功率表

内容简介

功率是表征电信号特性的一个重要参数。在直流和低频范围，可以通过测量电压和电流计算功率，功率的瞬时值可用下式表示：

对于周期信号，一个周期内的瞬时功率的平均值，称为有功功率。有功功率按下式计算：

对于正弦电路，下式成立：

上式中，U、I分别为正弦交流电的有效值，φ为电压与电流信号的相位差。

在超高频和微波频段，有TEM波和非TEM波之分。在TEM波的同轴系统中，电压和电流虽有确切含意，但测量其绝对值很困难。在波导系统中，因为存在不同的电磁模式，电压和电流失去唯一性。在个频段和各传输系统中，功率是单值表征信号强度的重要方法。在射频范围直接测量功率代替了电压和电流的测量。

度量单位

功率定义为单位时间内所做的功。基本单位为瓦（W），1W等于在1秒内做1焦耳的功。常用的功率单位还有兆瓦（1MW=106W）、千瓦（1KW=103W）、毫瓦（1mW=10-3W）、微瓦（1μW=10-6W）、皮瓦（1Pw=10-12W）。

另一种常用的功率单位以分贝毫瓦（dBm）表示。它以1毫瓦为基准电平P0=1mW，实际功率值P（mW）与P0比较后取对数。这是功率的绝对单位。也可用分贝瓦（dBW）作为功率单位，此时P0=1W，即1dBW=3dBm。

分类标准

根据被测信号频率分类

功率计可分为：直流功率计、工频功率计、变频功率计、射频功率计和微波功率计。由于直流功率等于电压和电流的简单乘积，实际测量中，一般采用电压表和电流表替代。工频功率计是应用较普遍的功率计，常说的功率计一般都是指工频功率计。变频功率计是21世纪变频调速技术高速发展的产物。其测量对象为变频电量，变频电量是指用于传输功率的，并且满足下述条件之一的交流电量：

1、信号频谱仅包含一种频率成分，而频率不局限于工频的交流电信号。

2、信号频谱包含两种或更多的被关注的频率成分的电信号。

变频电量包括电压、电流以及电压电流引出的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能等。

除了变频器输出的PWM波，二极管整流的变频器输入的电流波形，直流斩波器输出的电压波形，变压器空载的输入电流波形等，均含有较大的谐波，右图中为常见变频电量的波形及相关频谱图。

由于变频电量的频率成分复杂，变频功率计的测量一般包括基波有功功率（简称基波功率）、谐波有功功率（简称谐波功率）、总有功功率等，相比工频功率计而言，其功能较多，技术较复杂，一般称为变频功率分析仪或宽频功率分析仪，部分高精度功率分析仪也适用于变频电量测量。

变频功率分析仪可以作为工频功率分析仪使用，除此之外，一般还需满足下述要求：

1、满足必要的带宽要求，并且采样频率应高于仪器带宽的两倍。

2、要求分析仪在较宽的频率范围之内，精度均能满足一定的要求。

3、具备傅里叶变换功能，可以分离信号的基波和谐波。

射频或微波功率计按照在测试系统中的连接方式不同分类

有终端式和通过式两种。终端式功率计把功率计探头作为测试系统的终端负载，功率计吸收全部待测功率，由功率指示器直接读取功率值。通过式功率计利用某种耦合装置，如定向耦合器、耦合环、探针等从传输的功率中按一定的比例耦合出一部分功率，送入功率计度量，传输的总功率等于功率计指示值乘以比例系数。

射频或微波功率计按的测量原理分类

测热电阻型功率计使用热变电阻做功率传感元件。热变电阻值的温度系数较大。被测信号的功率被热变电阻吸收后产生热量，使其自身温度升高，电阻值发生显著变化，利用电阻电桥测量电阻值的变化，显示功率值。

热电偶型功率计热电偶型功率计中的热偶结直接吸收高频信号功率，结点温度升高，产生温差电势，电势的大小正比于吸收的高频功率值。

量热式功率计典型的热效应功率计，利用隔热负载吸收高频信号功率，使负载的温度升高，再利用热电偶元件测量负载的温度变化量，根据产生的热量计算高频功率值。

晶体检波式功率计晶体二极管检波器将高频信号变换为低频或直流电信号。适当选择工作点，使检波器输出信号的幅度正比于高频信号的功率。

射频或微波功率计按被测信号连续性分类有连续波功率计和脉冲峰值功率计。

技术指标

变频

以下是变频功率分析仪的典型技术指标

带宽：50kHz100kHz；

采样频率：大于带宽的2倍；

电压、电流准确级：0.02级、0.05级、0.1级、0.2级、0.5级；

功率准确级：0.05级、0.1级、0.2级、0.5级、1级；

准确级适用基波频率范围：DC，0.1Hz400Hz；

准确级适用电压范围：0.75%Un150%Un；

准确级适用电流范围：1%In200%In；

准确级适用功率因数范围：0.051。

射频

以下是射频功率计的典型技术指标

功率范围

保证测量精度的可测功率值的范围。功率计的功率范围决定于功率探头。

最大允许功率

探头不被损坏的最大输入功率值，通常指平均功率。在测量大功率峰值信号时，注意峰值电压和峰值功率不能超过一定值，否则会造成功率探头烧毁。

频率范围

能保证测量精度和性能指标的被测信号的频率范围。

测量精度

指功率探头校准修正后的精度。不包括测试系统的失配误差。

稳定性

功率计的稳定性取决于功率探头的稳定性和指示器的零漂及噪声干扰。

响应时间

也称功率传感元件的时间常数。通常指功率指示器上升到稳定值的64%所需的时间。

探头的型号、阻抗

选用功率计探头时，功率探头的使用频率、功率范围必须与被测信号一致，探头传输线的结构和阻抗应与被测传输线相互匹配。

应用领域

光功率测量

用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的，非常像电子学中的万用表。在光纤测量中，光功率计是重负荷常用表。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。

