功率分析仪波形采样及计算
功率分析仪带宽与采样率
signal to measure
P
1 u(t ) i(t ) dt T 0
T
图 1 功率分析仪采样过程 功率分析仪对输入信号进行采样，并对一段时间内的采样结果按照计算公式进行运算， 得到电流、电压以及功率等参数，如上图所示。 功率分析仪的对输入信号的测量是一个稳态的过程： 测量时必须分区间对测量数据进行 处理，计算出计算结果。因此对于功率分析仪，在理论上，只要是有足够的计算区间，可以 获取其带宽之内任意频率的输入信号的有效值等参数。 但是如果能够更好的显示输入信号波形的细节， 则采样率越高会越好。 在一般实际应用 中保证采样频率为信号最高频率的 5～10 倍。 当被测信号频率低于采样率一半时， 理论上功率分析仪可以有效还原被测信号的全部信 息，获取其各种参数，但是当被测信号频率高于采样率一半时，此时由于混叠的存在，导致 功率分析仪无法还原被测信号的全部信息， 无法测量谐波等参数， 但是功率测量本身是一种 稳态测量，所以功率分析仪依然可以准确测量被测信号的有效值和功率等稳态参数。 1.2.2 功率分析仪带宽、采样率影响的功能和参数 带宽、采样率是功率分析仪的基本参数，与功率分析仪的功能和参数直接相关的，但是 带宽、采样率并不能够决定性能的好坏，只有是会影响其应用的范围。实际使用并不是带宽 越宽越好，而是选择合适的，带宽宽，相对噪声就大，测量精度就会降低。功率测量精度降 低，谐波测量精度也会降低，同时由于混叠的存在，所以 THD 测量会可能偏大。相同带宽情 况下，如果仪器的本体噪声相同，则采样率越高，对被测的模拟信号离散化的信息就越多， 越接近被测的模拟信号，从而保证测量精度也越高。 功率分析仪的采样率在不同测量模式下会有区别： 一是在基本测量模式下采用固定的采 样频率，二是在谐波测量模式下，采用锁相倍频方式，采样率与输入信号频率相关。 PA6000 功率分析仪谐波测试时，采样率和数据长 度的窗口宽度 （基波频率）
有功功率的测量方法
有功功率的测量方法随着控制技术的发展，电压、电流的调制信号得到更广泛的应用，伴随而来的是较高的谐波含量，传统的有功功率测量方法难以精确测量，本文基于功率分析仪的有功功率测量原理，结合在变频器领域的测量应用进行简单介绍。
随着控制技术的发展，电压、电流的调制信号得到更广泛的应用，伴随而来的是较高的谐波含量，传统的有功功率测量方法难以精确测量，本文基于功率分析仪的有功功率测量原理，结合在变频器领域的测量应用进行简单介绍。
1.1 一、最常用的有功功率测量方法a、相位法通过相位测量电路测量电压、电流的相位差，再根据正弦电路有功功率计算公式P=UIcosφ计算出有功功率。
由于有功功率计算公式P=UIcosφ是在正弦电路技术上推导出来的，该方法只适用于正弦电路的有功功率测量。
另外，由于相位测量电路通常采用过零检测法，而交流电零点附近不可避免会有一定的毛刺，因此，相位测量精度较低。
在低功率因数下的功率测量准确度亦较低。
b、模拟乘法器法采用模拟乘法器获取电压、电流的乘积，得到瞬时功率，再用固定的时间对瞬时功率进行积分，即可获得瞬时功率的平均值，也就是有功功率。
该方法适用任意波形电量的有功功率测量。
1.2 二、功率分析仪的测量基本原理以功率分析仪PA6000为例，测量的基本原理如下：功率分析仪采样电流和电压信号功率分析仪的每个测量通道，对输入的电流或者电压信号进行采样，对采样得到的数据按照特定公式计算得到结果。
其中u(n)为更新周期内采集的电压信号数据（瞬时数据），i(n)为更新周期内采集的电流信号数据（瞬时数据），u(n)和i(n)为同一时刻的采样数据。
三、有功功率的测量方法在变频器的应用变频器的主电路一般为“交—直—交”组成，在整流回路中接有大电容，输入电流的波形不是正弦波；在逆变输出回路中，输出电压信号时受PWM载波信号调整的波形，即输入输出都不是标准的正弦波，有较多的高次谐波含量。
变频器典型的输入测波形如下：对输入测得有功率，传统的计算公式为：P=Urms*Irms*cosφ其中P为有功功率；Urms为电压有效值；Irms为电流有效值；φ为电压电流夹角。
