正弦交流电路的瞬时功率、平均功率与功率因数、功率三角形、视在功率、无功功率
电路原理3章 正弦交流电路的功率
UI cos [1 cos 2t] UI sin sin2t
Q UI sin 单位:乏 (var)
Q UI sin I 2 X
感性电路： Q > 0
容性电路： Q < 0
I
U
+
U X U
UR _
R jX
+ U_ R _+U X
视在功率、无功功率、平均功率关系：
电感在一个周期内吸收的平均功率 为：
P 1
T
pdt
1
T
UI sin 2tdt 0
T0
T0
电感是储能元件，不消耗能量，但是在某一
时间段内，它从外部电路吸收功率。
电感瞬时功率的最大值，定义为电感的无功
功率QL：
电感无功功率：QL UI
I2 XL
U2
XL
单位:乏 (var)
3.7.1.3 电容元件的功率
(1) 视在功率(apparent power)
•
Ii
一端口网络电压有效值与
电流有效值的乘积
Z
S UI 单位:伏安 (VA)
+
•
U
u
-
无 源 网 络
S UI Z I 2
注： SN＝UN IN 称为发电机、变压器 等供
电设备的额定视在功率，表示其容量。
(2) 无功功率(reactive power)
并联电容器是电网中用得最多的一种无功功 率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无 功补偿设备是并联电容器。
可以串电容吗？
串联电容器补偿，现在主要应用于超高 压、大容量的输电线路上，例如，山西大同 至北京的500kV输电电线路全长300km,加装 了串联电容补偿后,电网线损降低，电压质 量改善，电网运行的稳定性得到加强，而且 输电能力提高30%以上。
《电工技术》课件 正弦交流电路的功率
P
1 T
0T
pdt
1 T
0TUI[cos
cos(2t
)]dt
UI
cos
P UI cos
单位为瓦（W）
u 与 i 的夹角，即阻抗角
= cos 称为功率 因数，用来衡量对电
源的利用程度。
一、一般计算公式
3.无功功率
Q UI sin 单位为乏（Var）
4.视在功率：电路中总电压与总电流有效值的乘积，表示用电设备的容量。
（3）视在功率： S UI
S
Q
φ
功率三角形
P
S UI 单位为伏安（VA）
注： SN＝UN IN 称为发电机、变压器 等供电设备的容量，可用来衡量发电机、变压器可能提供的最大有 功功率。
• 注意 （1）平均功率P、无功功率Q和视在功率S的关系
S2 P2 Q2
（2） P、Q、S 都不是正弦量，不能用相量表示。
S
Q
功率三角形
S PQ P
二、几种特例电路的功率计算
（3） R、 、X L X C
解：
（1）根据电压三角形，求得总电压
U UR2 (UL UC )2 152 (60 80)2 25V
（2）电路中只有电阻是耗能元件，因此电路有功功率就是电阻消耗的功率。
P U R I 151 15W Q QL Q C ULI (UC I ) 20Var S UI 251 25VA
（2）无功功率： Q UI sin
因为电路中只有电感元件和电容元件有无功功率，因此无功功率又可以用公式：
Q QL Q C ULI (UC I )
I2XL I2XC
U
2 L
UC2
XL XC
什么是有功功率、无功功率、视在功率、功率三角形及三相电路的功率如何计算
什么是有功功率、无功功率、视在功率、功率三角形及三相电路的功率如何计算-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1什么是有功功率、无功功率、视在功率及功率三角形三相电路的功率如何计算什么是有功功率、无功功率、视在功率及功率三角形三相电路的功率如何计算一、有功功率在交流电路中，凡是消耗在电阻元件上、功率不可逆转换的那部分功率（如转变为热能、光能或机械能）称为有功功率，简称“有功”，用“P”表示，单位是瓦（W）或千瓦（KW）。
它反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小，或单位时间内转变为其它能量形式的电能数值。
实际上它是交流电在一个周期内瞬时转变为其他能量形式的电能数值。
实际上它是交流电在一个周期内瞬时功率的平均值，故又称平均功率。
它的大小等于瞬时功率最大值的1/2，就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积。
