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幾乎任何電源專案都會需要的工具
設計任何電力轉換系統都需要測量大量電氣參數，這些參數通常需要實驗室裡一整套儀器來完成。精密功率分析儀將這些測量整合到單一儀器中，取代了電錶、示波器、圖表記錄器、諧波分析儀及其他設備。
本文將簡要介紹高效能功率分析儀的功能與能力。這些功能的範例及其應用將參考Vitrek PA9xx系列精密功率分析儀操作手冊中的細節說明。
什麼是電力分析儀？
電力分析儀是一類電子儀器，它結合了精密的測量與記錄功能，用於設計及評估產生、轉換和消耗電能系統中各種關鍵參數。
參數包括電壓、電流、頻率、諧波、射頻干擾/電磁干擾(RFI/EMI)、功率、效率及其他。除了執行這些測量外，功率分析儀通常具備儲存設定資料、產生報告、以數位方式與外部裝置及其他功率分析儀溝通，進行複雜系統的測試與存檔的能力。有些功率分析儀內建功能，用於測試設備是否符合效率及排放標準。
簡言之，功率分析儀不只是測量與顯示功能的集合。這些儀器將這些功能整合為一個完整的工具，為設計製造電力電子設備不可或缺。
電力分析儀的功能
圖1. 功率分析儀螢幕旨在顯示測試設定、測量值的數位顯示以及資料的示波器呈現.
透過結合一系列儀器的特性和功能，功率分析儀不僅能夠測量各種參數，還能以有用和有效的方式顯示資訊，儲存測試設定資訊和擷取的資料，並通訊/同步資訊.
圖1呈現了功率分析儀螢幕上通常可用的資料樣本. 頂部圖像顯示了電源轉換設備交流輸入的即時資料：輸入功率（W、VA和VAR）、功率因數、電壓（V）、電流（A）和頻率. 左側顯示器繪製了轉換器輸出端的諧波含量以及總諧波失真（THD）值. 右側顯示器顯示了可調速驅動器的單相交流電壓和電流. 通常還有許多其他顯示選項，包括電壓和電流的三相向量顯示、歷史資料、諧波含量的條形圖以及其他有用資訊.
電力分析儀應用
透過結合一系列儀器的特性和功能，功率分析儀不僅能夠測量各種參數，還能以有用和有效的方式顯示資訊，儲存測試設定資訊和擷取的資料，並通訊/同步資訊. 功率分析儀常用於以下應用：
- 交流轉直流電源 – 輸入功率因數、湧入電流、效率、諧波、EMC輻射/符合性、電流、功率.
- 直流-直流轉換器 – 功率因數、效率、諧波、EMC輻射/符合性、電流、功率、漣波.
- 馬達 – 湧入、效率、功率、頻率、相圖、速度/扭矩/方向傳感器（類比和數位）.
- 可調速馬達驅動器 – 效率、諧波、頻率、功率、波峰因數、符合性.
- LED電源 – 功率因數、漣波、功率、效率.
- 太陽能發電系統 – 峰值功率點、電壓、效率.
- 不斷電供應系統 – 功率因數、效率、輸出電壓、輸出頻率、諧波、相間測量和相角.
- 電池充電器 – 輸入功率因數、效率、諧波、EMC輻射符合性、電流、功率、漣波.
- 電動車電源系統 – 效率、功率、電壓、充電電流.
- 家電/HVAC系統 – 待機功率測量和測試（例如EN50564）、功率因數、效率、EMC輻射符合性.
示波器擷取和歷史記錄是設計和開發過程中短期或長期特性分析的寶貴工具. 除了這些產品設計、開發和製造應用之外，現場的功率分析儀也用於故障排除和評估運行中系統的性能.
電力分析儀配置
許多基本應用需要使用單個功率分析儀. 大多數分析儀都提供多相測量功能. 在本節中，將描述幾個需要應用一個或多個功率分析儀的應用.