zimmer_lmg500功率分析仪技术参数
变压器、电感器和电容器 在最低功率因数下的损耗
延迟时间菜单，设定有1、2、3相电流补偿值
功率测量到10MHz要求电压和电流通道设计成相互之间延迟要非常小，LMG500延迟小于3ns， 意味着相角误差在50Hz时<1 µ弧度，因为LMG500包含有这种特色，所以它是最适合测量变压 器、电感器和电容器在非常低功率因数下的功率损耗。标配就能完全满足这些测量需求，不需 要选件。
因此可以捕获浪涌电流和信号变化； · 谐波和间谐波分析达到50kHz/1MHz； · 闪变测量，供电网络和负载的相互作用。
用于改进电机、变压器、变频器、 电力电子、电源、照明设备、电动汽车等 的效率、可靠性、电磁兼容性以及整个生命周期的成本。
LMG500 e 02.10
LMG—高精度功率测量的代名词
多绕组变压器
没有传动装置的风力发电机， 但是带有扩展的旋转速度量程 定子侧频率固定，通过设定转 子侧的频率，双反馈机器可以 像发电机一样在不用风速下高 效率地工作。
一次侧 u1
U1 U5 v1 w1
12脉冲整流变压器的8通道测量
整流侧 u2
v2 U2
U4
w2 U3
u3
v3 U6
U8
w3 U7
三绕组变压器，带有两个30°电子档位输出线圈，提供两个6脉冲 整流器。因此，初级线圈抑制谐波，如5次、7次、17次、19次谐波。 功率测量通道被配置成两组，通道1和5并联，所以所有的测量 通道都有相同的参考相位。相角偏移（n.30°）的特殊整流变压器 可以被准确测量。
变频器 输出端的瞬态电流
通过10MHz的高带宽，可以采样和显示 变频器输出端的高频电流峰值。 瞬态电流峰值产生在每一次开关变换的 边缘。电流流经绕组电容，它们产生一 个数倍于额定电流的峰值。 可以从客户菜单的显示中得到Ipp1和Itrms1 的高比值。
功率分析仪带宽与采样率的重要性
1. 功率分析仪带宽与采样率的重要性功率分析仪的带宽和采样率一般都远高于电参数测试仪，很多用户往往会认为高带宽和高采样率对测试应用没有太大的帮助，在选购测量仪器的时候，客户通常都会选择价格相对更低的低带宽和低采样率的电参数测试仪。
其实高带宽高采样率能够帮助客户提高测量准确性，帮助客户分析故障的原因，下面我们用一个具体案例进行说明。
有一个生产非晶合金变压器的客户，他们拥有一个工业园，里面有生产车间、测试车间、办公室等。
原来供电局安排了两条380V的线路对工业园进行供电，一条线路供生产车间，另外一条线路供测试车间和办公室。
后来供电局把两条线路合并成一条线路供电，生产、测试都共用一条线路。
这时客户发现变压器的测试数据发送异常，比以前的测试结果都偏大了5%左右，而且测试时，变压器经常有异响，非常奇怪。
客户怀疑他们的用电电网有问题，让我们带上电能质量分析仪去分析一下，刚好我们手上还有一台PA6000功率分析仪，所以就一起带到客户那里。
到达现场后，客户先让我们用电能质量分析仪测试他们用电电网的谐波和波形，测试中发现客户电网质量一般，电压信号有明显的高频脉冲，Uthd在5%左右，也勉强算合格。
然后用PA6000测试客户的400KV A和100KV A的非晶合金变压器，测试结果与客户自己的空负载测试仪（电参数测试仪的一种）的测试结果进行比较，发现测试结果差异明显，PA6000测试结果明显偏大，有50%的偏差，看波形时发现客户电流信号高频脉冲很多，电流RMS 值0.2A，但是峰值达到3.5A（如下图），明显的电流异常。
变压器也发出异响。
从波形图我们可以分析到因为PA6000功率分析仪的带宽和采样率比客户自己空负载测试仪的带宽和采样率都高很多，所以PA6000功率分析仪把高频脉冲都测量出来了，而空负载测试仪却没有，测试结果当然比客户的空负载测试仪器测量值大。
客户刚开始不接受这个结果，以为是变压器的材料造成的，就更换了一台用硅钢做的变压器，测试发现与客户自己仪器测试结果有点接近了，这时电流脉冲降到1.5A（如下图）。
功率分析仪峰值因数介绍及测量
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 3
广州致远电子有限公司