二、无功功率在交流电路中，凡是具有电感性或电容性的元件，在通过后便会建立起电感线圈的磁场或电容器极板间的电场。
因此，在交流电每个周期内的上半部分（瞬时功率为正值）时间内，它们将会从电源吸收能量用建立磁场或电场；而下半部分（瞬时功率为负值）的时间内，其建立的磁场或电场能量又返回电源。
因此，在整个周期内这种功率的平均值等于零。
就是说，电源的能量与磁场能量或电场能量在进行着可逆的能量转换，而并不消耗功率。
为了反映以上事实并加以表示，将电感或电容元件与交流电源往复交换的功率称之为无功功率。
简称“无功”，用“Q”表示。
单位是乏（Var）或千乏(KVar)。
无功功率是交流电路中由于电抗性元件（指纯电感或纯电容）的存在，而进行可逆性转换的那部分电功率，它表达了交流电源能量与磁场或电场能量交换的最大速率。
实际工作中，凡是有线圈和铁芯的感性负载，它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。
如果没有无功功率，电动机和变压器就不能建立工作磁场。
三、视在功率交流电源所能提供的总功率，称之为视在功率或表现功率，在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。
正弦交流电路的功率因素
3. 感性负载提高功率因数的原理可用图说明。
并联电容
分析:
I
IC
+
R
IL
U
C
_L
1 2 I
U
IC
IL
再从功率这个角度来看 :
则电容电压为 ： uc (t)
2I
c
X
c
sin(t
2
)V
其瞬时功率为：
2U C
sin(t
2
)V
pc
(t
)
uc
(t
)ic
(t
)
2U
c
I
c
s
in(t
2
)
sin
t
Uc Ic sin 2t
uc (t)、Ic(t)、pc(t)的波形如图6-12所示。
uiCC
图 6-12 电容元件的瞬时功率
换。
电感消耗的平均功率为：
pL
1 T
T 0
pL
(t)dt
1 T
T
0 U L I L sin 2tdt 0
电感消耗的平均功率为零，说明电感元件 不消耗功率，只是与外界交换能量。
3．电容元件的功率 在电压、电流为关联参考方向下，设流过电 容元件的电流为:
ic (t) 2Ic sintA
S=UI
4、功率因素
式中 cosZ 称为二端电路的功率因素，功率因素
的值取决于电压与电流之间的相位差 Z ， Z 也
南京邮电大学电路分析基础_第7章2
率因数pf=0.5，欲并联电容使负载的功
率因数提高到0.8(滞后),求电容。
解：负载电流有效值:
P
1.1103
I
10A
U pf 220 0.5
I' I
U C
IC
感性 负载
感性负载的阻抗角: Z arccos 0.5 60 设电压相量为： U 2200 V
则负载电流相量: I 10 60 A
并联电容后，电源电流有效值:
I ' P 1.1103 6.25A U pf ' 220 0.8
由于pf’=0.8 (滞后), 因此功率因数角:
Z ' arccos 0.8 36.9
I' 6.25 36.9 A
I'
U
IC I
IC I'I 6.25 36.9 10 60 5 j3.75 - (5 - j8.66) 4.9190 A
所获最大功率：
Pmax
U
2 oc
4 Ro
最大功率传输定理：工作于正弦稳态的
网 络 向 一 个 负 载 ZL=RL+jXL 供 电 ， 由 戴
维南定理(其中 Zo=Ro+jXo)，则在负载阻
抗等于含源网络输出阻抗的共轭复数(即
）时ZL，
*
Zo
负载可以获得最大平均功率：
Pmax
U
2 oc
4 Ro
满足 ZL 的Z* o匹配，称为共轭匹配。
5、无功功率
p(t) U I cosZ U I cos(2 t Z ) U I cosZ U I cosZ cos 2t U I sin Z sin 2 t U I cosZ (1 cos 2 t) U I sin Z sin 2 t
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Active power、Reactive power、Apparent power有功功率有功功率（英语：active power，AC power）也称为实功率（R，real power）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。