需要雙功率分析儀的典型應用列表包括以下內容：
- 交流轉直流電源（單輸出或多輸出）
- 直流轉直流電源（單輸出或多輸出）
- DEC或固定頻率交流供電的可變或固定速度馬達驅動器 功率變壓器（單相或多相）
- 照明鎮流器（大多數類型）
- 備用或備用電源（交流或直流）
- 光伏發電機（直流輸入；直流或交流輸出）
- 電動車牽引馬達/發電機驅動系統
- 照明鎮流器（大多數類型）
需要3個功率分析儀才能完全表徵性能的電子系統範例包括：
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應急照明鎮流器（大多數類型）
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備用電源（交流或直流）
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帶輔助備用電源的太陽能系統
虛擬電力分析儀（VPA）——更好的解決方案
Power Analzyer White Paper Fig 5
本文所提供的信息旨在讓讀者對功率分析儀在電源轉換系統設計、開發和分析中的實用性和有效性有一個基本的了解。在許多情況下，應用需要使用多個功率分析儀來完成手頭的任務。雖然幾乎所有功率分析儀都提供可以處理單相或多相輸入的版本，但只有Vitrek功率分析儀能夠在同一儀器中集成獨立的功率分析儀。Vitrek通過將設備中的每個通道實質上變成一個獨立的功率分析儀通道，進一步發展了這一概念。通道可以組合成虛擬功率分析儀（VPA），使單個設備在某些應用中能夠執行多個儀器的工作。
以下是Vitrek PA9xx系列4通道功率分析儀的性能特點簡短列表：
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電源頻率測量：直流和0.01Hz至超過1MHz（W通道）或100kHz（L、A或S通道）的電源頻率
- N x 1Ø可達4個交流或直流電源
- 2Ø 3W和3Ø 4W測量來自相電流的中性電流
- 3Ø 3W可使用2瓦特計或3瓦特計方法
- 2Ø 3W、3Ø 3W（3通道）和3Ø 4W除了測量單個相電壓外，還測量相間電壓
- 對於3Ø 3W和3Ø 4W，分別進行星形（3Ø 4W）和三角形（3Ø 3W）電壓轉換
- 功率可以雙向流動，分別集成每個方向的功率（每相和總計）以及總功率
- 除了單個相外，還測量總功率（W、VA、VAR和PF）
- 電壓、電流和功率測量保持最大值
- 每個信號的諧波分析高達500次諧波，<435kHz（W通道）或<115kHz（L、A或S通道）
內置合規性測試
本文值得一提的一個特殊功能是針對各種行業領先的環境性能標準的內置合規性測試。這些合規性測試集成在Vitrek的PA9xx系列功率分析儀中，可從觸摸屏選擇。測試結果也可以顯示在觸摸屏上，無需基於PC的軟件。此顯示功能顯著改善了執行這些關鍵測試時的用戶界面和效率。工程師和技術人員可以靈活地在測試站使用觸摸屏，如果需要，也可以使用軟件。Vitrek功率分析儀的內置合規性測試支持環境/性能標準，包括：
- EN60034-2-1:2014（電機驅動器）
- EN50564:2011（待機功率）
- EN61000-3-2和3-12和4-7（諧波發射）
- RTCA DO-160E/F/G（航空電子設備）
- 波音787B3-0147
- 空客ABD0100.1.8（A380）和ABD0100.1.8.1（A350）
本文的範圍不包括詳細介紹這些儀器的所有功能，有關功能和規格的詳細審查，請訪問Vitrek網站的功率分析儀部分。
VPA應用示例
Vitrek VPA架構的一些示例將說明這種方法的便利性和經濟性：
電源
具有三相交流輸入和直流輸出的交流-直流電源可以使用單個4通道PA9xx功率分析儀進行分析。三個通道將組合成一個VPA，用於測量和記錄三相輸入。第四個通道將測量直流輸出。所有輸入/輸出測量，包括效率，都包含在一個設備中，無需任何外部同步。
