功率分析仪应用解析：电压电流测量模式的选择

1. 功率分析仪应用解析：电压电流测量模式的选择

十九世纪中叶，在英国工程师法拉第和麦克斯韦的电磁转换经典理论的基础上，德国科学家西门子发明了实用的交流发电机，而比利时工程师格拉姆发明了第一台直流发电机。

不同的发电方式，为后来电能输送的“交直流之争”埋下伏笔。

1.1 百年前变压器助力交流电最终赢得市场

由电路基础知识可知，输电距离越远，线路的电压压降越大，因此实现远距离输电，必须升高电压。由于当时发电机输出电压较低，直流输电只有通过串联发电机的方法将电压升高，到了用电方也需要用串联的方法使用，这些都构成了直流发电系统可靠性大大降低。

而另一方面，1883年，实用性交流变压器的发明，使得交流输电电压更高、输送距离更远，这使交流输电彻底胜出，交流电随后在全世界范围内被迅速推广，成为电力系统大发展的起点。

1.2 百年间高压直流电优势越来越明显

交流输电优点是无需整流、升降压技术简单。但远距离交流输电可能引起系统振荡，由于不能对交流系统故障进行快速隔离，交流电网局部故障可能引起大面积交流系统崩溃，随着电力系统的迅速扩大，输电功率和输电距离的进一步增加，超高压交流电遇到了一系列不可克服的技术上的障碍。

相比而言，同样电压等级，直流输电能输送更大功率，电缆损耗小，而且直流输电还能有效地对电网故障进行隔离，防止故障扩散，大功率换流器的研制成功，更为高压直流输电突破了技术上的障碍。

在我国电力系统处于交直流共同发展的阶段，“西电东送、交直流混合运行”是目前我国电网的一大特点。典型案例如：溪洛渡直流工程

1.3 交直流各有优势，电信号测量模式的选择也各有春秋

交直流并没有明确的优劣之分，关键在于使用的场合，功率分析仪测量模式的选择，也是同样道理。正确选择测量模式，不仅需要知其然，还得知其所以然。下午对普通万用表、高精度功率分析仪在于交直流测量方面的原理和应用进行解析：

在交流电功率的测量中，一般并不需要知道瞬时值，而是采用有效值表征交流电的大小。

定义：在相同的电阻上分别通以直流电流和交流电流，经过一个交流周期的时间，如果它们在电阻上所消耗的电能相等的话，则把该直流电流的大小作为交流电流的有效值。

在传统的万用表上，通常使用以下几种方式实现有效值的计算：

1）峰值检测法

用峰值检测电路测量信号峰值，再除以波峰因数（1.414），得到信号有效值。

特点：仅适合正弦波。

2）整流平均法

对测量信号进行全波整流，然后用积分电路求得信号的平均值，再乘以波形因数（1.1107），得到信号有效值。

特点：仅适合正弦波。

3）真有效值法

采用真有效值测量电路直接测量信号的真有效值。

特点：适应任意波形。

功率分析仪的同样具有RMS、MEAN、RMEAN等三种测量模式

与万用表采用模拟电路的方式不同，功率分析仪采用高精度ADC采用技术和FPGA运算处理，可实现更高精度和带宽：

1）真有效值RMS——方均根值：

2）整流平均值RMEAN——将信号的1个周期进行整流，即采样数据绝对值的积分平均值。

3）校准平均值MEAN——测量出整流平均值之后，乘以波形因数就得到校准平均值校准平均值等于有效值只有在被测信号为正弦波时才成立，否则等于复杂信号的基本有效值。

校准平均值（MEAN）常用于正弦调制PWM波形的基波有效值的测量。变频器的输出的PWM电压波形含有大量的高次谐波，而电动机转矩主要依赖于基波电压有效值。因此，电机试验需要测量的电压值，以及变频器上指示的电压值都是指基波电压有效值。若输入波形为畸变波形或直流波形，则运算结果约等于基波有效值。

目前，关于变频电机的试验标准较少，《IEC60349-2:2002电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机-第2部分：电子变流器供电的交流电动机》中已明确指出：电压测量采用基波有效值。

4）直流模式DC——即信号1个周期的平均值。对计算直流输入信号的平均值和叠加在交流输入信号上的直流成分非常有效。

简而言之，真有效值适用大部分场合，DC模式用于交流信号叠加的直流信号分析，校准平均值、基波有效值常用于变频器PWM信号分析。