功率:描述做功快慢的物理量-中文百科頻道

概述

功率是指物體在單位時間内所做的功，即功率是表示做功快慢的物理量。功率的單位是瓦特(w)，日常生活生産中也常用千瓦(kw）來作功率單位。

功率越大轉速越高，汽車的最高速度也越高，常用最大功率來描述汽車的動力性能。最大功率一般用馬力 (PS)或千瓦(kw)來表示，1馬力等于0.735千瓦。

功率的各種稱謂

功率就是表示物體做功快慢的物理量，物理學裡功率P＝功W/時間t，單位是瓦w，我們在媒體上常常看見的功率單位有kw、ps、hp、bhp、whp等，還有意大利以前用的cv，在這裡邊千瓦kw是國際标準單位，1kw＝1000w，用1秒做完1000焦耳的功，其功率就是1kw。日常生活中，我們常常把功率俗稱為馬力，單位是匹，就像将扭矩稱為扭力一樣。

在汽車上邊，最大的做功機器就是引擎，引擎的功率是由扭矩計算出來的，而計算的公式相當簡單：功率(w)＝2π×扭矩(Nm)×轉速(rpm)/60，簡化計算後成為：功率(kw)=扭矩(Nm) ×轉速(rpm)/9549。

由于英制與公制的不同，對馬力的定義基本上就不一樣。英制的馬力(hp)定義為：一匹馬于一分鐘内将200磅(lb)重的物體拉動165英尺(ft)，相乘之後等于33，000lb-ft/min；而公制的馬力(ps)定義則為一匹馬于一分鐘内将75kg的物體拉動60米，相乘之後等于4500kgm/min。經過單位換算，(1lb=0.454kg；1ft=0.3048m)竟然發現1hp=4566kgm/min，與公制的1ps=4500kgm/min有些許差異，而如果以瓦作單位(1w=1Nm/sec=9.8kgm/sec)來換算的話，可得1hp=746w；1ps=735w，兩項不一樣的結果，相差1.5%左右。

德國的DIN與歐洲共同體的新标準EEC有日本的JIS是以公制的ps為馬力單位，而SAE使用的是英制的hp為單位，但由于世界一體化經濟的來臨和為了避免複雜換算，越來越多的原廠數據已改提供毫無争議的國際标準單位千瓦kw作為引擎輸出的功率數值。

功率測量技術及其應用

功率測量用于測量電氣設備消耗的功率，廣泛應用于家用電器、照明設備、工業用機器等研究開發或生産線等領域中。本文重點介紹了幾種功率測量的方法及其具體應用。

l 功率測量技術

測量功率有4種方法：

(1)二極管檢測功率法；

(2)等效熱功耗檢測法；

(3)真有效值/直流(TRMS／DC)轉換檢測功率法；

(4)對數放大檢測功率法。

下面分别介紹這4種方法并對各自的優缺點加以比較。

1.1 利用二極管檢測功率法

用二極管檢測輸入功率的電路，為簡單的半波整流、濾波電路，該電路的總輸入電阻為50Ω。D為整流管，C為濾波電容。射頻輸入功率 PIN經過整流濾波後得到輸出電壓U0。但是當環境溫度升高或降低時U0會顯著變化。為經過改進後的二極管檢測輸入功率的電路，該電路增加了溫度補償二極管D2，可對二極管D1的整流電壓進行溫度補償。二極管具有負的溫度系數，當溫度升高時D1的壓降會減小，但D2的壓降也同樣地減小，最終使輸出電壓仍保持穩定。

需要指出，二極管檢測電路是以平均值為響應的，它并不能直接測量輸入功率的有效值，而是根據正弦波有效值與平均值的關系來間接測量有效值功率的。顯然，當被測波形不是正弦波時，波峰因數就不等于1．4142，此時會産生較大的測量誤差。

