无功功率的值在物理上代表什么?

电器工程 力量 被动网络
2022-01-14 13:22:28

在我的电力工程课程中,我们了解了无功功率。我相信我理解无功功率本质上是什么:源和电感器/电容器之间存在能量转移。这对我来说很有意义,而且我可以很好地进行很多计算。但是,我无法理解无功功率的值代表什么。从我的笔记中:

$$\begin{align*} P=VI\cos\psi \\ Q=VI\sin\psi \end{align*}$$ 其中 P 和 Q 分别是有功功率和无功功率。我理解 P 的公式,它的推导在我的笔记中有介绍。在物理上,P 代表通过电阻器耗散的能量。Q代表什么?

考虑到仅电容器/电感器电路中功率与时间的关系图,平均功率为 0。这是否意味着平均无功功率仅为 0?

抱歉,如果问题有点不清楚,我很难解释我的困惑。

4个回答

让我们暂时忽略功率方面,想想真正的电抗是什么。

您了解数学和理论,您可以使用复数、相量等在抽象的理论结构中谈论事物。但抽象模型正是如此:抽象模型。数学可以为事物建模,但它并不能真正帮助您理解它正在建模的物理系统,除非以其他抽象方式。

所以让我们暂时忽略数学,谈谈真正的电抗。

实际上,让我们谈谈抵抗。阻抗的实际分量。最终,阻力代表能量损失。电阻消耗了在电路中移动的电子的一些动能,这表现为我们在任何电阻负载上看到的熟悉的欧姆电压降。电子撞击物质,使它们振动,当焦耳被电子损失并转移到负载中时,电阻负载会升温。通过此负载的能量传输速度越快,功率损失的速度就越快,您必须越努力才能实现这一目标。

但这只是硬币的一方面。除了简单地将能量消散到环境中之外,还有另一种选择:可以储存能量。电容和电感经常被称为彼此“对偶”,因为它们都是能量存储的量度。电容是存储在电场中的能量的量度,而电感是存储在磁场中的能量的量度。

至少一开始,储存的能量看起来就像消耗的能量。在这两种情况下,电路中的能量都不再存在。这里电阻和电抗之间的唯一区别是,有了电阻,能量就永远消失了,但电抗最终会在稍后将能量返回到电路中。好吧,当然,作为一种存储量,它们最终会在静态电路的情况下达到最大存储量。电容器需要更高的电压来存储更多的能量,电感器同样需要更高的电流来存储更多的能量。这是“电抗”方面。随着能量的储存,这种电抗似乎消耗的能量越来越少,直到它完全消失。如果功率开始下降,则存储的能量将释放回电路中。

那么什么是表观功率?它只是电路或电路的一部分(取决于您正在计算/查看的内容)存储能量的速率,或者,如果幅度相反,它是释放能量的速率。就这样。这并不奇怪,也不奇怪,它是一个真实的、物理的、可量化的东西。如果您从电池为大型电容器组充电,它将消耗该电池的焦耳能量,并且会以一定的速率进行充电,该速率起初最高,但最终会降至零。从技术上讲,这是无功功率。但它仍然以瓦特为单位,而瓦特总是瓦特。您只是在测量某物存储焦耳的速率,而不是简单地消散焦耳的速率。

我认为您的困惑是您实际上已经在不知不觉中得出了答案。如果您有一个只有电容器和电感器的电路,那么就没有“P”,因为没有能量以每秒若干焦耳的速度消散。只有能量被存储,它最终会被释放,所以是的,它平均为 0。无功功率总是如此。它最终只是存储,而不是消耗,所以是的,它总是总是平均为 0。那些焦耳被借出,但电感器和电容器的信用评级非常好,最终总是会还给你,所以你实际上并没有失去任何从长远来看,金钱/焦耳。

所以,你根本不需要用数学来谈论这个。事实上,如果你明白无功功率只是能量被存储然后释放的速率,以每秒焦耳或瓦特为单位,就像其他任何涉及功率的东西一样,那么行为和数学都应该是合乎逻辑的,因为这最终是什么你正在用所说的数学建模。

现在,人们可能想知道为什么无功功率即使平均为零也很重要。

让我们快速谈谈功率因数。当然,功率因数是实际功率与视在功率之比。这似乎是一件相当奇怪或毫无意义的事情。我的意思是,谁在乎?视在功率实际上并没有丢失,为什么还要测量它?

