如何量測電壓、電流與功率

從儀器控制的角度來說，電流量測可透過前端處理或感測器 (例如分流器)、比流器 (CT)、霍爾效應感測器，與 Rogowski 線圈來進行。  NI 提供多款硬體選項，可透過模組直接量測，或連接至外接感測器與處理設備。  表 1 所示模組相容於 CompactRIO 機箱與 CompactDAQ 機箱，並可進行電流量測。  

表 1 中列出的所有模組均使用同步取樣輸入，且每通道具備 50kS/s 24 位元 ADC。  表 1 與表 2 中的電流與電壓量測模組，一旦安裝於 CompactDAQ 或 CompactRIO 機箱中，即可進行同步化。相位與功率量測作業需要更精確的通道同步化作業。

^{表 1：NI 提供多款 C 系列模組，可用於電流量測。  所有模組均可輸出完整波形，以便透過 LabVIEW 或其他量測與分析軟體進行處理。}

^{圖 1：NI 9229、NI 9239、NI 9227 與 NI 9238 的各量測通道，均具備 2 組端點接頭 (左側)。  建議使用提供的護罩 (右側)，以利消除應變並避免操作人員接觸有功電路接線。}

^{圖 2：NI 9246 與 NI 9247 模組的 CT 內建在模組中，具有較大的過電流等級，並可容納高達 10AWG 的電線，帶有環型接線片，可進行更高的電流量測。  相較於大多數的外接 CT/感測器，以這些模組進行直接量測時，將可享有更高的頻率響應與精確度。  兩款模組均可耐受 1 秒 500 ARMS 與 1 個週期 1250 ARMS。}

下圖顯示瞭如何將模組實際連接至電路以進行電流量測。  連接至住宅電源供應器的電源板僅用於示範用途，但此概念可擴充至住宅服務水平 (120VAC/240VAC) 的單一裝置，直到公用電壓。  注意：  公用設施分配與傳輸層級將始終使用外接感測器 (CT/PT)。

^{圖 3：若要直接連接模組，則需切割負載電線 (在美國為黑色)，並連接至單一通道的 AI+ 與 AI- 端點。  隨即量測流過模組的電流。  上圖中電纜接頭處於連接狀態時，模組會量測通過所有插於配電盤之裝置的電流。}

^{圖 4：若是使用 CT 進行模組量測，則負載電線 (在美國為黑色)，將透過分體式核心 CT 或切割/重新接頭電線的方式，穿過 CT 的開口。  接著將來自 CT 的導線連接至量測模組的 AI+ 與 AI-。  模組將量測線路上所有透過 CT 開孔的電流。  會在軟體內調整大小，將感測器的電壓/安培輸出轉換為電路的完整安培數。}

比流器 (CT)

比流器 (CT) 是一種感測器，可將流過感測器的電流線性降低至較低水平，以相容於量測儀器。  比流器的磁芯為環形，中央有開口。  導線將包裹在磁芯上以形成輔助線，並由護環或塑膠外殼所覆蓋。  磁芯周圍的繞線數，將決定量測線路 (初級) 中的電流與連接儀器的電流輸出 (次要) 之間的降壓比，或 CT 比。  將待量測的負載電線穿過比流器中央的開孔。  範例：比例為 500:5 的 CT，代表主要線路上的 500 ARMS 負載，將導致 CT 次要線路上的 5 ARMS 輸出。  儀器將在端點量測 5 ARMS，並可套用使用者輸入的比例因數，以顯示完整的 500 ARMS。  CT 均有標稱值，但準確度通常會超過 100% 的標稱值。  CT 可以是分芯或實芯 CT。  分體式核心 CT 採用鉸鏈開放式或可移除部分，讓安裝人員可將 CT 連接至負載電線，而無需實際斷開要量測的負載電線。

安全警示：  雖然 CT 可實際連接至已安裝的線路，但必須先安全地斷開電源，再進行安裝。  在初級電源上打開次級連接，可能會產生極為危險的電壓電位。

購買時的 CT 選項，包含標稱範圍、開孔直徑、分體式/實心、輸出類型 (電壓/電流)，與輸出範圍 (0.333VRMS、±10V、1ARMS、5ARMS 等)。  CT 廠商通常可客制化感測器，以滿足特定需求，例如輸入或輸出範圍。

