从大的方面来看,好多领域都须要功率检测,但是不同领域功率检测的方式大不相同,比如:在通信领域,须要测试发射设备(如天线)的发射功率、传输功率、接收设备的接收功率等,这儿的测试讯号大多都是射频讯号,频度较高,看不见摸不着,要对其进行功率检测通常须要使用天线接收或功率传感,接收时须要设置好频点或频带,再进行功率检测。
在直流和低频电参数和功率测试领域(最典型用的是电网和电力领域),因为其讯号频度较低,通常通过测其电流、电流、电阻等来估算功率即可,但是测试这种基础参数的仪器好多,比如万用表、示波器等,用它们来检测电路中电参数(通常指电流、电流和功率),也可以通过数字功率计来直接测得,在直流和低频技术中检测功率的功率计,也可称为瓦特计。对于电参数检测无外乎须要检测电流、电流、电阻等基本参数,并且对于这种热阻的测试须要注意其定义方式,比如:电流参数的定义就有好多种:电流瞬时值、电压均方值、电压整定值、电压有效值、电压峰值等。下边,本文主要介绍直流和低频领域中的功率等电参数检测和那些参数的定义方式。
一、有多少种功率定义?
功率是表征联通号特点的一个重要参数。电压在单位时间内做的功称作电功率,拿来表示消耗电能的快慢的数学量,国际单位是瓦特(Watt),简称瓦,符号W,用P来表示,功率P=d功/d时间=dW/dt;单位时间内消耗的功率,就是电能,W=P×t,国际单位是焦耳(Joule),简称焦,符号Q,用W表示。诸如:我们常见的家用家电中,一个用家电的功率大小是指这个用家电在一秒内所消耗的电能,即1瓦(1W)=1焦/秒(1J/s)=1伏·安(1V·A);常用的电度表:1度=1kW·h=。用家电正常工作时的电流称作额定电流,在额定电流下工作的功率称作额定功率,用家电在实际电流下工作的功率称作实际功率。
电功率作为表示电压做功快慢的数学量,一个用家电功率的大小数值上等于它在一秒内所消耗的电能。电功率等于导体两端电流与通过导体电压的乘积:P=U×I。电功率包括直流电功率、交流电功率和射频功率。在直流电路,通过检测电流和电压即可估算快速估算出直流电功率,即P=U×I=I2R。在交流电路,对于纯内阻电路与直流一样,估算电功率可以用公式P=I2×R和P=U2/R得出,其电能也成为为电热Q,即P=dQ/dt。对于非纯内阻电路,交流功率又包括余弦电路功率和非余弦电路功率。交流电功率还可分为瞬时功率、平均功率(有功功率)、无功功率、视在功率。在热学中,不加特殊申明时,功率均指有功功率。在非余弦电路中,无功功率又可分为位移无功功率、畸变无功功率,二者的方和根称为广义无功功率。关于射频功率计具体介绍详尽见“射频功率计检测介绍”一文。下文重点介绍交流低频率电参数的各类参数的电流。
在IEEE技术辞典中,列举了十多种不同的交流低频功率定义,其中有两种为最常用的功率类型:视在功率S、平均功率P(俗称真值功率、有功功率)。还有许多其它功率定义,如无功功率、Q值、谐波功率、瞬时功率等。
下边为交流功率的估算公式,其中P(t)指瞬时功率,u(t)、i(t)指瞬时电流和瞬时电压;U、I指电流、电流有效值,P指平均功率。
P(t)=u(t)×i(t),
,即平均功率为一个周期内(T)净能量变化速度
在余弦交流电中,无功功率估算公式:Q=UIsin∮;有功功率估算公式:P=UIcos∮;余弦电压电路中的有功功率、无功功率、和视在功率两者之间是一个直角三角形的关系:S2=P2+Q2。
在非余弦电路中,有功功率和视在功率的定义不变,但是,此时电流、电流相位差早已没有明晰的化学意义,因为无功功率Q与基殃及纹波电流、电流的相位角相关,称为位移无功功率Q。因此,引入畸变无功功率D(简称畸变功率),个别文献中也将Q称为无功功率,而将Q和D的方和根称为广义无功功率。其实,非余弦电路中,视在功率S、有功功率P、位移无功功率Q、畸变无功功率D估算公式如下:S2=P2+Q2+D2。
二、多种电参数运算定义
在交流电功率中,分辨好瞬时功率、平均功率(有功功率)、无功功率、视在功率等功率值至关重要。在具有纯阻抗的交流电路中,电流有效值与电压有效值的乘积值,称为"视在功率S",等于有功功率P;在交流电路中,因为有感性或容性储能设备,电流与电压有相位差,浅显讲就是电流与电压不在同一时间抵达;因而,表面看电流有多大、电流有多大,实际并没有做这么大的功,有电源与储能设备的能量转换,所以称为视在功率,单位为VA;交流电的瞬时功率不是一个恒定值,功率在一个周期内的平均值称作有功功率,单位为W。对于正弦波,有功功率P=Urms×Irms×cosφ,其中Urms是电流的有效值,Irms是电压的有效值,φ是余弦交流电流U与电压I之间的相位角,cosφ功率质数,仅对于正弦波有效。对于非余弦交流电路,采用平均功率,P平=∑Un×In×PF,其中,Un包含了纹波电流的电流检测值,In包含了纹波电压的电压检测值,PF是功率质数,通常用于非余弦波形,包含了n次高次纹波,采用离散估算方式。
