內(nèi)容簡介

功率是表征電信號特性的一個重要參數(shù),。在直流和低頻范圍,，可以通過測量電壓和電流計算功率，功率的瞬時值可用下式表示：

對于周期信號,，一個周期內(nèi)的瞬時功率的平均值,，稱為有功功率。有功功率按下式計算：

對于正弦電路,，下式成立：

上式中,，U、I分別為正弦交流電的有效值,，φ為電壓與電流信號的相位差,。

在超高頻和微波頻段，有TEM波和非TEM波之分,。在TEM波的同軸系統(tǒng)中,，電壓和電流雖有確切含意，但測量其絕對值很困難,。在波導(dǎo)系統(tǒng)中,，因為存在不同的電磁模式，電壓和電流失去唯一性,。在個頻段和各傳輸系統(tǒng)中,，功率是單值表征信號強(qiáng)度的重要方法,。在射頻范圍直接測量功率代替了電壓和電流的測量。

度量單位

功率定義為單位時間內(nèi)所做的功,?；締挝粸橥撸╓），1W等于在1秒內(nèi)做1焦耳的功,。常用的功率單位還有兆瓦（1MW=10^6W）,、千瓦（1KW=10^3W）、毫瓦（1mW=10-3W）,、微瓦（1μW=10-6W）,、皮瓦（1Pw=10-12W）。

另一種常用的功率單位以分貝毫瓦（dBm）表示,。它以1毫瓦為基準(zhǔn)電平P0=1mW,，實際功率值P（mW）與P0比較后取對數(shù)。這是功率的絕對單位,。也可用分貝瓦（dBW）作為功率單位,，此時P0=1W,，即1dBW=3dBm,。

分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)被測信號頻率分類

功率計可分為：直流功率計、工頻功率計,、變頻功率計,、射頻功率計和微波功率計,。由于直流功率等于電壓和電流的簡單乘積，實際測量中,，一般采用電壓表和電流表替代,。工頻功率計是應(yīng)用較普遍的功率計，常說的功率計一般都是指工頻功率計,。變頻功率計是21世紀(jì)變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物,。其測量對象為變頻電量，變頻電量是指用于傳輸功率的,，并且滿足下述條件之一的交流電量：

1,、信號頻譜僅包含一種頻率成分，而頻率不局限于工頻的交流電信號,。

2,、信號頻譜包含兩種或更多的被關(guān)注的頻率成分的電信號。

變頻電量包括電壓,、電流以及電壓電流引出的有功功率,、無功功率、視在功率,、有功電能,、無功電能等,。

除了變頻器輸出的PWM波，二極管整流的變頻器輸入的電流波形,，直流斬波器輸出的電壓波形,，變壓器空載的輸入電流波形等，均含有較大的諧波,，右圖中為常見變頻電量的波形及相關(guān)頻譜圖,。

由于變頻電量的頻率成分復(fù)雜，變頻功率計的測量一般包括基波有功功率（簡稱基波功率）,、諧波有功功率（簡稱諧波功率）、總有功功率等,，相比工頻功率計而言,，其功能較多，技術(shù)較復(fù)雜,，一般稱為變頻功率分析儀或?qū)掝l功率分析儀,，部分高精度功率分析儀也適用于變頻電量測量。

變頻功率分析儀可以作為工頻功率分析儀使用,，除此之外,，一般還需滿足下述要求：

1、滿足必要的帶寬要求,，并且采樣頻率應(yīng)高于儀器帶寬的兩倍,。

2、要求分析儀在較寬的頻率范圍之內(nèi),，精度均能滿足一定的要求,。

3、具備傅里葉變換功能,，可以分離信號的基波和諧波,。

射頻或微波功率計按照在測試系統(tǒng)中的連接方式不同分類

有終端式和通過式兩種。終端式功率計把功率計探頭作為測試系統(tǒng)的終端負(fù)載,，功率計吸收全部待測功率,，由功率指示器直接讀取功率值。通過式功率計利用某種耦合裝置,，如定向耦合器,、耦合環(huán)、探針等從傳輸?shù)墓β手邪匆欢ǖ谋壤詈铣鲆徊糠止β?，送入功率計度量,，傳輸?shù)目偣β实扔诠β视嬛甘局党艘员壤禂?shù)。

射頻或微波功率計按的測量原理分類

測熱電阻型功率計使用熱變電阻做功率傳感元件,。熱變電阻值的溫度系數(shù)較大,。被測信號的功率被熱變電阻吸收后產(chǎn)生熱量,，使其自身溫度升高，電阻值發(fā)生顯著變化,，利用電阻電橋測量電阻值的變化,，顯示功率值。

熱電偶型功率計熱電偶型功率計中的熱偶結(jié)直接吸收高頻信號功率,，結(jié)點(diǎn)溫度升高,，產(chǎn)生溫差電勢，電勢的大小正比于吸收的高頻功率值,。