1．2 等效熱功耗檢測法

等效熱功耗檢測法的電路。它是把一個未知的交流信号的等效熱量和一個直流參考電壓的有效熱量進行比較。當信号電阻(R1)與參考電阻(R2)的溫度差為零時，這兩個電阻的功耗是相等的，因此未知信号電壓的有效值就等于直流參考電壓的有效值。R1、R2為匹配電阻，均采用低溫度系數的電阻，二者的電壓降分别為KU1和 KU0。為了測量溫差，在R1、R2附近還分别接着電壓輸出式溫度傳感器A、B，亦可選用兩支熱電偶來測量溫差。在R1和R2上還分别串聯着過熱保護電阻。

盡管等效熱功耗檢測法的原理非常簡單，但在實際應用中很難實現，并且這種檢測設備的價格非常昂貴。

1.3 真有效值／直流(TRMS／DC)轉換檢測功率法

真有效值／直流轉換檢測功率法的最大優點是測量結果與被測信号的波形無關，這就是“真正有效值”的含義。因此，它能準确測量任意波形的真有效值功率。測量真有效值功率的第一種方法是采用單片真有效值／直流轉換器(例如AD636型)，首先測量出真有效值電壓電平，然後轉換成其真有效值功率電平。

另一種測量真有效值功率的電路框圖，該電路所對應的典型産品為AD8361型單片射頻真有效值功率檢測系統集成電路。U1 為射頻信号輸入端， U0為直流電壓輸出端。US端接2．7～5．5V電源，COM為公共地。IREF為基準工作方式選擇端，PWDN為休眠模式控制端。FLTR為濾波器引出端，在該端與US端之間并聯一隻電容器，可降低濾波器的截止頻率。SREF為電源基準控制端。

從U1端輸入的射頻有效值電壓為U1，經過平片器1産生一個與U12成比例的脈動電流信号i，該電流信号通過由内部電阻R1和電容C構成的平方律檢波器獲得均方值電壓U12，輸入到誤差放大器的同相輸入端。利用平方器2與誤差放大器可構成一個閉合的負反饋電路，将負反饋信号加到誤差放大器的反相輸入端進行溫度補償。當閉環電路達到穩定狀态時，輸出電壓U0(DC)就與輸入有效值功率PIN成正比。有關系式

式中：k為真有效值／直流轉換器的輸出電壓靈敏度，AD8361的k=7．5 mV／dBm。

這種檢測方法有以下優點：第一，由于兩個平方器完全相同，因此在改變量程時不影響轉換精度；第二，當環境溫度發生變化時，兩個平方器能互相補償，使輸出電壓保持穩定；第三，所用平方器的頻帶非常寬，可從直流一直到微波頻段。

1．4 對數放大檢測功率法

對數放大檢測器是由多級對數放大器構成的，其電路框圖，共有5個對數放大器(A～E)，每個對數放大器的增益為20dB(即電壓放大系數為lO倍)，最大輸出電壓被限制在為lV。因此，對數放大器的斜率ks=lV／20dB，即50mV／dB。5個對數放大器的輸出電壓分别經過檢波器送至求和器(∑)，再經過低通濾波器獲得輸出電壓U0。對數放大器能對輸入交流信号的包絡進行對數運算，其輸出電壓與kS、PIN的關系式為

式中：b為截距，即對應于輸出電壓為零時的輸入功率電平值。

普通對數放大器的特性曲線僅适用于正弦波輸入信号。當輸入信号不是正弦波時，特性曲線上的截距會發生變化，從而影響到輸出電壓值。此時應對輸出讀數進行修正。需要指出，盡管ADI公司生産的AD8362型單片射頻真有效值功率檢測器也屬于對數檢測功率法，但它通過采用獨特的專利技術能适用于任何輸入信号波形，并且特性曲線上的截距不随輸入信号而變化。

