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大不相同,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,这里的测试信号大多都是射频信号,频率较高,看不见摸不着,要对其进行功率测量一般需要使用天线接收或功率传感器,接收时需要设置好频点或频带,再进行功率测量 。
在直流和低频电参数和功率测试领域(最典型用的是电网和电力领域),由于其信号频率较低,一般通过测其电压、电流、电阻等来计算功率即可,而且测试这些基础参数的仪器很多,例如万用表、示波器等,用它们来测量电路中电参数(一般指电压、电流和功率),也可以通过数字功率计来直接测得,在直流和低频技术中测量功率的功率计,也可称为瓦特计 。对于电参数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 。下面,本文主要介绍直流和低频领域中的功率等电参数测量和这些参数的定义方法 。
一、有多少种功率定义?
文章插图
功率是表征电信号特性的一个重要参数 。电流在单位时间内做的功叫做电功率,用来表示消耗电能的快慢的物理量,国际单位是瓦特(Watt),简称瓦,符号W,用P来表示,功率P=d功/d时间=dW/dt;单位时间内消耗的功率,就是电能,W=P×t,国际单位是焦耳(Joule),简称焦,符号Q,用W表示 。例如:我们常见的家用电器中,一个用电器的功率大小是指这个用电器在1秒内所消耗的电能,即1瓦(1W)=1焦/秒(1 J/s)=1伏·安(1V·A);常用的电度表:1度= 1kW·h=3600000J 。用电器正常工作时的电压叫做额定电压,在额定电压下工作的功率叫做额定功率,用电器在实际电压下工作的功率叫做实际功率 。
电功率作为表示电流做功快慢的物理量,一个用电器功率的大小数值上等于它在1秒内所消耗的电能 。电功率等于导体两端电压与通过导体电流的乘积:P=U×I 。电功率包括直流电功率、交流电功率和射频功率 。在直流电路,通过测量电压和电流即可计算快速计算出直流电功率,即P=U×I=I2R 。在交流电路,对于纯电阻电路与直流一样,计算电功率可以用公式P=I2×R和P=U2/R得出,其电能也成为为电热Q,即P=dQ/dt 。对于非纯电阻电路,交流功率又包括正弦电路功率和非正弦电路功率 。交流电功率还可分为瞬时功率、平均功率(有功功率)、无功功率、视在功率 。在电学中,不加特殊声明时,功率均指有功功率 。在非正弦电路中,无功功率又可分为位移无功功率、畸变无功功率,两者的方和根称为广义无功功率 。关于射频功率计具体介绍详细见“射频功率计测量介绍”一文 。下文重点介绍交流低频率电参数的各种参数的电压 。
在IEEE技术词典中,列出了十多种不同的交流低频功率定义,其中有两种为最常用的功率类型:视在功率S、平均功率P(也称真值功率、有功功率) 。还有许多其它功率定义,如无功功率、Q值、谐波功率、瞬时功率等 。
下面为交流功率的计算公式,其中P(t)指瞬时功率,u(t)、i(t)指瞬时电压和瞬时电流;U、I指电压、电流有效值,P指平均功率 。
P(t)=u(t)×i(t),
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,即平均功率为一个周期内(T)净能量变化速率
在正弦交流电中,无功功率计算公式:Q=UIsin∮;有功功率计算公式:P=UIcos∮;正弦电流电路中的有功功率、无功功率、和视在功率三者之间是一个直角三角形的关系:S2=P2+Q2 。在非正弦电路中,有功功率和视在功率的定义不变,然而,此时电压、电流相位差已经没有明确的物理意义,由于无功功率Q与基波及谐波电压、电流的相位角相关,称为位移无功功率Q 。为此,引入畸变无功功率D(简称畸变功率),某些文献中也将Q称为无功功率,而将Q和D的方和根称为广义无功功率 。总之,非正弦电路中,视在功率S、有功功率P、位移无功功率Q、畸变无功功率D计算公式如下:S2=P2+Q2+D2 。
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