电力功率测量方法

从大的方面来看，很多领域都需要功率测量，而且不同领域功率测量的方法是大不相同的。例如在通讯领域，需要测试发射设备(如天线)的发射功率，传输功率，接收设备的接收功率等等，这里的测试信号大多都是射频信号，是看不见摸不着的，要对其进行功率测量一般需要使用天线接收，接收时需要设置好频点或频带，再进行功率测量。而在电力测试领域，信号频率较低，一般通过测其电压、电流、电阻等来计算其功率即可，而且测试这些基础参数的仪器很多，如万用表、示波器等等，也可以通过电力测试功率计直接测得。本文主要介绍电力测试领域的功率测量。

一、有多少种功率定义？
在IEEE技术词典中，列出了十多种不同的功率定义，其中有两种为最常用的功率类型：视在功率S、平均功率P(亦称真值功率、有功功率)。还有许多其他的功率的定义，如无功功率Q、谐波功率、瞬时功率等等。常用的功率表达式如表1所示。

在交流电路中，由于有感性或容性储能设备，电压与电流有相位差，通俗讲就是电压与电流不在同一时间到达；因此，表面看电压有多大、电流有多大，实际并没有做那么大的功，有电源与储能设备的能量转换；所以称为视在功率。

常用功率表达式

1. 非正弦交流电路的平均功率

其中，Un是包含了谐波电压的电压测量值，In是包含了谐波电流的电流测量值，PF是功率因数，一般用于非正弦波形。与上面定义区别在于：包含了n的高次谐波，使用了离散的计算方法。
另一个平均功率的定义是等效直流电阻中的“热能”的定义，这是个更容易理解的概念

2. 平均功率的重要性
对于像灯泡，加热器等电阻负载，平均功率的测量和计算是很方便的，但是，这样的计算不适用于非线性负载。现代的电子技术应用中，开关电源、电子整流器，空调控制系统，感应或脉冲调制马达等等都使用了非线性技术，这样，在设计，故障诊断和分析中都需要进行非线性负载的平均功率测量。
如上所示，对于电力方面的测量无外乎需要测量电压、电流、电阻等基本参数，但是对于这些参量的测试需要注意其定义方法，例如电压参数的定义就有很多种：电压瞬时值、电压均方值、电压整定值、电压有效值、电压峰值等等。下面，我们逐一介绍这些参数的定义方法。

二、多种参数定义
1.算术平均值

周期性信号的算术平均值是对信号在一个周期T内的平均值，相当于信号中的直流成分。如果平均值等于0，则该信号为纯AC信号。对于DC信号，平均值与瞬时值相同。对于同时含有AC和DC成分的信号，平均值为其中的DC成分。

2.整定值

整定值是一个周期内绝对值的算术平均值，绝对值通过信号整流获得。

整定值示意图

为了使AC信号能够使用与DC信号同样的计算公式，比如电阻、功率等的计算，对信号的均方根值进行了专门定义。AC信号的均方根值与相同幅度的DC信号产生的效果相同。例如：采用230VrmsAC电压供电的白炽 灯泡获得的电能与采用230VDC电压对其供电获得的电能是相同的。对于正弦波信号，均方根值是其峰值的1/(21/2)(0.707)。

4.波形因数
信号的整定值乘以波形因数之积等于信号的有效值：

对于纯正弦波信号，波形因数等于：

5.峰值因数
峰值因数的大小等于峰值和有效值之比，它对于失真信号测量非常重要。

于纯正弦波信号，波形因数等于21/2=1.414。如果峰值因数超过测量仪器的规定值，则测量结果会出现误差。计算有效值的准确度取决于峰值因数，信号的峰值因数越高，有效值计算值的准确度越低。通常，最大允许峰值因数的规定与仪器的满刻度值有关，如果仪器的量程仅被使用一部分(例如500V的量程使用了230V)，则峰值因数将按照满量程与实际使用量程的比值增加。

三、电阻测量

1.两线制电阻测量

仪器在测量未知电阻R时，要通过测试线向被测电阻发送电流，然后测量被测电阻R两端的压降，同时测试线的电阻RL也会产生较小的压降，如图2所示。在测量阻值较小(1kΩ)的电阻时，一般需要对导线电阻进行补偿。

两线制电阻测量的工作原理

2.四线制电阻测量

小电阻的传统测量方法被称为四线制测量法或开尔文定律。采用这种测量法时，仪器同样提供精确的恒定电流，该方法使用另外两条测试线直接与被测电阻R相连，因而可以不受传送测量电流的两条测试线中产生的压降的影响尔直接测量R两端压降。仪表上传送恒定电流的端子被称为源端子，用于直接测量被测电阻两端压降的仪表端子被称为感应端子。感应输入的输入电阻RL1阻值非常高，因而通过该输入电阻的电流极小，可以忽略不计。

四线制电阻测量的工作原理

四、 功率测量的测试手段

如上所述，对于电力耗能方面的功率测量，只要获得几个关键参数(如电压、电流的有效值等等)，再通过计算便可以获得，所以说可测量这些基本参数的仪器都可以进行功率测量，如万用表、示波器等等，但是对于某些信号的电压或电流频率较高，这时万用表就力不从心了，可以使用数字示波器观察波形，再利用数字示波器的自动测量和计算功能即可得到结果。下面我们主要介绍了几个通过示波器进行功率测量的实例。

实例1：通讯电源输入功率测量
这是个通讯电源输入的实例。如图4所示，通道1为某电路的电压信号，通道2为其对应的电流，通过泰克的TDS3000B示波器的自动测量功能，分别得到其有效值，为了得到视在功率，我们将测量到的有效值相乘，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TDS3000B的数学运算(Math)按钮，电压和电流的波形“逐点”相乘，得到有效功率＝88.0W。注意，这里使用的是相乘后的“平均值(Mean)”而不是“有效值(RMS)”来得到有效功率，这是根据前面所叙述的平均功率的定义来的。这样，我们很容易的得到该设备的功率因数PF＝88.0W/133.8W＝0.66,从而为设计功率校正电路PFC 提供数据。

TDS3000B的功率测量功能

实例 2 ：功耗测量
此实例为通过面积测量得到一定时间内的功耗。如图5所示为测量电池供电设备的功耗曲线，其中通道1为某电路的中的电压，通道2为对应的电流，M1为通道1与通道2相乘的结果，因此M1为逐点相乘的功率。图中，利用泰克TDS3000B示波器系列的自动测试功能，测得M1的宽度为121秒，面积为57Ws，所以即为在121秒内功耗约为58Ws。

TDS3000B的自动面积测量功能

五、小结
本文主要介绍了电力功耗方面的功率测量以及测试参数的常用定义方法，在进行功率测量时首先要确定要进行的是哪种概念的功率测量，是视在功率还是有功功率或者是其他，搞清其定义以及计算公式，再确定需要测量哪些参数，在根据信号的特性确定测试设备。最方便的功率测量方法是用功率计测量。