对于像灯泡、加热器等内阻负载,平均功率的检测和估算很便捷。并且,这样的估算不适用于非线性负载。现代的电子技术应用中,开关电源、电子检波器,空调控制系统、感应或脉冲调制电机等都使用了非线性技术,这样,在设计,故障确诊和剖析中都须要进行非线性负载的平均功率测量。平均功率运算很重要。
1、算术平均值Avg
公式:
周期性讯号的算术平均值是对讯号在一个周期T内的平均值,相当于讯号中的直流成份。假如平均值等于0,则该讯号为纯AC讯号。对于DC讯号,平均值与瞬时值相同。对于同时富含AC和DC成份的讯号,平均值为其中的DC成份。
2、整定值
公式:
公式:
整定值是一个周期内绝对值的算术平均值,绝对值通过讯号检波获得。整定值示意图如下:
对于AC正弦波电流,U(t)=(2πft),整定值等于峰值的2/π=0.637。
3、有效值rms
讯号的均方值等于讯号平方值的平均值,公式如下:
;均方根值等于:
。为了使AC讯号才能使用与DC讯号同样的估算公式,例如内阻、功率等的估算,对讯号的均方根值进行了专门定义。AC讯号的均方根值与相同幅度的DC讯号形成的疗效相同。诸如:采用AC电流供电的白炽灯泡获得的电能与采用230VDC电流对其供电获得的电能是相同的。对于正弦波讯号,均方根值是其峰值的0.707。
4、波形质数F
讯号的整定值减去波形质数之积等于讯号的有效值:

。对于纯正弦波讯号,波形质数等于:
。
5、峰值质数C
峰值质数的大小等于峰值和有效值之比电能和电功率的区别,它对于失真讯号检测十分重要。公式如下:C=Vpk÷Vrms。
对于纯正弦波讯号,波形质数等于√2=1.414。假如峰值质数超过检测仪器的规定值,则检测结果会出现偏差。估算有效值的确切度取决于峰值质数,讯号的峰值质数越高,有效值估算值的确切度越低。一般,最大容许峰值质数的规定与仪器的满刻度值有关,假如仪器的阻值仅被使用一部份(比如500V的阻值使用了230V),则峰值质数将根据满阻值与实际使用阻值的比值降低。
三、如何用示波器检测电功率
如上所述,对于电力耗能方面的功率检测,只要获得几个关键参数(如电流、电流的有效值等),再通过估算便可以获得,所以说可检测这种基本参数的仪器就可进行功率检测,如万用表、示波器等,而且对于个别讯号的电流或电压频度较高,这时万用表就力不从心了,可以使用数字示波器观察波形,再借助数字示波器的手动检测和估算功能即可得到结果。下边海洋仪器主要介绍几个通过示波器进行功率检测的实例。
实例1:通信电源输入功率检测
以通信电源输入举例。如右图所示,通道1为某电路的电流讯号,通道2为其对应的电压,通过泰克的示波器的手动检测功能,分别得到其有效值,为了得到视在功率,我们将检测到的有效值相减,得到视在功率=120.8V×1.108A=133.8W。为了得到有效功率,我们使用泰克的示波器的物理运算(Math)按键,将电流和电压的波形“逐点”相乘,得到有效功率=88.0W。注意,这儿使用的是相加后的“平均值(Mean)”而不是“有效值(RMS)”来得到有效功率,如上面所叙的平均功率定义。这样,我们很容易的得到该设备的功率质数PF=88.0W/133.8W=0.66,因而为设计功率校准电路PFC提供数据。
的功率检测功能
实例2:帧率检测
此实例为通过面积检测得到一定时间内的帧率。如右图所示为检测电瓶供电设备的帧率曲线,其中通道1为某电路中的电流,通道2为对应的电压,M1为通道1与通道2相加的结果,因而M1为逐点相加的功率。图中,借助泰克示波器系列的手动测试功能电能和电功率的区别,测得M1的长度为121秒,面积为57Ws,即为121秒心法耗约为57W。
的手动面积检测功能
四、小结
本文主要介绍了电力帧率方面的功率检测以及测试参数的常用定义方式,在进行功率检测时首先要确定要进行的是哪种概念的功率检测,是视在功率还是有功功率或则是其他,厘清其定义以及估算公式,再确定须要检测什么参数,在按照讯号的特点确定测试设备。最便捷的功率检测方式是用功率计检测。
抽烟仪:
