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电动机基本的电气和机械功率测量

 什么是力量？在最基本的形式中，电源是在特定时间段内执行的工作 。在电动机中，按照以下科学定律通过转换电能将功率传递到负载 。
在电气系统中，电压是移动电子所需的力 。电流是每秒通过施加特定电压的材料的电荷流率 。通过获取电压并将其乘以相关的电流，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）是定义为每秒1焦耳的功率单位 。对于直流电源，计算仅是电压乘以电流：W = VxA 。但是，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 。
功率因数是从-1到1的无单位比率，表示在负载下执行功的有功功率 。对于几乎总是这样的功率因数小于1的情况，有功功率会损失 。这是因为AC电路的电压和电流本质上是正弦波，AC电路的电流和电压的幅度不断变化，通常不会完全对准 。
由于功率是电压乘以电流（P = V *I），因此当电压和电流并排排列时功率最高，因此电压和电流波形上的峰值和零点会同时出现 。这将是简单电阻负载的典型表现 。在这种情况下，两个波形彼此“同相”，并且功率因数为1 。这是一种罕见的情况，因为几乎所有负载都不是完全电阻性的 。
当两个信号从点到点不相关时，两个波形被称为“异相”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，并且将实现较少的有功功率 。
由于交流电路中电流和电压可能存在波动，因此可以通过几种不同的方式来测量功率 。
有功或有功功率是电路中实际使用的功率量，以瓦特为单位 。数字功率分析仪使用技术将输入的电压和电流波形数字化，以按照图1中的方法计算真实功率 。
在该示例中，瞬时电压乘以瞬时电流（I），然后在特定时间段（t）上积分 。不管功率因数如何，真正的功率计算都可以在任何类型的波形上进行（图2） 。
谐波会造成额外的复杂性 。即使电网名义上以60Hz的频率运行，电路中也可能存在许多其他频率或谐波，并且还可能存在直流或直流分量 。通过考虑和加总所有内容（包括谐波）来计算总功率 。
【电动机基本的电气和机械功率测量】图2中的计算方法用于对任何类型的波形（包括所有谐波含量，直至仪器的带宽）提供真实的功率测量和真实的RMS测量 。
功率测量
接下来，我们将研究如何实际测量给定电路中的功率 。瓦特表是一种使用电压和电流来确定功率的仪器 。金发理论指出，总功率至少要比电线数量少一瓦 。例如，单相两线制电路将使用一个带有一个电压和一个电流测量值的瓦特计 。
单相三线分相系统通常出现在普通的外壳接线中 。这些系统需要两个功率计进行功率测量 。
大多数工业电动机使用三相三线电路，该电路使用两个瓦特表进行测量 。以同样的方式，三相四线制电路需要三个功率计，而第四根线则为零线 。
由于此方法仅需要监视两个电流和两个电压，而不是三个，因此简化了安装和接线配置 。它还可以在平衡或不平衡的系统上准确地测量功率 。它的灵活性和低成本的安装使其非常适合需要仅测量功率或一些其他参数的生产测试 。
对于工程和研发工作，三相三线三功率计方法是最好的，因为它提供了可用于平衡负载和确定真实功率因数的其他信息 。此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），并监视所有三个电流 。
功率因数测量
在确定正弦波的功率因数时，功率因数等于电压和电流之间的夹角余弦（CosØ） 。这被定义为“位移”功率因数，仅对正弦波正确 。对于所有其他波形（非正弦波），功率因数定义为以瓦特为单位的有功功率除以以电压安培为单位的视在功率 。这称为“真实”功率因数，可用于所有正弦波和非正弦波的波形 。
但是，如果负载不平衡（相电流不同），则在计算功率因数时可能会引入错误，因为在计算中仅使用了两个VA测量值 。将两个VA进行平均是因为假设它们相等 。但是，如果不是，则会得到错误的结果 。
因此，最好对不平衡负载使用三瓦特表方法，因为它将为平衡或不平衡负载提供正确的功率因数计算 。
横河电机和其他公司的功率分析仪使用上述方法，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的三线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，机械功率定义为速度乘以转矩 。机械功率通常定义为千瓦（kW）或马力（hp），一瓦等于每秒一焦耳或每秒一牛顿米 。
马力是单位时间内完成的工作 。一匹马力等于每分钟33,000磅英尺 。使用以下关系式可将hp转换为瓦：1 hp =745.69987W 。但是，通常通过使用746 W / hp来简化转换 。
对于交流感应电动机，实际或转子速度是轴（转子）旋转的速度，通常使用转速表进行测量 。同步速度是定子磁场旋转的速度，计算为线频率的120倍除以电动机中的极数 。同步速度是电动机的理论上的最大速度，但是由于损耗，转子将始终以比同步速度稍慢的速度旋转，该速度差定义为滑差 。
滑差是转子速度和同步速度之差 。为了确定打滑百分比，可以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，即输出功率与总输入功率之比或效率=输出功率/输入功率 。对于电动马达，输出功率是机械功率，而输入功率是电功率，因此效率方程变为效率=机械功率/电气输入功率 。
体积小而且功率大的电动机
压电超声马达具有两个重要的优点，即它们的高能量密度和简单的结构，这两者都有助于使其小型化 。我们使用体积约为一立方毫米的定子制造了原型微超声电机 。我们的实验表明，原型电动机在1立方毫米的定子上产生的扭矩大于10μNm 。现在，这种新颖的电动机是最小的微型超声波电动机，已经开发出实用的扭矩 。
从移动和可穿戴设备到微创医疗设备，微型执行器在众多应用中都是必需的 。然而，与它们的制造相关的限制已经限制了它们在一毫米规模上的部署 。最常见的电磁电动机要求将许多复杂的组件（例如线圈，磁体和轴承）小型化，并且由于结垢而表现出严重的扭矩耗散 。静电马达通过使用微机电系统（MEMS）技术实现了出色的可扩展性，但是其弱驱动力限制了它们的进一步发展 。
压电超声波马达因其高扭矩密度和简单的组件而有望成为高性能的微型马达 。迄今为止报道的最小的现有超声波马达具有直径为0.25mm，长度为1mm的金属部件 。但是，包括预紧机构在内的总尺寸为2-3mm，并且扭矩值太小（47 nNm），无法在许多应用中用作执行器 。
结论
测量电动机的功率时，需要考虑许多因素，例如总功率因数和真实功率因数 。这些测量涉及复杂的方程式，这就是为什么大多数公司使用功率分析仪自动生成结果的原因 。
一旦决定使用功率分析仪，就必须确定频率范围和精度等级 。仪器兼容性是安全获取准确读数的另一个重要方面，尤其是对于电流互感器而言，这是必须考虑分析仪输入/选项的领域 。给定正确的传感器输入，也可以使用功率分析仪进行机械功率测量 。选择合适的速度和扭矩传感器是确定机械功率的第一步 。

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