淺談視在功率、有功功率、無功功率及功率因數在教學中的應用

在交流電的功率課程教學中，學生對視在功率和無功功率，特別是功率因數很難理解。基于此種情況，談談筆者個人淺析，希望對學生學習理解和掌握此部分內容有所幫助。

一、視在功率

我們將正弦交流電電路中電壓有效值與電流有效值的乘積稱為視在功率，有功功率和無功功率的幾何之和（即平方和的均方根），它用來表示電氣設備的容量。關系式：

視在功率的平方=有功功率的平方+無功功率的平方

用符號S表示，計算單位：伏安（VA）、千伏安（kVA）。

變壓器的容量是用視在功率表示。

視在功率不表示交流電路實際消耗的功率，只表示電路可能提供的最大功率或電路可能消耗的最大有功功率。在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種: 一種是有功功率，一種是無功功率。

二、有功功率

有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5千瓦的電動機就是把5.5千瓦的電能轉換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒。有功功率的符號用P表示，單位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。

三、無功功率

無功功率是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外作功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。

用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

無功功率對供電、用電產生一定的不良影響，第一，降低發電機有功功率的輸出。第二，降低輸、變電設備的供電能力。第三，造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。第四，造成低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。

從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這就是電網需要裝設無功補償裝置的道理。

四、功率因數

電網中的電力負荷如電動機、變壓器等，屬于既有電阻，又有電感的電感性負載。電感性負載的電壓和電流的相量間存在著一個相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ來表示。cosφ稱為功率因數，又叫力率。功率因數是反映電力用戶用電設備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標。三相功率因數的計算公式為：

式中：cosφ—功率因數；

P —有功功率，kW；

Q —無功功率，kVar；

S —視在功率，kVA；

U —用電設備的額定電壓，V；

I —用電設備的運行電流，A。

功率因數分為自然功率因數、瞬時功率因數和加權平均功率因數。

1.自然功率因數

指用電設備沒有安裝無功補償設備時的功率因數，或者說用電設備本身所具有的功率因數。自然功率因數的高低主要取決于用電設備的負荷性質，電阻性負荷(白熾燈、電阻爐)的功率因數較高，等于1，而電感性負荷(電動機、電焊機)的功率因數比較低，都小于1。

2.瞬時功率因數

指在某一瞬間由功率因數表讀出的功率因數。瞬時功率因數是隨著用電設備的類型、負荷的大小和電壓的高低而時刻在變化。

3.加權平均功率因數

指在一定時間段內功率因數的平均值，其計算公式為：

cosφ

五、提高功率因數的意義及方法

1.提高功率因數的意義

（1）提高用電質量，改善設備運行條件，可保證設備在正常條件下工作。

（2）可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支。例如：當cosφ=0.5時的損耗是cosφ=1時的4倍。

（3）能提高企業用電設備的利用率，充分發揮企業的設備潛力。

（4）可減少線路的功率損失，提高電網輸電效率。

（5）因發電機的發電容量的限定，故提高cosφ也就使發電機能多出有功功率。

提高功率因數的方法有兩種，一種是改善自然功率因數，另一種是安裝人工補償裝置。

2.提高自然因數的方法

（1）選擇合適的電動機容量，減少電動機無功消耗，防止“大馬拉小車”。

（2）對平均負荷小于其額定容量40%左右的輕載電動機，可將線圈改為三角形接法（或自動轉換）。

（3）避免電機或設備空載運行。

（4）合理配置變壓器，正確地選擇其容量。

（5）采用同步電動機或異步電動機同步運行補償。

（6）調整生產班次，均衡用電負荷，提高用電負荷率。

3.人工補償法

實際中可使用電路電容器或調相機，一般多采用電力電容器補嘗無功，即：在感性負載上并聯電容器。在感性負載上并聯電容器的方法可用電容器的無功功率來補償感性負載的無功功率，從而減少甚至消除感性負載于電源之間原有的能量交換。在交流電路中，純電阻電路，負載中的電流與電壓同相位，純電感負載中的電流滯后于電壓90o，而純電容的電流則超前于電壓90o，電容中的電流與電感中的電流相差180o，能相互抵消。并聯電容器的補償方法又可分為：

（1）個別補償。即在用電設備附近按其本身無功功率的需要量裝設電容器組，與用電設備同時投入運行和斷開，也就是再實際中將電容器直接接在用電設備附近。適合用于低壓網絡，優點是補嘗效果好，缺點是電容器利用率低。

（2）分組補償。即將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所各分路出線上，它可與工廠部分負荷的變動同時投入或切除，也就是再實際中將電容器分別安裝在各車間配電盤的母線上。優點是電容器利用率較高，且補嘗效果也較理想（比較折中）。

（3）集中補償。即把電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側的母線上。在實際中會將電容器接在變電所的高壓或低壓母線上，電容器組的容量按配電所的總無功負荷來選擇。優點是電容器利用率高，能減少電網和用戶變壓器及供電線路的無功負荷。缺點是不能減少用戶內部配電網絡的無功負荷。

在實際中，上述方法可同時使用，對較大容量機組進行就地無功補嘗。

（作者單位：山東化工技師學院）