电力计一般philips中文课件

功率测量横河电机株式会社通信・测量仪器事业部基本计测仪器开发中心1功率测量横河电机株式会社1目录●功率测量的基本

功率计的测量原理

失真波形的功率

谐波测量2目录●功率测量的基本2功率测量的基本功率计的测量原理3功率测量的基本功率计的测量原理3基本：・电压有效值、电流有效值、功率测量（有效功率、皮相功率、无效功率）、功率因素、相位差、效率・电压以及电流的频率（交流的情况）・累积电流量（Ah）、累积功率量（Wh）测量（WT3000的话、VAh，varh也可实现）・谐波（电压有效值、电流有效值、功率基本波形成分、各次数成分、综合谐波失真率等）应用：・电压、电流波形显示・发动机评价（扭矩、旋转速度、发动机功率、发动机效率等）功率计的测量项目注意「谐波测量」和「一般测量（非谐波测量的测量）」的测量原理不同。稍后在谐波的介绍之前,都是针对于一般测量的说明4基本：功率计的测量项目注意4电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形通过LPF实现平均化＊平均化方式有效功率u(t)i(t)u(t)×i(t)功率测量原理5电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形通过LPF实现平均化＊平电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形在1个周期或数周期间平均化＊有效功率u(t)i(t)u(t)×i(t)需要正确验出周期,但是原理上有1个周期的话,就能运算出有效功率,故可实现高速化平均化方式

功率测量原理6电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形在1个周期或数周期间平均交流信号的实效值、平均值有效值

与直流相比拥有相同能源的值RMSRootMeanSquare平均值

整流后平均的值MEAN（RectifiedMean）振幅值实效值振幅率=（振幅系数）正弦波的情况１．４１=（振幅系数）１４１Ｖ１００Ｖ7交流信号的实效值、平均值有效值平均值振幅值振幅率=正弦波的情电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形＊u(t)|u(t)|u(t)2交流电压、电流的测量原理平方根系数8电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形＊u(t)|u(t)|u为了模拟运算、显示输入信号,进行Ａ／Ｄ变换模拟功率计模拟运算式功率计（2533＆2533E）内部构成电压输入电路模拟计算电路低通滤波器变压器部DMM部CT绝缘CPU等数据处理A/D变换器波形输出模拟（DC）输入RMSMEANDCRMSMEANDC乘法计算器电流输入电路CT绝缘模拟电路多、容易受到时间变化及元件不一的影响。因为线路LPF的方式（平均化方式１）低通滤波器的时间常数的错误会引起电压,电流间应答的错误应答时间慢。9为了模拟运算、显示输入信号,进行Ａ／Ｄ变换模拟功率计模拟运数字功率计数字式功率计内部构成输入信号变换成Ａ／Ｄ之后、用ＤＳＰ运算并显示模拟电路少、容易广带宽化、高精度化。特长电压输入电路电流输入电路A/D变换器A/D变换器photocoupler

绝缘高速A/D部DSP平均化处理CPU接口等DSP&CPU部通过数字化,可实现平均化处理的多样化

将「平均化方式１」的LPF时间常数进行数字过滤化后最优化

可对应「平均化方式２」的区间平均电压-电流-功率间的相互关系得到维持。通过对数字数据进行运算处理简单实现高功能化photocoupler

绝缘10数字功率计数字式功率计内部构成输入信号变换成Ａ／Ｄ之后、用ＤYOKOGAWA的功率计自1980年后半期起到1990年前半期1996DigitalPowerMeter

