交流電源測量的基礎(chǔ)知識

量化開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的性能是系統(tǒng)設(shè)計中一個越來越重要的方面。系統(tǒng)通常需要滿足效率、待機功率、功率因數(shù)、諧波失真等方面的標準。開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器具有連接到交流輸入的大電容器，從而導致復雜的輸入波形。基于正弦波電壓和電流輸入的簡化假設(shè)，無法正確分析它們的性能。本常見問題解答將回顧交流電源測量的基礎(chǔ)知識，這將為在下一個常見問題解答中討論如何驗證電源轉(zhuǎn)換器性能的某些方面奠定基礎(chǔ)。

均方根交流測量

均方根 (RMS) 測量值是測量交流電流和電壓最常用的值。RMS 值相當于在純電阻負載中產(chǎn)生相同功耗的直流功率量。使用“振幅”格式計算 RMS 值可能很有用。下圖中的幅度“A”可以表示電壓、電流或其他參數(shù)。

RMS 值是振蕩信號的等效穩(wěn)態(tài)值。紅色是實際信號。藍色是用于振幅分析的信號。雖然此圖像是正弦波，但 RMS 值的概念可以應(yīng)用于任意波形。（圖片：西門子）

交流電壓波形在零上下振蕩，平均值為零。這不是衡量有效電壓的好方法。RMS 值用于導出等效的穩(wěn)態(tài)值。使用振幅（或峰值）格式，RMS 值的計算方法是對波的峰值振幅“A”求平方，將其除以二得到平均值，然后對結(jié)果值開平方。對于簡單的正弦波，RMS 值可以表示為 0.707*A。

對于更復雜的波形，RMS 值定義為值平方的算術(shù)平均值的平方根（考慮上圖中垂直“切片”的等價物），或定義連續(xù)的函數(shù)的平方波形。RMS 值在進行功率計算時特別有用，電源插座列出的電壓通常以 RMS 值而非峰值列出。峰值等于有效值乘以√2。例如，在 120Vac 的情況下，峰值電壓約為 170Vac。使用歐洲市電電壓，峰值約為325，峰峰值電壓約為650V

波峰因數(shù)

RMS 值與峰值之比稱為波形的波峰因數(shù)，定義為：波峰因數(shù)=峰值/RMS 值。對于正弦波：峰值 = RMS x √2；波峰因數(shù)為√2，約1.41。

大多數(shù)電子電源轉(zhuǎn)換器（如 AC-DC 電源、電機驅(qū)動器和照明電源）的輸入端都有大電容，這會導致波峰因數(shù)遠大于 1.41 的非正弦電流。典型的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器具有脈沖交流輸入波形。這些電源轉(zhuǎn)換器的波峰因數(shù)通常高于 3。這意味著交流配電網(wǎng)絡(luò)必須支持高波峰因數(shù)，而不僅僅是平均功率水平。如下所述，這是功率因數(shù)校正要求背后的驅(qū)動因素之一，其中波峰因數(shù)降低到接近典型正弦波中的 1.41 的值。

功率：有功、無功、視在和功率三角

如果負載是純電阻性的，電流和電壓波形是正弦波，兩個量在同一瞬間反轉(zhuǎn)極性。功率僅沿一個方向流動，稱為真實功率或?qū)嶋H功率。

在純電抗負載的情況下，電壓和電流相位差為 90 度。無功功率“流動”。功率（電壓和電流的乘積）在每個周期的兩個季度內(nèi)為正，在兩個季度內(nèi)為負。由于大量能量流入負載，因此沒有凈能量從負載傳輸出去。但是電流在兩個方向上流動，并且電線的尺寸必須能夠承載該電流，即使負載本身消耗的能量為零。

實際負載由電阻、電容和電感的組合組成。存在有功功率和無功功率，從而產(chǎn)生視在功率，它是電壓和電流的 RMS 值的乘積。設(shè)計配電網(wǎng)絡(luò)時必須考慮視在功率。布線和其他載流元件必須承載總電流，而不僅僅是產(chǎn)生有用功的電流。

