有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数

有功功率 无功功率 视在功率以及功率因数 Active power Reactive power Apparent power 有功功率 有功功率有功功率 英语 active power AC power 也称为实功率 R real power 是一个在交流电电路系统中 的概念 表示电源在周期内所发出的瞬时功率的平均值 有功功率以 P 来表示 其单位是瓦特 W 在电路的电源电路的一个给定的点的过去的能量流的速率 在交流电路中 储能元件如电感和电容 可能 会导致能量流动的方向周期性的逆转 电源的部分 在一个完整的周期的交流波形的平均 在一个方向上 的能量的净转移的结果被称为真正的力量 储存的能量 该方法返回到源在每个周期中 由于功率的部分被称为无功功率 在交流电路中 有功功率是指一个周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值 或负载电阻所消耗 的功率 因此 也称平均功率 1 定义 记瞬时电压为 u t 瞬时电流为 i t 瞬时功率为 p t 则 记有功功率为 P 则 对于交流电 T 为交流电的周期 对于直流电 T 可取任意值 对于正弦交流电 经过积分运算可得 上式中 U I 分别为正弦交流电的有效值 为电压与电流信号的相位差 2 三相电 对于单相正弦交流电而言 其瞬时功率是变化的 因此 对于单相电机 其输出转矩有脉动 对于三相电机 其三相电的瞬时功率之和却是恒定值 因此 对于三相电机 其输出转矩无脉动 证明如下 假设 Ua Um sin t 120 Ia Im sin t 120 那么 Pa Ua Ia Um Im sin t 120 sin t 120 1 2 Um Im cos cos 2 t 240 同理 Pb 1 2 Um Im cos cos 2 t Pc 1 2 Um Im cos cos 2 t 240 P Pa Pb Pc 3 2 Um Im cos cos 2 t 240 cos 2 t cos 2 t 240 3 2 Um Im cos cos 2 t 120 cos 2 t cos 2 t 120 cos 2 t 120 cos 2 t 120 2cos 2 t cos 120 cos 2 t P 3 2 Um Im cos 即 三相电机的输出瞬时功率为恒定值 3 简述 有功功率是是将电能转换为其他形式能量将电能转换为其他形式能量 机械能 光能 热能 的电功率 称为有功功率 以字母 P 表示 单位主要有瓦 W 千瓦 kW 兆瓦 MW 交流电的瞬时功率不是一个恒定值 瞬时功率在一个周期内的平均值叫做有功功率 因此 有功功 率也称平均功率 电力系统中 频率 电压是电网电能质量的二大指标 频率变化原因 负荷变动导致有功功率的不平衡 变化过程 负荷变化 发电机转速变化 频率变化 负荷的调节 效应 新频率下达到平衡 消除偏移 原动机输入功率大小随负荷变动而改变 4 测量 测量有功功率的仪表称为有功功率表 简称功率表 或功率计 瓦特计 瓦特表等 功率计可分为 直流功率计 工频功率计和变频功率计 由于直流功率等于电压和电流的简单乘积 实际测量中 一般采用电压表和电流表替代 工频功率计是应用较普遍的功率计 常说的功率计一般都是 指工频功率计 变频功率计是 21 世纪变频调速技术高速发展的产物 其测量对象为变频电量 变频电量 是指用于传输功率的 并且满足下述条件之一的交流电量 常见变频电量波形及频谱 5 张 1 信号频谱仅包含一种频率成分 而频率不局限于工频的交流电信号 2 信号频谱包含两种或更多的被关注的频率成分的电信号 变频电量包括电压 电流以及电压电流引出的有功功率 无功功率 视在功率 有功电能 无功电 能等 除了变频器输出的 PWM 波 二极管整流的变频器输入的电流波形 直流斩波器输出的电压波形 变压器空载的输入电流波形等 均含有较大的谐波 由于变频电量的频率成分复杂 变频功率计的测量一般包括基波有功功率 简称基波功率 谐波 有功功率 简称谐波功率 总有功功率等 相比工频功率计而言 其功能较多 技术较复杂 一般称为 变频功率分析仪或宽频功率分析仪 部分高精度功率分析仪也适用于变频电量测量 变频功率分析仪及传感器 5 张 变频功率分析仪可以作为工频功率分析仪使用 除此之外 一般还需满足下述要求 1 满足必要的带宽要求 并且采样频率应高于仪器带宽的两倍 2 要求分析仪在较宽的频率范围之内 精度均能满足一定的要求 3 具备傅里叶变换功能 可以分离信号的基波和谐波 5 影响 有功功率占比过低 即无功功率占比过大 会导致线损增加 容量下降 设备使用率下降 从而导 致电能浪费加大 无功功率 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的 如配电变压器 电动机等 它们都是依靠建立交变磁场才能 进行能量的转换和传递 为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率 因此 所谓的 无功 并不是 无用 的电功率 只不过它的功率并不转化为机械能 热能而已 因此在供用电系统中除了需要有 功电源外 还需要无功电源 两者缺一不可 无功功率单位为乏 var 无功功率 在电网中 由电源供给负载的电功率有两种 一种是有功功率 另一种是无功功率 reactive power 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率 也就是将电能转换为其他形式能量 机械能 光能 热能 的电功率 比如 5 5kW 的电动机就是把 5 5kW 的电力转换为机械能 带动水泵抽水或脱粒 机脱粒 各种照明设备将电能转换为光能 供人们生活和工作照明 无功功率比较抽象 它是用于电路内 电场与磁场 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率 凡是有电磁线圈的电气设备 要建立磁场 就要消耗无功功率 比如 40W 