使用數字示波器測量功率因數 (PF)

功率因數在電氣工程中至關重要，是決定交流負載功率傳輸效率的關鍵參數。無論是管理服務器的大電流開關電源 (SMPS)，還是僅僅優化家中LED燈泡、冰箱或高清電視等設備的能耗，了解功率因數都至關重要。本文將解釋功率因數、其重要性以及如何使用數字示波器測量功率因數。

如今，能源效率至上，各大公司競相開發綠色產品，因此PF值備受關注。PF值對電力供應商也至關重要，因為如果一個區域內有許多低PF值大功率電器，電網的整體效率可能會下降（例如，在一個大型礦場內，許多低PF值大功率的加密貨幣礦機）。

 

什么是功率因數？

功率因數 (PF) 是一個介于 0 到 1 之間的值，用于衡量將電能轉換為有用功的效率。它計算方式為 50Hz/60Hz 交流電路中電壓和電流波形之間相位角的余弦值。從數學上講，它由以下公式計算得出：

然而，該公式適用于正弦波電壓和電流波形。否則，測量功率因數的更可靠/工業公式是：

功率因數為1表示所有電能都被有效消耗，用于產生生產性功（PF=1在實際中無法實現）。功率因數小于1表示部分功率被浪費為無功功率。“浪費”意味著這些功率對輸出功沒有貢獻，而是在電路中來回循環。

為什么功率因數很重要？

1. 能源效率：低功率因數意味著需要更大的電流才能向負載輸送相同數量的有用功率，從而導致輸電線路、電線和其他電氣元件中的能量損失（熱量）增加。
2. 成本：許多電力供應商對低功率因數電器收取額外費用，因為它們需要在相同有效功率下提供更大的電流。提高功率因數可以降低這些成本。
3. 性能：低功率因數帶來的高電流消耗會導致電子元件過熱，從而縮短使用壽命并增加故障風險。
4. 環境：提高功率因數可以減少能量損失，這意味著您可以通過減少總體能源需求為環境可持續性做出貢獻。

功率因數類型

1. 滯后：電流滯后于電壓。它發生在電機、變壓器和電感器等感性負載中。在交流電機輸入端盡可能靠近的地方并聯一個MKT電容，是為了（以某種方式）補償這種滯后，并抑制電壓尖峰。
2. 超前：電流超前于電壓。這是電容性負載（例如電容器組）的典型特征。
3. 單位功率因數：這是在純電阻負載中實現的，其中電壓和電流同相，導致功率因數為 1（在現實世界中無法實現）。

使用數字示波器測量功率因數

除了示波器，你還需要準備兩件工具：高壓差分探頭和電流探頭（鉗形）。如果沒有這些工具，你仍然可以測量功率因數 (PF)，因為電壓和電流的精確值并不重要。但如果電壓和電流波形僅為正弦波，我們只需要找到 X 軸上的過零點并計算相移即可。

由于功率因數 (PF) 的計算使用的是絕對值，因此波形的超前或滯后不會對功率因數 (PF) 計算產生任何影響。您可以使用簡單的交流降壓變壓器（例如 220V 轉 12V）代替差分電壓探頭，并使用廉價的電流互感器來檢測電流波形。圖 1 顯示了接線圖。

假設電流負載消耗不高。在這種情況下，您可以使用隔離變壓器供電，并直接連接 CH-1 探頭讀取電壓，連接 CH-2 探頭讀取電流（使用分流電阻）。但出于電氣安全考慮，不建議使用隔離變壓器為示波器供電。

啟用示波器上的光標，測量電壓和電流之間的時間差。圖2顯示了500W電加熱器（50Hz）的電壓和電流波形。它幾乎是一個純電阻負載（但電感影響較小），因此我們預期功率因數會很高。

電壓超前于電流，或者電流滯后于電壓（電壓波形更快通過x軸或過零點）。負載中存在微小的電感效應，因為現實世界中不存在純電阻負載，而經典的加熱器是由纏繞在耐高溫陶瓷圓柱體上的金屬絲制成的。

因此根據公式：

圖3顯示了一個大功率開關電源（50Hz）的電壓和電流波形，該電源在交流輸入端運行5V-15A負載，且沒有有源PF校正電路。電流波形不是正弦波，因此我們應該使用示波器的數學功能或第二個公式來測量有功功率、視在功率和功率因數。

我使用了 Siglent SDS2102X Plus 示波器（2000X Plus 系列）。它有一個名為“功率分析”的功能，其中一個選項允許我們測量所有交流功率參數（圖 4）。它還可以檢查電流諧波是否在標準范圍內（圖 5）。

因此，我們的 5V-15A 負載的 SMPS 的功率因數約為 0.65，即 60.5%。

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