钳工基础知识中这个几个概念:电功率、有功功率、无功功率、视在功率,是避免不了的、是必须认清楚的。否则,对用电负荷估算、导线截面选择和变压器容量、变频器等设备容量的选择以及对供电部门的水费收费办法、为何要进行无功补偿等等,一系列实际工作中的问题未能解决或弄清底细。
这么,电功率、有功功率、无功功率、视在功率,表示的都是功率的概念,这种功率的概念有何优缺呢?
要明白电功率、有功功率、无功功率、视在功率这种概念,首先要晓得哪些是电功。
一、电功
1、电功的概念
在日常生活中,我们可以观察到:当电压通过电炉时,电炉会红肿(光)、发热;当电压通过电灯时,电灯会发光、发热。电炉、电灯那些都是用电负载或负荷,当电压通过这种负载时,会发光、发热,也就是将电能转变为另一种其他不同方式的能量。
这种能量转换的过程都是电压做功的表现,其本质上就是:当在电负载或负荷两端加上电流时,用电负载或负荷内就完善了电场。电场力在促进自由电子定向联通过程中产生的电压所做的功,俗称电压做功,电压所做的功就是电功,即电能。
能量被定义为做功的能力。它以各类方式存在,包括电能、热能、光能、机械能、化学能以及声能等。电能是各类能量中的一种方式,是指电荷联通所承载的能量。
我们日常生活中使用的电能主要来自其他方式能量的转换,包括水能(水力发电)、热能(火力发电)、原子能(原子能发电)、风能(风力发电)、化学能(电瓶)及光能(光电板、太阳电瓶等)等。电能也可转换成其他所需的能量方式。它可以采用有线或无线的方式进行远距离的传输。
2、电功的估算
电压做功的过程就是电能转化为其他方式能量的过程,用电设备做功的大小不但与加到用电设备两端的电流及流过的电压有关,还与通电时间长短有关。
假定,用电负载或负荷两端的电流为U,通过导体横截面的电荷量为q,形成的电压为I,按照电流的定义:
可得出电场力对电荷量q所做的功,即电路所消耗的电能为:
W=Uq
按照式可知q=It,故:
W=UIt
由上式可以看出,在一段电路中,电场力使电荷通过导体所做的功W与加在这段电路两端的电流U、通过导体的电压I以及通电时间t成反比。
在国际单位制中W、U、I、t的单位分别是焦耳(J)、伏特(V)、安培(A)、秒(s)。
在实际应用中,电功的常用单位是千瓦小时(kW·h)。千瓦时与焦耳的换算关系:1kW·h=1×103W×(60×60)s=3.6×106W·s=3.6×106J。1kW·h可以这样理解:一个电功率为100W的灯泡连续使用10h,消耗的电功为1kW·h(即消耗1度电)。
3、电功估算举例
【例】现有一台压力炖锅,其工作电流是220V、工作电压是1.5A,试求这台压力炖锅正常工作2个小时后,所用的电能。
解:W=UIt=0.22*1.5*2=0.66度
答:这台压力炖锅正常工作2小时所消耗的电能为0.66度。
二、电功率
1、电功率的概念
功率是指做功的速度或则是借助能量的速度,电功率是描述电压做功快慢的化学量。电压在单位时间(s)内所做的功叫作电功率。
2、电功率的估算
假如在时间t内,电压通过导体所做的功为W,以字母“P”标识,这么电功率为:
P=W/t
由于:W=UIt
则:P=W/t=UIt/t=UI
式中,U的单位为V;I的单位为A;P的单位为W。
3、电功率常用计量单位
电功率单位不仅W(瓦)之外,常用的单位还有兆瓦(MW)、千瓦(kW)、毫瓦(mW)来表示。诸如,某马达的功率标示为2kW,表示其耗电功率为2kW。也有用马力来表示的(非标准单位),它们之间的关系是:
1MW=
1kW=1000W
1mW=0.001W
1马力=0.735kW
1kW=1.36马力
4、额定功率、实际功率
额定电功率即是电气设备安全正常工作的最大电功率。电气设备正常工作时的最大电流叫作额定电流,比如AC220V,即为交流220V供电的条件。在额定电流下的电功率叫作额定功率。实际加在电气设备两端的电流叫作实际电流,在实际电流下的电功率叫作实际功率。只有在实际电流与额定电流相等时,实际功率才等于额定功率。
5、电功率估算举例
【例1】一台电炉通电时其电流220V,通过电炉丝的电压为10A,试求电炉通电30min消耗的电能是多少?该电炉的功率是多大?