的日光灯 除需 40W 有功功率 镇流器也需消耗一部分有功功率 来发光外 还需 80var 左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用 由于它对外不做功 才被称之为 无功 无功功率决不是无用功率 它的用处很大 电动机需要建立和维持旋转磁场 使转子转动 从而带 动机械运动 电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的 变压器也同样需要无功功率 才能使 变压器的一次线圈产生磁场 在二次线圈感应出电压 因此 没有无功功率 电动机就不会转动 变压器 也不能变压 交流接触器不会吸合 在正常情况下 用电设备不但要从电源取得有功功率 同时还需要从电源取得无功功率 如果电网 中的无功功率供不应求 用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场 那么这些用电设备就不能 维持在额定情况下工作 用电设备的端电压就要下降 从而影响用电设备的正常运行 无功功率对供 用电也产生一定的不良影响 主要表现在 1 降低发电机有功功率的输出 2 视在功率一定时 增加无功功率就要降低输 变电设备的供电能力 3 电网内无功功率的流动会造成线路电压损失增大和电能损耗的增加 4 系统缺乏无功功率时就会造成低功率因数运行和电压下降 使电气设备容量得不到充分发挥 2 概念理解 理解 无功功率的概念 假设有一辆冷藏车 冷藏车的发动机功率为 180KW 但车上的冷冻柜要消耗发动 机 40KW 的功率用来制冷 因此发动机只有 140KW 的剩余来拉货物 这样大家就能看出来了 发动机功率有 180KW 相当于视在功率 但用来拉货的功率只有 140KW 这部分为有功功率 而另外的 40KW 虽然没有拉货物 但是它是为了起到冷冻作用而必须存在的 有了它 才能是一辆冷藏车 这部分就是无功功率 要区分功无用功和无功功率 功率因数 在功率三角形中 有功功率 P 与视在功率 S 的比值 称为功率因数 cos 其计算公式为 P U Icos 其中的 指的是电压和电流的相位差 在电力网的运行中 功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度 我们希望的是功率因 数越大越好 这样电路中的无功功率可以降到最小 视在功率将大部分用来供给有功功率 从而提高电能 输送的功率 影响功率因数的主要因素影响功率因数的主要因素 1 大量的电感性设备 如异步电动机 感应电炉 交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者 据 有关的统计 在工矿企业所消耗的全部无功功率中 异步电动机的无功消耗占了 60 70 而在异步电 动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的 60 70 所以要改善异步电动机的功率因数就要 防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率 2 变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的 10 15 它的满载无功功率约为空载时的 1 3 因而 为了改善电力系统和企业的功率因数 变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态 3 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的 10 时 由于磁路饱和的影响 无功功率将增长得很快 据有关资料统计 当供电电压为额定值的 110 时 一般无功将增加 35 左右 当供电电压低于额定值时 无功功率也相应 减少而使它们的功率因数有所提高 但供电电压降低会影响电气设备的正常工作 所以 应当采取措施使 电力系统的供电电压尽可能保持稳定 设法提高系统自然功率因数设法提高系统自然功率因数 提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资 仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电 设备所消耗的无功功率 这是一种最经济的提高功率因数的方法 1 合理使用电动机 2 提高异步电动机的检修质量 3 采用同步电动机 同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小 而无功功率 取决于转子中的励磁电流大小 在欠励状态时 定子绕组向电网 吸取 感性无功 在过励状态时 定子绕 组向电网 送出感性 无功 因此 对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力 异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流 使其呈同步电 动机运行 这就是 异步电动机同步化 4 合理选择配变容量 改善配变的运行方式 对负载率比较低的配变 一般采取 撤 换 并 停 等方法 使其负载率提高到最佳值 从而改善电网的自然功率因数 3 无功补偿 从发电机和高压输电线供给的无功功率 一般满足不了负荷的需要 所以在电网中要设置一些无功 补偿装置来补充无功功率 以保证用户对无功功率的需要 这样用电设备才能在额定电压下工作 无功补偿通常采用的方法主要有 3 种 低压个别补偿 低压集中补偿 高压集中补偿 下面简单介 绍这 3 种补 无功功率 偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点 1 低压个别补偿 低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备 并接 它与用电设备共用一套断路器 即开关 通过控制 保护装置与电机同时投切 随机补偿适用于补 偿个别大容量且连续运行 如大中型异步电动机 的无功消耗 