交流電源測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)

量化開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)越來越重要的方面。系統(tǒng)通常需要滿足效率、待機(jī)功率、功率因數(shù)、諧波失真等方面的標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)致復(fù)雜的輸入波形?；谡也妷汉碗娏鬏斎氲暮?jiǎn)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(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)，這將為在下一個(gè)常見問題解答中討論如何驗(yàn)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(cè)量

均方根 (RMS) 測(cè)量值是測(cè)量交流電流和電壓最常用的值。RMS 值相當(dāng)于在純電阻負(fù)載中產(chǎn)生相同功耗的直流功率量。使用“振幅”格式計(jì)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(hào)的等效穩(wěn)態(tài)值。紅色是實(shí)際信號(hào)。藍(lán)色是用于振幅分析的信號(hào)。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(dǎo)出等效的穩(wěn)態(tài)值。使用振幅（或峰值）格式，RMS 值的計(jì)算方法是對(duì)波的峰值振幅“A”求平方，將其除以二得到平均值，然后對(duì)結(jié)果值開平方。對(duì)于簡(jiǎn)單的正弦波，RMS 值可以表示為 0.707*A。

對(duì)于更復(fù)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(jià)物），或定義連續(xù)的函數(shù)的平方波形。RMS 值在進(jìn)行功率計(jì)算時(shí)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(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器和照明電源）的輸入端都有大電容，這會(huì)導(dǎo)致波峰因數(shù)遠(yuǎn)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(dòng)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(fù)載是純電阻性的，電流和電壓波形是正弦波，兩個(gè)量在同一瞬間反轉(zhuǎn)極性。功率僅沿一個(gè)方向流動(dòng)，稱為真實(shí)功率或?qū)嶋H功率。

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

實(shí)際負(fù)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(jì)配電網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)際或“真實(shí)”功率以瓦特為單位進(jìn)行測(cè)量。視在或“總”功率以伏安 (VA) 為單位測(cè)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?yàn)樗幌蜇?fù)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(duì)于傳輸相同數(shù)量的有用功率，具有低功率因數(shù)的負(fù)載比具有高功率因數(shù)的負(fù)載消耗更多的電流。隨著無功功率的降低（負(fù)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(cè)量實(shí)際或真實(shí)功率與視在或總功率之比。它被定義為 θ 的余弦。隨著負(fù)載變得更純阻性，無功功率接近于零；視在（總）功率和實(shí)際（真實(shí)）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(gè)升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器（PFC 級(jí)）受控以在其輸出端保持恒定電壓，同時(shí)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(fù)、位移和畸變

PF 的符號(hào)（正或負(fù)）取決于所使用的標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)于 IEC 和 IEEE 而言是不同的。使用 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，有功功率流的方向決定了 PF 的符號(hào)。當(dāng)負(fù)載消耗能量時(shí)，PF 對(duì)于“正?！保ㄕ┯泄β柿魇钦?。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生能量時(shí)，PF 對(duì)于“反向”（負(fù)）有功功率流是負(fù)的。

根據(jù) IEEE 的說法，PF 符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)，而不是實(shí)際功率流的方向。對(duì)于容性負(fù)載，PF 為正，對(duì)于感性負(fù)載，PF 為負(fù)。請(qǐng)注意，無論使用 IEC 還是 IEEE 符號(hào)約定，PF 的絕對(duì)值都不會(huì)改變；只有標(biāo)志改變。

IEC 與 IEEE 功率因數(shù)符號(hào)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(fù)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(fù)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(fù)載往往會(huì)產(chǎn)生諧波電流，從而導(dǎo)致功率因數(shù)失真。對(duì)于非線性負(fù)載，了解波峰因數(shù)在量化失真水平時(shí)很有用。

正弦電壓和非正弦電流導(dǎo)致此計(jì)算機(jī)電源負(fù)載的波峰因數(shù)遠(yuǎn)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(fù)載引起的，例如電信整流器、變速驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體器件也是非線性負(fù)載的示例。電網(wǎng)中的諧波會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量問題，導(dǎo)致電網(wǎng)中的導(dǎo)體和其他組件發(fā)熱增加。在正常運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)對(duì)諧波的影響不大。但是，如果電機(jī)和變壓器過載或飽和，它們都會(huì)產(chǎn)生諧波。

總諧波失真 (THD) 是對(duì)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(gè)密切相關(guān)的概念，有時(shí)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(gè)常見問題解答將考慮上面討論的各種交流電源測(cè)量如何驗(yàn)證交流/直流電源性能。第三個(gè)也是最后一個(gè)常見問題解答將回顧驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中的電源完整性時(shí)的重要考慮因素。

參考

交流功率測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)，泰克
功率因數(shù)，維基百科
IEEE 和 IEC PF 標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別是什么，施耐德電氣