^{圖 5：分體式核心 CT 通常具有轉軸或可移除部分，可以安裝於線路上，無需進行實體拆卸，但仍應關閉電源。（圖片由 Magnelab 提供）}

^{圖 6：實芯 CT 的成本較低，但若要安裝在已經能用的電路上，可能更費工。
（圖片由 Magnelab 提供）}

CT 量測頻寬

1kHz 至 2kHz 的頻寬，對大多數 AC 電路電力品質的應用來說已足夠。至於較高頻率的應用，可直接連接 NI 9246 或 NI 9247，以取得最高 24kHz 的頻寬，或選擇較高頻率的 CT，但價格較高。  上表中所列出的所有模組，均具備約 24 kHz 的頻寬，適用於直接連接的訊號。  高頻 CT 則更專業，且具有數百 MHz 的頻寬規格。  NI 9215、NI 9222 與 NI 9223 量測模組，取樣率範圍為 100 kS/s/通道至 1MS/s/通道，16 位元解析度時，可用於較高頻率的量測作業。

至於 NI 9223 無法量測的高頻率，NI 建議使用適用於實驗室、研究與測試系統的 PXI 示波器或數位轉化器。 

量測 DC 電流

CT 並不會量測 DC 電流，也不會量測 AC 訊號的 DC 偏移元件。  對大多數的 AC 電源應用來說，此步驟並非必須。當需要量測 DC 時，NI 9227 內建已校準的分流器，可量測最高 5 安培的 DC 電流。  若要量測超過 5 安培 DC 的電流，則可使用高功率電流量測分流器 (如下所示) 或霍爾效應感測器 (如下所示)，將會連接至適當的量測模組。

Rogowski 線圈

Rogowski 線圈，有時也稱為「繩索 CT」，為線路電流量測的另一種感測器選項。  Rogowski 線圈的相似之處在於，都是包裹負載電線，但均具有彈性，且開孔率也比標準 CT 大很多，而且量測原理也不同。  Rogowski 線圈所感測的電壓，與電流的變化率是成比例的，因此需要在整合器電路中才能轉換成比例的電流。  整合器為獨立的機箱/元件，通常以面板或 DIN 導軌固定、需要 DC 電源供應器，並將低電壓或電流訊號輸出至儀器。  Rogowski 線圈的尺寸與彈性，使其非常適合在商業建築或工廠中較大的匯流排附近形成迴路範圍。

^{圖 7：Rogowski 線圈需要外接電源、整合電路 (位於上圖中的黑色可安裝盒內)，且比一般的實心/分體核心 CT 昂貴，但可提供快速相位響應，且適用於翻新安裝與大型匯流排量測可彈性的大開口。（圖片由 Magnelab 提供）}

霍爾效應感測器

霍爾效應感測器是基於「霍爾效應」(以 Edwin Hall 命名) 的：電流流過與磁場垂直的半導體，將在半導體材料上產生電壓電位。 為了電流量測作業，會在核心中與磁場垂直地放置霍爾效應電路，並輸出與量測線路中的電流負載等比例的電壓。  霍爾效應 CT 通常具備較佳的頻率響應，並可量測 DC 偏移，但價格較高、也需要電源，並且會受到溫度漂移的影響。

^{圖 8：霍爾效應感測器的感測電路與磁場垂直，且需要供電。  霍爾效應感測器不像 CT 有飽和限制，且能量測 DC 電流，但成本較高。}

電流分流電阻器

電流量測分流器或電流分流器電阻器，是置於電路中的電阻器，可用於量測流過分流器的電流。  這些均為常見的電子元件，可用於多種應用領域。  將根據量測電流範圍、輸出範圍，與流過電路的功率來確定分流器的尺寸。  可提供更昂貴的精確電阻器，以達到更高的精確度。  分流器不會圍繞電路電線，並作為元件以同軸方式放置。  如此一來，量測電路與量測設備之間的隔離保護將不復存在，且比 CT 或 Rogowski 線圈更難以安裝。  不過，分流器可量測 DC 電流，並具有更好的頻率響應與相位響應。  適用於 CompactRIO 與 CompactDAQ 的 NI 9238 模組，搭配低範圍類比前端 (±0.5V)，專門用於分流電阻器。  此外，NI 9238 具備 250V 通道對通道隔離功能。

