PicoScope的高级函数功能应用-测量电源功率和功率因数

摘要：

无需购买功率分析仪，使用PicoScope标配的高级函数功能即可测量功率和计算功率因数。本文以一个实际测试为例介绍如何使用PicoScope测量一个台式风扇电源的功率和功率因数。 

测试环境搭建

我们将测量台扇的功率因数。因为台扇内包含一个小的交流电机，所以其会有一个令人感兴趣的电流波形和一个较低的功率因数。

测试设备及环境简介如下：

台扇，标称指标25W，220V到240V

PicoScope 3206 PC示波器

Laptop PC，用于运行PicoScope软件

Pico TA009 60 A电流钳

Pico TA041 700V 差分探头

改装的13A延长线，其具有一个从中心导体和接地导体分离出来的导体并形成一个环。该线缆由热缩套管保护，所以整个装置都得到了安全的双重绝缘。

电源测试盒。这使得差分探头上输入线引线上的4mm插头能够被安全的连接到电源上。

设置输入通道

将风扇插头插入改进的延长线，然后将其接到电源上。接着，打开电流钳，按下“零”按钮，将其钩到延长线的带电导体回路上。将电流钳的BNC导线连接到示波器上的通道A。然后，我们在电脑上运行PicoScope软件，在软件中设置为使用通道A触发，并在通道A的设置菜单中选择“60 A电流钳（20 A模式）”自定义探头。打开风扇后，我们在PicoScope软件显示界面上看到一个有噪声并有些失真的正弦波。

然后，打开差分探头，将其设置到“x100”档，并将其连接到示波器的通道B，在通道B的设置菜单中选择一个“x100”自定义探头，我们在PicoScope软件显示界面上看到了一个干净的240V正弦波形。

图 1: 带有噪声和失真的正弦波

图 2: 干净的 240 V 正弦波

测量和计算

使用正确的单位显示出电流和电压曲线，然后转到PicoScope中的数学通道功能。这将创建一个新通道，其外观类似于输入通道，但由一个或多个输入的数学函数形成。在这个实验中，我们想计算瞬时功率。通过单击“math channel”按钮打开math channel对话框，我们找到已经列出的“A*B”函数，并通过勾选复选框将其打开（PicoScope软件列出了最常见的函数，但是如果想要的函数不在那里，则用户可以输入自定义的公式）。这样我们就得到了第三个通道，显示了时间对应的瞬时功率曲线。默认情况下，PicoScope会显示一个“？”作为每一个新的数学信道的垂直轴上的单位符号，所以我们把它变成了W（瓦特），功率单位，我们还把曲线的颜色改为绿色，以获得更好的对比度。绿色曲线（界面最下方的曲线）显示了每个电源周期内瞬时功率的变化情况，这取决于风扇电机的旋转和电流的相位。

图3: 在PicoScope中添加高级函数

下一步是添加一些自动测量。使用PicoScope示波器，只需单击“添加测量”按钮并选择源通道和测量类型即可。我们添加了三个测量值：数学通道的直流平均值（因此是平均功率），以及电流和电压输入通道的均方根值。

图4: 在PicoScope中添加自动测量参数

测量表显示平均功率约为19瓦，该值符合我们对该风扇在低功率运行设置下的期望。在我们的计算中有一个小错误，虽然我们已经平均了50毫秒周期的功率，但这不是20毫秒周期时间的整数倍。我们可以通过在示波器界面上设置两个相距20 ms或40 ms的标尺从而将测量限制在它们之间的方式来提高精度。

图5: 随着时间变化的瞬态功率曲线

图6: 测量表中显示平均功率约为 19 W

计算功率因数

表中的第二行和第三行显示均方根（RMS）电流和均方根（RMS）电压。我们现在有足够的信息来计算功率因数（pf），其定义如下：

pf = PR /PA

其中PR是有功功率，PA是视在功率，两者都是在主电源波形的一个周期内的平均值。

PR = 19.32 W

视在功率PA很容易计算。它被定义为电流有效值（RMS）和电压有效值（RMS）的乘积，我们在表的第二和第三行中已经测得了电流有效值和电压有效值，所以：

PA = 0.1307 A x246.9 V ≈ 32.27 W

因此功率因数为：

pf ≈ 19.32 W /32.27 W ≈ 0.60

功率因数总是在0到1的范围内，0表示纯感性或电容性负载，1表示纯电阻性负载，因此0.60与我们对小型交流电机的期望值差不多。

结论

我们已经了解了PicoScope是如何使用来自于PicoTechnology所提供的或在大多数电气实验室都会看到的基本设备来查看电源波形的。因为软件中集成有测量和计算功能，便于计算有功功率和视在功率以及功率因数。功率因数值可用于产品的合格性预审测试，并可使您避免因功率因数较低的设备而产生的过多电费。

关于英国比克科技（Pico Technology）

英国比克科技（Pico Technology）是高性能电子测试仪器的全球领先制造商。源于英国剑桥强大电子工程传统，自创立以来，通过创建和领导创新的基于PC的测试仪器，比克实现了连续31年的增长。其独特的解决方案和完整的产品线为电子工程师提供了高性能且经济高效的工具，涵盖了从物理层到协议层的整个设计验证周期：具有内置AWG，FG，逻辑分析仪，频谱分析仪，串行协议分析仪的实时示波器，提供高达16位ADC分辨率，4G超深存储器，8个高分辨率通道和真正的差分探测。紧凑的25GHz采样示波器使工程师能够轻松实现TDR特征阻抗测试，眼图和时钟恢复等。PicoVNA（矢量网络分析仪），RF Synthesizer（射频信号合成器）和PicoConnect高带宽探头可扩展到RF应用。此外，还有最畅销的Pico Logger系列数据记录仪产品。

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审核编辑：汤梓红