电气产品检试验

变频功率分析仪适用于电力推进、电机、风机、水泵、风力发电、轨道交通、电动汽车、变频器、特种变压器、荧光灯、LED照明等领域的产品检试验、能效评测及电能质量分析。

注意事项

量程选择

选择功率表的量程就是选择功率表中的电流量程和电压量程。使用时应使功率表中的电流量程不小于负载电流，电压量程不低于负载电压，而不能仅从功率量程来考虑。例如，两只功率表，量程分别是IA、300V和2A、150V，由计算可知其功率量程均为300W，如果要测量一负载电压为220V、电流为IA的负载功率时应逸用IA、300V的功率表，而2A、150V的功率表虽功率量程也大于负载功率，但是由于负载电压高于功率表所能承受的电压150V，故不能使用。所以，在测量功率前要根据负载的额定电压和额定电流来选择功率表的量程。

测量线路

电动系测量机构的转动力矩方向和两线圈中的电流方向有关，为了防止电动系功率表的指针反偏，接线时功率表电流线圈标有“·”号的端钮必须接到电源的正极端，而电流线圈的另一端则与负载相连，电流线圈以串联形式接入电路中。功率表电压线圈标有“·”号的端钮可以接到电源端钮的任一端上，而另一电压端钮则跨接到负载的另一端。

当负载电阻远远大于电流线圈的电阻时，应采用电压线圈前接法。这时电压线圈的电压是负载电压和电流线圈电压之和，功率表测量的是负载功率和电流线圈功率之和。如果负载电阻远远大于电流线圈的电阻，则可以略去电流线圈分压所造成的影响，测量结果比较接近负载的实际功率值。

当负载电阻远远小于电压线圈电阻时，应采用电压线圈后接法。这时电压线圈两端的电压虽然等于负载电压，但电流线圈中的电流却等于负载电流与功率表电压线圈中的电流之和，测量时功率读数为负载功率与电压线圈功率之和。由于此时负载电阻远小于电压线圈电阻，所以电压线圈分流作用大大减小，其对测量结果的影响也可以大为减小。

如界被测负载本身功率较大，可以不考虑功率表本身的功率对测量结果的影响，则两种接法可以任意选择。但最好选用电压线圈前接法，因为功率表中电流线圈的功率一般都小于电压线圈支路的功率。

正确读数

一般安装式功率表为直读单量程式，表上的示数即为功率数。但便携式功率表一般为多量程式，在表的标度尺上不直接标注示数，只标注分格。在选用不同的电流与电压量程时，每一分格都可以表示不同的功率数。在读数时，应先根据所选的电压量程U、电流量程I以及标度尺满量程时的格数&，求出每格瓦数（又称功率表常数）C，然后再乘上指针偏转的格数夕，就可得到所测功率P

例题

例：有一只电压量程为250V，电流量程为3A，标度尺分格数为75的功率表，现用它来测量负载的功率。

当指针偏转50格时负载功率为多少？

解：先计算功率表常数C

C=UI/a，=250V×3A/75格=10W/格

故被测功率为

P=C色=10W/格×50格=500W

实际操作

对大多数从事电气方面工作的人员来说，功率表的使用并非难事。但真正做到正确使用功率表，即在准确度一定的情况下确保测量的精度及仪表的使用寿命又并非易事。以单相电动系功率表为例，就功率表的使用及使用中应注意的问题作一介绍。

1、要遵守“发电机端守则”

由电动系功率表的原理可知，功率表的转矩与流过表内线圈的电流方向有关，一旦其中一个线圈的电流方向改变，转矩方向也会改变。为此，在功率表两个线圈对应于电流流进的端钮上，都注有称为发电机端的“*”标志。功率表在接线时，应使电流或电压线圈带“*”标志的端钮接到电源同极性的端子上，以保证两线圈的电流方向都从发电机端流入。这就是功率表接线的“发电机端守则”。

2、合理选择电压线圈的前、后接方式

尽管电压线圈不论前接还是后接，功率表都能正偏，对于某些负载来说，测量的结果相差较小，这时两种接法采用哪种均可。但对于那些电阻（或阻抗）过大或过小的负载来说，两种接法所得结果相差较大，有时甚至出现与理论相矛盾的结果。

电压线圈前接方式

这种方式的接线，功率表电流线圈的电流虽然等于负载电流，但功率表电压支路两端电压却等于负载电压与功率表电流线圈的电压之和，在功率表读数中多了电流线圈的功率消耗。这种接线方式适用于负载电阻（或阻抗）远比功率表电流线圈电阻（或阻抗）大得多的情况，这样才能保证功率表本身的功率消耗对测量结果的影响比较小。

电压线圈后接方式

这种方式的接线，功率表电压支路两端的电压虽然等于负载电压，但电流线圈的电流却等于负载电流与功率表电压线圈支路电流之和，功率表读数中多了电压支路的功率消耗。因此，这种接线适用于负载电阻（或阻抗）远比功率表电压支路电阻（或阻抗）小得多的情况，这样才能保证功率表本身的功率消耗对测量结果的影响比较小。