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如何理解有功功率与无功功率?



文章发布时间:2015/5/26 12:19:57



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如何理解有功功率与无功功率?在交流电路中,由电源供给负载的电功率有两种;一种是有功功率,一种是无功功率。

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:5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能,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的交换,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功,而是转变为其他形式的能量。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40瓦的日光灯,除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外,还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功,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。为了形象地说明这个问题,现举一个例子:农村修水利需要开挖土方运土,运土时用竹筐装满土,挑走的土好比是有功功率,挑空竹筐就好比是无功功率,竹筐并不是没用,没有竹筐泥土怎么运到堤上呢?

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)降低输、变电设备的供电能力。
(3)造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。
(4)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。

从发电机和高压输电线供给的无功功率,远远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。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。


答友:我来说个俗一点的解释,楼主理解就好了。交流电通到电炉子上,电能就变成热能跑掉了,这是纯电阻电路,电能做了有益于我们的事情,广大群众表示欢迎,我们称这为有功。电能通到线圈上或者电容上,貌似木有产生什么有益举动,我们称这为无功。
好吧,既然无功,那是否无用?马克思说要辩证的看问题,无功的用处是大大的,是我们看不见的隐蔽战线。电动机的励磁线圈,变压器的线圈都是无功消耗大户,电流这线圈里产生了磁场,没了无功,这些设备如何运转?不但不能消灭无功,我们甚至还要补偿我们用掉的无功。
我们再用向量来解释无功补偿这个问题。交流电包括了电流量和电压量,这二位在出门前速度和方向都是一样的。两个人遇见了电炉子这等纯电阻元件,毫不畏惧,携手走过。后来走着走着遇见了电感这个恶人,电流惧怕电感(右手螺旋法则学过哇,电流通过电感线圈产生了磁力),电压表示毫无压力的通过。此时二人就有了差别,电流比电压落后了,表现就是电流滞后,向量图表示上差了一个φ。好吧,此时二人还是向前走,遇见了电容大侠,电压表示惧怕,电流表示毫无压力(电容是通交流阻直流),此时由于电压被电容绊了一下脚,电流顺利的追赶上了电压的步伐,二者的差别缩小。我们的用电设备中,电感类设备很多!别告诉我你列举不出来,好吧,还是我来列举。比如:每个工厂几乎都有的电动机,它的线圈部分就是纯电感。还有我们常常看见的变压器,甚至是家里的灯管等等。这些用电设备大大的阻碍了电流的步伐,所以大型工厂都要求安装无功补偿设备,其实也就是安装电容,目的是要把电流和电压所差的相位角补回来。


答友:有功功率用于做功,将电能转换为机械能;无功功率用于产生磁场,目的是电场和磁场的交换。


答友:有功功率与无功功率
电能做功,是电压和电流同时作用的结果。这个功就叫电功率,在计算上电功率等于电压与电流的乘积,P=U*I 。
对于直流电来说电压与电流是同步的。所以对于直流电只存在有功功率。
对于交流电来说就不一样了,当电路中有电容或电感元件时,电流与电压就不同步了,对于电容性电路来说,电流超前于电压;对于电感性电路来说,电流滞后于电压。由于电流和电压不再是同步运动,就会出现下列四种情况:
1、 电流和电压同时为正值;
2、 电流为负值电压为正值;
3、 电流和电压同时为负值,
4、 电流为正值而电压为负值。
计算电功率是电压与电流的乘积,P=U*I。
当电流和电压同时为正值或同时为负值时,计算结果为正值,说明电源做功;
当电流和电压其中一个为负值时,计算结果为负值,说明电路向电源做功(电路将储存的能量回输到电源)。所以,电源做功称为有功功率,电源做负功称为无功功率。在计算中电压与电流的相位差为功率因数角ψ
有功功率P=U*I*COSψ
无功功率P=U*I*SINψ
视在功率S=U*I


答友:这个玩意很有意思。总的来说,是,咳咳。。。
如果电流的相位和电场相同,那么就是有用功。这时候电子的跃迁是实过程;
如果电流的相位和电场不同,那么这个功是随时间震荡的。一个周期内,有正有负,积分之后是0。实际上可以理解为电子首先吸收光子,跃迁到一个“虚态”上,然后立马跃迁下来,把能量又还给了电场。这是一个虚过程,又叫做参量过程(parametric process)。
同样的,这个过程也可以从场的角度来解释。电流产生磁场;如果电流和电场相位差pi,那么磁场和电场相位就相同。具体地,如何从物理电磁理论推理到电路中的reactance之实虚,可以参看jackson的经典电动力学教材。理论的海洋无穷大, 务必不断求索啊。


