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

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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。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。

无功功率对供电、用电产生一定的不良影响，第一，降低发电机有功功率的输出。第二，降低输、变电设备的供电能力。第三，造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。第四，造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。

从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要，这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

四、功率因数

电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻，又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。cosφ称为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。三相功率因数的计算公式为：

式中：cosφ—功率因数；

P —有功功率，kW；

Q —无功功率，kVar；

S —视在功率，kVA；

U —用电设备的额定电压，V；

I —用电设备的运行电流，A。

功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。

1.自然功率因数

指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。

2.瞬时功率因数

指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。

3.加权平均功率因数

指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公式为：

cosφ

五、提高功率因数的意义及方法

1.提高功率因数的意义

（1）提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作。

（2）可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例如：当cosφ=0.5时的损耗是cosφ=1时的4倍。

（3）能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。

（4）可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。

（5）因发电机的发电容量的限定，故提高cosφ也就使发电机能多出有功功率。

提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人工补偿装置。

2.提高自然因数的方法

（1）选择合适的电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。

（2）对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。

（3）避免电机或设备空载运行。

（4）合理配置变压器，正确地选择其容量。

（5）采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿。

（6）调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。

3.人工补偿法

实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在感性负载上并联电容器。在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90?，而纯电容的电流则超前于电压90?，电容中的电流与电感中的电流相差180?，能相互抵消。并联电容器的补偿方法又可分为：

（1）个别补偿。即在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。

（2）分组补偿。即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。优点是电容器利用率较高，且补尝效果也较理想（比较折中）。

（3）集中补偿。即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。优点是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。缺点是不能减少用户内部配电网络的无功负荷。

在实际中，上述方法可同时使用，对较大容量机组进行就地无功补尝。

（作者单位：山东化工技师学院）