以补励磁无功为主 低压个别补偿的优点是 用电设备运行时 无功补偿投入 用电设备停运时 补偿设备也退出 因此不会造成无功倒送 具有投资 少 占位小 安装容易 配置方便灵活 维护简单 事故率低等优点 2 低压集中补偿 低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧 以无功补偿投切装置作 为控制保护装置 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切 电容器的投切是整组进行 做不 到平滑的调节 低压补偿的优点 接线简单 运行维护工作量小 使无功就地平衡 从而提高配变利用率 降低网损 具有较高的经济性 是无功补偿中常用的手段之一 3 高压集中补偿 高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的 6 10kV 高压母线上的补偿方式 适用于用户 远离变电所或在供电线路的末端 用户本身又有一定的高压负荷时 可以减少对电力系统无功的消耗并可 以起到一定的补偿作用 补偿装置根据负荷的大小自动投切 从而合理地提高了用户的功率因数 避免功 率因数降低导致电费的增加 同时便于运行维护 补偿效益高 4 无功电源 电力系统的无功电源除了同步电机外 还有并联电容器 静止无功补偿器以及静止无功发生器 这 4 种装置又称为无功补偿装置 也称无功电源 除电容器外 其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无 功 1 同步电机 同步电机中有发电机 电动机及调相机 3 种 同步发电机 同步发电机是唯一的有功电源 同时又是最基本的无功电源 当其在额定状态下运行时 可以发出 无功功率 Q S sin P tan 其中 Q S P 是相对应的无功功率 视在功率 有功功率和功率因数角 发电机正常运行时 以滞后功率因数运行为主 向系统提供无功 但必要时 也可以减小励磁电流 使功率因数超前 即所谓的 进相运行 以吸收系统多余的无功 同步调相机 同步调相机是空载运行的同步电机 它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功 装有自励 装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率 这是其优点 但它的有功损耗大 运行维 护复杂 响应速度慢 已逐渐退出电网运行 2 并联电容器 并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源 由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前 于电容器极板上的电压 相反于电感中的滞后 由此可视为向电网 发出无功功率 Q CU2 其中 Q U Xc 1 C 分别为无功功率 电压 电容器容抗 并联电容器本身功耗很小 装设灵活 节省投资 由它向系统提供无功可以改善功率因数 减少由 发电机提供的无功功率 3 无功补偿器 静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成 由于晶闸管对于控制信号反应极为迅 速 而且通断次数也可以不受限制 当电压变化时静止补偿器能快速 平滑地调节 以满足动态无功补偿 的需要 同时还能做到分相补偿 对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性 但由于晶闸管控制对 电抗器的投切过程中会产生高次谐波 为此需加装专门的滤波器 4 无功发生器 它的主体是一个电压源型逆变器 由可关断晶闸管适当的通断 将电容上的直流电压转换成为与电 力系统电压同步的三相交流电压 再通过电抗器和变压器并联接入电网 适当控制逆变器的输出电压 就 可以灵活地改变其运行工况 使其处于容性 感性或零负荷状态 与静止无功补偿器相比 静止无功发生器响应速度更快 谐波电流更少 而且在系统电压较低时仍 能向系统注入较大的无功 视在功率 视在功率 即交流电压和交流电流的乘积 用公式表示为 S UI 式中 S 是额定输出功率 单位是 VA 伏安 U 是额定输出电压 单位是 V 如 220V 380V 等 I 是额定输出电流 单位是 A 视在功率包括 两部分 有功功率 P 和无功功率 Q 有功功率是指直接做功的部分 比如使灯发亮 使电机转动 使电子电路工作等 因为这个功率做功 后都变成了热量 可以直接被人们感觉到 所以有些人就产生一个错觉 即把有功功率当成了视在功率 孰不知有功功率只是视在功率的一部分 用式表示 P Scos UIcos UIF 式中 P 是有功功率 单位 是 W 瓦 F cos 被称为功率因子 而 是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差 无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率 用式表示 Q Ssin UIsin 式中 Q 为无 功功率 单位是 var 乏 视在功率视在功率 名称名称 视在功率与功率因数 视在功率视在功率 1 1 视在功率视在功率 在电工技术中 将单口网络端钮电压和电流有效值的乘积 即称为视在功率 apparent power 记为 即 1 显然 只有单口网络完全由电阻混联而成时 视在功率才等于平均功率 否则 视在功率总是大于平均功 率 即有功功率 也就是说 视在功率不是单口网络实际所消耗的功率 为以示区别 视在功率不用瓦特 W 为单位 而用伏安 V A 为单位 视在功率视在功率 2 2 功率因数功率因数 在正弦交流电路中 平均功率一般小于视在功率 也就是说要在视在功率上打一个折扣才能等于平均功率 这个折扣就是 称为功率因数 power factor 用 表示 即 2 由于 是单口网络端钮电压与电流间的相位差角 故 往往称之为功率因数角 对不含独立源的网络 且当阻抗为电感性时 当阻抗为电容性时 在这两种情况下 功率因数 可见 仅从 的取值反映不出电路的性质 