交流电理论
在当今先进的交流电源应用中，测量的改进和对复杂电流和电压的理解变得更加重要。
本指南概述了基本的 AC 理论参数及其意义。
学习 RMS 值、平均值、实际功率和视在功率、功率因数、波峰因数、谐波失真和测量技术的基本概念将使您更好地理解基本的交流电理论。
2024 年 8 月 29 日更新
1. RMS（均方根值）
RMS 值是指定交流电压和电流值的最常用和最有用的方法。
交流波形的 RMS 值是指当其在给定时间内应用于给定电路时，与将直流电源在相同时间间隔应用于相同电路时产生相同的能量消耗。
RMS 值对于评估交流源可用的功率至关重要，也是量化交流电压和电流的关键指标。
计算：
通过考虑交流电流波形及其相关的加热影响可以最好地描述 RMS 值的计算，如下图 1(a) 所示：
如果认为该电流流过电阻，则任何瞬间的加热效应由下式给出：
通过将电流周期划分为等距坐标，可以确定加热效果随时间的变化，如图 1b 所示。
平均加热效果（功率）由下式给出：
如果我们想找到产生上面显示的平均加热效应值的等效电流值，则适用以下方法：
所以
= 电流平方均值的平方根
= 电流的有效值。
该值通常称为交流波形的有效值，因为它相当于在电阻负载中产生相同加热效果（功率）的直流电。
对于纯正弦波形：
RMS = 峰值/SQRT (2)
= 峰值 x 0.707
2. 平均值
正弦波的平均值是半个周期的所有瞬时值的平均值，因为对于像交流波形这样的对称波形，整个周期的平均值是零。
图 2 所示波形的平均值由下式给出：
很明显，平均值只能在波形的半个周期内具有实际意义，因为对于对称波形，整个周期的平均值或平均值为零。
大多数简单的万用表通过对交流波形进行全波整流，然后计算平均值来确定交流值。
然而，此类仪表将以 RMS 进行校准，并将利用正弦波形的 RMS 和平均值之间的已知关系
即：RMS = 1.11 x 平均值。
然而，对于纯正弦波以外的波形，此类仪表的读数将无效。
3. 实际功率和视在功率（W & VA）
有效功率是电路中实际使用或消耗的电量，而视在功率是有功功率和无功功率的组合。
它是电路电压和电流的乘积，与相位角无关。
由于视在功率与 RMS 值有直接关系（两者都定义为交流电流和交流电压的实际量和有效值），视在功率的简单公式为 S（视在）= V（rms）x I（rms），以伏安（VA）为单位。
应用：
如果将一个 100 V RMS 的正弦电压源连接到一个 100 欧姆的电阻负载，那么电压和电流就可以如图 3a 所示表示，并且可以说是同相的。
任何瞬间从电源流到负载的功率都由该瞬间电压与电流的乘积值给出，如图 3b 所示。
由此可以看出，流入负载的功率波动（电源频率的两倍）在 0 到 200 瓦之间，并且传输到负载的平均功率等于 100 瓦 - 这是 100 V RMS 和 100 欧姆电阻所期望的。
但是，如果负载是无功负载（即包含电感或电容以及电阻），阻抗为 100 欧姆，则流过的电流仍为 1A RMS，但不再与电压同相。图 4a 显示了电感负载，电流滞后 60 o 。
尽管功率流继续以两倍电源频率波动，但现在它只在每个半周期的一部分时间内从电源流向负载 - 在剩余时间内它实际上是从负载流向电源。
因此，流入负载的平均净流量比电阻负载的情况小得多，只有 50W 的有用功率传输到电感负载中。
在上述两种情况下，RMS 电压均等于 100V RMS，电流为 1A RMS。
这两个值的乘积是输送到负载的视在功率，以 VA 为单位测量如下：
视在功率 = 伏特 RMS x 安培 RMS
仅仅了解 RMS 电压和电流不足以确定有效功率。
为了准确评估功率（例如评估热损失或效率），我们需要一个真正的交流功率计。
该装置计算瞬时电压和电流值的乘积，然后显示该乘积的平均值。
4. 功率因数
显然，与直流系统相比，传输的交流功率并不是简单的电压和电流值的乘积。
