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1、正弦电路的无功功率及视在功率第1页，共25页，编辑于2022年，星期六9.1 正弦电路的功率正弦电路的功率一、瞬时功率一、瞬时功率 下图所示二端网络，在端口电压电流采用关联参考方下图所示二端网络，在端口电压电流采用关联参考方向的前提下，它吸收的瞬时功率表达式为向的前提下，它吸收的瞬时功率表达式为 p p（t t）=u=u（t t）i i（t t）由于二端网络工作于正弦稳态的情况由于二端网络工作于正弦稳态的情况下，端口电压和电流是同频率的正弦量，下，端口电压和电流是同频率的正弦量，则瞬时功率为：则瞬时功率为：第2页，共25页，编辑于2022年，星期六 p p（t t）=u=u（t t）i i（t
2、 t）=2UIsin=2UIsin（t+t+i）sinsin（t+t+u u）=UIcos-UIcos =UIcos-UIcos（2wt+22wt+2u u-）上式表明：瞬时功率上式表明：瞬时功率p（t）作周期性变化，）作周期性变化，且有正有负，表明二端网络既消耗功率，也能发且有正有负，表明二端网络既消耗功率，也能发出功率。出功率。二、平均功率二、平均功率n 物理意义：物理意义：表征二端网络的能量消耗情况。用表征二端网络的能量消耗情况。用P P表示，单位瓦特表示，单位瓦特（W W）。）。第3页，共25页，编辑于2022年，星期六n 定义：定义：平均功率是指周期性变化的瞬时功率在一个周期内的平平
3、均功率是指周期性变化的瞬时功率在一个周期内的平均值。其定义式为：均值。其定义式为：强调：平均功率是一个重要的概念，得到广泛使用。通常所说平均功率是一个重要的概念，得到广泛使用。通常所说某个家用电器消耗多少瓦的功率，就是指它的平均功率，简某个家用电器消耗多少瓦的功率，就是指它的平均功率，简称功率。称功率。第4页，共25页，编辑于2022年，星期六n 纯电阻的平均功率：纯电阻的平均功率：此时二端网络的端电压、端电流相位相同，即此时二端网络的端电压、端电流相位相同，即 =u u-i i=0=0，则，则coscos=1=1，sinsin=0=0，则平均功率，则平均功率注意：由上式可见，在正弦稳态中，采
4、用电压、电流有效值由上式可见，在正弦稳态中，采用电压、电流有效值后，计算电阻消耗后，计算电阻消耗5 5的平均功率公式从形式上看与直流电的平均功率公式从形式上看与直流电路中相同，但符号代表的含义不同。路中相同，但符号代表的含义不同。第5页，共25页，编辑于2022年，星期六n 电感、电容的平均功率：电感、电容的平均功率：此时二端网络电压与电流相位为正交关系，即此时二端网络电压与电流相位为正交关系，即 =u u-i i=90=90o o，则，则coscos=0=0，则瞬时功率为，则瞬时功率为 p pL L(t(t）=-UIsin=-UIsin（2wt+22wt+2 u u）p pC C（t t）=
5、UIsin=UIsin（2wt+22wt+2 u u）由上两式可以看出，电感或电容的瞬时功率随时间按正弦规律变化，正负值交替，一段时间内 p（t）0，电感或电容吸收功率；另一段时间内p（t）0，电感或电容发出功率。第6页，共25页，编辑于2022年，星期六平均功率为平均功率为P=UI cos90P=UI cos90o o）=0=0 表明：正弦稳态中，储能元件电感或电容的平均功率等于零，正弦稳态中，储能元件电感或电容的平均功率等于零，不消耗能量，但和电源之间存在能量的交换作用，即在前不消耗能量，但和电源之间存在能量的交换作用，即在前半个周期吸收电源的功率并储存起来，后半个周期又将其半个周期吸收电