答友:看了这么多回答,大部分都说出了有功功率(Real Power)和无功功率(Reactive Power)的区别,很多答案还用了形象的比喻,甚至还有 @曾博答案中趋近微观本质的解释。但是,对于有功功率和无功功率确切的定义由来,和数学表达,以及背后到底反映了什么物理意义,私以为还没有答案给出明晰的回答。而@by wang的答案确实提到了重要的一点:关于有功功率和无功功率的定义还是存在很多种描述,尤其是非正弦的情况,或者是三相网络中负载不对称的情况下。

1. 正弦电压、电流下的功率
设网络端口瞬时电压u=\sqrt{2} Ucos\left( \omega t+ \varphi _{1}  \right) ,其中U为电压有效值;
网络端口瞬时电流i=\sqrt{2} Icos\left( \omega t+\varphi _{2}  \right) ,其中I为电流有效值。
则瞬时功率
p=ui
=2UIcos\left( \omega t+\varphi _{1}  \right) cos\left[\omega t+\varphi _{1}+\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)   \right]  =2UI\left[ cos^{2} \left( \omega t+\varphi _{1}  \right) cos\left( \varphi_{2}-\varphi _{1}  \right)-cos\left( \omega t+\varphi _{1}  \right)sin\left( \omega t+\varphi _{1}  \right)sin\left( \varphi_{2}-\varphi _{1}  \right)\right]
=2UI\left[ \frac{1+cos\left( 2\omega t+2\varphi_{1} \right) }{2} cos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) -\frac{sin\left( 2\omega t+2\varphi_{1} \right) }{2} sin\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) \right]
=UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) \left[ 1+cos\left( 2\omega t+2\varphi_{1} \right) \right] -UIsin\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)sin\left( 2\omega t+2\varphi_{1}  \right)

瞬时功率为正,表示该瞬间网络从电源吸收功率;瞬时功率为负,表示该瞬间网络向电源发出功率。瞬时功率一个周期的积分\int_{0}^{ \frac{2\pi}{\omega } } pdt=UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) T,其中T为周期,表示网络在一个周期内从电源吸收的净功率。由于一般考虑的都是无源网络,即网络中没有电源,都是消耗功率的原件,如电阻,所以\left| \varphi_{2}-\varphi_{1} \right| \leq \frac{\pi}{2} ,即瞬时功率一个周期内的积分总为正。而一个周期的平均功率为UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) ,这就是我们定义的有功功率。当\varphi_{2}-\varphi_{1}=0,即纯电阻网络时,平均功率达到最大,为UI

我们规定,有功功率P为网络一个周期内吸收的平均功率,即P=UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)
我们把UI定义为视在功率,即S=UI它反映了平均功率或者说有功功率的最大值,表示网络吸收功率的能力。
而把无功功率Q定义为Q=\sqrt{S^{2}-P^{2} }=UIsin\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)

有趣的是,我们发现,上面瞬时功率公式的第一项永远为正,是不可逆分量,第二项为正弦分量,其幅值恰好为无功功率。有不少文献说,由于第一项是不可逆的,而第二项是正负交替变换,一个周期内的积分为0的,所以第一项反映了网络的瞬时有功功率,第二项反映了网络的瞬时无功功率。我并不这么认同。其实,第一项并不一定是网络中实际有有功原件(电阻)瞬时功率的总和。简单地看,第一项有为0的时刻,而网络中有功原件的瞬时功率和可能总不为0。同理,第二项也与无功元件(电感、电容)中实际与电源交换的功率无直接关系。而上面不少文献所说的物理意义,只在网络等效为一个电抗原件时候才能对应。所以说,从网络端口得出的公式,有时是不能反映网络内真实的物理情况的,只能反映等效情况。因为我们只能观测网络每一时刻从电源吸收的净功率。

我们继续对上式变换:
p=UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) +UI\left[ cos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) cos\left( 2\omega t+2\varphi_{1} \right)-sin\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right)sin\left( 2\omega t+2\varphi_{1} \right) \right]
=UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right) +UI\left[  cos\left( 2\omega t+\varphi_{1}+\varphi_{2} \right) \right]

我们发现,瞬时功率等于常数UIcos\left( \varphi_{2}-\varphi_{1} \right),即平均功率加上一个二倍于电源频率的正弦分量,幅值为UI

2. 非正弦电压、电流下的功率

对于非正弦系统,无功功率一直没有达成共同的、广泛的、令人接受的定义。[1] Budeanu率先把正弦情况下的定义扩展到非正弦情况下。但1931年,Fryze首先对他的定义提出了异议。此后对于非正弦系统的无功功率一直争论不休,但Budeanu的定义在一定程度上被大众广泛接受,成为经典的无功定义,已写入ANSI/IEEE标准1459-2000。他指出,无功功率为每次谐波分量无功功率的总和:
Q=\sum_{1}^{\infty}{U_{n}I_{n}sin\theta _{n}}

(坑还很大,我慢慢填......)

