端口电压
式中是端口电压与电流的相位差。在任一时刻t,电路N的吸收功率
画出i、u和p的波形如图4-36所示。由图可见,随电流i和电压u的变化,瞬时功率p(t)有时为正,有时为负。当u>0,i>0或u<0,i<0时,p(t)>0,说明在此时电路N从外电路吸收功率;当u>0,i<0或u<0,i>0时,p(t)<0,此时电路N向外电路发出功率。
交流电路的平均功率也称有功功率,它是瞬时功率在一周期内的平均值,即
式中T为正弦电流(或电压)的周期。有功功率的单位是瓦(W)。一般电器所标功率的大小即指有功功率,如:电机为10kW,灯泡的功率为60W等。
由上式可见,在正弦稳态情况下,有功功率除与电压、电流的有效值有关外,还与电压、电流的相位差有关。被称为功率因数角。如果电路N为无源电路,在正弦稳态情况下,可将它等效成阻抗Z,此时电压、电流相位差等于阻抗角。cos称功率因素,它是正弦交流电路中一个非常重要的概念。感性电路与容性电路可通过功率因数角的正负加以区分,但由于cos =cos(-),所以由功率因数值无法区分电路是感性还是容性,此时要加文字予以说明。
例4-16
已知二端网络的输入阻抗W,,求此网络所吸收的平均功率P。
解:A
800W
为了描述二端电路内部与外电路交换能量的规模,我们定义无功功率为,即
无功功率的单位是乏(Var)。对于电阻性电路N,=0,Q=0,表示N与外电路没有发生能量互换现象,流入N的能量全部被电阻消耗;N为电感性电路时,>0,Q>0;N为电容性电路时,<0,Q<0。后两种情况中,Q≠0,表示电路N与外电路之间存在能量互换现象。
例4-17
试求图4-37所示正弦交流电路的无功功率Q。
解:
var
由于Q>0,电路为感性电路
电压和电流的乘积称为视在功率,用S表示,即
视在功率的单位是伏安(VA),用以表示用电设备的容量。
所以由有功功率P、无功功率Q和视在功率S构成的三角形称为功率三角形,如图4-38所示。
例4-18
二端网络,已知A, W,求其视在功率S及功率因数。
解:V
VA
交流发电机或变压器都有视在功率的额定容量。由于变压器的电压、电流都有一个额定值,变压器即便是工作在额定状态下,其输出功率的大小还要看负载的功率因数的大小。例如变压器的容量为1kVA,且工作在额定状态下, 如负载的功率因数cos = 0.5 ,则变压器输出功率P=1×0.5=0.5kW;如负载的功率因数cos=1 ,则变压器输出功率P=1kW。由此可见,当供电系统向负载提供一定功率(指有功)的情况下,负载的功率因数越低,需要的供电设备容量越大,而且供电电流也相应增大(假设电压不变),从而使线路损耗I2R增大,降低了功率的传输效率。因此功率因数在电力系统中是一项非常重要的技术指标,供电方对用户方的要求是功率因数越大越好。功率因数的提高可以提高发、配电设备的利用率;减少输电线路的电压降和功率损失。
由于实际中负载一般为感性(如电机、日光灯等),所以功率因数的提高一般均针对感性负载。在不影响负载的工作状态的前提下,提高功率因数可以采用并联电容器的方法。
例4-19
例:一台功率为1.1kW的感应电动机,接在220 V、50 Hz的电路中,电动机需要的电流为10 A,求:(1)电动机的功率因数;(2)若在电动机两端并联一个79.5μF的电容器,电路的功率因数为多少?
解:(1)
(2)在未并联电容前,电路中的电流为。并联电容后,电动机中的电流不变,仍为,这时电路中的电流为:
由相量图得: