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1、交流电源测量基础知识应用指南电源分析涉及到某些测量、项目和计算，新进入这个领域的工程师和技术人员对这些内容可能会感到陌生或产生混淆。此外，当今电源转换设备通常会产生复杂的电压波形和电流波形，可能要求不同于过去对比较简单的正弦波所使用的方法。本应用指南将介绍电源测量的基本概念，阐明主要项目的定义，如： 均方根 真实功率 表现功率 功率因数 波峰因数 谐波失真通过更好地理解这些测量项目和概念，以及它们之间的关系，您将更好地做好准备，理解测试设计时遇到的测量。2 1.RMS ( 均方根值 )RMS 值是指明 AC 电压和电流值最常用、最实用的手段。AC 波形的 RMS 值指明了从波形中提供的功率水
2、平，这是任何 AC 电源最重要的属性之一。最好考虑 AC 电流波形及相关的热效应，如上面的图1a 所示，来描述 RMS 值的计算方式。如果这个电流被视为流经电阻，那么应通过下面的公式得出任何时点上的热效应：通过把电流周期划分到均匀间隔的坐标中，可以确定热效应随时间变化，如上面的图 1b 所示。平均热效应 ( 功率 ) 的计算公式如下：电流热效应图1a.图1b.时间时间平均热效应如果我们想找到产生上面所示的平均热效应的同等电流值，那么可以使用下面的公式：因此：=电流的平方的均方根=电流的 RMS 值这个值通常表明 AC 波形的有效值，因为它等于在电阻负载中产生相同热效应 ( 功率 ) 的直接电流
3、。需要指出的是，对正弦曲线波形：即：RMS=0.707x峰值 3 交流电源测量基础知识电流半个周期的面积半个周期的时间时间图 2. 平均值如图 2 所示，波形的平均值用下面的公式计算：注意，平均值只在波形的半个周期上有实际意义，因为对于对称波形，整个周期上的中间值或平均值为零。最简单的万用表使用AC波形的全波校正来确定AC值，然后计算中间值。平均值=半个周期包围的面积半个周期上的基数长度但是，在 RMS 中将校准这些仪表，并利用正弦曲线波形 RMS 和平均值之间的已知关系，即：RMS=1.1x中间值但是，对纯正弦波之外的波形，这些仪表的读数是无效的。因此，示波器、电源分析仪和优质万用表直接测量
4、 RMS 值，而不是根据校正后的波形推断这些值。4 3. 真实功率和表现功率 (W & VA)如果正弦曲线电压源，比如100VRMS，连接到电阻负载上，比如100 W，那么电压和电流可以表示为图3a，称为“同相”。在任何时点从电源流向负荷的功率使用该时点的电压和电流乘积得出，如图3b所示。注意，流入负荷的功率会在0 -200W之间波动(其频率是供电频率的两倍)，传送到负荷的平均功率等于100W。多个瞬时功率值的平均值是“真实功率”(有时称为“活动功率”)。这是为负荷提供的完成实际工作的功率，用瓦特表示。注意在纯电阻负荷中，可以把 RMS 电压 (100 VRMS) 乘以 RMS 电流 (1
5、ARMS)，得到真实功率 (100W)。 5 交流电源测量基础知识电压/电流功率50W平均值图4a图4b时间由于电流和电压相位差损失的功率图 4. 现在我们看一下更加现实的负荷。真实世界负荷是无功负荷，也就是说，它们有某些电感和电容及电阻。例如，我们假设有一个负载，它有电阻及占主导地位的电感，结合在一起构成 100 W阻抗。电流流量仍是1ARMS，但电流流量不再与电压同相，如图 4a 所示，其中电流滞后电压 60 null。尽管功率流量持续以供电频率的两倍波动，但现在它只在每半个周期的一部分时间内从电源流向负荷，而在其余部分，它实际上是从负荷流向电源。流入负荷的平均净流量要比电阻负荷小得多，如
6、图 4b所示只有50W的有用功率(即真实功率)传送到电感负荷中。6 1ARMS。但在无功负荷情况下，真实功率不等于VRMSxIRMS。也就是说，负荷为执行工作提供了 50W，而不是 100 W。遗憾的是，电源系统还必须传送完整的 100 W，尽管没有用。RMS 电压和 RMS 电流之积以伏安 (VA) 作为单位，公式如下：表现功率=VRMSxARMS有时，最好考虑表现功率和真实功率之差。表现功率和真实功率之间的向量差称为无功功率，用无功伏安(VAr)表示。在测量无功功率时，假设表现功率、真实功率和无功功率构成一个直角三角形，其中表现功率是最长的边 ( 直角三角形的斜边 )。因此：但是，这种关