以上答案有自己的分析和理解,如有不妥之处,烦请大神交流指正。显示全部


答友:电流和电压在电网中都是正弦交变的,在这个背景下我们将功率分为有功和无功,依据是电压和电流的相位关系。相位的概念会在最后举例解释。

电压电流相位完全相同时,电能完全是有功;电压电流相位相差九十度时,电能完全是无功。可以理解为:有功功率,即电压电流同相位,电能是实实在在被消耗的,有可能用于照明,可能用于其他,总之是被消耗掉了,不会再回到电网中去。相位相差九十度时,电能实际上是没有被消耗的,而是在电网和原件中交换。这个时刻原件吸收了电网的功率,下个时刻就反馈到电网中,这里就是无功功率。无功功率不是实际消耗的功率,它是在电路中不断在各个原件之间被来回交换的功率。无功功率的判定方法就是流过原件的电压和电流的相角。

更进一步,我们将电流相位滞后电压的无功功率定义为正,即感性;将电流相位超前电压的无功功率定义为负,即容性。正负不是说一个原件一直发出或者吸收功率,而是一个时刻,这个原件发出无功功率的时候,另一个原件正好在吸收,他们在时间上正好是相反的。 感性无功功率,在电路中由电感性元件发出,如线圈等,以磁场能的形式储存、交换;容性无功功率,在电路中由容性元件发出,如电容器,以电场能的形式储存、交换。由此可见,电场能和电磁能是储存无功功率的两种形式。

举例来说,一个电感线圈,在0~1s时间内吸收了电网的无功功率,并以磁能形式储存;在1~2s的时间内将储存的能量反馈给电网,发出了无功功率。理解有无功的精髓,是建立电网电压电流“交变”的概念。

实际的电网中,功率很少是纯有功或者纯无功的,一般是有功无功并存。这就说明电网的一部分能量是实实在在被消耗了,还有一部分是在各个元件之间交换,这两种能量都是必要的

最后解释一下相位的概念。正弦量的值是随时间的变化而变化的,我们还是举例来说,假设电压电流都是正弦量:
电压:0~1s为正,1~2s为负;电流:0~1s为正,1~2s为负。 相位差:0度; 功率:有功。
电压:0~1s为正,1~2s为负;电流:0~0.5s为负,0.5~1.5s为正,1.5~2s为负。 相位差:90度; 功率:纯无功,感性。
电压和电流都是正弦的,且随着时间的变化,电压电流的值都有可能是正,有可能是负,那么问题是如何知道在任意时刻电压电流的值谁为正谁为负?这样就引入了相位的概念。相位就是相同时间基准下电压波形和电流波形相对位置关系的一个参考。相位的作用是刻画出任意时刻电压和电流谁正谁负,以及各是多少。


答友:电气小混混来个通俗版的
「有功」与「无功」就像「上班」与「加班」是一样一样的^^
「有功」就像「正常上班时间」,干了活就有钱;
「无功」就像「加班时间」,干了活也没钱,干了也白干,还不能不干!!
知友 @孟湿湿 又补充了一条「而且加班加多了会影响到正常上班的效率!」
非常贴切形象哈^^


答友:这个答案如何?


答友:这么说吧,有功和无功就相当于是船和水。有功是船,无功是水,船要航行,必须要有水,但是水过多和水过少都对航行不利。有功的主要作用是做功,包括发热(灯泡,电炉),无功的主要作用就是建立电磁场。理想状态下,是要有功无功都要达到平衡,即P1=P2,Q1=Q2


答友:有功功率指电能传化成内能的功率(电阻发热)
电源提供的能量还有一部分以电场能(在电容处)储存起来,或者用来建立和维持磁场(在电感处)。这部分能量可用无功功率来描述。


答友:功率分为:视在功率,有功功率,无功功率。
视在功率也称为容量(备用功率),包括有功功率和无功率。
有功功率就是我们通常所说的功率,它直接作用于能量转换。
无功功率不做功,但在电机的运行中是不可缺少的,它用来建立磁场。
可以理解为:一个人去挑土从一个地方运输到另一个地方(功率转化),土就是有功功率,筐子就是无功功率,筐子是工具,少了筐子我们无法运输土。


