交流电源测量的基础知识

量化开关模式电源转换器的性能是系统设计中一个越来越重要的方面。系统通常需要满足效率、待机功率、功率因数、谐波失真等方面的标准。开关模式电源转换器具有连接到交流输入的大电容器，从而导致复杂的输入波形。基于正弦波电压和电流输入的简化假设，无法正确分析它们的性能。本常见问题解答将回顾交流电源测量的基础知识，这将为在下一个常见问题解答中讨论如何验证电源转换器性能的某些方面奠定基础。

均方根交流测量

均方根 (RMS) 测量值是测量交流电流和电压最常用的值。RMS 值相当于在纯电阻负载中产生相同功耗的直流功率量。使用“振幅”格式计算 RMS 值可能很有用。下图中的幅度“A”可以表示电压、电流或其他参数。

RMS 值是振荡信号的等效稳态值。红色是实际信号。蓝色是用于振幅分析的信号。虽然此图像是正弦波，但 RMS 值的概念可以应用于任意波形。（图片：西门子）

交流电压波形在零上下振荡，平均值为零。这不是衡量有效电压的好方法。RMS 值用于导出等效的稳态值。使用振幅（或峰值）格式，RMS 值的计算方法是对波的峰值振幅“A”求平方，将其除以二得到平均值，然后对结果值开平方。对于简单的正弦波，RMS 值可以表示为 0.707*A。

对于更复杂的波形，RMS 值定义为值平方的算术平均值的平方根（考虑上图中垂直“切片”的等价物），或定义连续的函数的平方波形。RMS 值在进行功率计算时特别有用，电源插座列出的电压通常以 RMS 值而非峰值列出。峰值等于有效值乘以√2。例如，在 120Vac 的情况下，峰值电压约为 170Vac。使用欧洲市电电压，峰值约为325，峰峰值电压约为650V

波峰因数

RMS 值与峰值之比称为波形的波峰因数，定义为：波峰因数=峰值/RMS 值。对于正弦波：峰值 = RMS x √2；波峰因数为√2，约1.41。

大多数电子电源转换器（如 AC-DC 电源、电机驱动器和照明电源）的输入端都有大电容，这会导致波峰因数远大于 1.41 的非正弦电流。典型的开关模式电源转换器具有脉冲交流输入波形。这些电源转换器的波峰因数通常高于 3。这意味着交流配电网络必须支持高波峰因数，而不仅仅是平均功率水平。如下所述，这是功率因数校正要求背后的驱动因素之一，其中波峰因数降低到接近典型正弦波中的 1.41 的值。

功率：有功、无功、视在和功率三角

如果负载是纯电阻性的，电流和电压波形是正弦波，两个量在同一瞬间反转极性。功率仅沿一个方向流动，称为真实功率或实际功率。

在纯电抗负载的情况下，电压和电流相位差为 90 度。无功功率“流动”。功率（电压和电流的乘积）在每个周期的两个季度内为正，在两个季度内为负。由于大量能量流入负载，因此没有净能量从负载传输出去。但是电流在两个方向上流动，并且电线的尺寸必须能够承载该电流，即使负载本身消耗的能量为零。

实际负载由电阻、电容和电感的组合组成。存在有功功率和无功功率，从而产生视在功率，它是电压和电流的 RMS 值的乘积。设计配电网络时必须考虑视在功率。布线和其他载流元件必须承载总电流，而不仅仅是产生有用功的电流。

实际或“真实”功率以瓦特为单位进行测量。视在或“总”功率以伏安 (VA) 为单位测量，是 RMS 电压和 RMS 电流的乘积。最后，无功功率用 VAr 表示，代表伏安无功。无功功率也称为“无功功率”，因为它不向负载传输净能量。如下图所示，功率因数衡量的是总功率与有功功率之比（或视在功率与有功功率之比）。对于传输相同数量的有用功率，具有低功率因数的负载比具有高功率因数的负载消耗更多的电流。随着无功功率的降低（负载变得更纯阻），总功率和有功功率变得相等，功率因数趋于一致。

功率因数测量实际或真实功率与视在或总功率之比。它被定义为 θ 的余弦。随着负载变得更纯阻性，无功功率接近于零；视在（总）功率和实际（真实）功率变得相等，功率因数变为 1.0。（图片：泰克）

在 AC-DC 电源中，有源功率因数校正 (PFC) 控制流入电源的电流以改善功率因数。在单相电源中，在桥式整流器和主输入电容器之间插入一个升压转换器。升压转换器（PFC 级）受控以在其输出端保持恒定电压，同时汲取与交流线路输入同相且频率相同的电流。

功率因数：正负、位移和畸变

PF 的符号（正或负）取决于所使用的标准，并且对于 IEC 和 IEEE 而言是不同的。使用 IEC 标准，有功功率流的方向决定了 PF 的符号。当负载消耗能量时，PF 对于“正常”（正）有功功率流是正的。当负载产生能量时，PF 对于“反向”（负）有功功率流是负的。

根据 IEEE 的说法，PF 符号仅取决于负载的性质，而不是实际功率流的方向。对于容性负载，PF 为正，对于感性负载，PF 为负。请注意，无论使用 IEC 还是 IEEE 符号约定，PF 的绝对值都不会改变；只有标志改变。

IEC 与 IEEE 功率因数符号约定的比较。（图片：施耐德电气）

“位移功率因数”可能出现在具有正弦电流和电压的电路中。功率因数是由电流和电压之间的相位差（位移）产生的。“失真功率因数”是与非线性负载相关的各种谐波电流和电压相关的失真因素。非线性负载将电流波形的形状从正弦波更改为不同的波形，例如脉冲波。因此，非线性负载往往会产生谐波电流，从而导致功率因数失真。对于非线性负载，了解波峰因数在量化失真水平时很有用。

正弦电压和非正弦电流导致此计算机电源负载的波峰因数远高于 1.41，失真功率因数为 0.75。（图片：维基百科）

谐波失真

交流电力系统中的谐波是基本系统频率的倍数的电压或电流。谐波是由非线性负载引起的，例如电信整流器、变速驱动器、照明镇流器和交流/直流电源。二极管、晶体管、MOSFET 和 IGBT 等半导体器件也是非线性负载的示例。电网中的谐波会导致电能质量问题，导致电网中的导体和其他组件发热增加。在正常运行情况下，电动机对谐波的影响不大。但是，如果电机和变压器过载或饱和，它们都会产生谐波。

总谐波失真 (THD) 是对存在的整体失真的度量。它被定义为所有谐波分量的功率之和与基频功率的比值。失真因数是一个密切相关的概念，有时用作 THD 的同义词。限制可接受的 THD 水平的法规很普遍，并且通常基于 EN61000-3。

下一个常见问题解答将考虑上面讨论的各种交流电源测量如何验证交流/直流电源性能。第三个也是最后一个常见问题解答将回顾验证嵌入式系统配电网络中的电源完整性时的重要考虑因素。

参考

交流功率测量基础知识，泰克
功率因数，维基百科
IEEE 和 IEC PF 标准之间的区别是什么，施耐德电气