Como calcular a potência real e o fator de potência usando um osciloscópio?

Estou tentando calcular o consumo de energia real do meu dispositivo no modo de espera, mas para fazer isso, preciso descobrir o fator de potência devido a:

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

Agora, meu dispositivo, como muitos outros dispositivos de TI, não possui uma curva de corrente sinusoidal perfeita, então não posso apenas calcular que a mudança de fase pode fazer cos (teta).

Eu li toda a documentação de um aplicativo Arduino e, aparentemente, você pode calcular o Real Power fazendo várias amostragens instantâneas de corrente e tensão, multiplicando-as e obtendo a média. Então tirei meu escopo e decidi coletar 1000 amostras.

Aqui está o gráfico:

Exportei esses dados para uma planilha do Excel e obtive os seguintes valores:

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

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

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

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

Isso me dá um fator de potência de

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

Eu usei meu dispositivo Kill-a-Watt e ele me diz que meu fator de potência está em torno de 0,6 na média.

Tentei investigar on-line se perdi alguma coisa e notei um site que dizia que a sonda atual do escopo deveria ter sua "seta de fluxo" apontando para a fonte, no meu caso, minha tomada CA. Percebi que tinha o contrário e corrigi isso. O gráfico está abaixo:

Isso me dá quase os mesmos valores de RMS, mas quando tento calcular a potência real multiplicando as leituras instantâneas de tensão e corrente e calculando a média, recebo uma potência real de:

$P = -1.02W$

Algum de vocês com mais experiência pode me indicar a direção certa? O que estou fazendo errado?

Eu acho que tentar usar valores RMS de tensão e corrente para isso não vai funcionar. Imagine mudar a forma de onda atual 4ms depois; nem a tensão RMS nem a corrente RMS mudariam, mas a potência consumida mudaria por uma ordem de magnitude.

A energia instantânea consumida pelo seu circuito é V * I. Em pouco tempo dt, a energia consumida será V * I * dt. A energia consumida em 1s, a potência consumida, será a integral de V * I * dt de T = 0 a T = 1s. Você pode calcular isso diretamente a partir dos valores de amostra na planilha do Excel. Em cada amostra de tempo, multiplique a tensão instantânea pela corrente instantânea, e isso fornece a energia instantânea extraída. Multiplique isso pelo intervalo de amostra e essa é a energia consumida nesse intervalo de amostra. Acrescente tudo isso ao longo de um ciclo CA e multiplique pelo número de ciclos por segundo e essa é a energia consumida por segundo, também conhecida como energia.

Observando os traços do osciloscópio, a corrente consumida pelo circuito é geralmente 0. Uma vez por meio ciclo de CA, a corrente aumenta para cerca de 90mA muito rapidamente e depois cai linearmente para 0 acima de 820us. Como é um circuito de 60Hz, ele faz isso a cada 8,3ms. Quando o circuito está consumindo corrente, a tensão é mais ou menos constante em 170V. Essa é uma corrente média de 45mA acima do 820us a 170V = 7,65 W, mas ela leva apenas 1/10 do tempo total, portanto o consumo final de energia é de 0,76 W.

Na minha experiência, a probabilidade de ligar uma sonda de corrente para trás é exatamente 0,5!

Para sistemas como o seu equipamento de TI, onde a degradação do fator de potência é devida à ação do retificador e não à mudança de fase puramente indutiva ou capacitiva, o fator de potência é calculado com um método do fator K, que é uma função dos componentes individuais da corrente harmônica. O conteúdo harmônico é calculado usando uma FFT da forma de onda atual amostrada.

Seu escopo da série 5000/6000 (que é adorável - eu uso um todos os dias no trabalho) não é a ferramenta certa para esta tarefa. Você realmente deve comprar ou alugar um medidor de energia para esse tipo de trabalho.

O Xitron tem um bom artigo sobre métodos matemáticos do medidor de energia , e o Google também fornece alguns hits .

Uma sonda de corrente é basicamente um transformador de uma volta. Não importa em que direção a sonda é colocada no fio que está medindo. O único objetivo da seta é indicar que uma corrente que flui nessa direção será exibida como uma tensão positiva no osciloscópio. Observe que, quando você trocou a sonda, a forma de onda permaneceu a mesma, mas a polaridade no osciloscópio se inverteu. Isso é importante quando a fase entre a corrente e alguma outra tensão ou corrente deve ser determinada. A forma de onda e a amplitude não são afetadas.