2 單片直流功率測量系統的設計

MAX42ll 屬于低成本、低功耗、高端直流功率/電流測量系統，它是利用精密電流檢測放大器來測量負載電流，再利用模拟乘法器來計算功率的，因此并不影響負載的接地通路，特别适合測量電池供電系統的功率及電流值。檢測功率和電流的最大誤差均低于±1．5％，頻率帶寬為220kHz。被測源電壓的範嗣是4—28v。檢測電流時的滿量程電壓為100mV或150mV。電源電壓範嗣是2．7~5.5V，工作電流為670μA(典型值)。

MAX42ll A／B／C的簡化電路，主要包括精密電流檢測放大器，25：1的電阻分壓器，模拟乘法器。外圍電路包括被測的4~28V源電壓，2． 7～5.5V的芯片工作電壓，電流檢測電阻RSENSE和負載。其測量原理是利用精密電流檢測放大器來檢測負載電流，獲得與該電流成正比的模拟電壓，再将該電壓加至模拟乘法器，将負載電流與源電壓相乘後，從POUT端輸出與負載功率成正比的電壓。令功率檢測放大器的增益為G，RSENSE上的電壓為 USENSE，RS+引腳的源電壓為URS+，則有 MAX42l1A／B／C内部的分壓器電阻，接到RS+端和模拟乘法器的輸入端。這種設計可精确測量電源負載的功率并為電源(例如電池)提供保護。從 POUT端、IOUT端輸出的功率信号和電流信号，可分别經過A/D轉換器送至單片機。理想情況下，最大負載電流在RSENSE兩端産生滿量程檢測電壓。選擇合适的增益，使電流檢測放大器既能獲得最大輸出電壓，又不會出現飽和。在計算 RSENSE的最大值時，應使RS+端與RS一端之間的差分電壓不超過滿量程檢測電壓。适當增加RSENSE的電阻值，可提高USENSE，有助于減小輸出誤差。

3 單片真有效值射頻功率測量系統的設計

對通信系統的要求是在發送端必須确保功率放大器能滿足發射的需要，并且輸出功率不超過規定指标，否則會導緻設備過熱損壞。因此，在發射機電路中必須增加射頻功率測量和功率控制電路。同樣，射頻功率測量對接收機也是必不可少的。根據有效值定義所計算出的功率就稱為“真有效值功率”(True Root Mean Square Power)，簡稱“真功率”(True Power)。由于現代通信系統具有恒定的負載和阻抗源(通常為50Ω)，因此隻需知道有效值電壓就能計算出功率，即可将功率測量轉化為對有效值電壓的測量。

傳統的射頻功率計或射頻檢測系統的電路複雜，集成度很低。最近，美國ADI公司相繼推出AD8361、AD8362和AD8318型全集成化的單片射頻真有效值功率測量系統，不僅能精确測量射頻(RF)功率，還可測量中頻(IF)、低頻(LF)功率。

AD8318是采用将晶片絕緣矽與超高速互補雙極型相結合的高速矽鍺制造工藝而制成的單片射頻功率測量系統。其内部解調式對數放大器的輸出電壓與被測功率成正比，能精确測量1MHz～8GHz的射頻功率。适合測量于機和無線LAN基站的無線輸出功率。AD8318不僅遠優于傳統的産品，而且比模塊式測量系統具有更高的性價比，比采用二極管檢測功率法的精度更高。AD8318集高精度、低噪聲、寬動态範圍等優點于一身。AD8318在高達5.8GHz的輸入頻率下，測量精度優于±ldB，動态範圍是55dB；在8GHz時精度優于±3dB，動态範圍超過58dB。而輸出噪聲僅為它采用對數放大檢測功率法，對數斜率的額定值為一25mV／dB，并可通過改變UOUT、USET引腳之間反饋電壓的比例系數來進行凋整。在從IN+端輸入信号時，截距功率電平為一25dB。AD8318的典型應用電路。