量熱式功率計典型的熱效應(yīng)功率計,，利用隔熱負(fù)載吸收高頻信號功率，使負(fù)載的溫度升高,，再利用熱電偶元件測量負(fù)載的溫度變化量,，根據(jù)產(chǎn)生的熱量計算高頻功率值。

晶體檢波式功率計晶體二極管檢波器將高頻信號變換為低頻或直流電信號,。適當(dāng)選擇工作點(diǎn),，使檢波器輸出信號的幅度正比于高頻信號的功率。

射頻或微波功率計按被測信號連續(xù)性分類有連續(xù)波功率計和脈沖峰值功率計,。

技術(shù)指標(biāo)

變頻

以下是變頻功率分析儀的典型技術(shù)指標(biāo)

帶寬：50kHz~100kHz,；

采樣頻率：大于帶寬的2倍；

電壓,、電流準(zhǔn)確級：0.02級,、0.05級、0.1級,、0.2級,、0.5級；

功率準(zhǔn)確級：0.05級,、0.1級,、0.2級、0.5級,、1級,；

準(zhǔn)確級適用基波頻率范圍：DC，0.1Hz~400Hz,；

準(zhǔn)確級適用電壓范圍：0.75%Un~150%Un,；

準(zhǔn)確級適用電流范圍：1%In~200%In；

準(zhǔn)確級適用功率因數(shù)范圍：0.05~1,。

射頻

以下是射頻功率計的典型技術(shù)指標(biāo)

功率范圍

保證測量精度的可測功率值的范圍,。功率計的功率范圍決定于功率探頭。

最大允許功率

探頭不被損壞的最大輸入功率值,，通常指平均功率,。在測量大功率峰值信號時,，注意峰值電壓和峰值功率不能超過一定值，否則會造成功率探頭燒毀,。

頻率范圍

能保證測量精度和性能指標(biāo)的被測信號的頻率范圍,。

測量精度

指功率探頭校準(zhǔn)修正后的精度。不包括測試系統(tǒng)的失配誤差,。

穩(wěn)定性

功率計的穩(wěn)定性取決于功率探頭的穩(wěn)定性和指示器的零漂及噪聲干擾,。

響應(yīng)時間

也稱功率傳感元件的時間常數(shù)。通常指功率指示器上升到穩(wěn)定值的64%所需的時間,。

探頭的型號,、阻抗

選用功率計探頭時，功率探頭的使用頻率,、功率范圍必須與被測信號一致,，探頭傳輸線的結(jié)構(gòu)和阻抗應(yīng)與被測傳輸線相互匹配。

應(yīng)用領(lǐng)域

光功率測量

用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗,。在光纖系統(tǒng)中，測量光功率是最基本的,，非常像電子學(xué)中的萬用表,。在光纖測量中，光功率計是重負(fù)荷常用表,。通過測量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對功率,，一臺光功率計就能夠評價光端設(shè)備的性能。用光功率計與穩(wěn)定光源組合使用,，則能夠測量連接損耗,、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量,。

電氣產(chǎn)品檢試驗

變頻功率分析儀適用于電力推進(jìn),、電機(jī)、風(fēng)機(jī),、水泵,、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通,、電動汽車,、變頻器、特種變壓器,、熒光燈,、LED照明等領(lǐng)域的產(chǎn)品檢試驗、能效評測及電能質(zhì)量分析,。

注意事項

量程選擇

選擇功率表的量程就是選擇功率表中的電流量程和電壓量程,。使用時應(yīng)使功率表中的電流量程不小于負(fù)載電流,，電壓量程不低于負(fù)載電壓，而不能僅從功率量程來考慮,。例如,，兩只功率表，量程分別是IA,、300V和2A,、150V，由計算可知其功率量程均為300W,，如果要測量一負(fù)載電壓為220V,、電流為IA的負(fù)載功率時應(yīng)逸用IA、300V的功率表,，而2A,、150V的功率表雖功率量程也大于負(fù)載功率，但是由于負(fù)載電壓高于功率表所能承受的電壓150V,，故不能使用,。所以，在測量功率前要根據(jù)負(fù)載的額定電壓和額定電流來選擇功率表的量程,。

測量線路

電動系測量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動力矩方向和兩線圈中的電流方向有關(guān),，為了防止電動系功率表的指針反偏，接線時功率表電流線圈標(biāo)有“·”號的端鈕必須接到電源的正極端,，而電流線圈的另一端則與負(fù)載相連,，電流線圈以串聯(lián)形式接入電路中。功率表電壓線圈標(biāo)有“·”號的端鈕可以接到電源端鈕的任一端上,，而另一電壓端鈕則跨接到負(fù)載的另一端,。