正弦交流电路中的功率
六、无源单口网络端口测试
1.无源单口网络端口测试的目的
目的：得到无源电路最简等效电路中的元件参 数值。
2u )
a.电容元件瞬时功率波形如图4-44所示
图4-44 电容元件瞬时功率
Cb..电pC容>的0能，量电容元WC件吸12 C收u功2 率
pC <0，电容元件送出能量
二、平均功率和功率因数
1.平均功率：瞬时功率在一个周期内的平均值用P 表示。
P 1 T
T pdt 1
0
T
T
0 [UI cos UI cos(2t 2u ]dt
（2）电感元件
2
pL
UI
cos(2t
2u
2
)
UI
sin(2t
2u )
a.电感元件瞬时功率波形如图4-43所示
图4-43电感元件瞬时功率
b.电感元件的能量
L
1 2
Li2
C.PL>0，电感元件吸收功率
PL<0，电感元件送出功率
（3）电容元件
2
PC
UI
cos(2t
2u
) 2
UI
sin(2t
（2） 减小， cos 增大，平均功率P增大。
故P与 cos 成正比。
三、无功功率
1.无功功率：表示电路能量交换规模，用Q表示。
Q UI sin
（1）Q>0，无功功率为感性无功功率。
（2）Q<0，无功功率为感性无功功率。
电工与电子技术知识点
《电工与电子技术基础》教材复习知识要点第一章：直流电路及其分析方法复习要点基本概念：电路的组成和作用；理解和掌握电路中电流、电压和电动势、电功率和电能的物理意义；理解电压和电动势、电流参考方向的意义；理解和掌握基本电路元件电阻、电感、电容的伏－安特性，以及电压源（包括恒压源）、电流源（包括恒流源）的外特性；理解电路（电源）的三种工作状态和特点；理解电器设备（元件）额定值的概念和三种工作状态；理解电位的概念，理解电位与电压的关系。
基本定律和定理：熟练掌握基尔霍夫电流、电压定律和欧姆定理及其应用，特别强调Σ I=0和Σ U=0时两套正负号的意义，以及欧姆定理中正负号的意义。
分析依据和方法：理解电阻的串、并联，掌握混联电阻电路等效电阻的求解方法，以及分流、分压公式的熟练应用；掌握电路中电路元件的负载、电源的判断方法，掌握电路的功率平衡分析；掌握用支路电流法、叠加原理、戴维宁定理和电源等效变换等方法分析、计算电路；掌握电路中各点的电位的计算。
基本公式：欧姆定理和全欧姆定理Rr E I R U I +==0, 电阻的串、并联等效电阻212121,R R R R R R R R +=+=串串 KCL 、KVL 定律0)(,0)(=∑=∑u U i I 分流、分压公式U R R R U U R R R U I R R R I I R R R I 2122211121122121,;,+=+=+=+= 一段电路的电功率ba ab I U P ⨯= 电阻上的电功率R U R I I U P 22=⨯=⨯= 电能tP W ⨯=难点：一段电路电压的计算和负载开路（空载）电压计算，注意两者的区别。
常用填空题类型：1.电路的基本组成有电源、负载、中间环节三个部分。
2.20Ω的电阻与80Ω电阻相串联时的等效电阻为 100 Ω，相并联时的等效电阻为 16 Ω。
3.戴维南定理指出：任何一个有源二端线性网络都可以用一个等效的 电压 源来表示。
正弦电路的功率（ＰＤＦ）
今日作业：7-117-137.3 正弦稳态电路中的功率Power in Sinusoidal Steady State一、瞬时功率(Instantaneous Power)----W二、平均功率(Average Power or Active Power)----W 三、无功功率(Reactive Power)----Var 四、视在功率(Apparent Power)----VA 五、功率因数（Power Factor ）的提高六、复功率(Complex Power)----VA7.3 正弦稳态电路中的功率Power in Sinusoidal Steady State正弦稳态电路+_ui一、瞬时功率(Instantaneous Power)----WA)cos(2V cos 2ϕωω−==t I i t U u 设：tUI t UI t t UI t UI t t UI ui p ωϕωϕϕϕωϕωϕϕωϕωω2sin sin ]2cos 1[cos ]cos sin 2sin cos 2[cos )cos )2[cos()cos(cos 2⋅++=+⋅+⋅=+−=−⋅==ωti,u,p[cos(2)cos )cos [1cos 2]sin sin 2p UI t UI t UI tωϕϕϕωϕω=−+=++⋅ϕcos UI 不可逆部分可逆部分返回二、平均功率(Average Power or Active Power)----Wϕcos )(10UI dtt p T P T==∫cos ϕ−−功率因数正弦稳态电路+_U I计算平均功率的两种方法ϕcos )()(UI P P P R=∑=21RXtg iu 121−=−=ϕψψϕϕ）（）的求解：（返回三、无功功率(Reactive Power)----Var sin Q UI ϕ=计算无功功率的另一种方法XQ Q =∑返回正弦稳态电路+_U I 四、视在功率(Apparent Power)----VA22S P Q UI=+=PQSϕ功率三角形注：在工程上视在功率用来表示电源设备（变压器、发电机等）的容量，也可用来衡量发电机可能提供的最大平均功率（额定电压×额定电流）正弦稳态电路+_U I等于多少？问：此电路的功率因数，另一个负载的，，已知一个负载的)(.cos )(.cos 0850Kw 90070Kw 70222111>==<==ϕϕϕϕP P P 1cos ϕ1P 2cos ϕ21I 2I I+_U解例1问题的提出：日常生活中绝大部分负载为感性cos ϕI当U 、P 一定时，∴五、功率因数（Power Factor ）的提高P =P R =UI cos ϕ其消耗的有功功率为：R LR U LU IU +-+-+-1、线路损耗增加；2、终端负载工作电压降低，影响其正常工作；3、电源容量增加。
《电工》教案第十讲正弦交流电路的分析计算
第十讲正弦交流电路的分析计算正弦交流电路中的功率功率因数的提高及最大功率的计算时间：2学时重点和难点：正弦交流电路向量法求解；有功功率与无功功率的计算目的：让学生用向量图分析求解正弦交流电路的主要依据,掌握参考向量的选择方法，掌握用向量图分析电路的方法，能熟练应用向量法求解各类实际电路问题；让学生掌握瞬时功率、平均功率的意义和计算方法，掌握功率因数的概念、意义、计算方法，掌握引起无功功率的原因，掌握无功功率、复功率、视在功率、容量的计算方法。
教学方法：多媒体演示、课堂讲授主要教学内容：一、正弦交流电路的分析计算对于任意正弦交流电路，只要用相量表示正弦交流电路中的电压、电流，用阻抗或导纳对应直流电路的电阻或电导，所有的运算采用复数运算规则进行，计算电阻电路时的一些公式和方法，就可以完全用到正弦交流电路中来。
这就是说，运用相量并引用阻抗及导纳，正弦交流电路的计算方法可以仿照电阻电路的处理方法来进行。
正弦交流电路的分析，一种是依靠相量图来解决实际问题，这种方法称为相量图法，而把依靠列出相量方程来解决实际问题的方法称为相量解析法。
两者均属相量法的范畴，它们的依据是共同的。
1、正弦交流电路的相量图法分析计算：1）对于简单的正弦交流电路常借助于相量图进行辅助分析，这样可以直观表现出各电量之间的大小和相位关系。
画相量图时，应遵循以下几点：a、选择参考相量；b、画在同一相量图上的各电量一定是同频率的；c、依据欧姆定律及KCL、KVL的相量形式；d、单一参数R、L、C各元件电压与电流的相量关系；2）参考相量的选取原则：a、串联电路宜选用电流为参考相量，并联电路宜选用电压为参考相量；b 、对于较复杂的混联电路，应根据已知条件综合考虑。
可以选电路内部某并联部分电压为参考相量，也可以选其中某部分的电流为参考相量；或选用端电压或电流为参考相量。
例1 并联电路如图（a ）所示，用相量图定性表明各电流相量的关系。
解：并联电路宜从两端电压入手，选电压相量S U 为参考相量。
有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数要点
有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数Active power、Reactive power、Apparent power有功功率有功功率（英语：active power，AC power）也称为实功率（R ，real power）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。
