電路基礎(chǔ)系列：交流電路篇-15 無功功率

無功功率最好用交流電路或系統(tǒng)中無功元件產(chǎn)生的“未使用”功率來描述。

在直流電路中，“伏特x安培”的乘積表示電路消耗的功率（瓦特）。然而，雖然這個(gè)公式也適用于純電阻交流電路，但在含有無功元件的交流電路中，情況稍微復(fù)雜一些，因?yàn)檫@種伏特-安培產(chǎn)品會(huì)隨頻率變化。

在交流電路中，電壓和電流的乘積表示為伏安（VA）或千伏安（kVA），稱為視在功率，符號(hào)S. 在無感純電阻電路中，如加熱器、熨斗、水壺和燈絲燈泡等，其電抗實(shí)際上為零，因此電路的阻抗幾乎完全由電阻組成。

對(duì)于交流電阻電路，電流和電壓是同相的，任何時(shí)刻的功率都可以通過電壓乘以該瞬間的電流得到，由于這種“同相”關(guān)系，有效值可以用來計(jì)算等效的直流功率或加熱效應(yīng)。

但是，如果電路中含有無功分量，則電壓和電流波形會(huì)因電路相角的不同而“異相”。如果電壓和電流之間的相角最大為90°，伏特安培產(chǎn)品的正負(fù)值相等。

換言之，無功電路將其消耗的功率返回給電源，從而導(dǎo)致電路消耗的平均功率為零，因?yàn)橄嗤瑪?shù)量的能量不斷交替地從源流到負(fù)載，再?gòu)呢?fù)載返回到源。

因?yàn)槲覀冇须妷汉碗娏?，但沒有功率耗散，所以P=IV（rms）的表達(dá)式不再有效，因此，交流電路中的伏安乘積不一定給出所消耗的功率。然后，為了確定交流電路消耗的“實(shí)際功率”（也稱為有功功率，符號(hào)P），我們不僅需要考慮伏安乘積，還需要考慮電壓和電流波形之間的相位差方程：VI.cosΦ.

然后我們可以將視在功率與有功功率或?qū)嶋H功率之間的關(guān)系寫成：

請(qǐng)注意，功率因數(shù)（PF）定義為有功功率（瓦特）與視在功率（伏安）之間的比率，并指示了電能的使用效率。在無感電阻交流電路中，有功功率等于視在功率P/S公司變得等于一或統(tǒng)一。電路功率因數(shù)可以用十進(jìn)制值或百分比表示。

但是，除了交流電路中的有功功率和視在功率外，還有另一個(gè)功率分量，只要存在相位角，它就存在。這個(gè)分量稱為有功功率（有時(shí)稱為虛功），用一個(gè)稱為“無功伏安”的單位表示，符號(hào)Q，由方程式：VI.sinΦ.

無功功率，或VAr，根本不是真正的功率，而是表示電壓和電流的乘積，它們之間是不相位的。無功功率是幫助建立和維持交流設(shè)備所需的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的一部分。交流電路中存在的無功功率量取決于電壓和電流之間的相移或相角。與有功功率一樣，無功功率在“供電”時(shí)為正，“消耗”時(shí)為負(fù)。

無功功率用于大多數(shù)使用磁場(chǎng)的電氣設(shè)備，如電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器。它還需要提供架空輸電線路的無功損耗。

交流電路中功率、有功功率、視在功率、VA和無功功率三要素之間的關(guān)系可用直角三角形的三條邊表示。這種表示稱為冪三角形如圖所示：

從上面的功率三角可以看出交流電路提供或消耗兩種功率：有功功率和無功功率。此外，有功功率從不為負(fù)，而無功功率可以是正值或負(fù)值，因此降低無功功率以提高系統(tǒng)效率總是有利的。

使用交流配電的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用變壓器改變供電電壓水平，但是家用電器、空調(diào)和工業(yè)設(shè)備的變壓器和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)都消耗無功功率，因?yàn)閷?dǎo)線和變壓器更大，在輸電線路上占據(jù)了空間需要處理更大的電流，你需要支付。

用一杯啤酒進(jìn)行無功功率模擬

無功功率模擬
喝一品脫啤酒

在許多方面，無功功率可以被看作是一品脫或一杯啤酒上的泡沫頭。你付錢給酒保要一杯滿的啤酒，但你只喝真正的液態(tài)啤酒，在很多情況下，它總是比一杯還少。

這是因?yàn)槠【频念^部（或泡沫）占據(jù)了額外的浪費(fèi)空間，為你所消費(fèi)的真正的液態(tài)啤酒留下了更少的空間，同樣的想法在很多方面也適用于無功功率。

但在許多工業(yè)電力應(yīng)用中，無功功率通常對(duì)電路有用。實(shí)際功率或有功功率是指為運(yùn)行電機(jī)、為住宅供暖或點(diǎn)亮電燈泡而提供的能量，而無功功率提供了調(diào)節(jié)電壓的重要功能，從而有助于將電力有效地通過公用電網(wǎng)和輸電線路輸送到負(fù)荷所需的地方。

雖然降低無功功率有助于提高功率因數(shù)和系統(tǒng)效率是一件好事，但無功功率的缺點(diǎn)之一是需要足夠數(shù)量的無功來控制電壓和克服輸電網(wǎng)中的損耗。這是因?yàn)槿绻娋W(wǎng)電壓不夠高，就無法提供有功功率。但是網(wǎng)絡(luò)中有太多的無功功率流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致過熱（I two*R損耗）以及沿輸電線路的不良電壓降和功率損失。

避免無功充電的一種方法是安裝功率因數(shù)校正電容器。一般情況下，住宅用戶只需按千瓦時(shí)（kWhr）消耗的有功功率收費(fèi)，因?yàn)橹圃焐淘诖蠖鄶?shù)家用電器中內(nèi)置了功率因數(shù)校正電容器，因此幾乎所有的住宅和單相功率因數(shù)值基本相同。

另一方面，使用三相電源的工業(yè)用戶的功率因數(shù)差別很大，因此，電力公司可能必須考慮到這些工業(yè)用戶的功率因數(shù)，如果他們的功率因數(shù)低于規(guī)定值，就要支付罰款，因?yàn)殡娏緸楣I(yè)用戶供電的成本更高，因?yàn)樾枰蟮膶?dǎo)線、更大的變壓器、更大的開關(guān)設(shè)備等來處理更大的電力電流。

通常，對(duì)于功率因數(shù)小于0.95的負(fù)載，需要更多的無功功率。對(duì)于功率因數(shù)值高于0.95的負(fù)載，由于功率消耗更有效，功率因數(shù)為1.0或單位的負(fù)載被認(rèn)為是完美的，不使用任何無功功率。

然后我們看到“視在功率”是“無功功率”和“有功功率”的組合。有功功率或?qū)嶋H功率僅由包含電阻元件的電路產(chǎn)生，而無功功率則由包含電容和電感元件的電路產(chǎn)生。幾乎所有的交流電路都將包含這些R、 我和C組件

由于無功功率從有功功率中帶走，因此必須在電氣系統(tǒng)中考慮無功功率，以確保提供的視在功率足以供應(yīng)負(fù)載。這是了解交流電源的一個(gè)重要方面，因?yàn)殡娫幢仨毮軌驗(yàn)槿魏谓o定負(fù)載提供必要的伏安（VA）電源。