發(fā)電系統(tǒng)中的各種功率項(xiàng)包括有功功率、無功功率和視在功率，所有這些都導(dǎo)致在交流電路中引入“功率因數(shù)”效應(yīng)。

有功功率、無功功率和視在功率是電力系統(tǒng)中各種功率術(shù)語的一部分，所有這些都導(dǎo)致在交流電路中引入“功率因數(shù)”效應(yīng)。交流電路將能量傳輸?shù)诫娮韬蜔o功負(fù)載。在純電阻負(fù)載的情況下，能量的耗散方式與直流電在電阻器中耗散能量的方式相同。

什么是力量？

電功率是能量傳輸?shù)诫娐纺巢糠只驈碾娐纺巢糠謧鬏敵鰜淼乃俾?。在電路中，功率等于元件兩端的電壓差乘以電?/span>

 

 

=\乘

 

P=V×I?=?×?

 

P=I2×R?=?2×?

 

P=V2R

這些方程式源自歐姆定律，即

V=I×R ? = ? × ?

，其中 V = 電路中的電壓或電位差，I = 電流，R = 電路中的電阻。

電流表鉗形表測量電流

瞬時(shí)功率

瞬時(shí)功率是指任意時(shí)刻的功率或任一給定時(shí)刻的功率，可以寫成：

 

P（t）=V（t）×I（t）

 

在直流電路中，電壓 V 迫使電流 I 通過電路所需的功率等于 V 乘以 I。同樣，如果交流電通過電路，則每個(gè)瞬間所需的功率等于該瞬間電壓值乘以同一瞬間電流。在現(xiàn)實(shí)世界中，負(fù)載在消費(fèi)者端結(jié)合了電阻、電感和電容元件。

有三種類型的負(fù)載。

1.電阻式： V 和 I 同相，電源始終為正，例如制動(dòng)電阻器、加熱器和燈泡

2.電感：電流滯后于電壓，如電機(jī)、風(fēng)扇和變壓器

3.電容式：電流通過電壓（純電容負(fù)載的幾個(gè)例子）

電流和電壓之間的相位角差對(duì)供電功率有重要影響，因?yàn)槿魏翁囟ㄋ矔r(shí)電流對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)電壓取決于它們之間的角度。因此，在交流電路中，功率通常不能像直流電路那樣簡單地通過將有效電壓和有效安培相乘來獲得。必須考慮電流和電壓之間的相位角差對(duì)功率的影響。

權(quán)力類型

主要有三種類型的權(quán)力。

1.有功功率（kW、MW、GW）

2.無功功率（kVAR，MVAR）

3.視在功率（kVA、MVA）

 

圖 2 描述了用于理解三種功率類型之間差異的示例。裝滿啤酒的玻璃杯代表有功功率，頂部的泡沫代表無功功率，有功功率和無功功率之和代表系統(tǒng)中的視在功率。

 

權(quán)力的例證

圖 2.描述有功功率、無功功率和視在功率的類比

有功功率或?qū)嶋H功率

有功功率通常稱為實(shí)際功率、真實(shí)功率或有用功率。在直流電路中，功率就是負(fù)載兩端的電壓乘以流過負(fù)載的電流，因?yàn)樵谥绷麟娐分?，電壓和電流之間沒有相位角；因此，直流電路中沒有功率因數(shù)。換句話說，電壓和電流彼此同相，這意味著電壓和電流同時(shí)開始，達(dá)到峰值，然后再次同時(shí)觸及零。

直流電路中的P = V × I

交流電路的電壓和電流之間存在相位角，用附加分量 \(cos \theta\) 表示。

 

在單相交流電路中，有功功率為：P = V × I × cos θ

在三相交流電路中：

P = √ 3 × V × I × cos θ

 

在圖 3 中，電流和電壓同相，同時(shí)形成 +90 度角。正電壓乘以正電流產(chǎn)生正功率。當(dāng)電流和電壓均為負(fù)時(shí)，功率仍為正；因此，在兩種情況下，功率始終為正，稱為有功功率。功率曲線將完全位于橫軸上方，反映出所做的所有工作都是正的。

