电路基础系列：交流电路篇-15 无功功率

无功功率最好用交流电路或系统中无功元件产生的“未使用”功率来描述。

在直流电路中，“伏特x安培”的乘积表示电路消耗的功率（瓦特）。然而，虽然这个公式也适用于纯电阻交流电路，但在含有无功元件的交流电路中，情况稍微复杂一些，因为这种伏特-安培产品会随频率变化。

在交流电路中，电压和电流的乘积表示为伏安（VA）或千伏安（kVA），称为视在功率，符号S. 在无感纯电阻电路中，如加热器、熨斗、水壶和灯丝灯泡等，其电抗实际上为零，因此电路的阻抗几乎完全由电阻组成。

对于交流电阻电路，电流和电压是同相的，任何时刻的功率都可以通过电压乘以该瞬间的电流得到，由于这种“同相”关系，有效值可以用来计算等效的直流功率或加热效应。

但是，如果电路中含有无功分量，则电压和电流波形会因电路相角的不同而“异相”。如果电压和电流之间的相角最大为90°，伏特安培产品的正负值相等。

换言之，无功电路将其消耗的功率返回给电源，从而导致电路消耗的平均功率为零，因为相同数量的能量不断交替地从源流到负载，再从负载返回到源。

因为我们有电压和电流，但没有功率耗散，所以P=IV（rms）的表达式不再有效，因此，交流电路中的伏安乘积不一定给出所消耗的功率。然后，为了确定交流电路消耗的“实际功率”（也称为有功功率，符号P），我们不仅需要考虑伏安乘积，还需要考虑电压和电流波形之间的相位差方程：VI.cosΦ.

然后我们可以将视在功率与有功功率或实际功率之间的关系写成：

请注意，功率因数（PF）定义为有功功率（瓦特）与视在功率（伏安）之间的比率，并指示了电能的使用效率。在无感电阻交流电路中，有功功率等于视在功率P/S公司变得等于一或统一。电路功率因数可以用十进制值或百分比表示。

但是，除了交流电路中的有功功率和视在功率外，还有另一个功率分量，只要存在相位角，它就存在。这个分量称为有功功率（有时称为虚功），用一个称为“无功伏安”的单位表示，符号Q，由方程式：VI.sinΦ.

无功功率，或VAr，根本不是真正的功率，而是表示电压和电流的乘积，它们之间是不相位的。无功功率是帮助建立和维持交流设备所需的电场和磁场的一部分。交流电路中存在的无功功率量取决于电压和电流之间的相移或相角。与有功功率一样，无功功率在“供电”时为正，“消耗”时为负。

无功功率用于大多数使用磁场的电气设备，如电机、发电机和变压器。它还需要提供架空输电线路的无功损耗。

交流电路中功率、有功功率、视在功率、VA和无功功率三要素之间的关系可用直角三角形的三条边表示。这种表示称为幂三角形如图所示：

从上面的功率三角可以看出交流电路提供或消耗两种功率：有功功率和无功功率。此外，有功功率从不为负，而无功功率可以是正值或负值，因此降低无功功率以提高系统效率总是有利的。

使用交流配电的主要优点是可以使用变压器改变供电电压水平，但是家用电器、空调和工业设备的变压器和感应电动机都消耗无功功率，因为导线和变压器更大，在输电线路上占据了空间需要处理更大的电流，你需要支付。

用一杯啤酒进行无功功率模拟

无功功率模拟
喝一品脱啤酒

在许多方面，无功功率可以被看作是一品脱或一杯啤酒上的泡沫头。你付钱给酒保要一杯满的啤酒，但你只喝真正的液态啤酒，在很多情况下，它总是比一杯还少。

这是因为啤酒的头部（或泡沫）占据了额外的浪费空间，为你所消费的真正的液态啤酒留下了更少的空间，同样的想法在很多方面也适用于无功功率。

但在许多工业电力应用中，无功功率通常对电路有用。实际功率或有功功率是指为运行电机、为住宅供暖或点亮电灯泡而提供的能量，而无功功率提供了调节电压的重要功能，从而有助于将电力有效地通过公用电网和输电线路输送到负荷所需的地方。

虽然降低无功功率有助于提高功率因数和系统效率是一件好事，但无功功率的缺点之一是需要足够数量的无功来控制电压和克服输电网中的损耗。这是因为如果电网电压不够高，就无法提供有功功率。但是网络中有太多的无功功率流动会导致过热（I two*R损耗）以及沿输电线路的不良电压降和功率损失。

避免无功充电的一种方法是安装功率因数校正电容器。一般情况下，住宅用户只需按千瓦时（kWhr）消耗的有功功率收费，因为制造商在大多数家用电器中内置了功率因数校正电容器，因此几乎所有的住宅和单相功率因数值基本相同。

另一方面，使用三相电源的工业用户的功率因数差别很大，因此，电力公司可能必须考虑到这些工业用户的功率因数，如果他们的功率因数低于规定值，就要支付罚款，因为电力公司为工业用户供电的成本更高，因为需要更大的导线、更大的变压器、更大的开关设备等来处理更大的电力电流。

通常，对于功率因数小于0.95的负载，需要更多的无功功率。对于功率因数值高于0.95的负载，由于功率消耗更有效，功率因数为1.0或单位的负载被认为是完美的，不使用任何无功功率。

然后我们看到“视在功率”是“无功功率”和“有功功率”的组合。有功功率或实际功率仅由包含电阻元件的电路产生，而无功功率则由包含电容和电感元件的电路产生。几乎所有的交流电路都将包含这些R、 我和C组件

由于无功功率从有功功率中带走，因此必须在电气系统中考虑无功功率，以确保提供的视在功率足以供应负载。这是了解交流电源的一个重要方面，因为电源必须能够为任何给定负载提供必要的伏安（VA）电源。