內(nèi)容簡(jiǎn)介

功率是表征電信號(hào)特性的一個(gè)重要參數(shù)。在直流和低頻范圍，可以通過(guò)測(cè)量電壓和電流計(jì)算功率，功率的瞬時(shí)值可用下式表示：

對(duì)于周期信號(hào)，一個(gè)周期內(nèi)的瞬時(shí)功率的平均值，稱為有功功率。有功功率按下式計(jì)算：

對(duì)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(hào)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(cè)量其絕對(duì)值很困難。在波導(dǎo)系統(tǒng)中，因?yàn)榇嬖诓煌碾姶拍Ｊ剑妷汉碗娏魇ノㄒ恍?。在個(gè)頻段和各傳輸系統(tǒng)中，功率是單值表征信號(hào)強(qiáng)度的重要方法。在射頻范圍直接測(cè)量功率代替了電壓和電流的測(cè)量。

度量單位

功率定義為單位時(shí)間內(nèi)所做的功。基本單位為瓦（W），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(shí)際功率值P（mW）與P0比較后取對(duì)數(shù)。這是功率的絕對(duì)單位。也可用分貝瓦（dBW）作為功率單位，此時(shí)P0=1W，即1dBW=3dBm。

分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)被測(cè)信號(hào)頻率分類

功率計(jì)可分為：直流功率計(jì)、工頻功率計(jì)、變頻功率計(jì)、射頻功率計(jì)和微波功率計(jì)。由于直流功率等于電壓和電流的簡(jiǎn)單乘積，實(shí)際測(cè)量中，一般采用電壓表和電流表替代。工頻功率計(jì)是應(yīng)用較普遍的功率計(jì)，常說(shuō)的功率計(jì)一般都是指工頻功率計(jì)。變頻功率計(jì)是21世紀(jì)變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物。其測(cè)量對(duì)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(hào)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(hào)。

2、信號(hào)頻譜包含兩種或更多的被關(guān)注的頻率成分的電信號(hào)。

變頻電量包括電壓、電流以及電壓電流引出的有功功率、無(wú)功功率、視在功率、有功電能、無(wú)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(jiàn)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(jì)的測(cè)量一般包括基波有功功率（簡(jiǎn)稱基波功率）、諧波有功功率（簡(jiǎn)稱諧波功率）、總有功功率等，相比工頻功率計(jì)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(cè)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(hào)的基波和諧波。

射頻或微波功率計(jì)按照在測(cè)試系統(tǒng)中的連接方式不同分類

有終端式和通過(guò)式兩種。終端式功率計(jì)把功率計(jì)探頭作為測(cè)試系統(tǒng)的終端負(fù)載，功率計(jì)吸收全部待測(cè)功率，由功率指示器直接讀取功率值。通過(guò)式功率計(jì)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剩腿牍β视?jì)度量，傳輸?shù)目偣β实扔诠β视?jì)指示值乘以比例系數(shù)。

射頻或微波功率計(jì)按的測(cè)量原理分類

測(cè)熱電阻型功率計(jì)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(cè)信號(hào)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(cè)量電阻值的變化，顯示功率值。

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

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

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

射頻或微波功率計(jì)按被測(cè)信號(hào)連續(xù)性分類有連續(xù)波功率計(jì)和脈沖峰值功率計(jì)。

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(jí)：0.02級(jí)、0.05級(jí)、0.1級(jí)、0.2級(jí)、0.5級(jí)；

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

準(zhǔn)確級(jí)適用基波頻率范圍：DC，0.1Hz~400Hz；

準(zhǔn)確級(jí)適用電壓范圍：0.75%Un~150%Un；

準(zhǔn)確級(jí)適用電流范圍：1%In~200%In；

準(zhǔn)確級(jí)適用功率因數(shù)范圍：0.05~1。

射頻

以下是射頻功率計(jì)的典型技術(shù)指標(biāo)

功率范圍

保證測(cè)量精度的可測(cè)功率值的范圍。功率計(jì)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(cè)量大功率峰值信號(hào)時(shí)，注意峰值電壓和峰值功率不能超過(guò)一定值，否則會(huì)造成功率探頭燒毀。

