現(xiàn)實(shí)生活中,很多場(chǎng)合涉及到功率的測(cè)試,但功率的具體含義,所包含的信息,有很多人比較模糊。功率包含視在功率、有功功率以及無(wú)功功率,每個(gè)定義包含不同的物理意義。當(dāng)然還有功率因數(shù),這是功率測(cè)試中一個(gè)很重要的參數(shù)。
有功功率
在我們現(xiàn)實(shí)生活中,測(cè)量最多的功率,是負(fù)載的有功功率。在交流電路中,有功功率是指一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出或負(fù)載消耗的瞬時(shí)功率的積分的平均值(或負(fù)載電阻所消耗的功率),因此,也稱(chēng)平均功率。
例如,家用的電表中顯示的度數(shù),各種家用電器所顯示的功耗w,這些都是指的有功功率。有功功率在能量的考慮角度來(lái)看,是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能等其他形式的能量,當(dāng)輸入的能量一定時(shí),我們所接負(fù)載消耗的能量越多,則說(shuō)明對(duì)電能的利用率越高,即效率越高。有功功率體現(xiàn)的是,實(shí)際消耗的功率。有功功率占比過(guò)低,即無(wú)功功率占比過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致線損增加、容量下降、設(shè)備使用率下降,從而導(dǎo)致電能浪費(fèi)加大。
無(wú)功功率
其主要產(chǎn)生的緣由是,負(fù)載的容性或感性特性,即非純電阻。但電能輸入到負(fù)載時(shí),負(fù)載的電容或電感,將一部分電能進(jìn)行存儲(chǔ),而被存儲(chǔ)的那部分能量即為無(wú)功功率。無(wú)功功率太大時(shí),會(huì)對(duì)供電電源造成干擾與損壞, 存儲(chǔ)的無(wú)功功率會(huì)產(chǎn)生諧波電流,沖擊電流等,諧波電流越大,則電源的諧波成分也越大,因此電源的性能越差,當(dāng)該電源還驅(qū)動(dòng)其他負(fù)載時(shí),電源的諧波電流將會(huì)對(duì)該負(fù)載造成不可預(yù)計(jì)的影響。
例如電機(jī),會(huì)因?yàn)橹C波電流太大,而使內(nèi)部線圈發(fā)熱,產(chǎn)生大量的熱量,本來(lái)應(yīng)該是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,而實(shí)際上電能很大一部分以熱能得形式消耗掉,大大降低了電源的效率,而且還會(huì)損壞其他負(fù)載。
無(wú)功功率并非一無(wú)是處,許多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的,如配電變壓器、電動(dòng)機(jī)等,它們都是依靠建立交變磁場(chǎng)才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場(chǎng)和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱(chēng)為無(wú)功功率,因此,所謂的"無(wú)功"并不是"無(wú)用"的電功率,只不過(guò)它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已;因此在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外,還需要無(wú)功電源,兩者缺一不可。
在正常情況下,用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率,同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應(yīng)求,用電設(shè)備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng),那么這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作,用電設(shè)備的端電壓就要下降,從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中,功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度,我們希望的是功率因數(shù)越大越好。這樣電路中的無(wú)功功率可以降到最小,視在功率將大部分用來(lái)供給有功功率,從而提高電能輸送的功率。
視在功率
為電源實(shí)際輸入到負(fù)載的能量,即為電源輸出電壓與輸出電流的乘積。視在功率體現(xiàn)的是一個(gè)供電電源的實(shí)際輸出能量的能力。視在功率越大,該電源的驅(qū)動(dòng)能力也越大。在交流電路中,我們將正弦交流電電路中電壓有效值與電流有效值的乘積稱(chēng)為視在功率,即S=UI視在功率不表示交流電路實(shí)際消耗的功率,只表示電路可能提供的最大功率或電路可能消耗的最大有功功率。
視在功率為什么會(huì)比實(shí)際的額定有功功率要大呢?原因在于,電動(dòng)機(jī)內(nèi)不僅僅存在電阻這樣的耗能元件,又存在電感、電容這樣的儲(chǔ)能元件(如本例中為電容電動(dòng)機(jī)) 。所以,外電路在提供其正常工作所需的功率,即平均功率或有功功率之外,同時(shí)還應(yīng)有一部分能量被貯存在電感、電容等元件中,這就是視在功率大于有功功率的原因。只有這樣電動(dòng)機(jī)設(shè)備才能正常工作。
它們?nèi)弑硎痉?hào)為P(有功功率)、Q(無(wú)功功率)、S(視在功率),單位分別為w、var、VA,功率因數(shù)為PF,它們?nèi)咧g的關(guān)系如下:
功率因數(shù)
功率因數(shù)是有功功率與視在功率的比值,在電能系統(tǒng)中,表示的是電路的工作效率。在實(shí)際的交流電路中,電壓乘電流是視在功率,而能起到作功的一部分功率(即有功功率),有功功率將小于視在功率。有功功率與視在功率之比叫做功率因數(shù),以COSΦ表示,其實(shí)最簡(jiǎn)單的測(cè)量方式就是測(cè)量電壓與電流之間的相位差,得出的結(jié)果就是功率因數(shù),在交流電路中,實(shí)際工作中功率因數(shù)的計(jì)算,電壓與電流之間的相位差(Φ)角的余弦稱(chēng)為功率因數(shù),用COSΦ表示,在數(shù)值上等于有功功率和視在功率之比,或電阻與阻抗之比,即COSΦ=P/S=P/(U×I)=(I2R)/(U×I)=R/Z。
功率因數(shù)過(guò)低,就要用較大的電流來(lái)保障用電器正常工作,與此同時(shí)輸電線路上輸電電流增大,從而導(dǎo)致線路上焦耳熱損耗增大。另外,在輸電線路的電阻上及電源的內(nèi)組上的電壓降,都與用電器中的電流成正比,增大電流必然增大在輸電線路和電源內(nèi)部的電壓損失。因此,提高用電器的功率因數(shù),可以減小輸電電流,進(jìn)而減小了輸電線路上的功率損失。