電路基礎(chǔ)系列:交流電路篇-15 無功功率
無功功率最好用交流電路或系統(tǒng)中無功元件產(chǎn)生的“未使用”功率來描述。
在直流電路中,“伏特x安培”的乘積表示電路消耗的功率(瓦特)。然而,雖然這個公式也適用于純電阻交流電路,但在含有無功元件的交流電路中,情況稍微復(fù)雜一些,因為這種伏特-安培產(chǎn)品會隨頻率變化。
在交流電路中,電壓和電流的乘積表示為伏安(VA)或千伏安(kVA),稱為視在功率,符號S. 在無感純電阻電路中,如加熱器、熨斗、水壺和燈絲燈泡等,其電抗實際上為零,因此電路的阻抗幾乎完全由電阻組成。
對于交流電阻電路,電流和電壓是同相的,任何時刻的功率都可以通過電壓乘以該瞬間的電流得到,由于這種“同相”關(guān)系,有效值可以用來計算等效的直流功率或加熱效應(yīng)。
但是,如果電路中含有無功分量,則電壓和電流波形會因電路相角的不同而“異相”。如果電壓和電流之間的相角最大為90°,伏特安培產(chǎn)品的正負值相等。
換言之,無功電路將其消耗的功率返回給電源,從而導(dǎo)致電路消耗的平均功率為零,因為相同數(shù)量的能量不斷交替地從源流到負載,再從負載返回到源。
因為我們有電壓和電流,但沒有功率耗散,所以P=IV(rms)的表達式不再有效,因此,交流電路中的伏安乘積不一定給出所消耗的功率。然后,為了確定交流電路消耗的“實際功率”(也稱為有功功率,符號P),我們不僅需要考慮伏安乘積,還需要考慮電壓和電流波形之間的相位差方程:VI.cosΦ.
然后我們可以將視在功率與有功功率或?qū)嶋H功率之間的關(guān)系寫成:
請注意,功率因數(shù)(PF)定義為有功功率(瓦特)與視在功率(伏安)之間的比率,并指示了電能的使用效率。在無感電阻交流電路中,有功功率等于視在功率P/S公司變得等于一或統(tǒng)一。電路功率因數(shù)可以用十進制值或百分比表示。
但是,除了交流電路中的有功功率和視在功率外,還有另一個功率分量,只要存在相位角,它就存在。這個分量稱為有功功率(有時稱為虛功),用一個稱為“無功伏安”的單位表示,符號Q,由方程式:VI.sinΦ.
無功功率,或VAr,根本不是真正的功率,而是表示電壓和電流的乘積,它們之間是不相位的。無功功率是幫助建立和維持交流設(shè)備所需的電場和磁場的一部分。交流電路中存在的無功功率量取決于電壓和電流之間的相移或相角。與有功功率一樣,無功功率在“供電”時為正,“消耗”時為負。
無功功率用于大多數(shù)使用磁場的電氣設(shè)備,如電機、發(fā)電機和變壓器。它還需要提供架空輸電線路的無功損耗。
交流電路中功率、有功功率、視在功率、VA和無功功率三要素之間的關(guān)系可用直角三角形的三條邊表示。這種表示稱為冪三角形如圖所示:
交流電路中的電源從上面的功率三角可以看出交流電路提供或消耗兩種功率:有功功率和無功功率。此外,有功功率從不為負,而無功功率可以是正值或負值,因此降低無功功率以提高系統(tǒng)效率總是有利的。
使用交流配電的主要優(yōu)點是可以使用變壓器改變供電電壓水平,但是家用電器、空調(diào)和工業(yè)設(shè)備的變壓器和感應(yīng)電動機都消耗無功功率,因為導(dǎo)線和變壓器更大,在輸電線路上占據(jù)了空間需要處理更大的電流,你需要支付。
無功功率模擬
喝一品脫啤酒
在許多方面,無功功率可以被看作是一品脫或一杯啤酒上的泡沫頭。你付錢給酒保要一杯滿的啤酒,但你只喝真正的液態(tài)啤酒,在很多情況下,它總是比一杯還少。
這是因為啤酒的頭部(或泡沫)占據(jù)了額外的浪費空間,為你所消費的真正的液態(tài)啤酒留下了更少的空間,同樣的想法在很多方面也適用于無功功率。
但在許多工業(yè)電力應(yīng)用中,無功功率通常對電路有用。實際功率或有功功率是指為運行電機、為住宅供暖或點亮電燈泡而提供的能量,而無功功率提供了調(diào)節(jié)電壓的重要功能,從而有助于將電力有效地通過公用電網(wǎng)和輸電線路輸送到負荷所需的地方。
雖然降低無功功率有助于提高功率因數(shù)和系統(tǒng)效率是一件好事,但無功功率的缺點之一是需要足夠數(shù)量的無功來控制電壓和克服輸電網(wǎng)中的損耗。這是因為如果電網(wǎng)電壓不夠高,就無法提供有功功率。但是網(wǎng)絡(luò)中有太多的無功功率流動會導(dǎo)致過熱(I two*R損耗)以及沿輸電線路的不良電壓降和功率損失。
無功功率因數(shù)校正避免無功充電的一種方法是安裝功率因數(shù)校正電容器。一般情況下,住宅用戶只需按千瓦時(kWhr)消耗的有功功率收費,因為制造商在大多數(shù)家用電器中內(nèi)置了功率因數(shù)校正電容器,因此幾乎所有的住宅和單相功率因數(shù)值基本相同。
另一方面,使用三相電源的工業(yè)用戶的功率因數(shù)差別很大,因此,電力公司可能必須考慮到這些工業(yè)用戶的功率因數(shù),如果他們的功率因數(shù)低于規(guī)定值,就要支付罰款,因為電力公司為工業(yè)用戶供電的成本更高,因為需要更大的導(dǎo)線、更大的變壓器、更大的開關(guān)設(shè)備等來處理更大的電力電流。
通常,對于功率因數(shù)小于0.95的負載,需要更多的無功功率。對于功率因數(shù)值高于0.95的負載,由于功率消耗更有效,功率因數(shù)為1.0或單位的負載被認為是完美的,不使用任何無功功率。
然后我們看到“視在功率”是“無功功率”和“有功功率”的組合。有功功率或?qū)嶋H功率僅由包含電阻元件的電路產(chǎn)生,而無功功率則由包含電容和電感元件的電路產(chǎn)生。幾乎所有的交流電路都將包含這些R、 我和C組件
由于無功功率從有功功率中帶走,因此必須在電氣系統(tǒng)中考慮無功功率,以確保提供的視在功率足以供應(yīng)負載。這是了解交流電源的一個重要方面,因為電源必須能夠為任何給定負載提供必要的伏安(VA)電源。
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