问题是这种能量存储从来都不是完全有效的(可能是超导体除外)。电子必须移动到电容器的负极板上,同时等量的电子被推离正极板。移动电荷是电流。导体(同样,除了超导的情况)总是有一些电阻,所以你有损失。在交流电的情况下,储存能量将在这方面产生深远的影响,你最终会让电子一遍又一遍地流入和流出,无缘无故地无用地储存能量。因此,即使能量返回电路,您仍然会以电流流动的形式遭受损失,但它没有做任何工作。真的,

永远不要忘记这个重要的概念,所有这一切最终都只是一种不同的抽象方式来看待或建模一个真实的物理过程,它的核心实际上非常简单。能量的存储,并且有两个不同的领域可以存储它。从这个概念,其他一切都可以推导出来。

当您有一个复杂的负载时,它的相关功率可以用一个复数建模:

$$S = P+jQ$$

其中 S 是复功率,通常以 VA 为单位,P 为有功功率,以 W 为单位,Q 为无功功率,以 VAR 为单位。

正如操作所指出的,唯一的“有用”功率是实际功率 P,因为它是负载中唯一可以做有用功的耗散功率。

但是如何为负载供电呢?

假设您有一个纯电容负载和一个正弦电源,您需要确定从电源到电容器的导体尺寸。你计算真正的力量,它是零!你用很细的电线来连接盖子,然后……砰,它们蒸发了。发生了什么?

无功功率 Q,即使没有耗散,也必须从负载传输到负载,并且在确定输电线路的所有组件尺寸时必须将其考虑在内。由于通常\$P\neq0\$,功率工程师使用视在功率来确定电力线的大小,即S 的大小,或\$\sqrt{P^2+Q^2}\$。

为了回答您的问题,Q 在物理上表示在电源和负载之间持续“反弹”的功率,它是确定导体、变压器、开关和构成电源线的所有部件的基础。

“无功功率”是调和交流系统中电压乘以电流不是平均功率这一事实的几种可能方法之一。

rms(V) x rms(I) 不是 ave(V x I) 的原因是相移。当 V 和 I 具有相同相位时,则 rms(V) x rms(I) 为 ave(V x I),即传递的功率。随着 V 和 I 之间的相位增加,传递的功率下降,而 rms(V) 和 rms(I) 保持不变。

这可以通过跟踪相位角、将 V 或 I 视为移相器或分别处理 0° 和 90° 部分来解决。

无功功率基本上是一种记账方法,分别占电流的 0°和 90°分量。由于电压和电流的相移仅相对于彼此,您可以选择一个作为参考,并考虑另一个相对于该参考的相移。在无功功率方案中,电压是参考,电流相对于电压发生相位偏移。

请注意,电流的相移可以表示为角度,或等效地表示为 0° 和 90° 分量。有功功率是电压乘以 0° 电流分量,无功功率是电压乘以 90° 电流分量。

你是对的,无功功率实际上并没有提供任何功率。令人困惑的是应用了“权力”这个词。将其称为“无功 VA”可能更准确,但无论对错,业界已经将“无功功率”一词融合在一起。

这种簿记方案有一些有用的特性。通过分别考虑和计算有功功率和无功功率,可以更容易地分别处理它们。例如,电容器是无功发电机。乍一看这可能听起来很奇怪,但一旦你接受了无功功率的定义,那就是电容器。请注意,电感器因此是无功功率消耗者。电网通常看起来有点感应,所以“无功功率”被定义为正向这个电感供电。

无论使用何种簿记约定,电容器确实可以抵消由电感器引起的相移。在处理电网时,“无功功率”簿记方法已被证明可用于快速评估正在发生的事情以及抵消无功负载所需的内容。

例如,您可以将情况描述为 101.5 MVA 和 10° 滞后相位,或者您可以将其描述为 100 MW 有功功率和 17.4 MW 无功功率。两者在数学上是相等的。但是,在电力公用事业领域处理这种情况时,后者通常是更直接有用的表达方式。

考虑无功功率的最简单方法是意识到某些类型的负载将花费每个周期的一部分从线路中获取超出其将使用的能量,然后花费每个周期的另一部分来提供多余的能量回来如果负载由电阻器、电感器和电容器组成的无源网络组成,那么只要瞬时功率的无功分量为正,设备就会吸收最终返回的能量,而当无功分量为负时,设备将吸收能量。将返回之前存储的能量。