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Activepower、Reactivepower、Apparentpower有功功率有功功率（英语：activepower，ACpower）也称为实功率（R，realpower）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，φ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（ωt+120°）Ia=Im*sin（ωt+120°-θ）那么，Pa=Ua*Ia=Um*Im*sin（ωt+120°）*sin（ωt+120°-θ）=1/2*Um*Im*[cosθ-cos(2ωt+240°-θ)]同理：Pb=1/2*Um*Im*[cosθ-cos(2ωt-θ)]Pc=1/2*Um*Im*[cosθ-cos(2ωt-240°-θ)]P=Pa+Pb+Pc=3/2*Um*Im*cosθ-[cos(2ωt+240°-θ)+cos(2ωt-θ)+cos(2ωt-240°-θ)]=3/2*Um*Im*cosθ-[cos(2ωt-120°-θ)+cos(2ωt-θ)+cos(2ωt+120°-θ)]∵cos(2ωt-120°-θ)+cos(2ωt+120°-θ)=2cos(2ωt-θ)*cos(-120°)=-cos(2ωt-θ)∴P=3/2*Um*Im*cosθ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(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（reactivepower）。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cosφ，其计算公式为：P=U×Icosφ，其中的φ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(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。①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