功率表及功率分析仪工作原理及区别

一功率表工作原理

1功率表的电压电流测量

功率表的电压电流测量通常采用下述三种方式之一

a、均值检波法

采用均值检波法将交流正弦波电量变换为与其绝对均值成正比的直流电量，测量电路简单，测量结果乘以正弦波的波形因数变换为被测电量的有效值。正弦波的波形因数为：√2π/2≈1.1107。

均值检波法利用了正弦波的波形因数，因此，只能测量正弦波或波形因数与正弦波相同的其它波形。

b、峰值检波法

采用峰值检波法将交流正弦波电量变换为与其峰值成正比的直流电量，测量电路简单，测量结果除以正弦波的峰值因数变换为被测电量的有效值。正弦波的峰值因数为：√2≈1.414。

峰值检波法利用了正弦波的峰值因数，因此，只能测量正弦波或峰值因数与正弦波相同的其它波形。

图1 峰值检波功率表工作原理

由于峰值检波电路输出为相当于信号半波的包络线，也称包络检波电路。

c、真有效值法

采用真有效值转换电路将交流电量转换为与其有效值成正比的直流电量，直流电量可直接反应被测交流电量的有效值，该法适用任意波形交流电量有效值的测量，也适用直流电量的测量。真有效值转换电路有专业的IC，常用IC有AD637、AD536、AD737、AD736、LTC1966、LTC1967、LTC1968等。电能表专用集成电路CS5460测量的也是电压、电流的真有效值。

2功率表的有功功率工作原理

功率表的有功功率测量通常在时域内完成。大致可分为下述两种方法：

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

根据有功功率通用计算公式：

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。

二功率分析仪工作原理详解

下图为典型的功率分析仪工作原理框图：

图2 功率分析仪工作原理

目前基波及谐波测量主要采用离散傅里叶变换，离散傅里叶变换的前提是得到信号的离散时间数字信号样本序列（简称数字信号），数字信号通过AD采样完成，AD采样针对的是与原始信号成比例的信号，通常为交流信号，为了与功率表的直流AD采样进行区分，习惯称这种方式为交流采样方式。交流信号的特点是幅值和方向不断变化，因此，交流采样应该具备足够高的采样率，否则，会错过信号的变化细节。

按照采样定理的要求，只要交流采样的采样频率高于信号带宽上限频率的两倍，就可以通过采样获取的数字信号不失真（不考虑采样误差的影响）地还原被测信号。由于采样频率不能无限制的提高，通常为了确保在各种输入信号的情况下都能满足采样定理的要求，在AD采样之前还需加上抗混叠滤波器，抗混叠滤波器的截止频率低于采样频率的1/2，以此保证采样频率满足采样定理的要求。

傅里叶变换的基本思想是：满足狄利克雷收敛条件的周期信号（工程上遇到的周期信号均能满足）可以分解为频率为基波频率（信号频率）整数倍的若干正弦波的线性组合。从而将复杂的信号用不同幅值、频率和相位的简单的正弦波表示。

值得注意的是，傅里叶变换本身并不具备识别基波频率的能力，而是将傅里叶时间窗的长度作为基波周期，基波频率等于基波周期的倒数。傅里叶时间窗的长度是人为给出的，例如，采样频率为250kHz（采样周期为4uS），数字信号样本数位5000个，那么，傅里叶时间窗的长度为4*5000=20000uS=20mS=0.02S，基波频率为50Hz。

因此，进行傅里叶变换前，需要知道信号的周期，这个功能由同步源电路完成。

抗混叠滤波器保证了采样频率满足采样定理，AD在同步源电路的控制下，将电压、电流的模拟信号转变为数字信号，微处理器对数字信号进行离散傅里叶变换。

离散傅里叶变换包括快速傅里叶变换(FFT)和普通傅里叶变换(DFT)两种方式，FFT对DFT在算法上的一种优化，优化的结果是运算速度更快，而优化的前提是参与FFT的数字信号样本数必须等于2^N。

样本数同时受信号周期和2^N的约束，这种约束由同步源电路实现，即：同步源电路获取信号频率f1之后，产生2^N*f1的采样频率，确保进入傅里叶时间窗的数字信号既满足整周期的要求，也满足样本数为2^N的要求。

若微处理器的运算速度足够高，可以直接采用DFT，这样，就可以不受样本数为2^N的约束。

三功率分析仪与功率表的区别

概括的讲，功率分析仪是功率表的升级产品，包括了功率表的有功功率测量的功能，并且功能更强、适用面更广。

图3 WP4000变频功率分析仪和DP800数字功率表

功能上讲，功率表大多只能适用正弦电路的功率测量。即便是可以测量非正弦电路功率的功率表，也只能测量出电压、电流真有效值和总有功功率。

在非正弦电功率测量的实际应用中，除了电压、电流真有效值和总有功功率之外，我们还希望了解电压、电流的基波有效值、总谐波含量、各次谐波的幅值、基波功率及各次谐波的功率。

功率分析仪可以测量正弦和非正弦电路的有功功率，还可测量非正弦电路的基波功率和谐波功率。

换言之，前者主要处理正弦信号，后者可以处理正弦和非正弦信号。

或者说，前者对非正弦信号的处理功能较弱，只能观其大概（信号的真有效值和有功功率），后者可以通过频域分析了解信号的详细构造（谐波幅值和谐波功率）。

频域分析的特点是准确但过于抽象，频域分析让我们对信号的内部构造和细节进行准确的量化，但不够直观！

观测实时波形可以最快的速度形象地了解未知的复杂信号，建立感性认识，许多时候还可以利用观测的波形进行故障诊断或干扰排除，实时波形属于时域分析。

基于上述需求，功率分析仪除了应该具备功率表的电压、电流有效值测量、总有功功率的测量之外，还应具备时域分析和频域分析两大功能。

从功率表和功率分析仪工作原理上看，基于频率域的谐波分析是功率分析仪区别于功率表的和关键之处，从信号的复杂程度看，除了最简单的直流信号和标准正弦波之外，其它信号均包含两种以上的频率成分，频域分析是深入了解信号的主要手段，某些功率分析仪不具备基波测量功能和谐波分析功能，与功率表相比，主要区别仅仅在屏幕的大小和显示的多样性上，只能算豪华版功率表，未免愧对“分析”二字！

审核编辑 黄宇