如何使用示波器计算实际功率和功率因数?

电器工程 力量 示波器 电源
2022-01-15 08:49:29

我正在尝试计算设备在待机模式下的实际功耗,但要做到这一点,我需要计算出它的功率因数,因为:

\$\text{实际功率} = V_\text{rms}\times I_\text{rms}\times PF\$

现在,我的设备像许多其他 IT 设备一样没有完美的正弦电流曲线,所以我不能只计算相移可以做 cos(theta)。

我阅读了 Arduino 应用程序的一些文档,显然您可以通过对电流和电压进行几次瞬时采样并将它们相乘并得到平均值来计算实际功率。所以我拿出我的示波器并决定获取 1000 个样本。

这是图表:

在此处输入图像描述

我将此数据导出到 Excel 工作表并得到以下值:

\$V_\text{rms} = 118.96V\text{ (RMS)}\$

\$I_\text{rms} = 0.02024A\text{ (RMS)}\$

\$S \text{ (视在功率)} = 2.40792\text{ VA}\$

\$P \text{(实际功率)} = 0.93713\text{ W}\$

这给了我一个功率因数

\$PF = 0.93713/2.40792 = 0.38919\text{ ← 这是一个非常低的功率因数。}\$

我使用了我的 Kill-a-Watt 设备,它告诉我我的功率因数平均在 0.6 左右。

如果我错过了什么,我尝试在线调查,我注意到一个网站说示波器的当前探头应该有它的“流动箭头”指向源,在我的情况下是我的交流电源插座。我注意到我有相反的情况并纠正了这一点。图表如下:

在此处输入图像描述

这给了我几乎相同的 RMS 值,但是当我尝试通过将瞬时电压和电流读数相乘并将它们平均来计算实际功率时,我得到的实际功率为:

\$P = -1.02W\$

任何有更多经验的人都可以为我指明正确的方向。我究竟做错了什么?

3个回答

我认为尝试为此使用电压和电流的 RMS 值是行不通的。想象一下在 4ms 后移动电流波形;RMS 电压和 RMS 电流都不会改变,但消耗的功率会改变一个数量级。

电路消耗的瞬时功率为 V * I。在任何小的时间 dt 内,消耗的能量将为 V * I * dt。1s 内消耗的能量,即消耗的功率,将是 V * I * dt 从 T=0 到 T=1s 的积分。您可以直接从您的 excel 电子表格中的样本值计算它。在每次采样时,将瞬时电压乘以瞬时电流,得出瞬时功率。将其乘以采样间隔,即为该采样间隔中消耗的能量。将所有这些加起来超过一个交流周期,然后乘以每秒的周期数,这就是每秒消耗的能量,也称为功率。

查看示波器轨迹,电路消耗的电流通常为 0。每 AC 半周期一次,电流很快增加到大约 90mA,然后在大约 820us 内线性下降到 0。这是一个 60Hz 的电路,所以它每 8.3ms 执行一次。当电路吸收电流时,电压或多或少恒定在 170V。那是在 170V = 7.65 W 时 820us 的平均电流为 45mA,但它只需要总时间的 1/10,因此最终功耗为 0.76 W。

根据我的经验,反向连接电流探头的概率正好是 0.5!

对于像您的 IT 设备这样的系统,功率因数下降是由于整流器动作而不是纯电感或电容相移,功率因数是使用 K 因数方法计算的,它是单个谐波电流分量的函数。使用采样电流波形的 FFT 计算谐波含量。

您的 5000/6000 系列示波器(非常可爱 - 我每天在工作中使用一个)不是完成这项任务的正确工具。你真的应该为这种工作购买或租用功率计。

Xitron 有一篇关于功率计数学方法的好论文,谷歌搜索也给出了一些结果。

电流探头基本上是一个单匝变压器。探头放置在它正在测量的导线上的哪个方向都没有关系。箭头的唯一目的是表明沿该方向流动的电流将在示波器上显示为正电压。请注意,当您切换探头时,波形保持不变,但示波器上的极性相反。当必须确定电流与其他电压或电流之间的相位时,这一点很重要。波形和幅度不受影响。