頻率范圍

能保證測(cè)量精度和性能指標(biāo)的被測(cè)信號(hào)的頻率范圍。

測(cè)量精度

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

穩(wěn)定性

功率計(jì)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(shí)間

也稱功率傳感元件的時(shí)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(shí)間。

探頭的型號(hào)、阻抗

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

應(yīng)用領(lǐng)域

光功率測(cè)量

用于測(cè)量絕對(duì)光功率或通過(guò)一段光纖的光功率相對(duì)損耗。在光纖系統(tǒng)中，測(cè)量光功率是最基本的，非常像電子學(xué)中的萬(wàn)用表。在光纖測(cè)量中，光功率計(jì)是重負(fù)荷常用表。通過(guò)測(cè)量發(fā)射端機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)功率，一臺(tái)光功率計(jì)就能夠評(píng)價(jià)光端設(shè)備的性能。用光功率計(jì)與穩(wěn)定光源組合使用，則能夠測(cè)量連接損耗、檢驗(yàn)連續(xù)性，并幫助評(píng)估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。

電氣產(chǎn)品檢試驗(yàn)

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(dòng)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(yàn)、能效評(píng)測(cè)及電能質(zhì)量分析。

注意事項(xiàng)

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(shí)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(lái)考慮。例如，兩只功率表，量程分別是IA、300V和2A、150V，由計(jì)算可知其功率量程均為300W，如果要測(cè)量一負(fù)載電壓為220V、電流為IA的負(fù)載功率時(shí)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(cè)量功率前要根據(jù)負(fù)載的額定電壓和額定電流來(lái)選擇功率表的量程。

測(cè)量線路

電動(dòng)系測(cè)量機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩方向和兩線圈中的電流方向有關(guān)，為了防止電動(dòng)系功率表的指針?lè)雌?，接線時(shí)功率表電流線圈標(biāo)有“·”號(hào)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(hào)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(shí)，應(yīng)采用電壓線圈前接法。這時(shí)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(cè)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(cè)量結(jié)果比較接近負(fù)載的實(shí)際功率值。

當(dāng)負(fù)載電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電壓線圈電阻時(shí)，應(yīng)采用電壓線圈后接法。這時(shí)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(cè)量時(shí)功率讀數(shù)為負(fù)載功率與電壓線圈功率之和。由于此時(shí)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響也可以大為減小。

如界被測(cè)負(fù)載本身功率較大，可以不考慮功率表本身的功率對(duì)測(cè)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?yàn)楣β时碇须娏骶€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(shí)，每一分格都可以表示不同的功率數(shù)。在讀數(shù)時(shí)，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(shí)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(cè)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(lái)測(cè)量負(fù)載的功率。

當(dāng)指針偏轉(zhuǎn)50格時(shí)負(fù)載功率為多少？

解：先計(jì)算功率表常數(shù)C

C=UI/a，=250V×3A/75格=10W/格

故被測(cè)功率為

P=C色=10W/格×50格=500W

實(shí)際操作

對(duì)大多數(shù)從事電氣方面工作的人員來(lái)說(shuō)，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(cè)量的精度及儀表的使用壽命又并非易事。以單相電動(dòng)系功率表為例，就功率表的使用及使用中應(yīng)注意的問(wèn)題作一介紹。

1、要遵守“發(fā)電機(jī)端守則”

由電動(dòng)系功率表的原理可知，功率表的轉(zhuǎn)矩與流過(guò)表內(nèi)線圈的電流方向有關(guān)，一旦其中一個(gè)線圈的電流方向改變，轉(zhuǎn)矩方向也會(huì)改變。為此，在功率表兩個(gè)線圈對(duì)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(shí)，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(duì)于某些負(fù)載來(lái)說(shuō)，測(cè)量的結(jié)果相差較小，這時(shí)兩種接法采用哪種均可。但對(duì)于那些電阻（或阻抗）過(guò)大或過(guò)小的負(fù)載來(lái)說(shuō)，兩種接法所得結(jié)果相差較大，有時(shí)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(duì)測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響比較小。