6、源的功率并储存起来，后半个周期又将其全部释放，这种能量交换的速率用另外一种功率全部释放，这种能量交换的速率用另外一种功率无功无功功率功率来描述。来描述。第7页，共25页，编辑于2022年，星期六三、复功率、视在功率和无功功率三、复功率、视在功率和无功功率 n 复功率：复功率：定义定义电压相量与电流相量的共轭复数的乘积称为电压相量与电流相量的共轭复数的乘积称为复功率。其表达式为：复功率。其表达式为：实部实部P=UIcos称为有功功率，称为有功功率，它是二端网络吸收的平均功率，单位它是二端网络吸收的平均功率，单位为瓦（为瓦（W）。）。第8页，共25页，编辑于2022年，星期六n 无功功率：无功功率
7、：复功率的虚部复功率的虚部Q Q 称为无功功率，它反映了电源与单称为无功功率，它反映了电源与单口网络内储能元件之间能量交换的速率，为与平均功率口网络内储能元件之间能量交换的速率，为与平均功率相区别，单位为乏（相区别，单位为乏（VarVar）。）。无功功率的表达式为：无功功率的表达式为：Q=UIsin Q=UIsin 说明：对于对于RLCRLC串联的正弦交流电路而言，既有耗能元件，串联的正弦交流电路而言，既有耗能元件，又有储能元件。这样在电路中既有能量的消耗，又有能量又有储能元件。这样在电路中既有能量的消耗，又有能量的转换。也就是电路中既有有功功率，又有无功功率。的转换。也就是电路中既有有功功率
8、，又有无功功率。第9页，共25页，编辑于2022年，星期六n 视在功率：视在功率：复功率的模称为复功率的模称为视在功率视在功率，用，用S S表示，它表征一个电气表示，它表征一个电气设备的功率容量，为与其它功率相区别，用伏安（设备的功率容量，为与其它功率相区别，用伏安（V VA A）作单）作单位。例如我们说某个发电机的容量为位。例如我们说某个发电机的容量为100 kV100 kVA A，而不说其，而不说其容量是容量是100 kW100 kW。显然，视在功率是二端网络所吸收平均功。显然，视在功率是二端网络所吸收平均功率的最大值。率的最大值。第10页，共25页，编辑于2022年，星期六n 功率三角形
9、：功率三角形：下图所示为下图所示为RLCRLC串联电路的功率三角形：串联电路的功率三角形：它的三条边分别表示电路的有功功率它的三条边分别表示电路的有功功率P、无功、无功功率功率Q和视在功率和视在功率S，所以这个三角形叫做功率三，所以这个三角形叫做功率三角形。角形。第11页，共25页，编辑于2022年，星期六由功率三角形可得：由功率三角形可得：说明：以上关于以上关于RLCRLC串联电路的有功功率、无功功率、视串联电路的有功功率、无功功率、视在功率的计算公式也适用于一般的正弦交流电路。在功率的计算公式也适用于一般的正弦交流电路。第12页，共25页，编辑于2022年，星期六【例18-1】由电阻由电阻
10、R=30 R=30，电感，电感L=382mHL=382mH，电容，电容C=40uFC=40uF组成的组成的串联电路，接于电压串联电路，接于电压u u（t t）=100sin=100sin（314t+45314t+45o o）V V的电源的电源上，试求：（上，试求：（1 1）电路阻抗）电路阻抗Z Z；（；（2 2）电路电流）电路电流i i；（；（3 3）各）各元件电压的相量；（元件电压的相量；（4 4）电路的功率）电路的功率P P、Q Q、S S。解：（1 1）电路阻抗）电路阻抗 第13页，共25页，编辑于2022年，星期六（2 2）电路电流）电路电流 i i（t t）=2 sin=2 sin（
