摘要：

無需購買功率分析儀，使用PicoScope標(biāo)配的高級(jí)函數(shù)功能即可測(cè)量功率和計(jì)算功率因數(shù)。本文以一個(gè)實(shí)際測(cè)試為例介紹如何使用PicoScope測(cè)量一個(gè)臺(tái)式風(fēng)扇電源的功率和功率因數(shù)。

測(cè)試環(huán)境搭建

我們將測(cè)量臺(tái)扇的功率因數(shù)。因?yàn)榕_(tái)扇內(nèi)包含一個(gè)小的交流電機(jī)，所以其會(huì)有一個(gè)令人感興趣的電流波形和一個(gè)較低的功率因數(shù)。

測(cè)試設(shè)備及環(huán)境簡介如下：

臺(tái)扇，標(biāo)稱指標(biāo)25W，220V到240V

PicoScope 3206 PC示波器

Laptop PC，用于運(yùn)行PicoScope軟件

Pico TA009 60 A電流鉗

Pico TA041 700V 差分探頭

改裝的13A延長線，其具有一個(gè)從中心導(dǎo)體和接地導(dǎo)體分離出來的導(dǎo)體并形成一個(gè)環(huán)。該線纜由熱縮套管保護(hù)，所以整個(gè)裝置都得到了安全的雙重絕緣。

電源測(cè)試盒。這使得差分探頭上輸入線引線上的4mm插頭能夠被安全的連接到電源上。

設(shè)置輸入通道

將風(fēng)扇插頭插入改進(jìn)的延長線，然后將其接到電源上。接著，打開電流鉗，按下“零”按鈕，將其鉤到延長線的帶電導(dǎo)體回路上。將電流鉗的BNC導(dǎo)線連接到示波器上的通道A。然后，我們?cè)陔娔X上運(yùn)行PicoScope軟件，在軟件中設(shè)置為使用通道A觸發(fā)，并在通道A的設(shè)置菜單中選擇“60 A電流鉗（20 A模式）”自定義探頭。打開風(fēng)扇后，我們?cè)赑icoScope軟件顯示界面上看到一個(gè)有噪聲并有些失真的正弦波。

然后，打開差分探頭，將其設(shè)置到“x100”檔，并將其連接到示波器的通道B，在通道B的設(shè)置菜單中選擇一個(gè)“x100”自定義探頭，我們?cè)赑icoScope軟件顯示界面上看到了一個(gè)干凈的240V正弦波形。

圖 1: 帶有噪聲和失真的正弦波

圖 2: 干凈的 240 V 正弦波

測(cè)量和計(jì)算

使用正確的單位顯示出電流和電壓曲線，然后轉(zhuǎn)到PicoScope中的數(shù)學(xué)通道功能。這將創(chuàng)建一個(gè)新通道，其外觀類似于輸入通道，但由一個(gè)或多個(gè)輸入的數(shù)學(xué)函數(shù)形成。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們想計(jì)算瞬時(shí)功率。通過單擊“math channel”按鈕打開math channel對(duì)話框，我們找到已經(jīng)列出的“A*B”函數(shù)，并通過勾選復(fù)選框?qū)⑵浯蜷_（PicoScope軟件列出了最常見的函數(shù)，但是如果想要的函數(shù)不在那里，則用戶可以輸入自定義的公式）。這樣我們就得到了第三個(gè)通道，顯示了時(shí)間對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)功率曲線。默認(rèn)情況下，PicoScope會(huì)顯示一個(gè)“？”作為每一個(gè)新的數(shù)學(xué)信道的垂直軸上的單位符號(hào)，所以我們把它變成了W（瓦特），功率單位，我們還把曲線的顏色改為綠色，以獲得更好的對(duì)比度。綠色曲線（界面最下方的曲線）顯示了每個(gè)電源周期內(nèi)瞬時(shí)功率的變化情況，這取決于風(fēng)扇電機(jī)的旋轉(zhuǎn)和電流的相位。

圖3: 在PicoScope中添加高級(jí)函數(shù)

下一步是添加一些自動(dòng)測(cè)量。使用PicoScope示波器，只需單擊“添加測(cè)量”按鈕并選擇源通道和測(cè)量類型即可。我們添加了三個(gè)測(cè)量值：數(shù)學(xué)通道的直流平均值（因此是平均功率），以及電流和電壓輸入通道的均方根值。

圖4: 在PicoScope中添加自動(dòng)測(cè)量參數(shù)

測(cè)量表顯示平均功率約為19瓦，該值符合我們對(duì)該風(fēng)扇在低功率運(yùn)行設(shè)置下的期望。在我們的計(jì)算中有一個(gè)小錯(cuò)誤，雖然我們已經(jīng)平均了50毫秒周期的功率，但這不是20毫秒周期時(shí)間的整數(shù)倍。我們可以通過在示波器界面上設(shè)置兩個(gè)相距20 ms或40 ms的標(biāo)尺從而將測(cè)量限制在它們之間的方式來提高精度。

圖5: 隨著時(shí)間變化的瞬態(tài)功率曲線

圖6: 測(cè)量表中顯示平均功率約為 19 W

計(jì)算功率因數(shù)

表中的第二行和第三行顯示均方根（RMS）電流和均方根（RMS）電壓。我們現(xiàn)在有足夠的信息來計(jì)算功率因數(shù)（pf），其定義如下：

pf = PR /PA

其中PR是有功功率，PA是視在功率，兩者都是在主電源波形的一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

PR = 19.32 W

視在功率PA很容易計(jì)算。它被定義為電流有效值（RMS）和電壓有效值（RMS）的乘積，我們?cè)诒淼牡诙偷谌兄幸呀?jīng)測(cè)得了電流有效值和電壓有效值，所以：

PA = 0.1307 A x246.9 V ≈ 32.27 W

因此功率因數(shù)為：

pf ≈ 19.32 W /32.27 W ≈ 0.60

功率因數(shù)總是在0到1的范圍內(nèi)，0表示純感性或電容性負(fù)載，1表示純電阻性負(fù)載，因此0.60與我們對(duì)小型交流電機(jī)的期望值差不多。

結(jié)論

我們已經(jīng)了解了PicoScope是如何使用來自于PicoTechnology所提供的或在大多數(shù)電氣實(shí)驗(yàn)室都會(huì)看到的基本設(shè)備來查看電源波形的。因?yàn)檐浖屑捎袦y(cè)量和計(jì)算功能，便于計(jì)算有功功率和視在功率以及功率因數(shù)。功率因數(shù)值可用于產(chǎn)品的合格性預(yù)審測(cè)試，并可使您避免因功率因數(shù)較低的設(shè)備而產(chǎn)生的過多電費(fèi)。