解:
W=UIt=220×10×30×60=3.96×106J
P=UI=220×10=2200W
答:电炉通电30min消耗的电能是3.96×106J,该电炉的功率是2200W。
【例2】下图为直流电动机电功率的估算案例:
三、有功功率
1、有功功率的概念
在交流电路中,假如是通过消耗电能而达到预定功能的器件特点是阻值性;通过存储和释放磁场能量而达到一定功能的器件特点是电感性;通过存储和释放电能量而达到一定功能的器件特点是电容性。它们是电路的三大基础器件特点。
因而用电负载分为内阻性负载、电感性负载和电容性负载。诸如:用电负载或负荷可能是电炉、电饭锅通常为内阻性负载,而电冰柜、电吊扇之类的通常为电感性负载。
消耗在电炉、电饭锅这种内阻性负载以及电冰柜、电吊扇之类电感性负载中电阻上、功率不可逆转换的那部份功率(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W(瓦)或kW(千瓦)。它反映了交流电源在内阻器件上做功的能力大小,或单位时间内转变为其他能量方式的电能数值。
2、有功率估算的估算
在实际上估算上,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,就是等于内阻器件两端电流有效值与通过内阻器件中电流有效值的乘积。
对于三相交流电路
有功功率P=Scosф=UIcosф
对于单相交流电路
单相负载总的有功功率等于各相负载的有功功率之和,即:
单相负载总的有功功率P=P1+P2+P3=φ1+φ2+φ3
假如单相负载对称,则P=φ
上式是按照相电流Up1、Up2、Up3和相电压Ip1、Ip2、Ip3进行估算的,但在实际生活中,一般用线电流和线电压来估算单相负载的功率。
当负载作星形联接时
U1=√3Up1
I1=Ip1
当负载作三角形联接时
Ul=Up
I1=√3Ip1
所以,对称单相负载无论是作星形联接还是作三角形联接,其总的有功功率都可以用线电流和线电压表示为:
P=φ=√3U1I1cosφ
cosφ=P/S
四、无功功率
1、无功功率的概念
在交流电路中,当用电负载为电冰柜、电吊扇之类的富含电动机的电感性负载时电功率表示什么物理量,不仅消耗有功功率以外,都会消耗无功功率。
无功功率是交流电路中因为电抗性器件(电感或电容)的存在电功率表示什么物理量,就存在电场与磁场的交换、需要有用电负载(电气设备)中构建和维持电场或磁场的电功率,此电功率就是无功功率,它抒发了交流电源能量与磁场或电场能量交换的最大速度。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。无功功率简称“无功”,用“Q”表示。单位是var(乏)或kvar(千乏)。
2、无功率估算的估算
对于三相交流电路
无功功率Q=UIsinф
对于单相交流电路
无功功率为Q=φ=√3U1I1sinφ
无功功率绝不是无用功率,它的好处很大。实际工作中,但凡有线圈和铁芯的感性负载,它们在工作时构建磁场所消耗的功率即为无功功率.
如:电动机须要构建和维持旋转磁场,使定子转动,进而推动机械运动,电动机的定子磁场就是靠从电源取得无功功率构建的。变压器也同样须要无功功率,能够使变压器的一次线圈形成磁场,在二次线圈感应出电流。因而,没有无功功率,电动机就不会转动,变压器也不能变压,交流接触器也不会衔铁。
五、视在功率
1、视在功率的概念
在交流电路中,交流电源所能提供的总功率称为视在功率或表现功率。视在功率用S表示,单位为伏安(VA)或千伏安(kVA)。
视在功率一般拿来表示交流电源设备(如变压器)的容量大小,它既不等于有功功率,又不等于无功功率,但它既包括有功功率,又包括无功功率。诸如,能够使视在功率100kV·A的变压器输出100kW的有功功率,主要取决于负载的功率质数。
2、视在功率的估算
视在功率在数值上是交流电路中电压与电压的乘积。
对于三相交流电路
视在功率S=UI
对于单相交流电路
视在功率为S=3UpIp=√3U1I1
六、有功功率、无功功率、视在功率之间的关系
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自我介绍
我是资深钳工老吴,植根行业四十余年,专注工程设计,进军电力、冶金、建筑、市政、矿山、轻工等领域的发电、变电、配电、新能源、电气及手动化等工程,喜欢分享工作、生活,分享一切快乐与美好。