正弦交流电路的瞬时功率、平均功率与功率因数、功率三角形、视在功率、无功功率
正弦交流电路的瞬时功率、平均功率与功率因数、功率三角
形、视在功率、无功功率
一、瞬时功率
电路在任一瞬间吸收的功率称为瞬时功率。
设正弦交流电路输入端口的电压与电流取关联参考方
向，它们分别为，，则
式中为电压与电流的相位差。
二、平均功率与功率因数
瞬时功率的平均值称为平均功率，也称有功功率，用 P 表示，单位
为瓦（ W ）。
根据定义可知：
可见： 1) P 是一个常量，不仅与电压、电流有效值有关，还与它们相位差的余弦有关。
2) 式中称为功率因数，通常用表示，即。
因为
，
所以。
3) 对于纯电阻来说，电压与电流同相，，；
对于纯电感来说，电压超前电流，，所以；
而对于纯电容来说，电压滞后电流，，所以。
4 ）平均功率守恒，即
三、无功功率
正弦稳态一端口电路内部与外部能量交换的最大速率定义为无功功率，用字母 Q 表示，单位
为乏。
可见： 1) Q 也是一个常量，由 U 、 I 及三者乘积确定。
2)
3 ）无功功率也守恒，即
四、视在功率
在电工技术中，把电路端口电压有效值与电流有效值的乘积称为电路的视在功率，用字母 S 表示，
单位为伏安（ VA ），即
它反映电源设备的额定容量。
* 视在功率无物理意义，不满足守恒定律。
五、功率三角形
P 、 Q 和 S 三者之间可用三角形联系起来，此三角形称为功率三
角形，如图所示。
例：已知某二端口的总电压V ，总电流
A ，
求该二端口的 P 、 Q 、 S 、及。
解：W
var
VA。
浅谈视在功率、有功功率、无功功率及功率因数在教学中的应用
浅谈视在功率、有功功率、无功功率及功率因数在教学中的应用作者：邱国强来源：《职业·中旬》2012年第07期在交流电的功率课程教学中，学生对视在功率和无功功率，特别是功率因数很难理解。
基于此种情况，谈谈笔者个人浅析，希望对学生学习理解和掌握此部分内容有所帮助。
一、视在功率我们将正弦交流电电路中电压有效值与电流有效值的乘积称为视在功率，有功功率和无功功率的几何之和（即平方和的均方根），它用来表示电气设备的容量。
关系式：视在功率的平方=有功功率的平方+无功功率的平方用符号S表示，计算单位：伏安（VA）、千伏安（kVA）。
变压器的容量是用视在功率表示。
视在功率不表示交流电路实际消耗的功率，只表示电路可能提供的最大功率或电路可能消耗的最大有功功率。
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。
二、有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。
有功功率的符号用P表示，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。
三、无功功率无功功率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。
由于它不对外作功，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)。
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。
正弦交流电路的功率
问题与讨论 功率因数补偿到什么程度？理论上可以补偿
成以下三种情况: 成以下三种情况
& IC
ϕ <0
& U
I&
& IC
ϕ =0
& U
& IC
ϕ
ϕ >0
I& U&
I& RL
呈电容性。 呈电容性。
I&
& IRL
呈电感性
I& RL
呈电阻性
cosϕ <1
cosϕ =1
cosϕ < 1
一般情况下很难做到完全补偿 （即： cos 功率因数补偿成感性好，还是容性好？ 功率因数补偿成感性好，还是容性好？ & & I 'C IC
P = U N I N cos ϕ = 600kW
而需提供的无功功率为: 而需提供的无功功率为
Q = U N I N sinϕ = 800kvar
∴ 提高 cosϕ 可使发电设备的容量得以充分利用
2. 增加线路和发电机绕组的功率损耗 设输电线和发电机绕组的电阻为 r : 要求: 要求 P = U I cosϕ (Ｐ、Ｕ定值 时 定值)时
* 复功率守恒 , 不等于视在功率守恒
& I
+
.
