【图吧电子小讲堂】简单区分有功功率、无功功率、视在功率和复功率

什么是有功功率、无功功率、视在功率及功率三角形? 三相电路的功率如何计算?

一、有功功率

在交流电路中,凡是消耗在电阻元件上、功率不可逆转换的那部分功率(如转变为热能、光能或机械能)称为有功功率,简称“有功”,用“P”表示,单位是瓦(W)或千瓦(KW)。

 它反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小,或单位时间内转变为其它能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时转变为其他能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时功率的平均值,故又称平均功率。它的大小等于瞬时功率最大值的1/2,就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积。

二、无功功率

在交流电路中,凡是具有电感性或电容性的元件,在通过后便会建立起电感线圈的磁场或电容器极板间的电场。因此,在交流电每个周期内的上半部分(瞬时功率为正值)时间内,它们将会从电源吸收能量用建立磁场或电场;而下半部分(瞬时功率为负值)的时间内,其建立的磁场或电场能量又返回电源。因此,在整个周期内这种功率的平均值等于零。就是说,电源的能量与磁场能量或电场能量在进行着可逆的能量转换,而并不消耗功率。

为了反映以上事实并加以表示,将电感或电容元件与交流电源往复交换的功率称之为无功功率。 简称“无功”

,用“Q”表示。单位是乏(Var)或千乏(KVar)。

无功功率是交流电路中由于电抗性元件(指纯电感或纯电容)的存在,而进行可逆性转换的那部分电功率,它表达了交流电源能量与磁场或电场能量交换的最大速率。

实际工作中,凡是有线圈和铁芯的感性负载,它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。如果没有无功功率,电动机和变压器就不能建立工作磁场。

三、视在功率

交流电源所能提供的总功率,称之为视在功率或表现功率,在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。

视在功率用S表示。单位为伏安(VA)或千伏安(KVA)。

它通常用来表示交流电源设备(如变压器)的容量大小。

视在功率即不等于有功功率,又不等于无功功率,但它既包括有功功率,又包括无功功率。能否使视在功率

100KVA的变压器输出100KW的有功功率,主要取决于负载的功率因数。

四、功率三角形

视在功率(S)、有功功率(P)及无功功率(Q)之间的关系,可以用功率三角形来表示,如下图所示。它是一个直角三角形,两直角边分别为Q与P,斜边为S。S与P之间的夹角Ф为功率因数角,它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差(角)。

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 各种功率有如下关系式

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五、三相交流电路中的功率计算

对于三相对称负载来说,不论是Y形接法还是△形接法,其功率的计算均可按下式进行:

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如果三相电路的负载不对称,则上述公式不能使用,这时必须用三个单相电路功率相加的方法计算三相总功率。

什么叫功率三角型“功率三角形”是表示视在功率S、有功功率P和无功功率Q三者在数值上的关系,见图。其中φ是u(t)与i(t)的相位差, 也称功率因数角

由功率三角形可得

P=Scosφ

Q=Ssinφ=Ptgφ

 对于三相电路

P=√3 UIcosφ

Q=√3 UIsinφ

S=√3 UI=√P2+Q2

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交流电功率即是电能在交流电路中流动的速率。在交流电系统中,例如电感器和电容器之类的储能装置可能会导致能量流动方向的周期性变化。在一个完整周期内,能量在一个方向上的净流动率称为有功功率,而往返于储能装置与电源间的部分称为无功功率

对一个线性负载而言,电路中电压与电流都是遵循相同规律变化的,例如都按照正弦波变化。如果负载是纯电阻的话,电路中电压与电流会在相同的时间改变各自的极性,电压与电流的乘积永远都是大于或等于0的,表示能量的流动方向不会逆转。此时电路上只有实际功率流动。

而如果负载是纯电容或纯电感的话,电路中的电流与电压会出现90度的相位差。这样一来,在交流电的每个周期内,半个周期中电流与电压乘积为正,而另半个周期中电流与电压乘积为负,而且二者相加正好为0,表示每个周期内流向负载的电能全部被返还到电源中,整体上电路没有消耗电能,电路上只有无功功率流动。

