乘法器法

　　根據有功功率通用計算公式： 

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

功率分析儀與功率表的區別

　　概括的講，功率分析儀是功率表的升級產品，包括了功率表的有功功率測量的功能，并且功能更強、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量。即便是可以測量非正弦電路功率的功率表，也只能測量出電壓、電流真有效值和總有功功率。

　　在非正弦電功率測量的實際應用中，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。

　　功率分析儀可以測量正弦和非正弦電路的有功功率，還可測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，后者可以處理正弦和非正弦信號。

　　或者說，前者對非正弦信號的處理功能較弱，只能觀其大概（信號的真有效值和有功功率），后者可以通過頻域分析了解信號的詳細構造（諧波幅值和諧波功率）。

　　頻域分析的特點是準確但過于抽象，頻域分析讓我們對信號的內部構造和細節進行準確的量化，但不夠直觀！

　　觀測實時波形可以zui快的速度形象地了解未知的復雜信號，建立感性認識，許多時候還可以利用觀測的波形進行故障診斷或干擾排除，實時波形屬于時域分析。

　　基于上述需求，功率分析儀除了應該具備功率表的電壓、電流有效值測量、總有功功率的測量之外，還應具備時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別于功率表的和關鍵之處，從信號的復雜程度看，除了zui簡單的直流信號和標準正弦波之外，其它信號均包含兩種以上的頻率成分，頻域分析是深入了解信號的主要手段，某些功率分析儀不具備基波測量功能和諧波分析功能，與功率表相比，主要區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“分析”二字！