峰值因数介绍
峰值因数从另外一个角度反应了电源的特性和用电设备的特性，一个用电设备的电流峰 值因数越大，说明其供电需要的冲击电流越大，该设备对电网的危害也越大。同样一个电源， 如果能够输出的电流峰值因数越大，说明其耐冲击的能力越强，该电源的性能越好。此外， 峰值因数很大时也会带来大量的谐波电流和谐波电压，对整个供电系统造成危害。
图 1.3 功率分析仪测量方波的峰值因数
1.3 变频电源的峰值因数
由于变频电源输出波形的不同，其峰值因数通常不等于正弦波的峰值因数，以变频器输 出的 PWM 波为例，其峰值取决于直流侧的直流电压，有效值由调制比决定，调制比越低， 有效值越低，峰值因数越大。对于相同有效值的变频信号，峰值因数越高，仪器测量时所需 要的量程越大，对应的测量精度越低。如图 1.4 所示，功率分析仪对 PWM 波的测试截图， 变频电源输出电压峰值因数 3.5，电流峰值因数 2.2.。
1.2.3 方波峰值因数.......................................................................................................2
1.3
变频电源的峰值因数 ............................................................................................... 2
功率分析仪简单测试方法
功率分析仪简单测试方法
任何计量器具由于种种原因都具有不同程度的误差计量器具的误差，只在允许的范围内才能应用，否则将带来错误的计量结果。
对于新制的或修理后的计量器具必须用适当等级的计量标准来确定其计量特性是否合格，对于使用中的计量器具必须用适当等级的计量标准对其进行周期检定，另外有些计量器具必须借助适当等级的计量标准来确定其示值和其它计量性能，因此量值传递的必要性是显而易见的。
1. 电压校准
我们使用功率分析仪进行分析计算时，利用的是功率分析仪内部采样得到的电压值。
我们可以通过调整调压器输出不同电压，然后使用经过校准的高压探头和示波器，读取电压的数值和波形，与功率分析仪采到的电压数值和波形进行对比，进行电压的校准。
2. 电流校准
我们使用功率分析仪进行分析计算时，利用的是功率分析仪内部采样得到的电流值。
我们可以通过调整升流器输出不同等级的电流，然后使用经过校准的电流探头和示波器，读取电流的数值和波形，与功率分析仪采到的电流数值和波形进行对比，进行电流的校准。
3. 频率校准
在进行电压校准和电流校准的过程中，可以使用经过校准的频率计测量给定的电压、电流的频率，与功率分析仪计算的频率数值进行比较，以此来进行简单的频率校准。
4. 功率校准
按照电压校准和电流校准的方法，分别给定不同的电压和电流值，计算出功率，然后使用此数值和功率分析仪计算的功率数值进行比对，以此来简单判定功率分析仪的计算结果是否正确。
5. 谐波校准
这个没法弄吧…。
Tek_PA1000泰克功率计使用手册
电流量程 (1 A 分流器 ) 2.0 Apeak, 1.0 Apeak, 0.4 Apeak, 0.2 Apeak, 0.1 Apeak, 0.04 Apeak, 0.02 Apeak, 0.01 Apeak,
0.004 Apeak, 0.002 Apeak
测量精度 - 电压
电压精度 , Vrms (45 Hz - 850 Hz)1
Байду номын сангаас
电压量程
1000 Vpeak, 500 Vpeak, 200 Vpeak, 100 Vpeak, 50 Vpeak, 20 Vpeak, 5 Vpeak
电流量程 (20 A 分流器 ) 100 Apeak, 50 Apeak, 20 Apeak, 10 Apeak, 5 Apeak, 2 Apeak, 1 Apeak, 0.5 Apeak, 0.2 Apeak, 0.1 Apeak
/power-analyzer-series/pa1000 5
PA1000 功率分析仪
订货信息
PA1000
标配附件 电压线组 特定国家电源线 USB 通讯电缆 文档光盘
校准证明 五年产品保修
推荐附件 BB1000-NA BB1000-EU BB1000-UK BALLAST-CT CL200 CL1200 PA-LEADSET
通过任何仪器通信端口与 PA1000 通信 远程改变仪器设置 从仪器实时传送、查看和保存测量数据，包括波形、 谐波柱状图和曲线 记录一段时间的测量数据 与多台 PA1000 仪器通信，从多台 PA1000 仪器记录 数据 创建公式，计算功率转换效率和其它值 把测量数据导出到 .csv 格式，以导入其它应用 对特定应用测试，使用设置向导界面，只需点击几下 鼠标，即可自动完成仪器设置、数据采集和报告生成 根据 IEC 62301 第二版低功率待机要求自动执行全 面一致性测试 在未来版本中将增加其它自动测试功能
功率分析仪基础之电压测量
1. 功率分析仪基础之电压测量1.1 电压定义电压是两点间电场强度的线积分，代表电场力对单位正电荷由场中一点移动到另一点所做的功。
电压的方向规定为从高电位指向低电位的方向。
标量，符号“U”。
电压在国际单位制中的主单位是伏特（V），简称伏，用符号V表示。
1伏特等于对每1库仑的电荷做了1焦耳的功，即1 V = 1 J/C。
强电压常用千伏(KV)为单位，弱小电压的单位可以用毫伏(mV)微伏(μv)。
他们之间的换算关系是：1kV=1000V；1V=1000mV；1mV=1000μv。
如果电压的大小及方向都不随时间变化，则称之为稳恒电压或恒定电压，简称为直流电压，用大写字母U表示。
如果电压的大小及方向随时间变化，则称为变动电压。
对电路分析来说，一种最为重要的变动电压是正弦交流电压(简称交流电压)，其大小及方向均随时间按正弦规律作周期性变化。
交流电压的瞬时值要用小写字母u或u(t)表示。
电压可分为高电压，低电压和安全电压。
高低压的区别是：以电气设备的对地的电压值为依据的。
对地电压高于或等于1000伏的为高压。
对地电压小于1000伏的为低压。
其中安全电压指人体较长时间接触而不致发生触电危险的电压。
按照国家标准《GB3805-83》安全电压规定了为防止触电事故而采用的，由特定电源供电的的电压系列。
我国对工频安全电压规定了以下五个等级，即42V，36V，24V，12V以及6V。
1.2 电压测量电压测量是电子测量的基础，传统测量仪器中，用于电压测量的仪表主要是数字万用表，但是数字万用表通常适用于直流或低频正弦波电压测量。
目前由于各种大功率的电力电子开关设备的普及应用，需要对交直流电压信号进行全面的测量：观测其波形，分析信号的谐波含量，测量有效值、直流值等。
PA系列功率分析仪就是一种能够很好满足这一需求的测试仪器。
图 1 PA系列功率分析仪电压等参数测量示意图图 2 PA系列功率分析仪波形显示示意图：变频器输出PWM波形图 3 PA系列功率分析仪电压电流谐波测量示意图PA系列功率分析仪可以用于各类变频调速系统、逆变系统等设备的测试，对电压、电流、功率、效率、谐波等进行测量与分析的高性能仪器，是变频技术高速发展的必然产物，也是变频技术持续健康发展的重要基础仪器，更是变频设备能效评测不可或缺的工具。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2.1 波形抽取方式
显示屏像素远小于一个更新周期的采样点数，无法完整体现细节。PA 功率分析仪提供 两种抽取方式：等间隔抽取、峰值抽取。
1. 等间隔抽取 PA8000 采样点 2M，显示点数 2k，实际显示的就是 1k 个点抽取一个，即显示第一个点， 第 1001 个点、2001 个点等，如图 2.2 所示。 2. 峰值抽取 PA8000 采样点有 2M，显示点数 2k，实际显示是 2k 个点抽取两个，0~2000 点之间找 最大和最小值，第二是 2001~4000 之间找最大和最小值，如图 2.2 所示。
EAMP 是 Exponential Average for Measuring Period 的缩写，翻译成汉语是测量区间指数 平均法，该方法对整个更新区间内的采样数据进行计算，得出测量值。该模式不需要设置同 步源。