實際或“真實”功率以瓦特為單位進行測量。視在或“總”功率以伏安 (VA) 為單位測量，是 RMS 電壓和 RMS 電流的乘積。最后，無功功率用 VAr 表示，代表伏安無功。無功功率也稱為“無功功率”，因為它不向負載傳輸凈能量。如下圖所示，功率因數(shù)衡量的是總功率與有功功率之比（或視在功率與有功功率之比）。對于傳輸相同數(shù)量的有用功率，具有低功率因數(shù)的負載比具有高功率因數(shù)的負載消耗更多的電流。隨著無功功率的降低（負載變得更純阻），總功率和有功功率變得相等，功率因數(shù)趨于一致。

功率因數(shù)測量實際或真實功率與視在或總功率之比。它被定義為 θ 的余弦。隨著負載變得更純阻性，無功功率接近于零；視在（總）功率和實際（真實）功率變得相等，功率因數(shù)變?yōu)?1.0。（圖片：泰克）

在 AC-DC 電源中，有源功率因數(shù)校正 (PFC) 控制流入電源的電流以改善功率因數(shù)。在單相電源中，在橋式整流器和主輸入電容器之間插入一個升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器（PFC 級）受控以在其輸出端保持恒定電壓，同時汲取與交流線路輸入同相且頻率相同的電流。

功率因數(shù)：正負、位移和畸變

PF 的符號（正或負）取決于所使用的標準，并且對于 IEC 和 IEEE 而言是不同的。使用 IEC 標準，有功功率流的方向決定了 PF 的符號。當負載消耗能量時，PF 對于“正?！保ㄕ┯泄β柿魇钦摹．斬撦d產(chǎn)生能量時，PF 對于“反向”（負）有功功率流是負的。

根據(jù) IEEE 的說法，PF 符號僅取決于負載的性質(zhì)，而不是實際功率流的方向。對于容性負載，PF 為正，對于感性負載，PF 為負。請注意，無論使用 IEC 還是 IEEE 符號約定，PF 的絕對值都不會改變；只有標志改變。

IEC 與 IEEE 功率因數(shù)符號約定的比較。（圖片：施耐德電氣）

“位移功率因數(shù)”可能出現(xiàn)在具有正弦電流和電壓的電路中。功率因數(shù)是由電流和電壓之間的相位差（位移）產(chǎn)生的?！笆д婀β室驍?shù)”是與非線性負載相關(guān)的各種諧波電流和電壓相關(guān)的失真因素。非線性負載將電流波形的形狀從正弦波更改為不同的波形，例如脈沖波。因此，非線性負載往往會產(chǎn)生諧波電流，從而導致功率因數(shù)失真。對于非線性負載，了解波峰因數(shù)在量化失真水平時很有用。

正弦電壓和非正弦電流導致此計算機電源負載的波峰因數(shù)遠高于 1.41，失真功率因數(shù)為 0.75。（圖片：維基百科）

諧波失真

交流電力系統(tǒng)中的諧波是基本系統(tǒng)頻率的倍數(shù)的電壓或電流。諧波是由非線性負載引起的，例如電信整流器、變速驅(qū)動器、照明鎮(zhèn)流器和交流/直流電源。二極管、晶體管、MOSFET 和 IGBT 等半導體器件也是非線性負載的示例。電網(wǎng)中的諧波會導致電能質(zhì)量問題，導致電網(wǎng)中的導體和其他組件發(fā)熱增加。在正常運行情況下，電動機對諧波的影響不大。但是，如果電機和變壓器過載或飽和，它們都會產(chǎn)生諧波。

總諧波失真 (THD) 是對存在的整體失真的度量。它被定義為所有諧波分量的功率之和與基頻功率的比值。失真因數(shù)是一個密切相關(guān)的概念，有時用作 THD 的同義詞。限制可接受的 THD 水平的法規(guī)很普遍，并且通常基于 EN61000-3。

下一個常見問題解答將考慮上面討論的各種交流電源測量如何驗證交流/直流電源性能。第三個也是最后一個常見問題解答將回顧驗證嵌入式系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中的電源完整性時的重要考慮因素。

參考

交流功率測量基礎(chǔ)知識，泰克
功率因數(shù)，維基百科
IEEE 和 IEC PF 標準之間的區(qū)別是什么，施耐德電氣