对交流电路功率的理解

张 剑 张 勇 林 珑

摘要在电工学课程中交流电路是一个重点,也是一个难点,其中交流电路功率又是交流电路中的一个重点。大部分教材只给出了相关的计算公式,从而导致学生在学习这部分知识时理解不深刻,理解不透彻,甚至理解出现偏差。鉴于此,笔者将从交流电路功率的组成、各部分的物理意义、以及与有用功无用功的区别几个角度来理解交流电路功率。

关键词交流电路交流电路功率有用功

中图分类号:G642文献标识码:A

1 交流电路功率的组成及各个部分的物理含义

交流电路的功率由三部分功率组成即:视在功率、有功功率、无功功率。

有功功率:它是指能量转换过程中不可逆的那部分功率,在交流电路中,凡是消耗在电阻元件上、功率不可逆转换的那部分功率(如转变为热能、光能或机械能)称为有功功率,简称“有功”,单位是瓦(w)或千瓦(kw)。它反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小,或单位时间内转变为其它能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时转变为其他能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时功率的平均值,故又称平均功率。它的大小等于瞬时功率最大值的1/2,就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积。

无功功率:它是指能量转换过程中可逆的那部分功率,在含有电感元件或电容元件的电路中,电感元件和电容元件都在不断地进行着能量交换,或将吸收的电能转换为磁场能或电场能,或把磁场能或电场能又以电能的形式送还给电路,整个能量转换的过程可逆,即电感和电容元件上只有能量交换而没有能量消耗。电工技术中,为了衡量电感元件和电容元件上能量交换的规模,人们就引入了无功功率的概念,简称“无功”,单位为乏(var)或千乏(kvar)。实际工作中,凡是有线圈和铁芯的感性负载,它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。如果没有无功功率,电动机和变压器就不能建立工作磁场。

视在功率:交流电源所能提供的总功率,称之为视在功率或表现功率,在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。在交流电路中,由于有感性或容性储能设备,电压与电流有相位差,通俗讲就是电压与电流不同相。因此,从表面看到的电压和电流实际并没有做那么大的功,有电源与储能设备的能量转换,所以称为视在功率,单位为伏安(VA)或千伏安(KVA)。

它通常用来表示交流电源设备(如变压器)的容量大小。视在功率既不等于有功功率,又不等于无功功率,但它既包括有功功率,又包括无功功率。能否使视在功率100KVA的变压器输出100KW的有功功率,主要取决于负载的功率因数。

2 有功功率、无功功率与有用功、无用功的区别与联系

要理解有功功率、无功功率与有用功、无用功的区别与联系,首先就必须了解这几个概念,有功功率、无功功率的含义前面已经叙述过来,下面就有用功、无用功的概念做一些说明,然后再讨论它们的区别与联系。

有用功:从做功的意义上来讲,就是人因需要而做的功叫做有用功,也就是说对我们工作有用的功。

无用功:无用功是指人们在做功时,并不需要的,但是为了达到工作目的而不得不做的功。例如:人想要提砂子上楼,人对砂子做的功就是为了满足需要而做的有用功。人在提砂子时,必须有盛砂子的物体,如筐等,人在提升砂子的同时,也对筐做了功,而人对筐做功并不是目的,但是又不得不做,因为没有筐,砂子是无法被提升的,所以人对筐所做的功就是无用功。

在搞清楚了这几个概念后,我们就可以讨论有功功率、无功功率、有用功、无用功的区别与联系了。有功功率、无功功率、有用功、无用功都是能量的一种,只是它们从不同的角度分类得到的而已,有功功率和无功功率是从能量转换这个角度来定义的,有用功和无用功是从能量有无用这个角度来定义的。另外,有功功率、无功功率、有用功、无用功也存在着交叉重叠的地方,比如:输电线路在输电时,输电线的等效电阻电阻上消耗的电能就既是有功功率同时也是无用功,所以有功功率不一定是有用功。反之,无功功率不一定就是无用功,比如:变压器在工作时建立的交变磁场所需的就是无功功率,但此时该无功功率是有用的,故其是有用功。所以有功功率、无功功率和有用功、无用功既有区别又有联系,在讨论它们时切忌不能望文生义,一定要把它们搞清楚。

通过上面的说明,自此我们就可以对交流电路的功率有一个比较全面的认识了。特别是在了解了其物理含义和与其它相关概念做了对比后,我们对交流电路的功率理解就会更深刻、更清晰,在以后的相关计算中,我们就会不仅知其然而且还会知其所以然了,也不再因混淆它们而感到烦恼了。