两者主要的区别就是在数据计算的区间上。ASSP 依赖于同步源的信号周期，即取整周 期进行计算，需要对整个数据更新周期内的数据掐头去尾进行运算；EAMP 使用整个更新周 期的数据进行计算。两者之前的区别如图 1.1 所示。
请您用以上方式联系我们，我们会为您安排样机现场演示，感谢您对我公司产品的关注！
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 5
图 1.1 数据更新周期和测量区间关系
当更新周期较小或者被测信号的频率较低的时候，准确测量被测信号的周期，取整周期 数据进行运算，可以保证测量结果更加稳定和准确。因为当数据更新周期较小的时候参与运 算的数据较少，此时如果不是完整周期进行运算，多余的数据对运算结果影响会较大。而对 于被测信号频率较低的时候，如果不使用同步源，则非常容易出现不完全的周期运算，结果 很容易出现较大的跳动。所以这种情况下选择 ASSP 模式进行测量，可以保证很好的稳定性。
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 2
广州致远电子有限公司
波形采样
功率分析仪
2. 随机采样
理解的运算区间后，我们再来看一起的采样，当仪器的采样率远大于输入信号频率时， 仪器将正常运算，这点不会有任何争议，但当仪器的采样率低于输入信号频率，包含在信号 中的高频成分将丢失。这时，根据 Nyquist 的采样定理，将出现仪器信号中的高频成分被误 处理成低频数据的现象，此现象称为混淆现象。Nyquist 定理在示波器等仪器上面需要满足， 但是对于功率分析仪这种分析稳态信号的仪器，不满足这个定理也可以进行准确测量，即使 用等效采样的概念进行采样运算，如图 2.1 所示。要求被测信号必须是稳定的周期信号，否 则测量结果会有相对较大的误差。所以功率分析仪是稳态测量仪器，瞬态分析能力较弱。
日期 2015/11/15 2017/09/20
波形采样
功率分析仪
原因 创建文档 增加内容和修改格式
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. i
广州致远电子有限公司
波形采样
功率分析仪
目录
1. 波形采样的计算方式区间.......................................................................................1
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 1
广州致远电子有限公司
波形采样
功率分析仪
图 1.2 交流变频器
对于变频器这种无法使用同步源选择测量区间的情况，则需要使用 EAMP 对整个更新 周期的数据进行运算，此方法不存在周期检测误差等因素，因此获得的测量值具有较高的稳
定性。运算公式如下：
������������
=
������������−1
+
X������
− ������������−1 A
Xn: 测量区间内第 n 次的采样数据。 Yn: 测量区间内第 n 次指数平均的输出值。 Yn-1: 测量区间内第 n-1 次指数平均的输出值。 A: 常数。
通过多重迭代该公式求取测量值，迭代的运算量较大，使用 FPGA 来完成计算处理。
深圳分公司
深圳市福田区深南中路 2072 号电子大厦 12 楼 电话：(0755)83640169 83783155
上海分公司：杭州
杭州市天目山路 217 号江南电子大厦 502 室 电话：(0571)89719491 89719493
武汉分公司
武汉市洪山区广埠屯珞瑜路 158 号 12128 室（华中 电脑数码市场） 电话：(027)87168497 87168397
但是对于有些情况下的测量，如交流变频器效率测量，其输入是单相交流信号，输出是 频率不同于输入的三相交流信号，如图 1.2 所示，这种情况下如果使用 ASSP 模式进行同步 源设置，两边如果选择同一个同步源，则一定会出现输入或者输出信号不是完整周期的情况， 如果分别选择同步源，则会出现输入和输出的计算区间不同、时间上不同步的现象，所以这 种情况下使用同步源进行整个周期同步测量时可能会出现效率测量结果不准确和跳动较大 的现象。