AD8318是專為測量高達8 GHz的射頻功率而設計的，因此保持IN+、IN一引腳之間及各功能單元電路的絕緣性至關重要。AD8318的正電源端UPSI、UPS0必須接相同的電壓，由UPSI端為輸入電路提供偏置電壓，由UPSO端為UOUT端的低噪聲輸出驅動器提供偏置電壓。AD8318内部還有一些獨立的公共地。CMOP被用作輸出驅動器的公共地。所有公共地應接到低阻抗的印制扳地線區。允許電源電壓範圍是4．5～5．5V。C3～C6為電源退耦電容，應盡量靠近電源引腳和地。

AD8318采用交流耦合、單端輸入方式。當輸入信号頻率為lMHz～8GHz時，接在IN+、IN一端的耦合電容(C1、C2)可采用0402規格的 lnF表面封裝式瓷片電容，耦合電容應靠近IN+、IN-引腳。外部分流電阻R1(52．3Ω)與IN+端相配合，可提供一個具有足夠帶寬的50Ω匹配阻抗。AD8318的輸出電壓可直接送給數字電壓表(DVM)，亦可送至帶A/D轉換器的單片機(μC)。

有功功率與無功功率

無功功率和有功功率

許多用電設備均是根據電磁感應原理工作的，如配電變壓器、電動機等，它們都是依靠建立交變磁場才能進行能量的轉換和傳遞。為建立交變磁場和感應磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的"無功"并不是"無用"的電功率，隻不過它的功率并不轉化為機械能、熱能而已；因此在供用電系統中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。

在功率三角形中，有功功率P與視在功率S的比值，稱為功率因數cosφ，其計算公式為：

cosφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2

在電力網的運行中，功率因數反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數越大越好。這樣電路中的無功功率可以降到最小，視在功率将大部分用來供給有功功率，從而提高電能輸送的功率。

影響功率因數的主要因素

(1)大量的電感性設備，如異步電動機、感應電爐、交流電焊機等設備是無功功率的主要消耗者。據有關的統計，在工礦企業所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60％～70％；而在異步電動機空載時所消耗的無功又占到電動機總無功消耗的60％～70％。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。

(2)變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10％～15％，它的空載無功功率約為滿載時的1/3。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長期處于低負載運行狀态。

(3)供電電壓超出規定範圍也會對功率因數造成很大的影響。

當供電電壓高于額定值的10％時，由于磁路飽和的影響，無功功率将增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110％時，一般無功将增加35％左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

無功補償的一般方法

無功補償通常采用的方法主要有3種：低壓個别補償、低壓集中補償、高壓集中補償。下面簡單介紹這3種補償方式的适用範圍及使用該種補償方式的優缺點。

(1)低壓個别補償:

低壓個别補償就是根據個别用電設備對無功的需要量将單台或多台低壓電容器組分散地與用電設備并接，它與用電設備共用一套斷路器。通過控制、保護裝置與電機同時投切。随機補償适用于補償個别大容量且連續運行(如大中型異步電動機)的無功消耗，以補勵磁無功為主。低壓個别補償的優點是：用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出，因此不會造成無功倒送。具有投資少、占位小、安裝容易、配置方便靈活、維護簡單、事故率低等優點。

(2)低壓集中補償：

低壓集中補償是指将低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功負荷而直接控制電容器的投切。電容器的投切是整組進行，做不到平滑的調節。低壓補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率，降低網損，具有較高的經濟性，是目前無功補償中常用的手段之一。

(3)高壓集中補償：

高壓集中補償是指将并聯電容器組直接裝在變電所的6～10kV高壓母線上的補償方式。适用于用戶遠離變電所或在供電線路的末端，用戶本身又有一定的高壓負荷時，可以減少對電力系統無功的消耗并可以起到一定的補償作用；補償裝置根據負荷的大小自動投切，從而合理地提高了用戶的功率因數，避免功率因數降低導緻電費的增加。同時便于運行維護，補償效益高。

