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  接觸過(guò)交流電的，我想，對(duì)“無(wú)功”這個(gè)詞都不陌生吧?但能真正理解“無(wú)功”的人有多少，就不得而知了，想來(lái)也是不多的。今天，我就來(lái)給大家捋捋“無(wú)功”的那些細(xì)枝末節(jié)吧。

  相對(duì)于把無(wú)功功率理解為“無(wú)用的功率”，我更傾向于把它理解為“無(wú)耗能的功率”。無(wú)功功率，可以說(shuō)是一個(gè)功率，但不完全是功率，它區(qū)別于有功功率，與耗能無(wú)關(guān)。

  在正弦交流電路中，無(wú)功功率與電感、電容有直接關(guān)系。所以，在理解無(wú)功功率之前，我們有必要了解一下功率的含義，以及在交流電路中電感元件和電容元件的功率情況。

  一、相關(guān)功率的定義

  不管是熱能、電能、機(jī)械能等，凡是涉及到能量的變化(做功)，基本都離不開(kāi)功率的分析。功率表示能量消耗(能量變化)的快慢，這就好比跑步，把位移類比為能量變化，跑步速度就是功率，跑得越快，相同時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)距離就越大。

  如果以能量變化畫一條曲線，如下圖1-1所示，那么這條曲線上各點(diǎn)的斜率(即該點(diǎn)切線的斜率)就代表各點(diǎn)的功率。

  圖1-1

  如圖1-1所示，隨著能量的變化，曲線的斜率也是變化的，換言之，其功率也是隨時(shí)間變化的，這個(gè)變化的功率，就是瞬時(shí)功率。

  在電路中，電功率有時(shí)也用瞬時(shí)功率表示，其大小等于該時(shí)刻的電壓與電流乘積，即p=ui(三者均用小寫字母表示)，單位為“瓦特[W]”。顯然，瞬時(shí)功率等于瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流，它們都是瞬時(shí)值。

  瞬時(shí)功率的理解其實(shí)很簡(jiǎn)單，例如在0時(shí)刻的瞬時(shí)功率為10W，表示該時(shí)刻電能的消耗速度為10焦耳每秒(10J/s), t1 時(shí)刻的瞬時(shí)功率為25W，表示此時(shí)電能消耗的速度為25焦耳每秒(25J/s)。

  實(shí)際上，計(jì)量用表計(jì)上的功率、家用電器上標(biāo)定的功率指的都是平均功率，它是瞬時(shí)功率的平均值，用大寫字母“P”表示，單位也是“瓦特[W]”。

  根據(jù)功率的定義，電能量W=pt ，類似于跑步距離等于跑步速度乘以時(shí)間。如果以瞬時(shí)功率變化畫一條曲線，那么該曲線與橫軸(時(shí)間軸)圍成的面積就表示能量變化，如下圖1-2所示。

  圖1-2

  如圖1-2所示，若某部分電路端口的瞬時(shí)功率隨實(shí)際變化，它與時(shí)間橫軸圍成的面積有正有負(fù)。在0~t1 時(shí)間段，瞬時(shí)功率為正值，所以該部分電路的能量變化為正(面積為正值)，即吸收能量;在t1 ~t2 時(shí)間段，瞬時(shí)功率為負(fù)值，所以該部分電路的能量變化為負(fù)(面積為負(fù)值)，即釋放能量。

  當(dāng)然，如果要計(jì)算從0~t2 時(shí)間段的平均功率，那么就要把所有能量變化相加(吸收能量為正，釋放能量為負(fù))，再除以時(shí)間，即P=W總 /t 。這就好比求跑步的平均速度，要先求出總位移(往前跑為正，往回跑為負(fù))，再除以時(shí)間。

  看到這里，我相信大家對(duì)瞬時(shí)功率和平均功率都有了比較清晰的理解，在此基礎(chǔ)上，我們?cè)賮?lái)分析一下正弦交流電路中電感元件和電容元件的功率是怎樣的。

  二、交流電路中感元件和電容元件的功率

  在正弦交流電路中，理想的電感元件和電容元件都是儲(chǔ)能元件，即是非耗能元件。所謂“非耗能”，是指在任一周期內(nèi)，電感元件和電容元件從電源側(cè)所吸收的能量和 為零。那么，它為什么是零呢?希望在看了接下來(lái)的內(nèi)容后，你能給出自己的一份答案。

  1、交流電路中電感元件的功率

  在交流電路中，電感元件的電壓相位超前電流相位90°，它們的波形圖如下圖1-3所示。綠色波形圖表示電壓 u ，藍(lán)色波形圖表示電流 i 。

  圖1-3

  在圖1-3中，電壓相位超前電流相位90°，如果看不出怎么超前的，可以這樣理解：橫軸為時(shí)間，隨著時(shí)間的變化，在180°區(qū)間內(nèi)，電壓波形先達(dá)到最大值，電流后達(dá)到最大值，兩個(gè)最大值的跨度為90°;或者說(shuō)，電壓先達(dá)到過(guò)零點(diǎn)(斜率為正)，電流后達(dá)到過(guò)零點(diǎn)(斜率為正)。

  電感元件中，瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流波形圖已知，由于瞬時(shí)功率p=ui ，可以得出電感元件的瞬時(shí)功率波形如圖1-3中的紅色曲線所示。其實(shí)這個(gè)功率是有一個(gè)計(jì)算過(guò)程的，但比較復(fù)雜，我就不再展開(kāi)講解了，大家感興趣的可以去補(bǔ)一下三角函數(shù)的知識(shí)。