为此 常常同时加上 滞后 或 超前 字样 滞后 是指 电流滞后电压 即 的情况 超前 是指电流超前电压 即 的情况 视在功率视在功率 3 3 视在功率的意义视在功率的意义 由于视在功率等于网络端钮处电流 电压有效值的乘积 而有效值能客观地反映正弦量的大小和他的做功 能力 因此这两个量的乘积反映了为确保网络能正常工作 外电路需传给网络的能量或该网络的容量 由于网络中既存在电阻这样的耗能元件 又存在电感 电容这样的贮能元件 所以 外电路必须提供其正 常工作所需的功率 即平均功率或有功功率 同时应有一部分能量被贮存在电感 电容等元件中 这就是 视在功率大于平均功率的原因 只有这样网络或设备才能正常工作 若按平均功率给网络提供电能是不能 保证其正常工作的 因此 在实际中 通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的 用视在功率来标示它的容量 另外 由于电感 电容等元件在一段之间内贮存的能量将分别在其它时间段内释放掉 这部分能量可能会 被电阻所吸收 也可能会提供给外电路 所以 我们看到单口网络的瞬时功率有时为正有时为负 交流电功率 电路中的功率指的是能量通过电路中一点的速率 在交流电力系统中 例如电感器和电容器之类的储能装 置可能会导致能量流动方向的周期性变化 在一个完整周期内 能量在一个方向上的净流动率称为实际功 率 而由储能装置返回电源的部分称为无功功率 对一个线性负载而言 电路中电压与电流都是呈正弦规律变化的 如果负载是纯电阻的话 电路中电压与 电流会在相同的时间改变各自的极性 电压与电流的乘积永远都是大于或等于 0 的 表示能量的流动方向 不会逆转 此时电路上只有实际功率流动 而如果负载是纯电抗的话 电路中的电流与电压会出现 90 度的相位差 这样一来 在交流电的每个周期 内 半个周期中电流与电压乘积为正 而另半个周期中电流与电压乘积为负 而且二者相加正好为 0 表 示每个周期内流向负载的电能全部被返还到了电源中 整体上电路没有消耗电能 电路上只有无功功率流 动 在实际生活中 负载通常会同时有电阻性 电容性和电感性 因此电路上会同时有无功功率和实际功率 电力工程师将无功功率和实际功率的矢量和的模作为视在功率 视在功率的定义为电压的均方根乘以电流 的均方根 尽管无功功率在负载上不做功 但是对于一个实际系统来说 电流流过导线时 会使导线发热 部分电能 因此会损失掉 因此电力工程师需要关心视在功率 变压器 发电机 导线等都需要按照视在功率的大小 设计 而不是实际功率 另外 直接将两个负载各自的视在功率相加 并不一定等于两个负载整体的视在功率 除非两个负载的电 压和电流的相位差一致 或两个负载具有相同的功率因数 一般认为 电容器产生无功功率 而电感器消耗无功功率 如果将电容器和电感器并联 那么二者的电流 会倾向于相互抵消而不是叠加 这是电力系统中进行功率因数校正的一个基本方法 交流电力系统中各个与功率相关的参数在复平面内的表示 交流电力系统中各个与功率相关的参数 以及各自的单位如下所示 实际功率 P 瓦特 W 无功功率 Q 无功伏安 VAr 复功率 S 伏安 VA 视在功率 S 即复功率 S 的模或绝对值 伏安 VA 电流 电压相位差 无功功率并不实际传输能量 所以在图中以虚轴表示 相应的 实际功率则表示在实轴上 功率的单位是瓦特 符号为 W 但是一般来说 只有讨论实际功率的时候才会用这个称呼 视在功率的 单位一般以伏特伏特 安培安培 简称 伏安 符号为 VA 称呼 因为其定义为电流的均方根乘以电压的均方根 无功功率的单位为无功伏特无功伏特 安培安培 简称 无功伏安 符号为 VAr 虽然无功功率不传递能量 但是对维持输电系统的电压有一部分作用 2003 年美加大停电的一个原因便是 无功功率不足 什么叫有功功率 无功功率和视在功率 三者单位是什么 三者关系如何确定 什么叫有功功率 无功功率和视在功率 三者单位是什么 三者关系如何确定 有功功率又叫平均功率 交流电的瞬时功率不是一个恒定值 功率在一个周期内的平均值叫做有功功率 它是指在电路中电阻部分所消耗的功率 对电动机来说是指它的出力 以字母 P 表示 单位为千瓦 W 无功功率 在具有电感 或电容 的电路里 电感 或电容 在半周期的时间里把电源的能量变成磁 场 或电场 的能量贮存起来 在另外半周期的时间里又把贮存的磁场 或电场 能量送还给电源 它们 只是与电源进行能量交换 并没有真正消耗能量 我们把与电源交换能量的振幅值叫做无功功率 以字母 Q 表示 单位干乏 kvar 视在功率 在具有电阻和电抗的电路内 电压与电流的乘积叫视在功率 以字母 S 或符号 P 表示 单位为千伏安 kVA 有功功率 无功功率 视在功率三者关系可以用功率三角形表示 见图 关于电气学科中无功功率概念的两个趣味解释 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的 如配电变压器 电动机等 它们都是依靠建立交变磁场才能 进行能量的转换和传递 为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率 因此 所谓的 无功 并不是 无用 的电功率 只不过它的功率并不转化为机械能 热能而已 因此在供用电系统中除了需要有 功电源外 还需要无功电源 两者缺一不可 无功功率单位为乏 var 通过上面对无功功率的定义可以看到 无功功率实际上是旋转电器在建立磁场时所需要的功率 说浅显一 点是指一个线圈和另一个线圈之间发生感应和联系时所需要的无功功率 这种功率的存在能够保证系统有 功功率的正常传递 由于这部分功率并不实际消耗电网的能量 所以被称之为无功功率 说起来容易 但实际上这个概念理解起来依旧很难 记得有两个关于无功功率解释的好的说法 在这里做 个分享 相信读过这两个说法之后一定会让您茅塞顿开 说法一 说法一 有个帅哥用一个推车搬家 把东西都挂在前面 帅哥一边压着车把一边推 累的满头大汗 有个帅哥用一个推车搬家 把东西都挂在前面 帅哥一边压着车把一边推 累的满头大汗 过来一个美女 坐在推车离车把近的车的一侧 