权力

能源是工厂或设施中成本最高的项目之一，电机通常消耗工厂电力的最大份额，因此确保电机以最佳方式运行至关重要。精确的功率测量可以帮助降低能耗，因为测量始终是获得更好性能的第一步，还可以帮助延长电机的寿命。微小的不对中或其他问题往往是肉眼看不到的，轴上最轻微的摆动都会对生产率和质量产生负面影响，甚至会缩短电机的寿命。

在接下来的三期应用自动化，我们将讨论在各种电机和电机上进行精密电气和机械功率测量的三步过程变速传动(VFD)系统。我们还将展示如何使用这些测量来计算电机和驱动系统的能源效率。

此外，我们还将了解如何对复杂的畸变波形进行精确的功率测量，以及测量的内容用于不同应用的仪器．

基本电力测量

电动机是将电能转换为机械能的机电机械。尽管大小和类型不同，但所有电动机的工作方式大致相同:在磁场中流过线圈的电流产生一个力，使线圈旋转，从而产生扭矩。

了解发电、功率损耗和测量的不同类型的功率可能令人生畏，所以让我们从基本的电力和机械功率测量开始。

权力是什么?在最基本的形式中，功率是在特定时间内所做的功。在电机中，根据下列科学定律，通过转换电能将动力传递给负载。

在电气系统中，电压是移动电子所需的力。电流是每秒钟通过材料的电荷流的速率特定的电压应用。用电压乘以相应的电流，就可以确定功率。

P = V * I其中功率(P)以瓦为单位，电压(V)以伏特为单位，电流(I)以安培为单位

瓦特(W)是功率的单位，定义为1焦耳每秒。对于直流电源，计算简单地是电压乘以电流:W = V x a。然而，确定交流电源的功率(瓦)必须包括功率因数(PF)，因此:
W = V x A x PF用于交流系统。

功率因数是一个无单位的比率，范围从-1到1，表示在负载下执行工作的实际功率的量。对于权力因素小于统一，这几乎总是如此，会有实际权力的损失。这是因为交流电路的电压和电流本质上是正弦的，交流电路的电流和电压的幅值不断变化，通常不会完全对齐。

由于功率是电压乘以电流(P = V*I)，当电压和电流排列在一起时，功率最高，这样电压和电流波形上的峰值和零点同时出现。这是典型的简单电阻性负载。在这种情况下，两种波形彼此“相”，功率因数为1。这是一种罕见的情况，因为几乎所有的负载都不是简单和完美的电阻。

当两个信号点与点之间不相关时，两个波形被称为“失相”或“相移”。这可能是由感性或非线性负载引起的。在这种情况下，功率因数将小于1，实现的实际功率将更少。

由于交流电路中可能存在电流和电压的波动，测量功率有几种不同的方法。

实际功率是电路中实际使用的功率，以瓦为单位。数字功率分析仪使用技术将输入电压和电流波形数字化，以计算真实功率，方法如下图2所示:

图2:真实功率计算

在本例中，瞬时电压乘以瞬时电流(I)，然后在特定时间段(t)内进行积分。真实功率计算适用于任何类型的波形，而不考虑功率因数(图3)。

图3:这些方程用于计算真功率测量和真均方根测量。

谐波产生了额外的复杂性。尽管电网名义上以60Hz的频率运行，但电路中可能存在许多其他频率或谐波，也可能存在直流或直流组件。总功率是通过考虑和和所有内容计算的，包括谐波。

图3中的计算方法用于提供任何类型波形的真功率测量和真RMS测量，包括所有谐波内容，直到仪器的带宽。

功率测量

接下来我们将看看如何实际测量给定电路中的瓦数。瓦特表是一种使用电压和电流来确定功率(瓦特)的仪器。布朗德尔理论指出，总功率的测量至少比电线的数量少一个瓦特表。例如，单相两线电路将使用一个瓦特表，一次电压和一次电流测量。