2533DigitalPowerMeter

2531WT2000DigitalPowerMeter

WT110/130/1000199620012005PrecisionPowerAnalyzer

WT3000DigitalPowerMeter

WT1600模拟方式数字方式平均化方式2

(ASSP)数字方式

平均化方式１(EAMP)新数字方式

ASSP+EAMPWT210/2302002199311YOKOGAWA的功率计自1980年后半期起到1990年前电压U电流I有效功率PActivePowerUIcosφRMS输入直接入电阻元件时的消费功率直流和、为发生相等能源的交流值MEAN正弦波输入时获得RMS计算和相同值的简易计算方式DC单纯平均电压・电流的测量交流的电压・电流测量的方式电压、电流可更改测量模式。有效功率测量与测量模式的设定无关。12有效功率PRMSMEANDC电压・电流的测量交流的电压・电有效功率以外的测量项目无效功率 Q(Var) = U×I×sinφ Reactivepower皮相功率 S(VA) = U×I Apparentpower功率因数λ(PF) = cosφ PowerFactor相位 φ = cos-1（λ） PhaseAngle皮相功率S(VA)无效功率Q(Var)有效功率P(W)φS(VA),P(W),Q(Var)的关系S(VA)2=P(W)2+Q(Var)2自电压、电流、有效功率测量值运算得出。电压・电流模式的设定Q、S、λ不同。其他的功率测量项目电压、电流、有效功率自瞬间数据开始运算13有效功率以外的测量项目无效功率 Q(Var) = U×交流型号的实效、平均值振幅值实效值振幅率=（振幅系数）正弦波的情况１．４１=（振幅系数）１４１Ｖ１００ＶADC电压输入ADC或输入电路的动态范围输入范围限定输入最高输入允许范围输入最高允许值输入范围限定值振幅系数=交流信号的振幅系数測定器的振幅系数Q）用振幅系数3的测量仪器

测量振幅系数的波形？A)只要扩大范围就可以。例）100Vrms振幅5的波形500Vpk

振幅3100V范围

到300Vpk

振幅3300V范围

到900Vpk14交流型号的实效、平均值振幅值振幅率=正弦波的情况１．４功率测量的基本失真波形的功率15功率测量的基本失真波形的功率15失真

谐波110203040次数谐波分析结果基本波形３次谐波周期性的失真波形５次谐波＝＋＋＋‥与失真波形的周期相同的正弦波失真波形的整数倍的频率的正弦波周期性的失真波形是产生于合成复数的正弦波的波形谐波的

大小周期性的失真波形可用基本波形的整数倍的频率合成来表示16失真谐波110203040次数谐波分析结果基本波形３次谐失真波形的有效值失真波形的实效值是各频率成分的实效值的2平方根求得的。“重叠的原理’如果成立的话、针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。失真波形的实效值17失真波形的有效值失真波形的实效值是各频率成分的实效值的2平方失真波形的误差主因方形波（ＤＵＴＹ５０％）誤差［％］測定高調波次数上限２１０．５０．２０．

１０．０５第５次第９次第２１次第４１次第１０１次第２０５次第４００次三角波誤差［％］測定高調波次数上限１０．２０．１第１次第３次第５次失真波形里连高频率成分也包含着,测量仪器的带宽如果没有延伸到高频率就容易成为误差的原因。理论上,三角波形的话,需要基本波形的5倍以上的带宽,方形波形的情况,需要200倍左右的带宽。并且不仅仅是带宽、还必须要注意在高频率状态下的测量精度。５失真波形的测量带宽18失真波形的误差主因方形波（ＤＵＴＹ５０％）誤差［％］測定高調失真波形的功率失真波形的功率是由相同频率成分的电压・电流以及功率的累积总和所得到。“重叠的原理”如果成立的话、针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。失真波形的有效功率19失真波形的功率失真波形的功率是由相同频率成分的电压・电流以及失真波形的功率电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分P（１）U（１）因波形失真,功率减小。（变成不是cosφ。）Total的功率称为「综合功率」以作区别。I（1）I（３）I（５）I（7）I（9）对于失真波形的无效功率没有正确的定义20失真波形的功率电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分功率测量的基本谐波测量21功率测量的基本谐波测量21FFT谐波的测量波形（时间领域）通过FFT运算切换成频率、测量各频率成分。失真波形FFT计算ｆ3ｆ5ｆ7ｆ基本波形ｆ谐波3f谐波5f谐波7fWT的话，将电压･电流的各频率成分用实效值来表示22FFT谐波的测量波形（时间领域）通过FFT运算切换成频率、Fourier变换uuririｊuｊiFourier级数「所有的周期函数可用三角函数的和来记述。」Fourier积分「将周期扩张到无限大，尽可能利用于所有的函数。」Fourier变换对波形的时间函数进行Fourier积分的话，频率函数X(f)被导出

只采集信号频率之方法φ电压实效值有效功率无效功率相位Fourier变换电流实效值与一般测量的测量方法不同。23Fourier变换uuririｊuｊiFourier级数只采衰减器放大器A-D转换器内存显示线路时间轴CPUclock条件