哈哈 一下轻了不少 帅哥推得又轻松又惬意过来一个美女 坐在推车离车把近的车的一侧 哈哈 一下轻了不少 帅哥推得又轻松又惬意 帅哥使劲压着车把的力是无功电流 克服摩擦力往前的推力是有功电流 把东西推到目的地是有功 帅哥使劲压着车把的力是无功电流 克服摩擦力往前的推力是有功电流 把东西推到目的地是有功 美美 女就是无功补偿 没有无功补偿 供电系统也能工作 就是累点 耗能厉害 有了美女 男女搭配 干活女就是无功补偿 没有无功补偿 供电系统也能工作 就是累点 耗能厉害 有了美女 男女搭配 干活 不累 效率高 还开心不累 效率高 还开心 东西在前面 美女在后面 是东西在前面 美女在后面 是容性无功容性无功东西在后面 美女在前面 是东西在后面 美女在前面 是感性无功感性无功 美女不守规矩 无论东西在哪里 她前后乱跑 还跳上跳下 就是美女不守规矩 无论东西在哪里 她前后乱跑 还跳上跳下 就是谐波谐波 说法二 说法二 电网就好比一条大河 电流就好比在电网的河道上行走 船要在河道上行驶呢 水流就好比是有功功率 电网就好比一条大河 电流就好比在电网的河道上行走 船要在河道上行驶呢 水流就好比是有功功率 它推动着船往前走 而水深呢就好比是无功功率 虽然它不做功 不消耗实际的电能 但是它和河流的深它推动着船往前走 而水深呢就好比是无功功率 虽然它不做功 不消耗实际的电能 但是它和河流的深 度一样是保证河流能够运输船只的必要条件 只有它的存在才能保证河流运输的正常进行 而当河流中的度一样是保证河流能够运输船只的必要条件 只有它的存在才能保证河流运输的正常进行 而当河流中的 水不够的时候呢 就要给它加水 提高水深 这也就是电力系统中的无功补偿 水不够的时候呢 就要给它加水 提高水深 这也就是电力系统中的无功补偿 1 有功功率 无功功率与视在功率 在交流电路中 由电源供给负载的电功率有两种 一种是有功功率 一种是无功功率 有功功率有功功率 又叫平均功率 交流电的瞬时功率不是一个恒定值 功率在一个周期内的平均值叫做有功 功率 它是指在电路中电阻部分所消耗的功率 有功功率的符号用 P 表示 单位有瓦 W 千瓦 kW 兆 瓦 MW 是保持用电设备正常运行所需的电功率 也就是将电能转换为其他形式能量 机械能 光能 热能 的电 功率 比如 5 5 千瓦的电动机就是把 5 5 千瓦的电能转换为机械能 带动水泵抽水或脱粒机脱粒 各种 照明设备将电能转换为光能 供人们生活和工作照明 无功功率无功功率 在具有电感和电容的电路里 这些储能元件在半周期的时间里把电源能量变成磁场 或电 场 的能量存起来 在另半周期的时间里对已存的磁场 或电场 能量送还给电源 它们只是与电源进行 能量交换 并没有真正消耗能量 我们把与电源交换能量的速率的振幅值叫做无功功率 用字母 Q 表示 单位为乏 Var 或千乏 kVar 比较抽象 它是用于电路内电场与磁场的交换 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率 它不 对外作功 而是转变为其他形式的能量 凡是有电磁线圈的电气设备 要建立磁场 就要消耗无功功率 比如 40 瓦的日光灯 除需 40 多瓦有功功率 镇流器也需消耗一部分有功功率 来发光外 还需 80 乏左右 的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用 由于它不对外做功 才被称之为 无功 无功功率决不是无 用功率 它的用处很大 电动机需要建立和维持旋转磁场 使转子转动 从而带动机械运动 电动机的转 子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的 变压器也同样需要无功功率 才能使变压器的一次线圈产生磁 场 在二次线圈感应出电压 因此 没有无功功率 电动机就不会转动 变压器也不能变压 交流接触器 不会吸合 为了形象地说明这个问题 现举一个例子 农村修水利需要开挖土方运土 运土时用竹筐装满 土 挑走的土好比是有功功率 挑空竹筐就好比是无功功率 竹筐并不是没用 没有竹筐泥土怎么运到堤 上呢 在正常情况下 用电设备不但要从电源取得有功功率 同时还需要从电源取得无功功率 如果电网中 的无功功率供不应求 用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场 那么 这些用电设备就不能 维持在额定情况下工作 用电设备的端电压就要下降 从而影响用电设备的正常运行 无功功率对供 用电产生一定的不良影响 主要表现在 1 降低发电机有功功率的输出 2 降低输 变电设备的供电能力 3 造成线路电压损失增大和电能损耗的增加 4 造成低功率因数运行和电压下降 使电气设备容量得不到充分发挥 从发电机和高压输电线供给的无功功率 远远满足不了负荷的需要 所以在电网中要设置一些无功补偿装 置来补充无功功率 以保证用户对无功功率的需要 这样用电设备才能在额定电压下工作 这就是电网需 要装设无功补偿装置的道理 视在功率 视在功率 在具有电阻和电抗的电路内 电压与电流的乘积叫做视在功率 以字母 S 或符号 P 表 示 单位为千伏安 kVA 2 功率因数 电网中的电力负荷如电动机 变压器等 属于既有电阻又有电感的电感性负载 电感性负载的电压和 电流的相量间存在着一个相位差 通常用相位角 的余弦 cos 来表示 cos 称为功率因数 又叫力率 功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况 电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标 三相功 率因数的计算公式为 式中 cos 功率因数 P 有功功率 kW Q 无功功率 kVar S 视在功率 kV A U 用电设备的额定电压 V I 用电设备的运行电流 A 功率因数分为自然功率因数 瞬时功率因数和加权平均功率因数 1 自然功率因数 是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数 或者说用电设备本身所具有的 