采取适當措施，設法提高系統自然功率因數

提高自然功率因數是不需要任何補償設備投資，僅采取各種管理上或技術上的手段來減少各種用電設備所消耗的無功功率，這是一種最經濟的提高功率因數的方法。

(1)合理使用電動機；

(2)提高異步電動機的檢修質量；

(3)采用同步電動機：同步電動機消耗的有功功率取決于電動機上所帶機械負荷的大小，而無功功率取決于轉子中的勵磁電流大小，在欠勵狀态時，定子繞組向電網"吸取"無功，在過勵狀态時，定子繞組向電網"送出"無功。因此，對于恒速長期運行的大型機構設備可以采用同步電動機作為動力。

異步電動機同步運行就是将異步電動機三相轉子繞組适當連接并通入直流勵磁電流，使其呈同步電動機運行，這就是"異步電動機同步化"。

(4)合理選擇配變容量，改善配變的運行方式：對負載率比較低的配變，一般采取"撤、換、并、停"等方法，使其負載率提高到最佳值，從而改善電網的自然功率因數。

無功電源

電力系統的無功電源除了同步電機外，還有靜電電容器、靜止無功補償器以及靜止無功發生器，這4種裝置又稱為無功補償裝置。除電容器外，其餘幾種既能吸收容性無功又能吸收感性無功。

(1)同步電機：

同步電機中有發電機、電動機及調相機3種。

①同步發電機：

同步發電機是唯一的有功電源，同時又是最基本的無功電源，當其在額定狀态下運行時，可以發出無功功率：

Q=S×sinφ=P×tgφ

其中、S、P、φ是相對應的無功功率、視在功率、有功功率和功率因數角。

發電機正常運行時,以滞後功率因數運行為主,向系統提供無功，但必要時,也可以減小勵磁電流,使功率因數超前,即所謂的"進相運行"，以吸收系統多餘的無功。

②同步調相機:

同步調相機是空載運行的同步電機，它能在欠勵或過勵的情況下向系統吸收或供出無功，裝有自勵裝置的同步電機能根據電壓平滑地調節輸入或輸出的無功功率，這是其優點。但它的有功損耗大、運行維護複雜、響應速度慢，近來已逐漸退出電網運行。

③并聯電容器：

并聯電容器補償是目前使用最廣泛的一種無功電源，由于通過電容器的交變電流在相位上正好超前于電容器極闆上的電壓，相反于電感中的滞後，由此可視為向電網"發?quot;無功功率：

Q=U2/Xc

其中：Q、U、Xc分别為無功功率、電壓、電容器容抗。

并聯電容器本身功耗很小，裝設靈活，節省投資；由它向系統提供無功可以改善功率因數，減少由發電機提供的無功功率。

新型測量儀器

概述

測量功率的裝置稱為功率計，根據被測信号頻率分類，功率計可分為：直流功率計、工頻功率計、變頻功率計、射頻功率計和微波功率計。由于直流功率等于電壓和電流的簡單乘積，實際測量中，一般采用電壓表和電流表替代。工頻功率計是應用較普遍的功率計，常說的功率計一般都是指工頻功率計。變頻功率計是21世紀變頻調速技術高速發展的産物。其測量對象為變頻電量，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：

常見變頻電量

1、信号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号。

2、信号頻譜包含兩種或更多的被關注的頻率成分的電信号。

變頻電量包括電壓、電流以及電壓電流引出的有功功率、無功功率、視在功率、有功電能、無功電能等。

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，常見變頻電量的波形及相關頻譜圖。

由于變頻電量的頻率成分複雜，變頻功率計的測量一般包括基波有功功率（簡稱基波功率）、諧波有功功率（簡稱諧波功率）、總有功功率等，相比工頻功率計而言，其功能較多，技術較複雜，一般稱為變頻功率分析儀或寬頻功率分析儀，部分高精度功率分析儀也适用于變頻電量測量。

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，并且采樣頻率應高于儀器帶寬的兩倍。

2、要求分析儀在較寬的頻率範圍之内，精度均能滿足一定的要求。

3、具備傅裡葉變換功能，可以分離信号的基波和諧波。