 

同相電壓和電流圖

圖 3.電流和電壓同相

有功功率（也稱為有用功率或滿瓦功率）在電路中做實(shí)際工作，并且始終從電源流向負(fù)載或始終由發(fā)電機(jī)供給負(fù)載，如圖 4 所示。

 

具有真實(shí)功率的電阻負(fù)載

 

圖 4.有功功率從電源流向負(fù)載

有源功率的特點(diǎn)

始終為正向且不改變方向，始終從源流向負(fù)載

用 P 表示，單位為瓦特（kW、MW、GW）

使用瓦特計(jì)測量

產(chǎn)生熱量、機(jī)械能和光

無功功率

當(dāng)電壓和電流不同相時(shí)，交流電路中就會(huì)產(chǎn)生無功功率。其單位為 VAR（電壓安培無功）。在現(xiàn)實(shí)世界中，負(fù)載是電阻、 電感和電容元件的組合，無法確定負(fù)載的性質(zhì)（小型/大型、家用/工業(yè)電感/電容）。

電抗有兩種類型：

電容（負(fù)極）

電感（正）

功率有正有負(fù)。當(dāng)功率從電源流向負(fù)載時(shí)，功率為正，當(dāng)功率從負(fù)載流向電源時(shí)，功率為負(fù)。一般來說，無功功率僅針對(duì)交流電路定義，并在電源和負(fù)載之間不斷來回波動(dòng)。它在圖 5 中用字母 Q 表示。

 

無功負(fù)載中的無功功率

 

圖 5.無功功率從電源流向負(fù)載并返回電源

無功功率 (Q)

 

Q = V × I × s∈θ

 

無功功率的特點(diǎn)

它的方向會(huì)定期改變，既有正方向，也有負(fù)方向

由字母“Q”捐贈(zèng)，以 VAR、kVAR、MVAR 為單位

使用 VAR 表測量

變壓器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用無功功率產(chǎn)生磁場

變壓器還需要無功功率來在初級(jí)線圈中產(chǎn)生磁場并在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓。因此，如果無功功率供應(yīng)不足，變壓器將不會(huì)轉(zhuǎn)換電壓，電動(dòng)機(jī)將不會(huì)旋轉(zhuǎn)。同步交流發(fā)電機(jī)還根據(jù)其勵(lì)磁繞組的直流勵(lì)磁來產(chǎn)生或吸收無功功率。當(dāng)發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生無功功率，而當(dāng)發(fā)電機(jī)欠勵(lì)磁時(shí)，它吸收無功功率。

視在功率

視在功率包括有功功率和無功功率，以伏安或千伏安 (kVA) 表示。日常生活中的大多數(shù)負(fù)載（電風(fēng)扇、電熨斗、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）都是電阻負(fù)載和電感負(fù)載的組合。電阻負(fù)載消耗有功功率，電感負(fù)載消耗無功功率，電源輸出的總功率是有功功率和無功功率（視在功率）的組合。

視在功率 (S):S2 = P2 + Q2

其中 S = 視在功率（單位：kVA），Q = 無功功率（單位：kVAR），P = 有功功率（單位：kW）

視在功率的特點(diǎn)

有功功率與無功功率之和

用字母“S”表示

以 VA、kVA 和 MVA 為單位

權(quán)力三角

 

功率之間的關(guān)系可以用稱為“功率三角形”的矢量表示。有功功率表示為水平，而無功功率表示為垂直矢量。視在功率連接有功矢量和無功矢量。如果有功功率和視在功率之間的角度“θ”增加，無功功率也會(huì)增加。

 

功率因數(shù)三角形超前和滯后

圖 6.功率三角形描述了有功功率、無功功率和視在功率之間的關(guān)系。

功率因數(shù)

功率因數(shù)是電氣系統(tǒng)中的一個(gè)重要概念。良好的功率因數(shù)決定了電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和有效供電。它顯示了有功功率與視在功率的關(guān)系，即有功（有功）功率（瓦特）與視在功率（伏安）的比率。功率因數(shù)=有功功率視在功率