下列為提供電流與電壓量測變壓器、霍爾效應感測器及/或 Rogowski 線圈的製造商。  電子元件分銷商通常會銷售電流分流電阻器。

www.magnelab.com

Magnelab 提供多款電壓與電流量測產品，包含比流器 (CT)、比壓器 (PT)、Rogowski 線圈、高頻 CT 等，提供多種輸出訊號位準。

www.verivolt.com

VeriVol 可提供多款感測器、接頭，與隔離產品，專為電力量測應用所設計。  此外，多款感測器具備高頻寬與 BNC 連接選項，可快速連接至 NI 9223、NI 9222、NI 9215 等 BNC 量測模組。

^{圖 9：VeriVol 的多款感測器具備 BNC 連接功能，可直接連接任何具備 BNC 接頭的 NI 模組。  具備 BNC 連接功能的類比輸入模組包含 NI 9229、NI 9239、NI 9215、NI 9222、NI 9223。(左側/中央圖片均由 VeriVolt 提供)}

在本文件的範圍內，電壓量測作業是指 AC 電源系統，其工業與公用電壓等級的範圍，從適用於區域住宅服務的 120VRMS 到超過 750KV 的超高電壓 (EHV) 系統，均可用於電網的傳輸系統。  專為高電壓公用設施應用所設計的儀器，可滿足多種需求，如安全性、更大的接線端點、更高的熱耗散，以及特定的認證測試。  大多數的儀器是為量測 AC 電源所設計，其輸入範圍為數百伏特。  超過 1000 VAC 的較高電壓，通常需要外接比壓器 (PT) 以將要量測的電壓逐步降低至可相容大多數儀器的範圍。

與目前的電流量測模組類似，表 2 中的所有模組亦使用同步取樣輸入，並搭配每通道 50kS/s 的 24 位元 ADC。  CompactDAQ 與 CompactRIO 機箱將會同步化下表中的電壓量測模組，與表 1 中的電流量測模組，以便進行更精確的相位與功率量測。

^{表 2：NI 提供多款 C 系列模組，適用於所有形式的電壓量測。  所有模組均能輸出完整波形資料，可使用 LabVIEW 或其他量測與分析軟體進行處理。}

^{圖 10：NI 9242/44 含大型輸入端子及高過電壓保護功能，適用於 AC 電源與公共用途。(圖中是裝妥隨附保護罩的產品)}

本文所說明的高速量測設備，可提供類似下圖的波形資料。  在這個 LabVIEW 擷取資料中，綠色波形是 120 VRMS 辦公室電源插座的電壓波形，而紅色波形是舊款螢光燈泡所對應的電流量測結果。  透過 CompactDAQ 或 CompactRIO 機箱中的共用訊號，即可同步化電壓量測模組與電流量測模組。  這一點對某些應用來說很重要，因為電壓與電流波形之間的相移是必須監控的電力品質參數之一，而且如果不進行同步取樣，就很難確定這種相移是來自於儀器還是電路。

^{圖 11：設計 LabVIEW 人機介面，用於顯示波形資料與功率計算結果。}

此時在量測系統中會使用模組提供的波形資料計算所需的任何電力品質參數。  其中有些算式相當單純，有些則須以數個週期、數秒或數分鐘為單位進行複雜的彙整計算，才能決定最終品質。

LabVIEW 提供多款功能性面板，專為波形與訊號處理所設計，並提供額外的工具組，適用於電力波形處理與計算。  NI LabVIEW Electrical Power Toolkit 提供適用於本文所討論的所有基本電力量計算的分析函式，並提供線上下載。 NI LabVIEW Electrical Power Toolkit 完整版已內含下列分析函式，並符合 IEC 61000-4-30:2008 標準：

• 電源頻率
• 供電電壓強度
• 閃變
• 供應電壓驟降與驟升
• 電壓中斷
• 供電電壓不均
• 電壓諧波
• 供電電壓上的主訊號傳輸電壓
• 快速電壓變換 (RVC)
• 量測偏差不足與過偏差的參數

下列分析函式符合 EN 50160:2007 標準：

• 電力量測
• 能量量測
• 聚合 (需求)

