電力功率測量方法

一、有多少種功率定義？
在IEEE技術(shù)詞典中，列出了十多種不同的功率定義，其中有兩種為最常用的功率類型：視在功率S、平均功率P(亦稱真值功率、有功功率)。還有許多其他的功率的定義，如無功功率Q、諧波功率、瞬時(shí)功率等等。常用的功率表達(dá)式如表1所示。

在交流電路中，由于有感性或容性儲(chǔ)能設(shè)備，電壓與電流有相位差，通俗講就是電壓與電流不在同一時(shí)間到達(dá)；因此，表面看電壓有多大、電流有多大，實(shí)際并沒有做那么大的功，有電源與儲(chǔ)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換；所以稱為視在功率。

常用功率表達(dá)式

1. 非正弦交流電路的平均功率

其中，Un是包含了諧波電壓的電壓測量值，In是包含了諧波電流的電流測量值，PF是功率因數(shù)，一般用于非正弦波形。與上面定義區(qū)別在于：包含了n的高次諧波，使用了離散的計(jì)算方法。
另一個(gè)平均功率的定義是等效直流電阻中的“熱能”的定義，這是個(gè)更容易理解的概念

2. 平均功率的重要性
對(duì)于像燈泡，加熱器等電阻負(fù)載，平均功率的測量和計(jì)算是很方便的，但是，這樣的計(jì)算不適用于非線性負(fù)載?，F(xiàn)代的電子技術(shù)應(yīng)用中，開關(guān)電源、電子整流器，空調(diào)控制系統(tǒng)，感應(yīng)或脈沖調(diào)制馬達(dá)等等都使用了非線性技術(shù)，這樣，在設(shè)計(jì)，故障診斷和分析中都需要進(jìn)行非線性負(fù)載的平均功率測量。
如上所示，對(duì)于電力方面的測量無外乎需要測量電壓、電流、電阻等基本參數(shù)，但是對(duì)于這些參量的測試需要注意其定義方法，例如電壓參數(shù)的定義就有很多種：電壓瞬時(shí)值、電壓均方值、電壓整定值、電壓有效值、電壓峰值等等。下面，我們逐一介紹這些參數(shù)的定義方法。

二、多種參數(shù)定義
1.算術(shù)平均值

周期性信號(hào)的算術(shù)平均值是對(duì)信號(hào)在一個(gè)周期T內(nèi)的平均值，相當(dāng)于信號(hào)中的直流成分。如果平均值等于0，則該信號(hào)為純AC信號(hào)。對(duì)于DC信號(hào)，平均值與瞬時(shí)值相同。對(duì)于同時(shí)含有AC和DC成分的信號(hào)，平均值為其中的DC成分。

2.整定值

整定值是一個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的算術(shù)平均值，絕對(duì)值通過信號(hào)整流獲得。

整定值示意圖

為了使AC信號(hào)能夠使用與DC信號(hào)同樣的計(jì)算公式，比如電阻、功率等的計(jì)算，對(duì)信號(hào)的均方根值進(jìn)行了專門定義。AC信號(hào)的均方根值與相同幅度的DC信號(hào)產(chǎn)生的效果相同。例如：采用230VrmsAC電壓供電的白熾 燈泡獲得的電能與采用230VDC電壓對(duì)其供電獲得的電能是相同的。對(duì)于正弦波信號(hào)，均方根值是其峰值的1/(21/2)(0.707)。

4.波形因數(shù)
信號(hào)的整定值乘以波形因數(shù)之積等于信號(hào)的有效值：

對(duì)于純正弦波信號(hào)，波形因數(shù)等于：

5.峰值因數(shù)
峰值因數(shù)的大小等于峰值和有效值之比，它對(duì)于失真信號(hào)測量非常重要。

于純正弦波信號(hào)，波形因數(shù)等于21/2=1.414。如果峰值因數(shù)超過測量儀器的規(guī)定值，則測量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤差。計(jì)算有效值的準(zhǔn)確度取決于峰值因數(shù)，信號(hào)的峰值因數(shù)越高，有效值計(jì)算值的準(zhǔn)確度越低。通常，最大允許峰值因數(shù)的規(guī)定與儀器的滿刻度值有關(guān)，如果儀器的量程僅被使用一部分(例如500V的量程使用了230V)，則峰值因數(shù)將按照滿量程與實(shí)際使用量程的比值增加。

