2.1.3正弦交流电路的功率、相量法一、正弦交流电路的功率(一)、瞬时功率二端网络吸收的瞬时功率tUItItUuip2coscossin2sin2(3.54)其波形如图3.44(b)所示。在一个周期里,有两段时间0p,0p。这表明二端网络与外电路往返交换能量,这是由于二端网络中含有储能元件的缘故。(a)(b)图3.44二端网络的瞬时功率(二)、有功功率、无功功率和视在功率1、有功功率和功率因数将式(3.54)代入式(3.18),可得有功功率UIUIdttUITPTcos2coscos10(3.55)式中cos称为二端网络的功率因数。由于能量守恒,所以二端网络吸收的有功功率等于各部分吸收的有功功率的和。2、无功功率无功功率定义为sinUIQ(3.56)对于电感性二端网络,0,0Q,二端网络接受无功功率;对于电容性二端网络,0,0Q,二端网络发出无功功率。在既有电感又有电容的二端网络中,其无功功率应等于两者的代数和,即CLQQQ一般来说,二端网络吸收的无功功率等于各部分吸收的无功功率的代数和。3、视在功率视在功率定义为UIS(3.57)其SI主单位为伏安(VA),工程上也常用千伏安(KVA)。由于电机和变压器的容量是由它们的额定电压和额定电流来决定的,因此可以用视在功率来表示它们的容量。视在功率、有功功率与无功功率间,满足下列关系式图3.45功率三角形22QPS(3.58)PQtan(3.59)SPcos(3.60)正好构成一个直角三角形(如图3.45所示),称为功率三角形。例3.25试求图3.46所示电路的有功功率、无功功率和视在功率,其中tVuHLmFCRR100sin250,1.0,2,10,2021。图3.46例3.25解:212331101000.1100210201101000.110021022.815.26CLCLjXRjXZRjXRjXjjjj5002.1915.2622.815.26UIZcos502.19cos15.26105.64PUIWsin502.19sin15.2628.82QUIVar502.19109.5SUIVA例3.26图3.47所示电路可用于测量线圈的参数R和L。已测得电压表、电流表和功率表的读数分别为100V、2A和120W,电源的频率为Hz50,试求R和L。图3.47例3.26解:30212022IPR线圈的阻抗模502100IUZ又有4030502222RZXL所以HXLL127.050240(三)、复功率为了能够用相量来计算电路的功率,特引入复功率。在端口电压相量、电流相量分别为uUU,iII的二端网络中,其复功率定义为:IUS~(3.61)式中iII是电流相量I的共轭复数。复功率的SI主单位为伏安(VA)。复功率S~还可以表示为jQPjUIUISUIUIIUIUSiuiusincos~(3.62)可见,复功率这个复数的模是网络的视在功率,它的辐角是电压与电流的相位差,它的实部为有功功率,它的虚部为无功功率。可以得到,电阻元件的复功率为GURIUIUIS220~电感元件的复功率为LXjIjUIUIS290~电容元件的复功率为CXjIjUIUIS290~在整个电路中,复功率是守恒的,即一些支路发出的复功率一定等于其余支路吸收的复功率。由复功率守恒,也必然得到有功功率和无功功率是守恒的。例3.27在图3.48所示电路中,已知60,60,30,4021CLXRXR,电源电压VUS0220。试求各支路的电流及复功率。图3.48例3.27解:1支路的电流及复功率为122004.436.94030SLUIARjXj22004.436.9774581SSUIjVA2支路的电流及复功率为2222002.59456060SCUIARjXj222002.594557045403403SSUIjVA电源支路的电流及复功率为124.436.92.59455.428.61IIIA22005.428.6111928.611179178SSUIjVA(四)、功率因数的提高在正弦交流电路中,由于有功功率coscosSUIP因此,当负载的功率因数cos太低时,电路中电源设备的额定容量就不能充分利用。此外,由于电流cosUPI,所以当传输的功率、电压一定时,负载的功率因数越低,则输电线路的电流越大,所引起的线路能量损耗和电压降落越大,影响负载的正常工作。提高电路的功率因数,就能充分利用电源设备的容量,就能减少输电的电能损耗,改善供电的电压质量。一般负载都是电感性的,对于这样的负载,常用电容器与负载并联来提高电路的功率因数。可用RL串联表示感性负载,如图3.49(a)所示,画出电路的相量图如图3.49(b)所示。在未并电容C时,线路电流I等于负载电流1I,此时功率因数为cos;并联电容后,线路电流21III,功率因数为cos。因为,所以coscos,从而把线路的功率因数提高。(a)(b)图3.49功率因数的提高如果要将有功功率为P,端电压为U的负载电路的功率因数由cos提高到c...