無功功率,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、電動機(jī)等,它們都是依靠建立交變磁場才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率,因此,所謂的“無功”并不是“無用”的電功率,只不過它的功率并不轉(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,還需要無功電源,兩者缺一不可。無功功率單位為乏(Var)。
根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的,如配電變壓器、電動機(jī)等,它們都是依靠建立交變磁場才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率,因此,所謂的“無功”并不是“無用”的電功率,只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已。
無功功率其實(shí)是一份真實(shí)的功率, 它的數(shù)量級和隨伴它的有功功率一樣,但被電路不停地吞吐著。雖則每半周期都抵消掉,基本上不消耗電能,但如果讓它在電網(wǎng)中任意流動的話,它不但白占著電源的容量,而且增加了電網(wǎng)的損耗,加大電壓降。
在交流輸電中,無功功率是不可避免的。它在半周之內(nèi)由零升到最大又降回零,電力系統(tǒng)要將如此巨大的一份電磁場能量,在半周之內(nèi)吸收又放出來。使用的電流越大,建立的磁場能就越大,吞吐就越大。
1 無功功率的解析推演
要理順無功功率的概念首先需對電力系統(tǒng)中的純感性電路和純?nèi)菪噪娐贩謩e進(jìn)行簡單的推演。 1.1 純感性電路
1.2 純?nèi)菪噪娐?/strong>
2 瞬時(shí)功率和平均功率推導(dǎo)
上述Um 和 I m 分別是正弦電壓和正弦電流的幅值。為了接近實(shí)際,我們引入正弦電壓和正弦電流的有效值(均方根值r.m.s.) 到式(5)和式(7)。
同時(shí)為方便計(jì)算,令電壓作為參考(矢)量u = Um sin(ωt)。
圖1表示出瞬時(shí)電壓u,瞬時(shí)電流,i和瞬時(shí)功率pL之間的關(guān)系。從(8)式看到,瞬時(shí)功率pL包括兩部分:
恒定功率 p1 = UI cosφ= P (9)
和 交變部分p2 = UI cos(2ωt - φ) (10)
圖1中 Φ/ω 是電流電壓相差的時(shí)間表達(dá)式。 瞬時(shí)功率的交變部分p2是以兩倍工頻2ω變化。整個瞬時(shí)功率pL在一周期T 的平均功率:
上式 (11) 、(12) 說明,消耗在電阻R平均功率,就是整個電路的平均功率?!冸姼蠰’和‘純電容C’都不消耗能量。
同時(shí),瞬時(shí)功率交變部分p2可以進(jìn)一步分解為:
2sin(sin)2cos(cos)
2cos(2tUItUItUIp??????????????
p2式的第一項(xiàng)是以平均功率P =UI cos φ為振
3 復(fù)空間中的正弦交變量
3.1 旋轉(zhuǎn)矢量
以上推算屬于解析推演,是最基礎(chǔ)的物理和數(shù)學(xué)方法,能準(zhǔn)確地描述瞬時(shí)過程和對時(shí)間的平均值,是最易理解和可信的分析。但只限于實(shí)空間(實(shí)軸),無法在同一場面內(nèi)反映相位的關(guān)系。復(fù)數(shù)就能幫助我們克服這個困難。
這些矢量,轉(zhuǎn)動角速度 ω 是常數(shù)。所以,如果我們有一個以ω恒定轉(zhuǎn)動的平面,相對于這樣的平面,矢量變成固定的了。
以上的敘述還是基于實(shí)空間的,啟示我們旋轉(zhuǎn)矢量能代表正弦交變量。
3.2 旋轉(zhuǎn)復(fù)平面
數(shù)的最普遍的形式是復(fù)數(shù)。它包含兩個部分 —實(shí)部x和虛y。通常的實(shí)數(shù)或虛數(shù),看成是復(fù)數(shù)的特殊情況。復(fù)數(shù)用復(fù)空間上一個矢量來表示。
或在電路的始端。因此而驅(qū)動電流的相移相對這個始點(diǎn)是順理成章的,如圖3。
電能E, 功率 P, 無功功率 Q 和 阻抗 Z (包括電抗 xL ,xC ) 對旋轉(zhuǎn)復(fù)平面,都是的標(biāo)量。它們不能出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)復(fù)平面。但它們可以以復(fù)數(shù)形式出現(xiàn)在靜止的復(fù)平面上。
電壓和電流是旋轉(zhuǎn)復(fù)平面上的矢量。而它們的乘積(標(biāo)量積),則是靜止復(fù)平面上的矢量。
以感性電路為例,電流矢比電壓矢滯后φ角度。
4 結(jié)論
最后,我們回顧一下以上的基礎(chǔ)推演和復(fù)平面推算的結(jié)論:
首先,由式(14)可見,瞬時(shí)功率的交變部分
通過本文的理論分析和公式推演,我們可從不同的角度理清關(guān)于電力系統(tǒng)無功功率的一些模糊認(rèn)識,其中的一些觀點(diǎn)和結(jié)論可供電力系統(tǒng)相關(guān)工作人員加以參考和學(xué)習(xí)。
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