功率因数 自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质 电阻性负荷 白炽灯 电阻炉 的功率因 数较高 等于 1 而电感性负荷 电动机 电焊机 的功率因数比较低 都小于 1 2 瞬时功率因数 是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数 瞬时功率因数是随着用电设备的类 型 负荷的大小和电压的高低而时刻在变化 3 加权平均功率因数 是指在一定时间段内功率因数的平均值 其计算公式为 提高功率因数的方法有两种 一种是改善自然功率因数 另一种是安装人工补偿装置 有功功率 无功功率 无功补偿有功功率 无功功率 无功补偿 视在功率视在功率 在电工技术中 将单口网络端钮电压和电流有效值的乘积 称为视在功率 apparent power 记为 S UI 显然 只有单口网络完全由电阻混联而成时 视在功率才等于平均功率 否则 视在功率总是大于平 均功率 即有功功率 也就是说 视在功率不是单口网络实际所消耗的功率 为以示区别 视在功率不用瓦特 视在功率不用瓦特 W W 为单位 而用伏安 为单位 而用伏安 VAVA 或 或千伏安千伏安 KVAKVA 为单位 为单位 功率因数功率因数 在正弦交流电路中 有功功率一般小于视在功率 也就是说视在功率上打一个折扣才能等于平均功率 这个折扣就是 Cos 称为功率因数 power factor 用 Cos 表示 由于是单口网络端钮电压与电流间的相位差角 故 往往称之为功率因数角 视在功率的意义视在功率的意义 由于视在功率等于网络端钮处电流 电压有效值的乘积 而有效值能客观地反映正弦量的大小和他的 做功能力 因此这两个量的乘积反映了为确保网络能正常工作 外电路需传给网络的能量或该网络的容量 由于网络中既存在电阻这样的耗能元件 又存在电感 电容这样的储能元件 所以 外电路必须提供 其正常工作所需的功率 即平均功率或有功功率 同时应有一部分能量被贮存在电感 电容等元件中 这 就是视在功率大于平均功率的原因 只有这样网络或设备才能正常工作 若按平均功率给网络提供电能是 不能保证其正常工作的 因此 在实际中 通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的 用视在功率来标示它的容 量 另外 由于电感 电容等元件在一段时间之内储存的能量将分别在其它时间段内释放掉 这部分能量 可能会被电阻所吸收 也可能会提供给外电路 所以 我们看到单口网络的瞬时功率有时为正有时为负 在交流电路中 我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率视在功率 即 S UI 视 在功率不表示交流电路实际消耗的功率 只表示电路可能提供的最大功率或电路可能消耗的最大有功功率 有功功率有功功率 active active power power 有功功率 电能用于做功被消耗 它们转化为热能 光能 机械能或化学能等 称为有功功率 又 叫平均功率 交流电的瞬时功率不是一个恒定值 功率在一个周期内的平均值叫做有功功率 它是指在电 路中电阻部分所消耗的功率 以字母 P 表示 单位瓦特 电力系统频率与有功功率的关系 频率 电压是电网电能质量的二大指标 频率变化原因 负荷变动 导致有功功率的不平衡 变化过程 负荷变化 发电机转速变化 频率变化 负荷的调节效应 新频率下 达到平衡 消除偏移 原动机输入功率大小随负荷变动而改变 无功功率与功率因数无功功率与功率因数 许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的 如配电变压器 电动机等 它们都是依靠建立交变磁场才能 进行能量的转换和传递 为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率 因此 所谓的 无功 并不是 无用 的电功率 只不过它的功率并不转化为机械能 热能而已 因此在供用电系统中除了需要有 功电源外 还需要无功电源 两者缺一不可 无功功率单位为乏 Var 在功率三角形中 有功功率 P 与视在功率 S 的比值 称为功率因数 cos 其计算公式为 cos P S P P Q 在电力网的运行中 功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度 我们希望的是功率因数 越大越好 这样电路中的无功功率可以降到最小 视在功率将大部分用来供给有功功率 从而提高电能输 送的功率 影响功率因数的主要因素影响功率因数的主要因素 1 大量的电感性设备 如异步电动机 感应电炉 交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者 据 有关的统计 在工矿企业所消耗的全部无功功率中 异步电动机的无功消耗占了 60 70 而在异步电 动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的 60 70 所以要改善异步电动机的功率因数就要 防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率 2 变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的 10 15 它的空载无功功率约为满载时的 1 3 因而 为了改善电力系统和企业的功率因数 变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态 3 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的 10 时 由于磁路饱和的影响 无功功率将增长得很快 据有关资料统计 当供电电压为额定值的 110 时 一般无功将增加 35 左右 当供电电压低于额定值时 无功功率也相应 减少而使它们的功率因数有所提高 但供电电压降低会影响电气设备的正常工作 所以 应当采取措施使 电力系统的供电电压尽可能保持稳定 无功补偿无功补偿 无功补偿通常采用的方法主要有 3 种 低压个别补偿 低压集中补偿 高压集中补偿 下面简单介绍这 3 种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点 1 低压个别补偿 低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并 接 它与用电设备共用一套断路器 通过控制 保护装置与电机同时投切 随机补偿适用于补偿个别大容 量且连续运行 如大中型异步电动机 的无功消耗 以补励磁无功为主 低压个别补偿的优点是 用电设备 运行时 无功补偿投入 用电设备停运时 补偿设备也退出 因此不会造成无功倒送 具有投资少 占位 小 安装容易 配置方便灵活 维护简单 事故率低等优点 2 低压集中补偿 低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧 以无功补偿投切装置作为 控制保护装置 根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切 电容器的投切是整组进行 做不到 平滑的调节 低压补偿的优点 接线简单 运行维护工作量小 使无功就地平衡 从而提高配变利用率 降低网损 具有较高的经济性 是目前无功补偿中常用的手段之一 3 高压集中补偿 高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的 6 10kV 高压母线上的补偿方式 适用于用户远 离变电所或在供电线路的末端 用户本身又有一定的高压负荷时 可以减少对电力系统无功的消耗并可以 起到一定的补偿作用 补偿装置根据负荷的大小自动投切 从而合理地提高了用户的功率因数 避免功率 因数降低导致电费的增加 同时便于运行维护 补偿效益高 提高自然功率因数提高自然功率因数 提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资 仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所 消耗的无功功率 这是一种最经济的提高功率因数的方法 1 合理使用电动机 2 提高异步电动机的检修质量 3 采用同步电动机 同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小 而无功功率 取决于转子中的励磁电流大小 在欠励状态时 定子绕组向电网 吸取 无功 在过励状态时 定子绕组向 电网 送出 无功 因此 对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力 异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流 使其呈同步电动 机运行 这就是 异步电动机同步化 4 合理选择配变容量 改善配变的运行方式 对负载率比较低的配变 一般采取 撤 换 并 停 等方法 使其负载率提高到最佳值 从而改善电网的自然功率因数 无功电源无功电源 电力系统的无功电源除了同步电机外 还有静电电容器 静止无功补偿器以及静止无功发生器 这 4 种 装置又称为无功补偿装置 除电容器外 其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功 1 同步电机 同步电机中有发电机 电动机及调相机 3 种 同步发电机 同步发电机是唯一的有功电源 同时又是最基本的无功电源 当其在额定状态下运行时 可以发出无 功功率 Q S sin P tg 其中 Q S P 是相对应的无功功率 视在功率 有功功率和功率因数角 发电机正常运行时 以滞后功率因数运行为主 向系统提供无功 但必要时 也可以减小励磁电流 使功 率因数超前 即所谓的 进相运行 以吸收系统多余的无功 同步调相机 同步调相机是空载运行的同步电机 它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功 装有自励装 置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率 这是其优点 但它的有功损耗大 运行维护 复杂 响应速度慢 近来已逐渐退出电网运行 并联电容器 并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源 由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于 电容器极板上的电压 相反于电感中的滞后 由此可视为向电网 发 quot 无功功率 Q U2 Xc 其中 Q U Xc 分别为无功功率 电压 电容器容抗 并联电容器本身功耗很小 装设灵活 节省投资 由它向系统提供无功可以改善功率因数 减少由发 电机提供的无功功率 静止无功补偿器 静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成 由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速 而且通断次数也可以不受限制 当电压变化时静止补偿器能快速 平滑地调节 以满足动态无功补偿的需 要 同时还能做到分相补偿 对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性 但由于晶闸管控制对电抗 器的投切过程中会产生高次谐波 为此需加装专门的滤波器 静止无功发生器 它的主体是一个电压源型逆变器 由可关断晶闸管适当的通断 将电容上的直流电压转换成为与电力 系统电压同步的三相交流电压 再通过电抗器和变压器并联接入电网 适当控制逆变器的输出电压 就可 以灵活地改变其运行工况 使其处于容性 感性或零负荷状态 与静止无功补偿器相比 静止无功发生器响应速度更快 谐波电流更少 而且在系统电压较低时仍能 向系统注入较大的无功 功率因数 在交流电路中 电压与电流之间的相位差 的余弦叫做功率因数 用符号 