使用文字架構語言進行程式設計

適用於 CompactDAQ 的 NI-DAQmx 驅動程式可支援 LabVIEW、C、C++、Measurement Studio 的 API，並可將資料儲存為打開的檔案格式，以便透過 Excel 或其他軟體程式設計語言來使用。  

文字架構的程式設計師必須注意，Electric Power Toolkit 中的分析 VI 僅可用於 LabVIEW 開發環境，且無法搭配 CVI、C、C++ 或 Measurement Studio 使用。

永久安裝馬達監控

資產監控系統可監控物理與電子參數，以智慧方式決定機器的維護時間，以防止重要裝置發生故障，例如大型的泵浦、風扇、傳送帶等。  大型馬達的電流特性可協助偵測不平衡等低效率問題，或轉子條損壞等機械故障。下方表 3 列出針對馬達監控應用推薦的產品元件。

^{表 3：建議使用的固定式馬達監控系統元件。}

應用與電子裝置測試

電腦架構的測試系統適用於住宅或商業用途，可提高設計與測試團隊的產能，同時提升產品品質。  一類測試可用於研發目的，例如：

• HALT (高加速壽命測試)
• V&V (檢驗與驗證)
• 認證或認證前的測試
• RMA (退貨授權) 根本原因分析

此外，還可以建立自動化生產線測試的設備測試系統，確保裝置電源開啟、LED 正常運作。  下方表 4 列出推薦用於設備或電子裝置測試系統的產品元件。

^{表 4：建議使設備或其他混合感測器電動裝置測試系統元件。}

公用設施應用的智慧型電子裝置 (IED)

NI 硬體在公用產業中的應用，包含用於量測、控制與保護的電網裝置，例如：

• IED
• RTU (遠端端點單位)
• DFR (數位故障記錄器)
• 復閉器控制器、智慧型切換器與繼電器
• 相子量測單位 (PMU)
• 電力品質分析器與諧波分析器
• 微電網與可再生能源控制器 (儲存、PV 平滑應用、微電網控制器)

下方表 5 列出了為智慧型系統所推薦的產品元件，這些系統可佈署至變電站控制室、設備場地中的公用電網，或是配電系統桿或平板固定式外殼中。

^{表 5：建議使用的電網部署智慧型量測與控制裝置元件。}

可使用模組與可於模組中直接量測的儀器，如 NI 9227、NI 9246 或 NI 9247，即可達到最佳的電壓、電流與功率量測品質。  在選擇 CT 的輸入/輸出範圍與儀控模組的輸入範圍時，請務必考慮電路的所有相關作業範圍 (穩定狀態、突波/啟動、故障等)。  從此預設值開始，下表可作為其他感測器選項的粗略指南。(可能會影響選擇的因素很多，因此並非最終標準) 有關最終感測器選擇的進一步建議，請諮詢感測器供應商，如 Magnelab 和 Verivolt。

從直接模組連接作為預設的選擇開始，並使用下表作為指導。

^{表 6：電流量測解決方案選擇指南。}

CompactRIO 與 CompactDAQ 均為機箱架構，專為測試、量測、控制與監控所設計。  透過超過 100 種量測模組，即可設計出客制化的混合量測解決方案，透過單一儀器滿足您的需求。  針對電源應用，可於同一個機箱中加入更多模組，即可新增更多電路量測，也可整合電源應用與其他量測作業，如溫度、壓力與振動，用於完整的研發測試系統或全面的資產監控系統。

NI CompactDAQ 機箱提供 1、4、8、14 插槽選項，並使用 USB、WiFi 或 ENET 連結功能，可回傳至 Windows 電腦。  也可提供 CompactDAQ 控制器，且具備內建電腦，無需外接電腦。  CompactDAQ 控制器是專為行動、堅固或無頭 (未連接 UI) 的監控與測試作業所設計。

深入了解 CompactDAQ。

CompactRIO 為可程式化的控制與監控系統，配備多核心處理器、即時作業系統、可程式化的 FPGA，並相容 NI 與第三方公司的所有 C 系列模組。  CompactRIO 可讓相關領域的專家建立嵌入式 I/O 控制器與監控系統，以協助他們解決問題。

深入了解 CompactRIO

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