11、314t314t8.18.1o o）A A（3 3）各元件电压）各元件电压第14页，共25页，编辑于2022年，星期六（4 4）电路功率）电路功率 平均功率（有功功率）为：平均功率（有功功率）为：无功功率无功功率 视在功率视在功率 第15页，共25页，编辑于2022年，星期六9.2 功率因数的提高功率因数的提高一、功率因数的定义一、功率因数的定义 在二端网络电压电流有效值的乘积在二端网络电压电流有效值的乘积UIUI一定的情况下，二端一定的情况下，二端网络吸收的平均功率网络吸收的平均功率P P与与coscos 的大小密切相关，的大小密切相关，coscos 表示功表示功率的利用程度，称为功率因数，
12、记为率的利用程度，称为功率因数，记为。二、功率因数的物理意义二、功率因数的物理意义第16页，共25页，编辑于2022年，星期六 功率因数介于功率因数介于0 0和和1 1之间，当功率因数不等于之间，当功率因数不等于1 1时，时，电路中发生能量交换，出现无功功率，电路中发生能量交换，出现无功功率，角越大，功率角越大，功率因数愈低，发电机发出的有功功率就愈小，而无功功率就愈因数愈低，发电机发出的有功功率就愈小，而无功功率就愈大。无功功率愈大，即电路中能量交换的规模愈大，发电机大。无功功率愈大，即电路中能量交换的规模愈大，发电机发出的能量就不能充分为负载所吸收，其中一部分，在发电发出的能量就不能充分为
13、负载所吸收，其中一部分，在发电机与负载之间进行交换，这样，发电设备的容量就不能充分机与负载之间进行交换，这样，发电设备的容量就不能充分利用。利用。举例：一台容量为一台容量为100 kVA100 kVA的变压器，若负载的功率因数的变压器，若负载的功率因数=0.9=0.9，变压器能输出，变压器能输出90kW90kW的有功功率；若功率因数的有功功率；若功率因数=0.6=0.6，变压器就只能输出，变压器就只能输出60 kW60 kW的有功功率。可见负载的功率因数的有功功率。可见负载的功率因数低，电源设备的容量就不能得到充分利用。因此提高功率因数低，电源设备的容量就不能得到充分利用。因此提高功率因数有很
14、大的经济意义。有很大的经济意义。第17页，共25页，编辑于2022年，星期六说明：常用的交流感应电动机在额定负载时，功率因数约常用的交流感应电动机在额定负载时，功率因数约在在0.80.80.850.85，轻载时只有，轻载时只有0.40.40.50.5，而在空载时仅为，而在空载时仅为0.20.20.30.3，因此选择与机械配套的电机容量时，不宜选，因此选择与机械配套的电机容量时，不宜选得过大，并且应在额定情况下工作，避免或尽量减少电得过大，并且应在额定情况下工作，避免或尽量减少电机的轻载或空载。不装电容器的日光灯，功率因数约在机的轻载或空载。不装电容器的日光灯，功率因数约在0.450.450.6
15、0.6左右。左右。问题：怎样提高电路的功率因数？怎样提高电路的功率因数？方法：用电容器与感性负载并联，这样可使电感的磁场用电容器与感性负载并联，这样可使电感的磁场能量与电容的电场能量进行部分交换，从而减少了电能量与电容的电场能量进行部分交换，从而减少了电源与负载间能量的交换，即减少了电源提供给负载的源与负载间能量的交换，即减少了电源提供给负载的无功功率，也就提高了功率因数。无功功率，也就提高了功率因数。第18页，共25页，编辑于2022年，星期六【例18-2】下图（下图（a a）所示电路表示电压源向一个电感性负载供电的电路模型，试）所示电路表示电压源向一个电感性负载供电的电路模型，试用并联电容
16、的方法来提高负载的功率因数。用并联电容的方法来提高负载的功率因数。第19页，共25页，编辑于2022年，星期六解：图（图（a a）电路中的电流为）电路中的电流为电压电压 与电流与电流 的相位差为的相位差为53.153.1o o，其相量图如图（，其相量图如图（d d）所示。）所示。第20页，共25页，编辑于2022年，星期六二端网络吸收的平均功率为二端网络吸收的平均功率为 此时的功率因数此时的功率因数 =cos=cos =0.6=0.6，功率的利用率很，功率的利用率很低。为了提高功率因数，可以在低。为了提高功率因数，可以在abab两端并联一个电容，两端并联一个电容，如图（如图（b b）所示。为分