采样时钟 f（Hz）FFT点数 N采样时钟 100kHzFFT点数 1000最大分析频率 50kHz频率分辨率 100Hz 10020030040050060049,50049,60049,70049,80049,90050,000・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(Hz)Fourier变换实现案例FFT最大分析频率 f/2(Hz)频率分辨率 f/N(Hz)24衰减器A-D内存显示时间轴CPUcloFFT运算和谐波测量窗口配合输入信号的周期，一旦决定采样速度就可正确测量输入周期的整数倍谐波。例：基本波形50Hz的情况采样频率基本波形频率＊900＝45000Hz

FFT数据数：9000点分析窗幅1012169000点900点3.75Hz60Hz180HzFFT运算结果120Hz25FFT运算和谐波测量窗口配合输入信号的周期，一旦决定采样速度谐波测量

通过Fourier变换输入电压、电流波形

可直接算出特定频率成分的电压、电流、有效功率、无效功率。电压

电流有效功率无效功率皮相功率功率因素皮相功率S(VA)无效功率Q(Var)有效功率P(W)φ每个频率成分都构成U,I,P,Q,S的关系k次のFFT結果電圧実数部k次のFFT結果電圧虚数部k次のFFT結果電流実数部k次のFFT結果電流虚数部k次26谐波测量通过Fourier变换输入电压、电流波形电压YOKOGAWA的功率计50/60Hz10kHz100kHz1MHz1kHz0.11.0测量宽带功率基本精度[%]QA/评价测试市场R&D市場保养维修市场

面向现场（野外/Line）WT3000

精度：0.06%

宽带：DC,0.1Hz～1MHzWT2000

精度：0.08%

宽度：DC,2Hz～300kHzPZ4000

精度：0.125%带宽：DC～2MHzWT210/WT230

精度：0.2%

带宽：DC,0.5Hz～100kHz面向试验台（测试/开发）市场WT1600

精度：0.15%

带宽：DC,0.5Hz～1MHzCW140/CW240（M&C产品)27YOKOGAWA的功率计50/60Hz10kHz100kHz振幅值实效值振幅率=（振幅系数）正弦波的情况１．４１=（振幅系数）１４１Ｖ１００ＶADC电压输入ADC输入的最大峰值输入的实效值振幅系数=交流信号的振幅系数真的输入原因外来噪音测量仪器内部线路噪音ADC的采集WT1600/WT3000 約200kSpsPZ4000 最大5MSps（根据设定）未能正确获得峰值的主因１未能正确获得峰值的主因２噪音重叠←依存于测量仪器及测量范围采集速度越快越能正确获得。若是迂回波形、长时间测量的话,在平均化效果上即使采集速度很慢却能捕捉峰值。28振幅值振幅率=正弦波的情况１．４１=１４１ＶADADC电压输入ADC输入的最大峰值输入的实效值振幅系数=在10Vrms的10kHz的正弦波上重叠1Vrms的100kHz的正弦波（噪音）的情况下○ADC输入的最大峰值

10Vrmsの10kHz的正弦波的峰值14.142Vpk1Vrmsの100kHz的正弦波的峰值1.414Vpk

统合的峰值15.556Vpk○输入的实效值

10Vrms和1Vrms的实效值10.05Vrms真的振幅系数 1.4142实际测量的振幅系数 1.5478原理上噪音重叠的情况分子方的影响大29ADC电压输入ADC输入的最大峰值振幅系数=在10Vrms电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分P（１）U（１）I（1）I（３）I（５）I（7）I（9）失真波形在通常模式下的功率测量结果谐波在测量模式下的功率测量结果功率测量原理上的问题30电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分P（１）功率测量横河电机株式会社通信・测量仪器事业部基本计测仪器开发中心31功率测量横河电机株式会社1目录●功率测量的基本

功率计的测量原理

失真波形的功率

谐波测量32目录●功率测量的基本2功率测量的基本功率计的测量原理33功率测量的基本功率计的测量原理3基本：・电压有效值、电流有效值、功率测量（有效功率、皮相功率、无效功率）、功率因素、相位差、效率・电压以及电流的频率（交流的情况）・累积电流量（Ah）、累积功率量（Wh）测量（WT3000的话、VAh，varh也可实现）・谐波（电压有效值、电流有效值、功率基本波形成分、各次数成分、综合谐波失真率等）应用：・电压、电流波形显示・发动机评价（扭矩、旋转速度、发动机功率、发动机效率等）功率计的测量项目注意「谐波测量」和「一般测量（非谐波测量的测量）」的测量原理不同。稍后在谐波的介绍之前,都是针对于一般测量的说明34基本：功率计的测量项目注意4电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形通过LPF实现平均化＊平均化方式有效功率u(t)i(t)u(t)×i(t)功率测量原理35电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形通过LPF实现平均化＊平电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形在1个周期或数周期间平均化＊有效功率u(t)i(t)u(t)×i(t)需要正确验出周期,但是原理上有1个周期的话,就能运算出有效功率,故可实现高速化平均化方式

