交流电路的功率及功率因数的提高教案摘要.ppt

第3章 正弦交流电路 3-7、交流电路的功率及功率因数的提高 * 正弦交流电路 §3-7、交流电路的功率及功率因数的提高 一、瞬时功率： 因为交流电压和电流是随时间而作周期性地交变的，所以电路的功率也是随时间波动的。每一瞬时的功率称为瞬时功率。它是该瞬时电压和电流的乘积。图所示为一无源二端网络，作用在该网络的电压为 u= Usinωt， 网络的总电流为 网络的等效阻抗为Z=R+jX， i= Isin(ωt-ψ)。 瞬时功率为： 所以网络的 在图中画出了电压、电流、瞬时功率的波形图。由图可知瞬时功率有如下特点： （1）、瞬时功率包含有两个分量，一个是恒定不变的分量UIcosψ，另一个是以2ω角频率交变的分量UIcos(2ωt-ψ)。 （2）、瞬时功率时正时负。当电压电流实际方向一致时功率为正值，表明此时电路吸收功率。当电压和电流实际方向相反时，功率为负值，表明电路放出功率。 （3）、在一个周期内p0的时间比p0的时间长，功率曲线在横轴以上部分面积比以下部分面积大，这说明从总体上看，电路是消耗功率的。 二、有功功率： 有功功率是指平均功率，即瞬时功率在一个周期中的平均值。 因为上式第二项积分结果为零，故整个电路的平均功率为： P=UIcosΨ。 由上式可知有功功率是一个不随时间变化的恒定值，它是电路中电阻元件所消耗的功率。上式与直流电路功率计算公式相比，多了一个因数cosψ，即电压与电流相位差ψ角的余弦。这个因数称为“功率因数”，ψ也称为功率因数角。由前面可知，ψ也是整个电路的等效复阻抗的阻抗角，它是由电路参数及频率等因素所决定的。 三、无功功率： 从前述单一参数交流电路可知，负载与电源交换功率的最大值称为无功功率。对电感，有QL=ULI，对电容，有QC=UCI，电阻的无功功率为零。故一般交流电路的无功功率是电路中全部电感和电容无功功率的代数和。应该注意到，无论是串联还是并联电路，电感和电容的瞬时功率的符号始终是相反的。有时为使问题更清楚些，往往把电流或电压分为有功分量和无功分量。电路无功功率总和为：Q= QL- QC=UIsinΨ。 举例：在图所示的相量图中以电压为参考相量，电压超前于电流ψ角，分析时可将电流 分解为与 同相的电流有功分量 和垂直于 电压 的电流无功分量 ，其大小分别为： Ia=IcosΨ Ir=IsinΨ 则有功功率和无功功率分别是电压有效值与电流的有功分量和无功分量的乘积。同理，若以电流为参考相量，也可把电压分解为有功分量和无功分量，前者与电流同相，后者与电流正交。 由阻抗三角形可知： 由此可得有功功率和无功功率分别为： 四、视在功率： 1、视在功率的意义： 电源的作用就是向负载提供电能，即在负载两端形成一定的电压并向负载输送一定的电流。电源向负载提供功率的能力大小是通过电源额定电压与额定电流的乘积来表示，称之为视在功率的量（S）。它也等于电压有效值与电流有效值的乘积，因而也表示电路需求的总功率。S=UI。 视在功率也具有功率的量纲，但为了与有功功率和无功功率相区别，视在功率用伏安（VA）或千伏安（KVA）作单位。1KVA=103VA。 至于视在功率中有多少是被消耗的有功功率P，又有多少是负载与电源互相交换的无功功率Q，这完全是由负载的性质来决定的。负载的复阻抗一旦决定了，阻抗三角形和阻抗角ψ也就决定了。 P、Q、S的关系如下： P=ScosΨ Q=SsinΨ 2、功率三角形： 有功功率、无功功率和视在功率的关系除了用上式表示外，还可用功率三角形来描述。由上式可知： S2=P2+Q2。 若用P、Q作为直角三形两直角边，S为斜边，根据三角关系也可得到上式，这个以功率P、Q、S为三边长的三角形称为功率三角形，如图所示。因为功率不是相量，故三角形的三边均不带箭头。 S和P的夹角就是功率因数角ψ，所以ψ也可由下式计算： 若在电路中含有多个不同功率因数的负载，则每个负载的视在功率分别以S1，S2，S3，……表示，但总的视在功率： S≠S1+S2+S3+┄。 求总在视在功率时，应先分别求出总有功功率ΣΡ（各有功功率之和）和总无功功率ΣQ（各无功功率的代数和），然后根据功率三角形进行合成。 ΣΡ=P1+P2+P3+┄。 ΣQ=Q1+Q2+Q3+┄。 在应用上式时，习惯