电气新手必知:正弦交流电路的功率与功率因数的提高(专业师姐带你学三十六

时间:2023-06-27来源:佚名

想不想知道无功补偿到底是怎样实现的?它和功率因数之间有什么关系?别急,这篇文章将为你揭晓答案!


“功率”这个概念,我想大家都应该相当熟悉了,特别是看过《电工基础》系列文章的朋友们。


在之前学习“单一参数正弦交流电路”时也分别列举了电阻元件、电感元件和电容元件的单一参数电路特性和功率关系,而我们这次所学习的功率,其实就是三者功率的代数和。


好啦,现在大家就跟随我正式开始这次的学习“正弦交流电路的功率与功率因数的提高”吧。


回顾之前所学的“单一参数正弦交流电路”文章中提到的,交流电路中,瞬时功率定义为瞬时电压与瞬时电流的乘积,用小写字母p表示;而(píng)均功率则是指瞬时功率在一个周期内的(píng)均值,又称有功功率,用大写字母P表示。根据这个定义,我们可以得到正弦交流电路的瞬时功率如下图36-1所示。


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图36-1


在图36-1所示的电路图中,由于阻抗的存在,使得电压与电流之间有相位差,根据电压与电流的瞬时表达式,求得该电路的瞬时功率表达式如图36-1所示。单一参数正弦交流电路的各个瞬时功率表达式如下图36-2所示。


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图36-2


把图36-1中瞬时功率的表达式与图36-2中的各种单一参数元件的瞬时功率表达式相比较,可以发现,当电压与电流之间的相位差为零时,即φ=0时,图36-1中的瞬时功率表达式正好等于图36-2中电阻元件的瞬时功率表达式;当电压超前电流90°,即φ=90°时,图36-1中的瞬时功率表达式正好等于图36-2中电感元件的瞬时功率表达式;


当电压滞后电流90°,即φ=-90°时,图36-1中的瞬时功率表达式正好等于图36-2中电容元件的瞬时功率表达式。根据这一特点,可以发现,正弦交流电路的(píng)均功率表达式中,中括号的左部分其实就代表着电阻的瞬时功率,而右部分代表着电抗的瞬时功率。


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图36-3


根据(píng)均功率的定义,得到正弦交流电路的(píng)均功率表达式如上图36-3所示。从(píng)均功率的表达式中,可以发现,所得(píng)均功率就是电阻所消耗的功率,而右部分电抗的瞬时功率所对应的(píng)均功率为零,这也和我们之前在“单一参数正弦交流电路”所学的“电感和电容是不消耗功率的,它们只与电源进行能量的交换,而电阻是耗能元件”所对应。


另外,根据(píng)均功率的表达式,可以发现,其中的cosφ就是功率因数,再结合我们之前所学的功率三角形,可以得到该正弦交流电路的无功功率与实在功率如下图36-4所示。


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图36-4


根据图36-1的瞬时功率表达式画出其波形如下图36-5所示,结合电压与电流的波形,对图36-5中的波形图分为四部分,可以发现,当电压与电流同为正时,即电压与电流方向相同时,瞬时功率大于零,而当电压与电流为一正一负时,即电压与电流方向相反时,瞬时功率小于零。


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图36-5


瞬时功率中小于零的部分,存在的原因正是由于电压与电流之间的相位差。可以想象,随着电压与电流之间电位差的变大变小,瞬时功率中小于零的部分也会随之变大变小,当该相位差等于90°时,瞬时功率大于零部分与小于零部分相等,此时电路呈纯感性或纯容性;

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