cos 表示 在数值上 功率因 数是有功功率和视在功率的比值 即 cos P S 说明 功率因数的大小与电路的负荷性质有关 如白炽灯泡 电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1 一般具 有电感性负载的电路功率因数都小于 1 功率因数是电力系统的一个重要的技术数据 功率因数是衡量电 气设备效率高低的一个系数 功率因数低 说明电路用于交变磁场转换的无功功率大 从而降低了设备 的利用率 增加了线路供电损失 1 2 计算 功率因数低的根本原因是电感性负载的存在 例如 生产中最常见的交流异步电动机在额定负载时 的功率因数一般为 0 7 0 9 如果在轻载时其功率因数就更低 其它设备如工频炉 电焊变压器以及日光灯 等 负载的功率因数也都是较低的 从功率三角形及其相互关系式中不难看出 在视在功率不变的情况下 功率因数越低 角越大 有功功率就越小 同时无功功率却越大 这种使供电设备的容量不能得到充分利用 例 如容量为 1000KVA 的变压器 如果 cos 1 即能送出 1000KW 的有功功率 而在 cos 0 7 时 则只能送出 700KW 的有功功率 功率因数低不但降低了供电设备的有效输出 而且加大 了供电设备及线路中的损耗 因此 必须采取并联电容器等补偿无功功率的措施 以提高功率因数 1 功率因数既然表示了总功率中有功功率所占的比例 显然在任何情况下功率因数都不可能大于 1 由 功率三角形可见 当 0 即交流电路中电压与电流同相位时 有功功率等于视在功率 这时 cos 的值最大 即 cos 1 当电路中只有纯阻性负载 或电路中感抗与容抗相等时 才会出现这种情况 感性电路中电流的相位总是滞后于电压 此时 0 90 此时称电路中有 滞后 的 cos 而容性电路中电流的相位总是超前于电压 这时 90 0 称电路中有 超前 的 cos 功率因数的计算方式很多 主要有直接计算法和查表法 常用的计算公式为 功率因数计算公式 3 要求 最基本分析 拿设备作举例 例如 设备功率为 100 个单位 也就是说 有 100 个单位的功率输送到设备中 然 而 因大部分电器系统存在固有的无功损耗 只能使用 70 个单位的功率 很不幸 虽然仅仅使用 70 个单 位 却要付 100 个单位的费用 使用了 70 个单位的有功功率 你付的就是 70 个单位的消耗 在这个例子 中 功率因数是 0 7 如果大部分设备的功率因数小于 0 9 时 将被罚款 这种无功损耗主要存在于电机设 备中 如鼓风机 抽水机 压缩机等 又叫感性负载 功率因数是马达效能的计量标准 1 基本分析 每种电机系统均消耗两大功率 分别是真正的有功 叫 kw 及电抗性的无功 功率因数是有用功与总 功率间的比率 功率因数越高 有用功与总功率间的比率便越高 系统运行则更有效率 1 高级分析 在感性负载电路中 电流波形峰值在电压波形峰值之后发生 两种波形峰值的分隔可用功率因数表 示 功率因数越低 两个波形峰值则分隔越大 1 4 改善 电网中的电力负荷如电动机 变压器 日光灯及电弧炉等 大多属于电感性负荷 这些电感性的设 备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率 还同时吸收无功功率 因此在电网中安装并联电容器 无功补偿设备后 将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率 减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线 路输送的无功功率 由于减少了无功功率在电网中的流动 因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输 送无功功率造成的电能损耗 这就是无功补偿的效益 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因 数 因为供电局发出来的电是以 KVA 或者 MVA 来计算的 但是收费却是以 KW 也就是实际所做的有用 功来收费 两者之间有一个无效功率的差值 一般而言就是以 KVAR 为单位的无功功率 大部分的无效功 都是电感性 也就是一般所谓的电动机 变压器 日光灯 几乎所有的无效功都是电感性 电容性的 非常少见 例如 变频器就是容性的 在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数 1 5 内容 由于感性 容性或非线性负荷的存在 导致系统存在无功功率 从而导致有功功率不等于视在功率 三者之间关系如下 S 2 P 2 Q 2 一种有源功率因数校正电路 S 为视在功率 P 为有功功率 Q 为无功功率 三者的单位分别为 VA 或 kVA W 或 kW Var 或 kVar 简单来讲 在上面的公式中 如果今天的 KVAR 的值为零的话 KVA 就会与 KW 相等 那么供电局 发出来的 1KVA 的电就等于用户 1KW 的消耗 此时成本效益最高 所以功率因数是供电局非常在意的一 个系数 用户如果没有达到理想的功率因数 相对地就是在消耗供电局的资源 所以这也是为什么功率因 数是一个法规的限制 就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的 0 9 1 之间 低于 0 9 时需要接受处 罚 1 好处 供电部门为了提高成本效益要求用户提高功率因数 那提高功率因数对用户端有什么好处呢 通过改善功率因数 减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件 如变压器 电器设备 导线 等的容量 因此不但减少了投资费用 而且降低了本身电能的损耗 良好的功因数值的确保 从而减少供电系统中的电压损失 可以使负载电压更稳定 改善电能的 质量 可以增加系统的裕度 挖掘出了发供电设备的潜力 如果系统的功率因数低 那么在既有设备容 量不变的情况下 装设电容器后 可以提高功率因数 增加负载的容量 举例而言 将 1000KVA 变压器