& U
_
& + U _
1
+
& U2
_
&& & & & S = U I * = (U 1 + U 2 ) I * & & & & = U 1 I * +U 2 I * = S 1 + S 2
《电工学》教案02正弦交流电路
7. 掌握三相四线制供电系统中单相及三相负载的正确联接方法，理解中线的作用；
8. 掌握对称三相电路电压、电流及功率的计算。
2.1 正弦电压与电流
1. 正弦电流及其三要素
随时间按正弦规律变化的电流称为正弦电流，同样地有正弦电压等。这些按正弦规律变
化的物理量统称为正弦量。
设图 2.1 中通过元件的电流 i 是正弦电流，其参考方向如图所示。正弦电流的一般表达
式为：
i (t)= I m sin(ωt+ψ)
图 2.1 电路元件
图 2.2 正弦电流波形图
它表示电流 i 是时间 t 的正弦函数，不同的时间有不同的量值，称为瞬时值，用小写字
母表示。电流 i 的时间函数曲线如图 2.2 所示，称为波形图。
I m 为正弦电流的最大值（幅值），即正弦量的振幅，用大写字母加下标 m 表示正弦量 的最大值，例如 I m 、U m 、 Em 等,它反映了正弦量变化的幅度。( t +ψ)随时间变化，称
少角度或时间，以角度表示时为ψ1-ψ2，若以时间表示，则为(ψ1-ψ2)/ω。如果两个正弦 电流的相位差为 12 = ，则称这两个正弦量为反相。如果 12 = 2 ，则称这两个正弦量为正
交。
图 2.4 正弦量的相位关系
3. 有效值
周期电流 i 流过电阻 R 在一个周期所产生的能量与直流电流 I 流过电阻 R 在时间 T 内所
从以上分析可知：
（1） 电感两端的电压与电流同频率；
（2） 电感两端的电压在相位上超前电流 90°；
（3） 电感两端的电压与电流有效值(或最大值)之比为 L。
令
X L = L =2 f L
X L 称为感抗，它用来表示电感元件对电流阻碍作用的一个物理量。它与角频率成正比。
正弦交流电路的功率因素
2
) sint
上式表明， 电感元件的 瞬时功率也 是以两倍于 电压的频率 变化的；且 pL(t)的值可正 可负，其波 形图如图 6-11 所示。
图6-11 电感元件的瞬时功率
从图上看出，当uL(t)、iL(t)都为正值时或都为 负值时，pL(t)为正，说明此时电感吸收电能并转 化为磁场能量储存起来；反之，当pL(t) 为负时， 电感元件向外释放能量。 pL(t) 的值正负交替， 说明电感元件与外电路不断地进行着能量的交 换。
图 6-13
UI [cos cos( 2 t )] u u
p ( t ) u ( t ) i ( t ) 2 U sin( t ) 2 Isin t u
UI cos UI cos( 2 t ) u u
上式表明，二端电路的瞬时功率由两部分组成， 第一项为常量，第二项是两倍于电压角频率而变 化的正弦量。瞬时功率如图6-14所示。
3. 感性负载提高功率因数的原理可用图说明。
并联电容 分析:
I
I C
+
U _
R L I L1Fra bibliotek2 I
I L
I C
U
C
再从功率这个角度来看 :
有功：UIL cos1 =UI cos2 并C后
无功：UILsin1 > UIsin2
4.有功，无功，视在功率的关系：
1．功率因数的意义
功率因数是电力系统很重要的经济指标。 它关系到电源设 备能否充分利用。 为提高电源设备的利用率， 减小线路压降及 功率损耗， 应设法提高功率因数。
2．提高功率因数的方法
提高感性负载功率因数的常用方法之一是在其两端并联电容 器。 感性负载并联电容器后， 它们之间相互补偿， 进行一部分 能量交换， 减少了电源和负载间的能量交换.