单相三线分相系统常出现在普通外壳布线中。这些系统需要两个瓦特表来测量功率。

大多数工业电机使用三相三线电路，用两个瓦特表测量。以同样的方式，三相四线电路需要三个瓦特表，第四根线是中性点。

图4显示了一个带负载的三相三线制系统，使用双瓦特计方法进行测量。测量两个线对线电压和两个相电流(使用瓦特表W一个和Wc）.利用四种测量方法(线对线和相电流和电压)来实现总测量。

图4:用两个瓦特表测量三相三线制系统中的功率。

由于这种方法只需要监控两个电流变压器和两个电位变压器，而不是三个，安装和接线配置简化。它还可以在平衡或不平衡系统上精确测量功率。它的灵活性和低成本的安装使它非常适合生产测试，其中只需要测量功率或其他一些参数。对于工程和研发工作，三相三线制三瓦特计方法是最好的，因为它提供了额外的信息，可用于平衡负载和确定真实功率因数。这种方法使用所有三个电压和所有三个电流。测量所有三个电压(a到b, b到c, c到a)，并监测所有三个电流。

图5:在设计电机和驱动器时，看到所有三种电压和电流是关键，使上图中的三瓦特计方法成为最佳选择。

功率因数测量

在确定正弦波的功率因数时，功率因数等于电压与电流夹角的余弦(因为Ø）.这被定义为“位移”功率因数，仅适用于正弦波。对于所有其他波形(非正弦波)，功率因数定义为以瓦为单位的实功率除以以电压安培为单位的视功率。这被称为“真”功率因数，可用于所有波形，包括正弦和非正弦。

图6:总功率因数由总瓦数除以总VA测量值确定。

图7:使用两瓦特计方法，总瓦特(W₁+ W₂)除以VA测量值。

然而，如果负载不平衡(相电流不同)，这可能会在计算功率因数时引入错误，因为在计算中只使用了两个VA测量值。两个va取平均值，因为假设它们相等;但是，如果不是，则会得到错误的结果。

因此，对于不平衡负载，最好使用三瓦特计方法，因为它将为平衡或不平衡负载提供正确的功率因数计算。

图8:使用三瓦特计方法，上述功率因数计算中使用了所有三个VA测量值。

功率分析仪采用上述方法，称为3V-3A(三电压三电流)接线方法。这是工程和设计工作的最佳方法，因为它将为平衡或不平衡三线制系统提供正确的总功率因数和VA测量。

基本机械功率测量

在电动机中，机械功率被定义为速度乘以转矩。机械功率通常定义为千瓦或马力，1w等于1焦耳/秒或1牛米/秒。

图9:以瓦为单位的机械功率测量被定义为2倍Pi乘以转速(rpm)除以60倍扭矩(牛顿-米)。

马力是单位时间所做的功。1马力等于33,000磅英尺每分钟。将hp转换为watts使用以下关系:1 hp = 745.69987 W。然而，通过使用746W / hp(图10)来简化转换。

图10:马力的机械功率测量方程通常使用1 hp = 746W的四舍五入数字。

对于交流感应电动机，实际转速或转子转速是轴(转子)旋转的速度，通常使用转速表测量。的同步转速是定子磁场旋转的速度，计算方法为120倍的线频率除以电机中的极数。同步速度是电机的理论最大速度，但转子将始终以略慢的速度比同步速度，由于损失，这个速度差被定义为滑差。

转差是转子转速与同步转速之间的差值。为了确定滑差的百分比，使用同步速度减去转子速度除以同步速度的简单百分比计算。

效率可以用最简单的形式表示为输出功率与总输入功率的比值或效率=输出功率/输入功率。对于电动电机，输出功率是机械功率，而输入功率是电气功率，因此效率方程变成效率=机械功率/电气输入功率。

Bill Gatheridge是Yokogawa Test & Measurement电力测量仪器的产品经理，在公司精密电力测量领域拥有20多年的经验。他是ASME PTC19.6电力测量委员会的成员和副主席，用于公用事业发电厂性能测试。

本文刊登在《应用自动化》杂志的增刊上控制工程和设备工程．