答友:我个人觉得理解有功和无功从能量的角度更好。
首先说一下功率的概念:功率就是单位时间内转化或转移的能量。通俗来说就是能量转化或转移的速度。

而有功功率就是电能转化为其他形式能量(如机械能、热能等)的速度;无功功率是电能转为磁能的速度。


答友:

形象地说吧:对于电力系统里面的有功和无功,就像海中轮船的动力和浮力:我们需要动力,把船运向目的地,所以动力是“有用”的;浮力在运输过程中没有起到啥作用,但是没有浮力,轮船也是无法行驶的。就像无功作为电力系统中的节点电压支撑一样。

有功:将电能转化为机械能or热能,我们能够直观的感受到;

无功:将电能转化为电磁能,储存在电抗器or电容器中,或者消散在电介质中。

任何电流(直流or交流)都有损耗,都包括电阻的热损耗与电抗的磁场损耗,只不过高中简单的理想电路中,只考虑电阻罢了。


谢谢各位,这是我大学及工作多年来,自己的总结。如果有用,大家给捧捧场。谢了!


答友:最近电工学正好学到:
在低昂元件的交流电路中,没有能量消耗,只有电源与电感元件的能量互换。这种互换的规模用无功功率表示。
这能理解吧……反正我都理解了,题主看着办


答友:做个搬运工,搜索引擎可以很方便搜到:



什么叫有功功率、无功功率和视在功率?三者单位是什么?三者关系如何确定?
作者:中国电力资料网 文章来源:本站原创 更新时间:2008年07月25日

内容预览
有功功率又叫平均功率。交流电的瞬时功率不是一个恒定值,功率在一个周期内的平均值叫做有功功率,它是指在电路中电阻部分所消耗的功率,对电动机来说是指它的出力,以字母P表示,单位为千瓦(kW)。
无功功率:在具有电感(或电容)的电路里,电感(或电容)在半周期的时间里把电源的能量变成磁场(或电场)的能量贮存起来,在另外半周期的时间里又把贮存的磁场(或电场)能量送还给电源。它们只是与电源进行能量交换,并没有真正消耗能量。我们把与电源交换能量的振幅值叫做无功功率,以字母Q表示,单位干乏(kvar)。
视在功率:在具有电阻和电抗的电路内,电压与电流的乘积叫视在功率,以字母S或符号
Ps表示,单位为千伏安(kVA)。
有功功率、无功功率、视在功率三者关系可以用功率三角形表示
(见图):


答友:有功是水,无功是水桶,要想效率的把水运到目的地,就要尽可能减小水桶的质量。水÷(水+水桶)=功率因数


答友: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:5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能,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。有功功率的符号用P表示,单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。

无功功率比较抽象,它是用于电路内电场与磁场的交换,并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功,而是转变为其他形式的能量。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40瓦的日光灯,除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外,还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功,才被称之为“无功”。无功功率的符号用Q表示,单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

配电网中的电感性电气设备如变压器、电动机、电焊机、空调器、洗衣机、电冰箱、钠灯、日光灯等投入运行后,不仅要从电力网中吸收有功功率用于做功,而且还要吸收无功功率建立磁场,这样就导致电力客户的自然功率因数一般都比较低。我国对电力客户的用电,规定了必须达到的功率因数标准。
他们就是一个功率三角形

P=S?cos?= √3UIcos?
Q= S?sin?= √3UIsin?
S=√3UI
有功功率常用单位为瓦或千瓦,无功功
率为乏或千乏,视在功率为伏安或千伏
安,相位角?为有功功率与视在功率的夹
角,称为力率角或功率因数角,cos?表示
有功功率P和视在功率S的比值,称为力
率或功率因数。

在感性电路中,电流落后于电压,?>0,Q为正值,而在容性电路中,电流超前于电压,?


答友:我所看到的文章里对无功功率和有功功率的定义还是存在很多种描述的,不能一概而论。
但是对功率的描述应该是确定的,瞬时功率p=ui。
就个人来看所谓有功即是电力电子设备的损耗加上输出的能量。无功就是电力电子设备在运行过程中电容和电感互相不停交换的能量。同样的,对于更大的系统也是一样的。
当考虑实际电路时,考虑线路的分布电容电感,以及电容电感的串联电阻。无功电流的出现就会造成不希望的发热种种影响,最终影响设备的稳定工作。


答友:有功的意思应该是能量用出去了,不一定是机械能,也可以是电阻发热等。
对照有功的理解,那么无功的意思应该是:能量没用出去,只是在电容、电感和电源之间不断的进行能量交换。但是能量还在。
最后:
瞬时功率上看,有功功率的瞬时功率在任何时刻均大于0;无功功率的瞬时功率则有正有负且平均值为0。


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