正弦电路的无功功率及视在功率
平均功率为 P = UI cos±90o）= 0
表明：
正弦稳态中，储能元件电感或电容的平均功率等 于零，不消耗能量，但和电源之间存在能量的交换作 用，即在前半个周期吸收电源的功率并储存起来，后 半个周期又将其全部释放，这种能量交换的速率用另 外一种功率——无功功率来描述。
三、复功率、视在功率和无功功率 复功率： 定义 电压相量与电流相量的共轭复数的乘积 称为复功率。其表达式为：
以上关于RLC串联电路的有功功率、无功功率、 视在功率的计算公式也适用于一般的正弦交流电路。
【例18-1】
由电阻R =30 Ω，电感L =382mH，电容C =40uF 组成的串联电路，接于电压u（t）= 100sin（314t+ 45o）V的电源上，试求：（1）电路阻抗Z；（2）电 路电流i；（3）各元件电压的相量；（4）电路的功 率P、Q、S。
电感、电容的平均功率： 此时二端网络电压与电流相位为正交关系，即 =u-i=±90o，则cos=0，则瞬时功率为 pL(t）= -UIsin（2wt +2u） pC（t）= UIsin（2wt +2u）
由上两式可以看出，电感或电 容的瞬时功率随时间按正弦规律变 化，正负值交替，一段时间内 p（t） ＞0，电感或电容吸收功率；另一段 时间内p（t）＜0，电感或电容发出 功率。
结论：
根据本题提出的发方法，可以根据各用电单位的 实际情况（功率因数的大小），在其电力线路的输入 端自动地并联适当数值的电容器来对功率因数进行自 动补偿。
本讲小结
1、正弦交流电路中不同功率有不同含义：瞬时 功率，用来表示不同时刻正弦电的功率；平均功率 （有功功率），用来表示元件的耗电情况，单位是W； 无功功率，表示储能元件与电源之间能量交换的速率， 单位是Var；视在功率，反映电气设备的功率容量， 单位是VA。 2、功率因数是正弦电路中一个非常重要的物理量。 其大小表征了电气设备功率的利用率。提高负载的功 率因数是电气工程领域一个非常重要的课题。
电工技术5正弦交流电路的功率
3-7正弦交流电路的功率
一、瞬时功率
i + u N 0
UI cos ϕ
功率因数补偿到什么程度？理论上可以补偿
成以下三种情况: 成以下三种情况
ɺ IC
ϕ <0
ɺ U
Iɺ
ɺ IC
ϕ =0
ɺ U
ɺ IC
ϕ
ϕ >0
Iɺ Uɺ
Iɺ RL
呈电容性。 呈电容性。
Iɺ
Iɺ RL
呈电阻性
ɺ IRL
呈电感性
cosϕ <1
cosϕ =1
cosϕ < 1
一般情况下很难做到完全补偿 （即： cos 功率因数补偿成感性好，还是容性好？ 功率因数补偿成感性好，还是容性好？
ɺ I
XL > R、XC > R
3-8 电路中的谐振
谐振概念： 谐振概念：
含有电感和电容的电路， 含有电感和电容的电路，如果无功功率得到完全 补偿，使电路的功率因数等于 ， 同相， 补偿，使电路的功率因数等于1，即：u、 i 同相， 便称此电路处于谐振状态。 便称此电路处于谐振状态。 串联谐振： 串联谐振：L 与 C 串联时 并联谐振： 并联谐振：L 与 C 并联时
40W日光灯 日光灯
COSϕ = 0.5
P 40 = = 0.364 A I= U cos ϕ 220× 0.5