當(dāng)負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流線圈的電阻時，應(yīng)采用電壓線圈前接法,。這時電壓線圈的電壓是負(fù)載電壓和電流線圈電壓之和,，功率表測量的是負(fù)載功率和電流線圈功率之和。如果負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電流線圈的電阻,，則可以略去電流線圈分壓所造成的影響,，測量結(jié)果比較接近負(fù)載的實際功率值。

當(dāng)負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓線圈電阻時,，應(yīng)采用電壓線圈后接法,。這時電壓線圈兩端的電壓雖然等于負(fù)載電壓，但電流線圈中的電流卻等于負(fù)載電流與功率表電壓線圈中的電流之和,，測量時功率讀數(shù)為負(fù)載功率與電壓線圈功率之和,。由于此時負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于電壓線圈電阻，所以電壓線圈分流作用大大減小，其對測量結(jié)果的影響也可以大為減小,。

如界被測負(fù)載本身功率較大,，可以不考慮功率表本身的功率對測量結(jié)果的影響，則兩種接法可以任意選擇,。但最好選用電壓線圈前接法,，因為功率表中電流線圈的功率一般都小于電壓線圈支路的功率。

正確讀數(shù)

一般安裝式功率表為直讀單量程式,，表上的示數(shù)即為功率數(shù),。但便攜式功率表一般為多量程式，在表的標(biāo)度尺上不直接標(biāo)注示數(shù),，只標(biāo)注分格,。在選用不同的電流與電壓量程時，每一分格都可以表示不同的功率數(shù),。在讀數(shù)時,，應(yīng)先根據(jù)所選的電壓量程U、電流量程I以及標(biāo)度尺滿量程時的格數(shù)&,，求出每格瓦數(shù)（又稱功率表常數(shù)）C,，然后再乘上指針偏轉(zhuǎn)的格數(shù)夕，就可得到所測功率P

例題

例：有一只電壓量程為250V,，電流量程為3A,，標(biāo)度尺分格數(shù)為75的功率表，現(xiàn)用它來測量負(fù)載的功率,。

當(dāng)指針偏轉(zhuǎn)50格時負(fù)載功率為多少,？

解：先計算功率表常數(shù)C

C=UI/a,，=250V×3A/75格=10W/格

故被測功率為

P=C色=10W/格×50格=500W

實際操作

對大多數(shù)從事電氣方面工作的人員來說,，功率表的使用并非難事。但真正做到正確使用功率表,，即在準(zhǔn)確度一定的情況下確保測量的精度及儀表的使用壽命又并非易事,。以單相電動系功率表為例，就功率表的使用及使用中應(yīng)注意的問題作一介紹,。

1,、要遵守“發(fā)電機(jī)端守則”

由電動系功率表的原理可知，功率表的轉(zhuǎn)矩與流過表內(nèi)線圈的電流方向有關(guān),，一旦其中一個線圈的電流方向改變,，轉(zhuǎn)矩方向也會改變。為此,，在功率表兩個線圈對應(yīng)于電流流進(jìn)的端鈕上,，都注有稱為發(fā)電機(jī)端的“*”標(biāo)志。功率表在接線時，應(yīng)使電流或電壓線圈帶“*”標(biāo)志的端鈕接到電源同極性的端子上,，以保證兩線圈的電流方向都從發(fā)電機(jī)端流入,。這就是功率表接線的“發(fā)電機(jī)端守則”。

2,、合理選擇電壓線圈的前,、后接方式

盡管電壓線圈不論前接還是后接，功率表都能正偏,，對于某些負(fù)載來說,，測量的結(jié)果相差較小，這時兩種接法采用哪種均可,。但對于那些電阻（或阻抗）過大或過小的負(fù)載來說,，兩種接法所得結(jié)果相差較大，有時甚至出現(xiàn)與理論相矛盾的結(jié)果,。

電壓線圈前接方式

這種方式的接線,，功率表電流線圈的電流雖然等于負(fù)載電流，但功率表電壓支路兩端電壓卻等于負(fù)載電壓與功率表電流線圈的電壓之和,，在功率表讀數(shù)中多了電流線圈的功率消耗,。這種接線方式適用于負(fù)載電阻（或阻抗）遠(yuǎn)比功率表電流線圈電阻（或阻抗）大得多的情況，這樣才能保證功率表本身的功率消耗對測量結(jié)果的影響比較小,。

電壓線圈后接方式

這種方式的接線,，功率表電壓支路兩端的電壓雖然等于負(fù)載電壓，但電流線圈的電流卻等于負(fù)載電流與功率表電壓線圈支路電流之和,，功率表讀數(shù)中多了電壓支路的功率消耗,。因此，這種接線適用于負(fù)載電阻（或阻抗）遠(yuǎn)比功率表電壓支路電阻（或阻抗）小得多的情況,，這樣才能保證功率表本身的功率消耗對測量結(jié)果的影響比較小,。