Wie berechnet man die Wirkleistung und den Leistungsfaktor mit einem Oszilloskop?

Ich versuche, den tatsächlichen Stromverbrauch meines Geräts im Standby-Modus zu berechnen. Dazu muss ich jedoch den Leistungsfaktor ermitteln, da:

$\text{Real Power} = V_\text{rms}\times I_\text{rms}\times PF$

Jetzt hat mein Gerät wie viele andere IT-Geräte keine perfekte sinusförmige Stromkurve, daher kann ich nicht einfach die Phasenverschiebung berechnen, die cos (Theta) bewirken kann.

Ich habe einige Dokumentationen für eine Arduino-Anwendung durchgelesen, und anscheinend können Sie die Wirkleistung berechnen, indem Sie mehrere Momentanströme von Strom und Spannung abtasten, multiplizieren und nur den Durchschnitt ermitteln. Also nahm ich mein Zielfernrohr heraus und beschloss, 1000 Proben zu bekommen.

Hier ist die Grafik:

Ich habe diese Daten in ein Excel-Blatt exportiert und die folgenden Werte erhalten:

$V_\text{rms} = 118.96V\text{ (RMS)}$

$I_\text{rms} = 0.02024A\text{ (RMS)}$

$S \text{ (apparent power)} = 2.40792\text{ VA}$

$P \text{ (real power)} = 0.93713\text{ W}$

Dies gibt mir einen Leistungsfaktor von

$PF = 0.93713/2.40792 = 0.38919\text{ ← This is a very low power factor.}$

Ich habe mein Kill-a-Watt-Gerät verwendet und es zeigt mir, dass mein Leistungsfaktor im Durchschnitt bei 0,6 liegt.

Ich habe versucht, online zu investieren, wenn ich etwas verpasst habe, und ich habe eine Website bemerkt, auf der stand, dass die aktuelle Sonde für das Oszilloskop einen "Durchflusspfeil" haben sollte, der auf die Quelle zeigt, in meinem Fall auf meine Steckdose. Ich bemerkte, dass ich es umgekehrt hatte und korrigierte dies. Die Grafik ist unten:

Das gibt mir fast die gleichen RMS-Werte, aber wenn ich versuche, die Wirkleistung zu berechnen, indem ich die momentanen Spannungs- und Stromwerte multipliziere und sie mittle, erhalte ich eine Wirkleistung von:

$P = -1.02W$

Kann einer von euch mit mehr Erfahrung mich in die richtige Richtung weisen? Was mache ich falsch?

Ich denke, dass der Versuch, die Effektivwerte von Spannung und Strom dafür zu verwenden, nicht funktionieren wird. Stellen Sie sich vor, Sie verschieben die aktuelle Wellenform 4 ms später. Weder die Effektivspannung noch der Effektivstrom würden sich ändern, aber die aufgenommene Leistung würde sich um eine Größenordnung ändern.

Die von Ihrer Schaltung aufgenommene Momentanleistung beträgt V * I. In jeder kleinen Zeit dt beträgt die verbrauchte Energie V * I * dt. Die in 1s verbrauchte Energie, die aufgenommene Leistung, ist das Integral von V * I * dt von T = 0 bis T = 1s. Sie können dies direkt aus den Beispielwerten in Ihrer Excel-Tabelle berechnen. Multiplizieren Sie bei jeder Abtastung die Momentanspannung mit dem Momentanstrom, und dies ergibt die momentan entnommene Leistung. Multiplizieren Sie dies mit dem Abtastintervall, und das ist die in diesem Abtastintervall verbrauchte Energie. Addieren Sie alle diese Werte über einen Wechselstromzyklus und multiplizieren Sie sie mit der Anzahl der Zyklen pro Sekunde. Dies ist die pro Sekunde verbrauchte Energie, die auch als Leistung bezeichnet wird.

Betrachtet man die Oszilloskopspuren, so beträgt der von der Schaltung aufgenommene Strom normalerweise 0. Einmal pro Wechselstromhalbzyklus steigt der Strom sehr schnell auf etwa 90 mA an und fällt dann über etwa 820us linear auf 0 ab. Es ist eine 60-Hz-Schaltung, also alle 8,3 ms. Wenn die Schaltung Strom zieht, ist die Spannung bei 170 V mehr oder weniger konstant. Das ist ein durchschnittlicher Strom von 45 mA über den 820us bei 170 V = 7,65 W, aber diese Leistung benötigt nur 1/10 der Gesamtzeit, sodass der endgültige Stromverbrauch 0,76 W beträgt.

Nach meiner Erfahrung beträgt die Wahrscheinlichkeit, eine Stromsonde rückwärts zu verdrahten, genau 0,5!

Bei Systemen wie Ihren IT-Geräten, bei denen die Verschlechterung des Leistungsfaktors auf Gleichrichterwirkung und nicht auf rein induktive oder kapazitive Phasenverschiebung zurückzuführen ist, wird der Leistungsfaktor mit einer K-Faktor-Methode berechnet, die eine Funktion der einzelnen Oberschwingungsstromkomponenten ist. Der Oberwellengehalt wird unter Verwendung einer FFT der abgetasteten Stromwellenform berechnet.

Ihr Oszilloskop der Serie 5000/6000 (was sehr schön ist - ich benutze es jeden Tag bei der Arbeit) ist nicht das richtige Werkzeug für diese Aufgabe. Sie sollten wirklich einen Leistungsmesser für diese Art von Arbeit kaufen oder mieten.

Xitron hat ein gutes Papier über mathematische Methoden des Leistungsmessers , und Googeln gibt auch einige Treffer .

Eine Stromsonde ist im Grunde ein Transformator mit einer Windung. Es spielt keine Rolle, in welche Richtung die Sonde auf dem zu messenden Draht platziert wird. Der einzige Zweck des Pfeils besteht darin, anzuzeigen, dass ein in diese Richtung fließender Strom als positive Spannung am Oszilloskop angezeigt wird. Beachten Sie, dass beim Umschalten der Sonde die Wellenform gleich blieb, die Polarität des Oszilloskops jedoch umgekehrt wurde. Dies ist wichtig, wenn die Phase zwischen dem Strom und einer anderen Spannung oder einem anderen Strom bestimmt werden muss. Wellenform und Amplitude werden nicht beeinflusst.