¿Cómo calcular la potencia real y el factor de potencia utilizando un osciloscopio?

Estoy tratando de calcular el consumo de energía real de mi dispositivo en modo de espera, pero para hacerlo necesito averiguar su factor de potencia debido a:

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

Ahora, mi dispositivo, como muchos otros dispositivos de TI, no tiene una curva de corriente sinusoidal perfecta, por lo que no puedo calcular el cambio de fase que puede hacer cos (theta).

Leí un poco de documentación para una aplicación Arduino y aparentemente puedes calcular la potencia real haciendo varios muestreos instantáneos de corriente y voltaje y multiplicándolos y solo obteniendo el promedio. Así que saqué mi alcance y decidí obtener 1000 muestras.

Aquí está el gráfico:

Exporté estos datos a una hoja de Excel y obtuve los siguientes valores:

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

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

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

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

Esto me da un factor de potencia de

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

Utilicé mi dispositivo Kill-a-Watt y me dice que mi factor de potencia es de alrededor de 0.6 promedio.

Intenté investigar en línea si me perdía algo, y noté un sitio web que decía que la sonda actual para el alcance debería tener su "flecha de flujo" apuntando a la fuente, en mi caso mi toma de corriente alterna. Noté que lo tenía al revés y lo corregí. El gráfico es abajo:

El me da casi los mismos valores RMS, pero cuando trato de calcular el Poder Real multiplicando las lecturas instantáneas de Voltaje y corriente y promediando, obtengo un Poder Real de:

$P = -1.02W$

¿Puede alguno de ustedes con más experiencia señalarme en la dirección correcta? ¿Qué estoy haciendo mal?

Creo que tratar de usar valores RMS de voltaje y corriente para esto no va a funcionar. Imagine cambiar la forma de onda actual 4ms más tarde; ni el voltaje RMS ni la corriente RMS cambiarían en absoluto, pero la potencia consumida cambiaría en un orden de magnitud.

La potencia instantánea consumida por su circuito es V * I. En cualquier tiempo dt, la energía consumida será V * I * dt. La energía consumida en 1s, la potencia consumida, será la integral de V * I * dt de T = 0 a T = 1s. Puede calcular esto directamente a partir de los valores de muestra en su hoja de cálculo de Excel. En cada muestra de tiempo, multiplique el voltaje instantáneo por la corriente instantánea, y eso da la potencia instantánea consumida. Multiplique eso por el intervalo de muestra, y esa es la energía consumida en ese intervalo de muestra. Sume todos esos durante un ciclo de CA, y multiplique por el número de ciclos por segundo y esa es la energía consumida por segundo, también conocida como potencia.

Al observar las trazas del alcance, la corriente consumida por el circuito generalmente es 0. Una vez por medio ciclo de CA, la corriente aumenta a aproximadamente 90 mA muy rápidamente, luego cae linealmente a 0 durante aproximadamente 820us. Es un circuito de 60Hz, por lo que hace esto cada 8.3ms. Cuando el circuito está tomando corriente, el voltaje es más o menos constante a 170V. Esa es una corriente promedio de 45 mA sobre los 820us a 170V = 7.65 W, pero solo toma esta potencia 1/10 del tiempo total, por lo que el consumo de energía final es de 0.76 W.

¡En mi experiencia, la probabilidad de conectar una sonda de corriente hacia atrás es exactamente 0.5!

Para sistemas como su equipo de TI, donde la degradación del factor de potencia se debe a la acción del rectificador y no a un cambio de fase puramente inductivo o capacitivo, el factor de potencia se calcula con un método de factor K, que es una función de los componentes de corriente armónica individuales. El contenido armónico se calcula utilizando una FFT de la forma de onda de corriente muestreada.

Su alcance de la serie 5000/6000 (que es bastante encantador, uso uno todos los días en el trabajo) no es la herramienta adecuada para esta tarea. Realmente debería comprar o alquilar un medidor de potencia para este tipo de trabajo.

Xitron tiene un buen artículo sobre métodos matemáticos de medidores de potencia , y Google también ofrece algunos éxitos .

Una sonda de corriente es básicamente un transformador de una vuelta. No importa en qué dirección se coloca la sonda en el cable que está midiendo. El único propósito de la flecha es indicar que una corriente que fluye en esa dirección se mostrará como un voltaje positivo en el osciloscopio. Tenga en cuenta que cuando cambió la sonda, la forma de onda permaneció igual pero la polaridad en el osciloscopio se invirtió. Esto es importante cuando se debe determinar la fase entre la corriente y algún otro voltaje o corriente. La forma de onda y la amplitud no se ven afectadas.