功率因数定义为有功功率与视在功率之比。
对于交流电流和电压的纯正弦波形，功率因数取决于测量角度的相位。
当电压和电流处于同一相位时，功率因数为 1 (1)。（且 Cos (0) = 1）
滞后功率因数是指电流滞后电压一个锐角。
超前功率因数是指电流以锐角超前电压。
当电压和电流的相位正好相差 90 度时，功率因数将为零。 - 这意味着实际功率也为零。
重要性：功率因数影响交流电系统的能源效率和负载处理。
计算：
在前面带有感性负载的例子（有效功率和视在功率）中，功率因数为 0.5，因为有用功率恰好是视在功率的一半。
对于正弦电压和电流波形，功率因数实际上等于电压和电流波形之间的相位角的余弦。
例如，对于前面描述的电感负载，电流滞后电压 60度，因此：
正是由于这个原因，功率因数通常被称为cosθ。
然而，重要的是要记住，这仅当电压和电流都是正弦波时才会出现（图 5，I1 和 I2），并且在任何其他情况下功率因数都不等于 cosθ[图 5 (I3)]。
使用读取 cosθ 的功率因数表时必须记住这一点，因为除了纯正弦电压和电流波形外，读数无效。
真实功率因数计将计算如上所述的实际功率与视在功率的比率。
5. 波峰因数
已经证明，对于正弦波形：
峰值和 RMS 之间的关系称为峰值因数，定义为峰值与有效值 (RMS) 的比率。
因此对于正弦曲线：
许多连接到交流电源的现代设备采用非正弦电流波形，其中包括电源、灯调光器甚至荧光灯。
对于非正弦波形：波峰因数可能明显更高，表示相对于 RMS 值的峰值更大。
这对于评估电源和设备的压力非常重要。
典型的开关模式电源将从交流电源获取电流，如图 6 所示。
很明显，所描绘的电流波形的波峰因数远大于 1.414 - 事实上大多数开关模式电源和电机速度控制器的电流波峰因数为 3 或更大。
因此，大的电流波峰因数必然会给供电此类负载的设备带来额外的压力，因为该设备必须能够提供与失真波形相关的大峰值电流。
当有限阻抗电源（例如备用逆变器）为负载供电时，这一点尤其重要。
由此可见，当涉及交流设备时，了解电流的波峰因数及其 RMS 电流非常重要。
6. 谐波失真
如果负载导致电流波形失真，那么除了了解波峰因数之外，量化波形失真的程度也很有用。
当非正弦电流波形包含基频整数倍的频率时，就会发生谐波失真。这些谐波会导致电力系统产生额外的损耗和压力。
通过示波器观察可以发现失真，但无法发现失真的程度。
通过傅里叶分析可以看出，非正弦电流波形由电源频率的基波分量加上一系列谐波（即频率为电源频率的整数倍的分量）组成。
例如，100 Hz 方波由图 7 所示的分量组成。
与纯正弦波相比，方波显然失真严重。然而，例如 SMPS、灯调光器甚至速度控制洗衣机电机产生的电流波形可能包含更重要的谐波。
图 8.显示流行 SMPS 模型所吸收的电流以及该电流的谐波含量。
唯一有用的电流是电流的基波分量，因为只有它才能产生有用的功率。
额外的谐波电流不仅在电源本身内流动，而且在与电源相关的所有配电电缆、变压器和开关设备中流动，从而造成额外的损耗。
高谐波含量会影响电能质量和效率，人们越来越意识到需要限制设备产生的谐波水平。许多地区都设有控制措施，对某些类型负载允许的谐波电流水平进行强制性限制。
随着 IEC555 等国际公认标准的使用，此类监管控制正变得越来越普遍，很快将被 IEC1000-3 取代。
因此，设备设计师需要提高对其产品是否会产生谐波以及产生谐波程度的认识。
7. 交流参数测量
对于交流电源供应商和设备制造商来说，所讨论的交流参数至关重要。但当今市场上的许多测量仪器操作起来很困难，或者功能和精度不足，尤其是在处理失真或噪声输入时。
Voltech Instruments 通过开发和制造先进的功率测量仪器来解决这些挑战。我们的解决方案可满足广泛的需求，从通用功率测量到复杂且高要求的功率分析任务。