17、析方便，先将电阻与电感串联等效）所示。为分析方便，先将电阻与电感串联等效为电阻和电感的并联，如图（为电阻和电感的并联，如图（c c）所示，其电导和电纳）所示，其电导和电纳（电抗的倒数）值由下式确定：（电抗的倒数）值由下式确定：第21页，共25页，编辑于2022年，星期六 从上式可见，所并联的电容的复导纳应该为从上式可见，所并联的电容的复导纳应该为YC=jwC YC=jwC=+j0.16 S=+j0.16 S，才能使二端网络呈现为纯电阻，这时电路的，才能使二端网络呈现为纯电阻，这时电路的导纳等于纯电导，即导纳等于纯电导，即Y=G=0.12 SY=G=0.12 S。也就是说，在端口。也就是说，在端
18、口并联电容值为并联电容值为C=C=（0.16/w0.16/w）的电容后，可以使功率因数）的电容后，可以使功率因数提高到提高到1 1，即效率达到，即效率达到100%100%。并联电容后，图（并联电容后，图（b b）和（）和（c c）电路端口的电流变为）电路端口的电流变为第22页，共25页，编辑于2022年，星期六 其相量图如图（其相量图如图（e e）所示，）所示，由此可见由此可见，并联电容后，不，并联电容后，不会影响电阻中的电流和吸收的平均功率会影响电阻中的电流和吸收的平均功率P=12 WP=12 W。但是。但是电容电流抵消了电感电流，使得电压与电流的相位相同，电容电流抵消了电感电流，使得电压与
19、电流的相位相同，功率因数变为功率因数变为1 1，电源电流的有效值由原来的，电源电流的有效值由原来的2 A2 A减小到减小到现在的现在的1.2 A1.2 A，它提高了电源的效率，可以将节省下来，它提高了电源的效率，可以将节省下来的电流提供给其他用户使用。的电流提供给其他用户使用。结论：根据本题提出的发方法，可以根据各用电单位的实际根据本题提出的发方法，可以根据各用电单位的实际情况（功率因数的大小），在其电力线路的输入端自动地情况（功率因数的大小），在其电力线路的输入端自动地并联适当数值的电容器来对功率因数进行自动补偿。并联适当数值的电容器来对功率因数进行自动补偿。第23页，共25页，编辑于202
20、2年，星期六本讲小结 1 1、正弦交流电路中不同功率有不同含义：瞬时功、正弦交流电路中不同功率有不同含义：瞬时功率，用来表示不同时刻正弦电的功率；平均功率（有功率，用来表示不同时刻正弦电的功率；平均功率（有功功率），用来表示元件的耗电情况，单位是功率），用来表示元件的耗电情况，单位是W W；无功功；无功功率，表示储能元件与电源之间能量交换的速率，单位是率，表示储能元件与电源之间能量交换的速率，单位是VarVar；视在功率，反映电气设备的功率容量，单位是；视在功率，反映电气设备的功率容量，单位是VAVA。2 2、功率因数是正弦电路中一个非常重要的物理量。其、功率因数是正弦电路中一个非常重要的物理量。其大小表征了电气设备功率的利用率。提高负载的功率因数大小表征了电气设备功率的利用率。提高负载的功率因数是电气工程领域一个非常重要的课题。是电气工程领域一个非常重要的课题。第24页，共25页，编辑于2022年，星期六本讲作业 1 1、复习本讲内容；、复习本讲内容；2 2、预习下一讲内容、预习下一讲内容三相电路；三相电路；3 3、书面作业：习题、书面作业：习题9-29-2，9-59-5，9-69-6。第25页，共25页，编辑于2022年，星期六