功率测量原理36电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形在1个周期或数周期间平均交流信号的实效值、平均值有效值

与直流相比拥有相同能源的值RMSRootMeanSquare平均值

整流后平均的值MEAN（RectifiedMean）振幅值实效值振幅率=（振幅系数）正弦波的情况１．４１=（振幅系数）１４１Ｖ１００Ｖ37交流信号的实效值、平均值有效值平均值振幅值振幅率=正弦波的情电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形＊u(t)|u(t)|u(t)2交流电压、电流的测量原理平方根系数38电压输入波形电流输入波形瞬间功率波形＊u(t)|u(t)|u为了模拟运算、显示输入信号,进行Ａ／Ｄ变换模拟功率计模拟运算式功率计（2533＆2533E）内部构成电压输入电路模拟计算电路低通滤波器变压器部DMM部CT绝缘CPU等数据处理A/D变换器波形输出模拟（DC）输入RMSMEANDCRMSMEANDC乘法计算器电流输入电路CT绝缘模拟电路多、容易受到时间变化及元件不一的影响。因为线路LPF的方式（平均化方式１）低通滤波器的时间常数的错误会引起电压,电流间应答的错误应答时间慢。39为了模拟运算、显示输入信号,进行Ａ／Ｄ变换模拟功率计模拟运数字功率计数字式功率计内部构成输入信号变换成Ａ／Ｄ之后、用ＤＳＰ运算并显示模拟电路少、容易广带宽化、高精度化。特长电压输入电路电流输入电路A/D变换器A/D变换器photocoupler

绝缘高速A/D部DSP平均化处理CPU接口等DSP&CPU部通过数字化,可实现平均化处理的多样化

将「平均化方式１」的LPF时间常数进行数字过滤化后最优化

可对应「平均化方式２」的区间平均电压-电流-功率间的相互关系得到维持。通过对数字数据进行运算处理简单实现高功能化photocoupler

绝缘40数字功率计数字式功率计内部构成输入信号变换成Ａ／Ｄ之后、用ＤYOKOGAWA的功率计自1980年后半期起到1990年前半期1996DigitalPowerMeter

2533DigitalPowerMeter

2531WT2000DigitalPowerMeter

WT110/130/1000199620012005PrecisionPowerAnalyzer

WT3000DigitalPowerMeter

WT1600模拟方式数字方式平均化方式2

(ASSP)数字方式

平均化方式１(EAMP)新数字方式

ASSP+EAMPWT210/2302002199341YOKOGAWA的功率计自1980年后半期起到1990年前电压U电流I有效功率PActivePowerUIcosφRMS输入直接入电阻元件时的消费功率直流和、为发生相等能源的交流值MEAN正弦波输入时获得RMS计算和相同值的简易计算方式DC单纯平均电压・电流的测量交流的电压・电流测量的方式电压、电流可更改测量模式。有效功率测量与测量模式的设定无关。42有效功率PRMSMEANDC电压・电流的测量交流的电压・电有效功率以外的测量项目无效功率 Q(Var) = U×I×sinφ Reactivepower皮相功率 S(VA) = U×I Apparentpower功率因数λ(PF) = cosφ PowerFactor相位 φ = cos-1（λ） PhaseAngle皮相功率S(VA)无效功率Q(Var)有效功率P(W)φS(VA),P(W),Q(Var)的关系S(VA)2=P(W)2+Q(Var)2自电压、电流、有效功率测量值运算得出。电压・电流模式的设定Q、S、λ不同。其他的功率测量项目电压、电流、有效功率自瞬间数据开始运算43有效功率以外的测量项目无效功率 Q(Var) = U×交流型号的实效、平均值振幅值实效值振幅率=（振幅系数）正弦波的情况１．４１=（振幅系数）１４１Ｖ１００ＶADC电压输入ADC或输入电路的动态范围输入范围限定输入最高输入允许范围输入最高允许值输入范围限定值振幅系数=交流信号的振幅系数測定器的振幅系数Q）用振幅系数3的测量仪器