 

功率因數(shù) 1.0 稱為“單位功率因數(shù)”或 100% 功率因數(shù)，這意味著電流和電壓“同相”。但是，不可能在所有電力系統(tǒng)部分都獲得 100% 的功率因數(shù)。在輸電線中，高功率因數(shù)是減少傳輸損耗的必要條件，也有利于感應(yīng)負(fù)載類電機(jī)高效運(yùn)行并避免過熱。

問題是：功率因數(shù)表示什么？假設(shè)功率因數(shù)為 0.8。這意味著，在 100% 中，系統(tǒng)消耗 80% 的有功功率和 20% 的無功功率。這就是功率因數(shù)的意義，它表示系統(tǒng)中的有功功率總量。功率因數(shù)是交流電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要術(shù)語，如果系統(tǒng)的電壓和功率恒定，則功率因數(shù)成反比。

 

 

 

線電流∝1功率因數(shù)

 

 

 

三相功率表達(dá)式為：

 

 

 

P = √ 3 × V × I × cos θ

 

所以，

 

I = P √ 3 × V × cos θ

 

 

低功率因數(shù)的缺點(diǎn)

系統(tǒng)功率因數(shù)越低，系統(tǒng)電流就越大。

設(shè)備的 KVA 額定值大：交流發(fā)電機(jī)、變壓器和開關(guān)設(shè)備的額定值都是 KVA，因?yàn)槲覀冎?\(KVA=KW\)/\(cos \theta\)，所以如果您需要機(jī)器的 KW 功率，則機(jī)器的 KVA 需要更高。因此，為了增加機(jī)器的載流能力，機(jī)器的導(dǎo)電部件的橫截面積必須更大，從而使機(jī)器更大、更重、更昂貴。

導(dǎo)體尺寸更大：在低功率因數(shù)下，傳輸相同數(shù)量的電力需要導(dǎo)體的橫截面積更大。這是因?yàn)樵诘凸β室驍?shù)條件下，需要更多的電流來滿足消費(fèi)者的有用功率需求。

銅損大：眾所周知，電流與功率因數(shù)成反比；因此，如果電力系統(tǒng)的功率因數(shù)低，電流就會(huì)增加。 \(I \propto 1\)/\(PF\)。線路損耗增加了 \(I^2 \times R\)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。

低滯后功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)和變壓器的電壓下降。

滯后與超前功率因數(shù)

在電網(wǎng)系統(tǒng)中，可以使用系統(tǒng)勵(lì)磁來增加或減少無功功率。如果勵(lì)磁增加，磁通量增加，無功功率將增加。當(dāng)無功功率增加時(shí)，功率因數(shù)滯后（下降）。滯后的負(fù)載消耗無功功率，發(fā)電機(jī)提供無功功率。

 

圖形滯后和

 

圖 7。 “”功率因數(shù)的可視化。

當(dāng)電壓降低時(shí)，勵(lì)磁降低，這意味著磁通量減少。因此，無功功率降低，功率因數(shù)超前（增加）。發(fā)電機(jī)消耗來自負(fù)載的無功功率。該無功功率用于建立發(fā)電機(jī)正常工作所需的磁場。因此，過勵(lì)同步機(jī)器充當(dāng)電容器，而欠勵(lì)同步機(jī)器充當(dāng)電感器。當(dāng)電流滯后于電源電壓時(shí)，功率因數(shù)滯后，當(dāng)電流超前于電源電壓時(shí)，功率因數(shù)超前。

功率因數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響

有功功率是在交流電路中做實(shí)際工作的有用功率，而無功功率是來回流動(dòng)（從電源到負(fù)載的兩個(gè)方向）但產(chǎn)生電通量或磁通量的無用功率。視在功率是系統(tǒng)中的總功率，是有功功率和無功功率的組合，以 kVAR 為單位。大型工業(yè)設(shè)備（如變壓器）以 KVA 為單位。功率因數(shù)越低，產(chǎn)生該功率的電源尺寸就越大，從而導(dǎo)致產(chǎn)生和傳輸電能的成本增加。