電動汽車驅動系統
電動汽車驅動系統的性能分析可以通過將兩個通道分配給電池與電源轉換器之間的接口，並將兩個通道作為第二個分析儀分配給電源轉換器與電機之間來完成。
光伏（PV）逆變器
PV 電池的輸出（直流）可在四個可用通道中的一個上監控，而三相交流輸出（電力調節器逆變器和轉換器的輸出）則可使用剩餘的三個通道監控。藉此，可利用電源分析儀內建的 VPA 進行效率研究。
電機效率計算
電機製造商和使用者可以輕鬆進行符合 IEC 60034-2-1:2014（內建於 Vitrek 電源分析儀）的效率研究，此標準分類電機效率的等級。
重要的 VPA 特性
以下是 Vitrek VPA 架構的一些範例，說明此方法的便利性與經濟性：
示波器測量
許多應用需要測量電壓、電流與功率的示波器功能。PA9xx 內建的示波器具備高解析度，提供最高 24 位元解析度。大多數示波器僅有 8 位元解析度，意味著只有 256 梯度的垂直數位化等級。PA9xx 的垂直解析度高出 65,536 倍！典型示波器有兩或四通道（也有專用的多通道示波器）。PA9xx 內建示波器可顯示最多 12 通道（一次顯示任意六個）。任何測量參數都可作為通道繪製。例如，本儀器可同時顯示輸入電壓、電流與功率，以及輸出電壓、電流與功率。
諧波
一般諧波分析儀可測量高達基頻的 10 倍或 50 倍的諧波。不過，一些新需求要求更高。PA9xx 諧波分析功能可測量基頻第 500 次諧波！又因儀器具有最高 24 位元數位化功能，性能優於許多專用頻譜分析儀。在強信號環境中觀察微小信號成分時，這項功能相當必要。
分散式分析器
使用 PA9xx，可結合最多三臺獨立電源分析儀，以獲得最多十二個時間同步且分散配置的通道。例如，其中一臺分析儀的通道可分配給輸入，另一臺的通道可分配給輸出，即使輸入與輸出相隔數英里，也能測量系統效率。
擴展測量能力
PA9xx 也能測量整流後的數據及峰值係數高達 100 的訊號。儀器還可測量負載阻抗——串聯電感與電阻、並聯電容與電阻，能量消耗（千瓦時）、平均功率（瓦特），並計算購買或售出的能源。
資料紀錄
PA9xx 的資料記錄器功能會自動根據測試長度調整時間基準。例如，一小時測試的顯示時間範圍為 24 小時；十天測試則顯示十天。期間任一特定時刻的資料，以及數據點間的最小和最大峰值都能被檢索。資料記錄會在設定時間結束後自動停止（撰寫本文時尚未完全測試）。任何可測參數均可於螢幕上以波形顯示，記錄資料可保存至外接 USB 裝置。
報告
PA9xx 提供清晰記錄與產出測試結果報告的能力。與其他電源分析儀一樣，可透過乙太網路或 RS-232 匯出資料。PA9xx 也具備前面板 USB 裝置存取功能，USB 可用於保存和調用配置、諧波限制、測量值及頻譜分析資料。範圍數據、週期數據、歷史數據和諧波數據。最簡單的是，可以截取所選任何數據的螢幕截圖，例如這樣：
圖6. 在PA9xx上選擇顯示的數據可以輕鬆通過前面板的USB訪問端口導出。
結論
精密功率分析儀將多種台式儀器的功能和特性結合於一台儀器中。PA9xx虛擬功率分析儀簡化了輸入與輸出測試數據的設置與同步，使得使用少量儀器便能進行複雜且準確的測試成為可能。
以下是可能有幫助的功能：
- 透過觸控螢幕進行簡單的設置與操作。
- 高解析度數位顯示。
- 供電頻率測量範圍涵蓋直流和0.01Hz至超過1 MHz的供電頻率。
- 根據您的特定應用提供多種精度和頻率選項。
- 單相和多相輸入（包含所有常見類型）。
- VPA（虛擬功率分析儀）功能擴展功率分析儀的測試能力。
- 輸入電壓最高可達600VAC。
- 雙向功率流（每相及總計）。
- 除了各相之外，還測量總功率（W、VA、VAR和PF）。
- 對電壓、電流與功率測量保持最大值鎖定。
- 每個信號最高可進行至第500次諧波的諧波分析。
- 具備可調時間基準的數據記錄功能。
- 報告生成能力。
- 內建程式編寫以符合選定的安全與排放標準測試。