交流電源測量的基礎知識

量化開(kāi)關(guān)模式電源轉換器的性能是系統設計中一個(gè)越來(lái)越重要的方面。系統通常需要滿(mǎn)足效率、待機功率、功率因數、諧波失真等方面的標準。開(kāi)關(guān)模式電源轉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?；谡也妷汉碗娏鬏斎氲暮?jiǎn)化假設，無(wú)法正確分析它們的性能。本常見(jiàn)問(wèn)題解答將回顧交流電源測量的基礎知識，這將為在下一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題解答中討論如何驗證電源轉換器性能的某些方面奠定基礎。

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。

RMS 值是振蕩信號的等效穩態(tài)值。紅色是實(shí)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 值的概念可以應用于任意波形。（圖片：西門(mén)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，然后對結果值開(kāi)平方。對于簡(jiǎn)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(jià)物），或定義連續的函數的平方波形。RMS 值在進(jìn)行功率計算時(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

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

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

功率：有功、無(wú)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(gè)量在同一瞬間反轉極性。功率僅沿一個(gè)方向流動(dòng)，稱(chēng)為真實(shí)功率或實(shí)際功率。

在純電抗負載的情況下，電壓和電流相位差為 90 度。無(wú)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)季度內為正，在兩個(gè)季度內為負。由于大量能量流入負載，因此沒(méi)有凈能量從負載傳輸出去。但是電流在兩個(gè)方向上流動(dòng)，并且電線(xiàn)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(shí)際負載由電阻、電容和電感的組合組成。存在有功功率和無(wú)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。設計配電網(wǎng)絡(luò )時(shí)必須考慮視在功率。布線(xiàn)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(wú)功功率用 VAr 表示，代表伏安無(wú)功。無(wú)功功率也稱(chēng)為“無(wú)功功率”，因為它不向負載傳輸凈能量。如下圖所示，功率因數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）。對于傳輸相同數量的有用功率，具有低功率因數的負載比具有高功率因數的負載消耗更多的電流。隨著(zhù)無(wú)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，功率因數趨于一致。

功率因數測量實(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(zhù)負載變得更純阻性，無(wú)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，功率因數變?yōu)?1.0。（圖片：泰克）

在 AC-DC 電源中，有源功率因數校正 (PFC) 控制流入電源的電流以改善功率因數。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)升壓轉換器。升壓轉換器（PFC 級）受控以在其輸出端保持恒定電壓，同時(shí)汲取與交流線(xiàn)路輸入同相且頻率相同的電流。

功率因數：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(shí)，PF 對于“正?！保ㄕ┯泄β柿魇钦?。當負載產(chǎn)生能量時(shí)，PF 對于“反向”（負）有功功率流是負的。

根據 IEEE 的說(shuō)法，PF 符號僅取決于負載的性質(zhì)，而不是實(shí)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(wú)論使用 IEC 還是 IEEE 符號約定，PF 的絕對值都不會(huì )改變；只有標志改變。

IEC 與 IEEE 功率因數符號約定的比較。（圖片：施耐德電氣）

“位移功率因數”可能出現在具有正弦電流和電壓的電路中。功率因數是由電流和電壓之間的相位差（位移）產(chǎn)生的?！笆д婀β室驍怠笔桥c非線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)性負載往往會(huì )產(chǎn)生諧波電流，從而導致功率因數失真。對于非線(xiàn)性負載，了解波峰因數在量化失真水平時(shí)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遠高于 1.41，失真功率因數為 0.75。（圖片：維基百科）

諧波失真

交流電力系統中的諧波是基本系統頻率的倍數的電壓或電流。諧波是由非線(xiàn)性負載引起的，例如電信整流器、變速驅動(dòng)器、照明鎮流器和交流/直流電源。二極管、晶體管、MOSFET 和 IGBT 等半導體器件也是非線(xiàn)性負載的示例。電網(wǎng)中的諧波會(huì )導致電能質(zhì)量問(wèn)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(dòng)機對諧波的影響不大。但是，如果電機和變壓器過(guò)載或飽和，它們都會(huì )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 水平的法規很普遍，并且通?；?EN61000-3。

下一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)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(gè)也是最后一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題解答將回顧驗證嵌入式系統配電網(wǎng)絡(luò )中的電源完整性時(shí)的重要考慮因素。

參考

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