测量振幅系数的波形？A)只要扩大范围就可以。例）100Vrms振幅5的波形500Vpk

振幅3100V范围

到300Vpk

振幅3300V范围

到900Vpk44交流型号的实效、平均值振幅值振幅率=正弦波的情况１．４功率测量的基本失真波形的功率45功率测量的基本失真波形的功率15失真

谐波110203040次数谐波分析结果基本波形３次谐波周期性的失真波形５次谐波＝＋＋＋‥与失真波形的周期相同的正弦波失真波形的整数倍的频率的正弦波周期性的失真波形是产生于合成复数的正弦波的波形谐波的

大小周期性的失真波形可用基本波形的整数倍的频率合成来表示46失真谐波110203040次数谐波分析结果基本波形３次谐失真波形的有效值失真波形的实效值是各频率成分的实效值的2平方根求得的。“重叠的原理’如果成立的话、针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。失真波形的实效值47失真波形的有效值失真波形的实效值是各频率成分的实效值的2平方失真波形的误差主因方形波（ＤＵＴＹ５０％）誤差［％］測定高調波次数上限２１０．５０．２０．

１０．０５第５次第９次第２１次第４１次第１０１次第２０５次第４００次三角波誤差［％］測定高調波次数上限１０．２０．１第１次第３次第５次失真波形里连高频率成分也包含着,测量仪器的带宽如果没有延伸到高频率就容易成为误差的原因。理论上,三角波形的话,需要基本波形的5倍以上的带宽,方形波形的情况,需要200倍左右的带宽。并且不仅仅是带宽、还必须要注意在高频率状态下的测量精度。５失真波形的测量带宽48失真波形的误差主因方形波（ＤＵＴＹ５０％）誤差［％］測定高調失真波形的功率失真波形的功率是由相同频率成分的电压・电流以及功率的累积总和所得到。“重叠的原理”如果成立的话、针对原基本波形,形成直流成分和谐波的失真波形就以下的数字公式表现。失真波形的有效功率49失真波形的功率失真波形的功率是由相同频率成分的电压・电流以及失真波形的功率电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分P（１）U（１）因波形失真,功率减小。（变成不是cosφ。）Total的功率称为「综合功率」以作区别。I（1）I（３）I（５）I（7）I（9）对于失真波形的无效功率没有正确的定义50失真波形的功率电压波形电流波形频率成分频率成分功率

频率成分功率测量的基本谐波测量51功率测量的基本谐波测量21FFT谐波的测量波形（时间领域）通过FFT运算切换成频率、测量各频率成分。失真波形FFT计算ｆ3ｆ5ｆ7ｆ基本波形ｆ谐波3f谐波5f谐波7fWT的话，将电压･电流的各频率成分用实效值来表示52FFT谐波的测量波形（时间领域）通过FFT运算切换成频率、Fourier变换uuririｊuｊiFourier级数「所有的周期函数可用三角函数的和来记述。」Fourier积分「将周期扩张到无限大，尽可能利用于所有的函数。」Fourier变换对波形的时间函数进行Fourier积分的话，频率函数X(f)被导出

只采集信号频率之方法φ电压实效值有效功率无效功率相位Fourier变换电流实效值与一般测量的测量方法不同。53Fourier变换uuririｊuｊiFourier级数只采衰减器放大器A-D转换器内存显示线路时间轴CPUclock条件

采样时钟 f（Hz）FFT点数 N采样时钟 100kHzFFT点数 1000最大分析频率 50kHz频率分辨率 100Hz 10020030040050060049,50049,60049,70049,80049,90050,000・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(Hz)Fourier变换实现案例FFT最大分析频率 f/2(Hz)频率分辨率 f/N(Hz)54衰减器A-D内存显示时间轴CPUcloFFT运算和谐波测量窗口配合输入信号的周期，一旦决定采样速度就可正确测量输入周期的整数倍谐波。例：基本波形50Hz的情况采样频率基本波形频率＊900＝45000Hz

FFT数据数：9000点分析窗幅1012169000点900点3.75Hz60Hz180HzFFT运算结果120Hz55FFT运算和谐波测量窗口配合输入信号的周期，一旦决定采样速度谐波测量

通过Fourier变换输入电压、电流波形

可直接算出特定频率成分的电压、电流、有效功率、无效功率。电压

电流有效功率无效功率皮相功率功率因素皮相功率S(VA)无效功率Q(Var)有效功率P(W)φ每个频率成分都构成U,I,P,Q,S的关系k次のFFT結果