供电局一般要求用户的 否则受处罚。 否则受处罚。
COSϕ > 0.9 ，
《电工电子技术》——正弦交流电路
dt
dt
Im sin(wt 90)
1 电压与电流之间的频率关系 电容元件两端的端电压与电流是同频率的正弦电量。
2 电压与电流之间的数值关系
最大值
Im
wCU m
Um 1 /(wC )
有效值
I wCU U U 1/(wC) X c
X c 等于电压有效值与电流有效值之比，单位为欧[姆]，称为容 抗。
计算过程请参考书本，相量图为：
2.3单一参数交流电路
2.3.1单一电阻元件正弦交流电路 一、单一电阻元件正弦交流电路电压与电流之间的关系
i
u
R
i u U m sin(wt u )
R
R
2U R
sin(wt
u
)
单一电阻元件正弦交流电路电压与电流之间有如下几种关系：
1 电压与电流之间的频率关系 在单一电阻电路中，通过电阻元件的电流与其两端电压是 同频率的正弦电量。
I Ie j i I i
I 为有效值
二、相量图
在复数平面上，用几何图形表示正弦量的相量的图，称为相 量图。
已知正弦电压： 相应的电压相量为
u 220 2 sin(wt 45)
U 22045
已知正弦电流： 相应的电流相量为：
i 8 2 sin(wt 30)
字母 T 表示，单位是秒（s）。正弦量在1秒时间内重复变化的
周期数称为频率，用小写字母 f 表示，单位为赫兹（Hz），如 果1秒钟内变化一个周期，频率是1Hz。周期与频率互为倒数关 系：
f 1 T
在我国，发电厂提供的交流电的频率为50Hz，其周期 T 0.02， 这一频率称为工业标准频率，也称工频。
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正弦交流电路的瞬时功率、平均功率与功率因数、功率三角
形、视在功率、无功功率
一、瞬时功率
电路在任一瞬间吸收的功率称为瞬时功率。
设正弦交流电路输入端口的电压与电流取关联参考方
向，它们分别为，，则
式中为电压与电流的相位差。
二、平均功率与功率因数
瞬时功率的平均值称为平均功率，也称有功功率，用 P 表示，单位
为瓦（ W ）。
根据定义可知：
可见： 1) P 是一个常量，不仅与电压、电流有效值有关，还与它们相位差的余弦有关。
2) 式中称为功率因数，通常用表示，即。
因为
，
所以。
3) 对于纯电阻来说，电压与电流同相，，；
对于纯电感来说，电压超前电流，，所以；
而对于纯电容来说，电压滞后电流，，所以。
4 ）平均功率守恒，即
三、无功功率
正弦稳态一端口电路内部与外部能量交换的最大速率定义为无功功率，用字母 Q 表示，单位
为乏。
可见： 1) Q 也是一个常量，由 U 、 I 及三者乘积确定。
2)
3 ）无功功率也守恒，即
四、视在功率
在电工技术中，把电路端口电压有效值与电流有效值的乘积称为电路的视在功率，用字母 S 表示，
单位为伏安（ VA ），即
它反映电源设备的额定容量。
* 视在功率无物理意义，不满足守恒定律。
五、功率三角形
P 、 Q 和 S 三者之间可用三角形联系起来，此三角形称为功率三
角形，如图所示。
例：已知某二端口的总电压V ，总电流
A ，
求该二端口的 P 、 Q 、 S 、及。
解：W
var
VA。