  把圖1-3中電感元件的瞬時(shí)功率波形圖單獨(dú)顯示，如下圖1-4所示。可以看到，電感元件的瞬時(shí)功率按正弦規(guī)律變化，是一個(gè)周期量。

  圖1-4

  結(jié)合上文提到的能量與功率曲線的關(guān)系，從圖1-4中也可以看到，電感元件在一個(gè)功率周期內(nèi)，會(huì)從電源吸收能量(正半面積)，也會(huì)對(duì)電源釋放能量(負(fù)半面積)，由于曲線的對(duì)稱性，正半面積的大小恰好等于負(fù)半面積，這表明，電感元件所吸收的能量全部又釋放回去，一點(diǎn)都不留。這就是電感元件的非耗能特性，電感元件只和電源之間進(jìn)行能量交換，而不會(huì)像電阻元件那樣把電能轉(zhuǎn)化為熱能、光能等從而消耗掉。電感元件的這種吸收能量又釋放能量的特性稱為儲(chǔ)能特性。

  基于圖1-4，我們可以計(jì)算一下電感元件的平均功率，基于其瞬時(shí)功率的周期性，每一個(gè)周期的能量變化過(guò)程都是一樣的，所以我們?nèi)稳∫粋€(gè)周期計(jì)算即可。

  其實(shí)，不用計(jì)算，我想大家也知道，電感元件的平均功率為0。因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，電感的總能量變化為0(吸收又釋放)，所以平均功率如下圖1-5所示。

  圖1-5

  2、交流電路中電容元件的功率

  在交流電路中，電容元件的電流相位超前電壓相位90°，它們的波形圖如下圖1-6所示。綠色波形圖表示電壓 u ，藍(lán)色波形圖表示電流 i 。

  圖1-6

  根據(jù)電容元件的瞬時(shí)電壓波形和瞬時(shí)電流波形，可以得出電容元件的瞬時(shí)功率波形如圖1-6的紅色曲線所示。顯然，電容元件的瞬時(shí)功率也是一個(gè)周期量。

  那么，電容元件的平均功率是多少，應(yīng)該不用我說(shuō)了吧?沒(méi)錯(cuò)，也是零。

  既然電感元件和電容元件的平均功率都為零，而工程計(jì)量中的功率卻又是平均功率，那么，電感元件和電容元件與電源之間的能量交換就不能用平均功率來(lái)體現(xiàn)，這又該怎么辦呢?這個(gè)問(wèn)題就由無(wú)功功率來(lái)解答。

  三、無(wú)功功率

  為了表示電感元件和電容元件與電源之間的能量交換情況，把它們的瞬時(shí)功率最大值定義為無(wú)功功率，如下圖1-7所示，我們以電容元件為例。

  圖1-7

  圖1-7所示的電容元件的瞬時(shí)功率波形圖中，其瞬時(shí)功率的最大值即為電容元件的無(wú)功功率，用字母Q表示，單位為var[乏]，它表示電容元件與電源之間能量交換的最快速度(因?yàn)楣β时硎灸芰孔兓目炻?。

  在數(shù)值上，這個(gè)瞬時(shí)功率最大值恰好等于電容元件的電壓有效值乘以電流有限值，即Q=UI 。這其實(shí)是有一個(gè)數(shù)學(xué)計(jì)算的推導(dǎo)過(guò)程的，在此我也不再展開(kāi)分析，大家感興趣的，還是去看一下三角函數(shù)的相關(guān)知識(shí)吧。同理，電感元件的無(wú)功功率也等于電感元件兩端的電壓有效值乘以其電流有效值。

  回到上文的那句話，大家知道我為什么說(shuō)“無(wú)功功率”是一個(gè)功率，但又不完全是一個(gè)功率了吧?因?yàn)橐环矫嫠硎玖藘?chǔ)能元件與電源之間能量交換的最快速度，這是功率，但另一方面它并不表示儲(chǔ)能元件的耗能特性，所以它又不是功率。

  所謂“無(wú)功”，其實(shí)就是無(wú)耗能，不把電源的能量花出去，但又確確實(shí)實(shí)吸收了電源的能量，即使它又還回去了。

  圖1-8

  另外，大家仔細(xì)觀察我給出的電感元件和電容元件的電壓電流，可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)它們是用一個(gè)電流，也就是說(shuō)，我們可以把此時(shí)的電感元件和電容元件當(dāng)串聯(lián)處理，然后對(duì)比它們的瞬時(shí)功率曲線，如上圖1-8所示。這表明，當(dāng)電感元件和電容元件串聯(lián)時(shí)，它們與電源的能量交換過(guò)程相反，即當(dāng)電感元件吸收能量時(shí)，電容元件釋放能量。

  某一端口電路中，若同時(shí)存在電阻、電感、電容，其總的瞬時(shí)功率曲線如圖1-9所示。為了同時(shí)呈現(xiàn)電阻所消耗的功率、電感與電容所交換的功率，并作出區(qū)別，把電阻元件消耗的平均功率稱為“有功功率”，其值等于端口電壓與電流的余弦值。把電感、電容看作一個(gè)整體，它們與電源之間能量交換的總無(wú)功功率稱為該一端口的無(wú)功功率，其值等于端口電壓與電流的正弦值。

  圖1-9

  關(guān)于有功和無(wú)功為什么是余弦和正弦，這也是一個(gè)計(jì)算的推導(dǎo)過(guò)程，我在此也不再展開(kāi)闡述。那么，這次的分享就到這里啦!

(技成培訓(xùn)網(wǎng)原創(chuàng)，作者：楊思慧，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載，違者必究)

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