三、電阻測量

1.兩線制電阻測量

儀器在測量未知電阻R時(shí)，要通過測試線向被測電阻發(fā)送電流，然后測量被測電阻R兩端的壓降，同時(shí)測試線的電阻RL也會(huì)產(chǎn)生較小的壓降，如圖2所示。在測量阻值較小(1kΩ)的電阻時(shí)，一般需要對(duì)導(dǎo)線電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

兩線制電阻測量的工作原理

2.四線制電阻測量

小電阻的傳統(tǒng)測量方法被稱為四線制測量法或開爾文定律。采用這種測量法時(shí)，儀器同樣提供精確的恒定電流，該方法使用另外兩條測試線直接與被測電阻R相連，因而可以不受傳送測量電流的兩條測試線中產(chǎn)生的壓降的影響爾直接測量R兩端壓降。儀表上傳送恒定電流的端子被稱為源端子，用于直接測量被測電阻兩端壓降的儀表端子被稱為感應(yīng)端子。感應(yīng)輸入的輸入電阻RL1阻值非常高，因而通過該輸入電阻的電流極小，可以忽略不計(jì)。

四線制電阻測量的工作原理

四、 功率測量的測試手段

如上所述，對(duì)于電力耗能方面的功率測量，只要獲得幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(如電壓、電流的有效值等等)，再通過計(jì)算便可以獲得，所以說可測量這些基本參數(shù)的儀器都可以進(jìn)行功率測量，如萬用表、示波器等等，但是對(duì)于某些信號(hào)的電壓或電流頻率較高，這時(shí)萬用表就力不從心了，可以使用數(shù)字示波器觀察波形，再利用數(shù)字示波器的自動(dòng)測量和計(jì)算功能即可得到結(jié)果。下面我們主要介紹了幾個(gè)通過示波器進(jìn)行功率測量的實(shí)例。

實(shí)例1：通訊電源輸入功率測量
這是個(gè)通訊電源輸入的實(shí)例。如圖4所示，通道1為某電路的電壓信號(hào)，通道2為其對(duì)應(yīng)的電流，通過泰克的TDS3000B示波器的自動(dòng)測量功能，分別得到其有效值，為了得到視在功率，我們將測量到的有效值相乘，得到視在功率＝120.8V×1.108A＝133.8W。為了得到有效功率，我們使用泰克的TDS3000B的數(shù)學(xué)運(yùn)算(Math)按鈕，電壓和電流的波形“逐點(diǎn)”相乘，得到有效功率＝88.0W。注意，這里使用的是相乘后的“平均值(Mean)”而不是“有效值(RMS)”來得到有效功率，這是根據(jù)前面所敘述的平均功率的定義來的。這樣，我們很容易的得到該設(shè)備的功率因數(shù)PF＝88.0W/133.8W＝0.66,從而為設(shè)計(jì)功率校正電路PFC 提供數(shù)據(jù)。

TDS3000B的功率測量功能

實(shí)例 2 ：功耗測量
此實(shí)例為通過面積測量得到一定時(shí)間內(nèi)的功耗。如圖5所示為測量電池供電設(shè)備的功耗曲線，其中通道1為某電路的中的電壓，通道2為對(duì)應(yīng)的電流，M1為通道1與通道2相乘的結(jié)果，因此M1為逐點(diǎn)相乘的功率。圖中，利用泰克TDS3000B示波器系列的自動(dòng)測試功能，測得M1的寬度為121秒，面積為57Ws，所以即為在121秒內(nèi)功耗約為58Ws。

TDS3000B的自動(dòng)面積測量功能