在实际生活中,负载通常会同时有电阻性、电容性和电感性,因此电路上会同时有无功功率和实际功率。电力工程师将无功功率和实际功率的向量和的模作为视在功率。视在功率的定义为电压的均方根乘以电流的均方根。

尽管无功功率在负载上不做功,但是对于一个实际系统来说,电流流过导线时,会使导线发热,部分电能因此会损失掉,因此电力工程师需要关心视在功率。变压器、发电机、导线等都需要按照视在功率的大小设计,而不是有功功率。

另外,直接将两个负载各自的视在功率相加,并不一定等于两个负载整体的视在功率,除非两个负载的电压和电流的相位差一致,或两个负载具有相同的功率因数。

根据定义,电容器提供无功功率,而电感器消耗无功功率。因此计算负载时,电阻是正数(代表消耗实功),电感也是正数(代表消耗虚功),电容则是负数(代表提供虚功)。

如果将电容器和电感器并联,那么二者的电流会倾向于相互抵消而不是叠加。这是电力系统中进行功率因数校正的一个基本方法。

个与功率相关的参数,以及各自的单位如下所示:

有功功率或实际功率P:瓦特(W)

无功功率Q:无功伏安(var)

复功率S:伏安(VA)

视在功率 |S|,即复功率S的模:伏安(VA)

电流-电压相位差φ:角度(°)或弧度(rad)

交流电功率可以使用实数或复数计算。

例如,复功率S=800+j600表示800W实功及600var虚功,即是等于1000VA,功率因素0.8(滞后)。

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功率的单位是瓦特(符号为W),但是一般来说,只有讨论实际功率的时候才会用这个称呼。视在功率的单位一般以伏特·安培(简称“伏安”,符号为VA)称呼,因为其定义为电流的均方根乘以电压的均方根。无功功率的单位为无功伏特·安培,简称“无功伏安”,符号为var。

无功功率并不实际传输能量,所以在图中以虚轴表示。相应的,实际功率则表示在实轴上。虽然无功功率不传递能量,但是对维持输电系统稳定性有重要作用。电力供应及负载端的有功功率必须相等,无功功率亦必须相等,系统才可正常运作。同步发电机可以输出有功及无功功率,透过控制励磁系统可以改变无功功率的输出大小。

复功率(complex power)正弦电流电路中,实部为平均功率、虚部(或负虚部)为无功功率的复数量。复功率是用相量法分析正弦电流电路时的一 个辅助计算量。

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复功率实部为平均功率、虚部为无功功率的复数量,是以相量法分析正弦电流电路时常涉及到的一个辅助计算量。

(其中,I*为I的共轭复数)

设一端口的电压向量U,电流向量为i,复功率S定义为:

复功率的实部P=UIcosj称为有功功率,它是单口网络吸收的平均功率,单位为瓦(W)。

复功率的虚部Q=UIsinj称为无功功率,它反映电源和单口网络内储能元件之间的能量交换情况,为与平均功率相区别,单位为乏(var)。

复功率的模称为视在功率,它表示一个电气设备的容量,是单口网络所吸收平均功率的最大值,为与其它功率相区别,用伏安(V·A)为单位。例如我们说某个发电机的容量为100kVA,而不说其容量为100kW。

由于正弦电流电路中的有功功率、无功功率、和视在功率三者之间是一个直角三角形的关系,可以通过“复功率”来表示。复功率是一个辅助计算功率的复数,它将正弦稳态电路的三种功率和功率因素统一为一个公式表达,只要计算出电路中电压和电流相量,各种功率就可以很方便地计算出来。引入复功率这一概念给电力网的潮流计算带来很多方便,在谐波潮流计算中也多引用谐波复功率进行分析计算。

复功率守恒定理:对于工作于正弦稳态的电路来说,由每个独立电源发出的复功率的总和等于电路中其它电路元件所吸收复功率的总和。可以用数学式表示如下:

由此可以导出一个正弦稳态电路的有功功率和无功功率也是守恒的结论:可以用数学式表示如下:

由此可以得出不含独立源单口网络吸收的有功功率等于该单口网络内每个电阻元件吸收的平均功率总和的结论。

值得注意的是一个正弦稳态电路中的视在功率并不守恒。

S为复功率,I*为电流相量的共轭,I^2为交流电模的平方,Y为导纳,z为阻抗。

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