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 3
广州致远电子有限公司
波形采样
功率分析仪
图 2.2 两种抽取方式示意图
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. 4
广州致远电子有限公司
Application Note
功率分析仪波形采样及计算
功率分析仪
AN01010101 V1.01 Date: 2017/09/20
产品应用笔记
类别 关键词 摘要
内容 ASSP；EAMP；功率分析仪；波形采样
功率分析仪波形采样及计算
广州致远电子有限公司
广州致远电子有限公司
修订历史
版本 V1.00 V1.01
产品应用笔记
©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Co., Ltd. i
广州致远电子有限公司
波形采样
功率分析仪
1. 波形采样的计算方式区间
功率分析仪采样的数据计算方式主要有两种：ASSP 和 EAMP。 ASSP 是 Average for the Synchronous Source Period 的缩写，翻译成汉语是同步源区间简 单平均法。该方法通过频率测量回路检测出设为同步源输入信号的周期，并将该周期的整数 倍区间设为测量区间，对测量区间内的采样数据进行简单平均运算，使用各种运算公式计算 得出最终的测量结果。它需要设定同步源，也需要正确检测出设为同步源信号的周期，否则 可能会出现测量不稳定，或者不准确的现象。
销售与服务网络
波形采样
功率分析仪
广州致远电子有限公司
地址：广州市天河区车陂路黄洲工业区 7 栋 2 楼 邮编：510660 网址：
全国销售与服务电话：400-888-4005
Hale Waihona Puke 全国服务电话：400-888-4005
销售与服务网络： 广州总公司
广州市天河区车陂路黄洲工业区 7 栋 2 楼 电话：(020)28267985 22644261
重庆分公司
重庆市九龙坡区石桥铺科园一路二号大西洋国际大 厦（赛格电子市场）2705 室 电话：(023)68796438 68797619
成都分公司
成都市一环路南二段 1 号数码科技大厦 403 室 电话：(028)85439836 85432683
西安办事处
西安市长安北路 54 号太平洋大厦 1201 室 电话：(029)87881295 87881296
图 2.1 采样混淆
当被测信号频率和采样率之间是整数倍关系的情况下，则对于整个更新周期内，采样率 都是固定出现在被测信号的固定位置上，采样获取被测信号的信息量是很有限的一部分，无 法获取被测信号的全部信息，结果就会出现测量不准确和跳动的现象。当采样率和被测信号 之间无整数倍关系时，采样点会按照每个周期的时间累积等概率的出现在被测信号的全部波 形上，则可以获取被测信号的全部有效信息，从而计算得出被测信号的准确的测量结果。
上海分公司：上海
上海市北京东路 668 号科技京城东楼 12E 室 电话：(021)53865521 53083451
北京分公司
北京市海淀区知春路 108 号豪景大厦 A 座 19 层 电话：(010)62536178 62635573
上海分公司：南京
南京市珠江路 280 号珠江大厦 1501 室 电话：(025)68123923 68123920
2. 随机采样...................................................................................................................3
2.1
波形抽取方式 ........................................................................................................... 3