7、系只适用于正弦曲线波形，而这种波形在当今电源电子器件中越来越少见。传送的真实功率在一定程度上取决于负荷的特点。在知道RMS电压和电流时，是不可能确定真实功率值的。这只能通过使用真正的 AC 功率计或示波器来实现 ( 如评估热损耗或效率 )，真正 AC 功率计或示波器要能够瞬时电压和电流值之积，并显示结果的中间值。 7 交流电源测量基础知识功率因数现在应该明确，与 DC 系统相比，除纯电阻负荷外，传送的 AC 功率并不是简单的 RMS 电压值和 RMS 电流值之积。表达表现功率和真实功率之间关系的方式之一是使用无功功率概念，我们已经对此进行了介绍。但是，在大多数应用中，可以更容易地掌握和应用真实
8、功率和表现功率之间的简单比率。这一比率称为功率因数，公式如下：功率因数=真实功率表现功率在前面的实例中，实用功率(50 W)是表现功率(100 VA)的一半，所以我们说，功率因数是0.5或50%。(注意功率因数的单位是没有量纲的 )在正弦曲线电压波形和电流波形中，功率因数实际上等于电压波形和电流波形之间的相位角 () 的余弦。例如，对前面介绍的电感负荷，电流滞后电压 60 null。因此：也正因如此，功率因数通常称为cos。但是，需要记住，这只适用于电压和电流是正弦曲线 图 5 (I1和I2)，且在任何其它情况下功率因数不等于 cos 的情况图5 (I3)。在使用读取cos的功率因数表时，必须
9、注意这一点，因为除纯正弦曲线电压波形和电流波形外，读数是无效的。真实功率因数表将计算上面介绍的真实功率与表现功率之比。电压没有相移正弦电流I1相移正弦电流I2没有相移非正弦曲线电流I3图 5.8 RMS 之间的关系称为峰波因数，公式如下：波峰因数=峰值RMS 值因此，对正弦曲线：许多连接到 AC 电源的现代设备项目获得的都是非正弦曲线电流波形，包括电源、灯调光器、甚至荧光灯。典型的开关式电源(SMPS)将从AC电源中获得电流，如图 6 所示。很明显，图中电流波形的波峰因数要比1.414大得多事实上，大多数开关式电源和马达速度控制器的电流波峰因数都在 3 或更高。因此，它遵循一个规律，即大的电
10、流峰值因数必须给为此类负荷供电的设备带来额外的压力，因为设备必须能够提供与失真的波形有关的大峰值电流。在限定阻抗的电源( 如备用逆电器 ) 为负荷供电时，其相关度特别高。因此很明确，在涉及AC设备时，必需知道吸收的电流的波峰因数及其 RMS 电流。电压电流时间时间峰值RMS值图 9 交流电源测量基础知识图 7. 图 8.50Hz (基础谐波)150Hz (三阶谐波)250Hz (五阶谐波)350Hz (七阶谐波)幅度 时间时间频率 幅度 频率 幅度100Hz (基础谐波)300Hz (三阶谐波)500Hz (五阶谐波)700Hz (七阶谐波)注：没有偶数谐波，因为两个半周期是对称的电流(22
11、2050Hz输入)2.6A峰值2.1A RMS值谐波失真如果负荷引入电流波形失真，那么除了知道波峰因数外，最好量化波形的失真。示波器上的监测结果将指明失真，但不是失真水平。傅立叶变换表明，非正弦曲线电流波形由供电频率的基础成分及一串谐波 ( 即供电频率整数倍的频率上的成分)组成。例如，100Hz方波由图7所示的成分组成。与纯正弦波相比，方波的失真明显更严重。但是，吸收的电流波形，如SMPS、灯调光器、甚至控制速度的洗衣机马达，会包含有效性高得多的谐波。图 8 显示了流行的 SMPS 模型吸收的电流以及该电流的谐波成分。额外的谐波电流不仅在电源自身内部流动，还在与电源相关的所有分配电缆、变压器及
12、开关设备中流动，从而会导致额外的损耗。人们日益认识到，必需限制设备可以产生的谐波水平。许多地区都有控制措施，对某些负荷类型允许的谐波电流水平规定了极限。通过使用国际公认标准，如EN61000-3，这类法规控制正在越来越广泛。因此，设备设计人员越来越需要了解其产品是否产生谐波，以及产生的谐波水平。测量 AC 参数在本应用指南中，我们介绍了最基本的AC功率参数。还存在许多其它专用参数，但这些参数广泛用来评估AC 系统。通过了解这些基础参数，您将能够理解测试自已的系统时在实验室中看到的测量数据。null2013年泰克公司版权所有，侵权必究。泰克产品受到已经签发及正在申请的美国专利及外国专利的保护。本文中的信息代替以前出版的材料中的所有信息。本文中的技术数据和价格如有变更，恕不另行通告。TEKTRONIX 和 TEK 是泰克公司的注册商标。本文中提到的所有商号均为各自公司的服务标志、商标或注册商标。04/13EA/WWW55C-28941-0有关信息泰克公司备有内容丰富的各种应用文章、技术简介和其他资料，并不断予以充实，可为从事前沿技术研究的工程师提供帮助。请访问泰克公司网站
