生活中三种负载是否知道它们是如何消耗功率

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三种负载组成了我们生活中所有的用电设备,它们根据各自不同性能结构去发挥自己的功能。

一、纯电阻电路

纯电阻电路

只含有电阻的交流电路,在实用中常常遇到。如白炽灯,热水器,电暖气等。电路中电阻器起决定性作重,电感电容的影响可以忽略不计的电路可视为纯电阻电路。

(一)电流与电压的相位关系

如上图,当电阻R上流过电流时,则在电阻R两端将产生同一频率的的正弦交流电压,纯电阻元件在交流电路中电压和电流的初相角相同,所以电压和电流是同向的。

(二)电流与电压的数量关系

在纯电阻电路中由于电阻是一个确定的值,所以电压与电流成正比,其有效值之间的关系,I等于u除R,仍符合欧姆定律。

(三)纯电阻电路的功率

在纯电阻电路中由于电流、电压都是在随着时间变化,所以功率也是随着时间变化的。我们把电压瞬时值U与电流的瞬时值I乘积,称为瞬时功率,用符号“P”表示,P=ui。根据此公式,把同一瞬间电压u电流i的数值逐点对应相乘可画出瞬时功率曲线。

纯电阻电路功率波形图

我们发现在前半周i和u为正值,所以P也为正值。在后半周由于i和u均为负值,相乘后仍为正值,所以纯电阻电路的瞬时功率值为正值。由此可见,电阻总是要消耗功率的。

一个周期内瞬时功率的平均值,叫平均功率。由于这个功率是由电阻所消耗掉的,所以也叫有功功率。用字母“P”表示,单位是“瓦”用符号“W”表示。

经数学推导证明。平均功率(有功功率)等于最大瞬时功率的一半,P=UI。

二、纯电感电路

纯电感电路

电路中电感器起决定性作用,而电阻、电容的影响可忽略不计的电路可视为纯电感电路。空载变压器、电抗器等都可视为纯电感负载。

(一)电流与电压的相位关系

在纯电感电路中,当通过交流电时,由于电磁感应的存在,在电感线圈中要产生自感电动势e,这个自感电动势会阻碍线圈中的电流变化。使得电感上的电压超前于电流90度,而电感上的电流又超前于自感电动势e90度。因此自感电动势与电压反相。

由于在纯电感电路中,可以认为电阻值为零,因此,电源电压U在任何瞬时都于自感电动势e的大小相等,方向相反,即U=-e。电感线圈上的电压、自感电动势、电流三者之间的相位关系可见下图。

电感电路其电压电流的曲线图和相量图

(二)电流与电压的数量关系

由于电感线圈两端电压与电流相位不同,故不能用简单的欧姆定律来处理他们之间的关系,只有当电源频率和电感为常数时,电压与电流成正比,仍符合欧姆定律。电感具有阻碍电流通过的性质称为“感抗”。感抗分为自感感抗和互感感抗。用字母XL

电感与频率关系

由于感抗与频率成正比,所以电感线圈对高频电流所呈现的阻力很大,频率极高,电路中几乎没有电流通过,而直流电没有频率稳定时不产生自感电动势,电路相当于短路,电流很大。在使用电抗器、交接触器等由电感线圈的设备时,应注意这一点。

(三)纯电感电路中的功率

电感中功率的波图

从图中可以观察到,纯电感交流电路中,其瞬时功率也是时间的正弦函数,其频率为电流的两倍,而瞬时功率在每个周期内的平均功率为零,正半周为正,负半周为负相加功率p等于零所以电感不消耗能量。是对带电源能量起吞吐作用,即同电源进行电能与磁能的能量交换。由于存在着能量交换,所以瞬时功率并不等于零。其瞬时功率的最大值称为无功功率。用QL表示,单位“乏”,用符号“var”表示。

无功功率绝不是无用的功率它是具有电感的设备建立磁场、储存磁能必不可缺少的工作条件。

三、纯电容电路

由绝缘电阻很大,介质损耗很小的电容器组成的交流电路可以近似认为是纯电容电路。电容器的应用十分广泛在电力系统中常用来调整电压,改善功率因数等。电容器的电容量常用字母”C表示。简称为“法”,用符号“F”表示。

纯电容电路

(一)电压与电流的相位关系

当电容器接到交流电源上时,由于交流电压的不断变化,电容器就不断地进行充放电,便形成了持续不断的交流电流,其瞬时值等于电容器极板上的电荷变化率。由此可见,通过电容器的电流的大小与电压变化率成正比。

假设在电容器两端加一个正弦交流电压,通过对图的电压电流曲线图的分析。

电容电路及其电压电流曲线图和相量图

可以得知,电压与电流之间存在着相位差,即通过电容器的电流超前于电容器两端电压90度,同时得知电容器上电流变化的规律及频率与电压相同,均为正弦波。

(二)电压和电流约数量关系

在纯电阻电路中,电容具有阻碍交流电通过的性质,我们把它叫做容抗,用符号Xc表示,单位是欧姆。其表达式:

容抗与频率关系

容抗与频率成反比,所以高频电流容易通过电容器,而低频电流不容易,通过电容器。

(三)纯电容电路上的功率

在纯电容电路中的瞬时功率与纯电感电路中的瞬时功率相似。在纯电容交流电路中电容器不断的充电放电,电源的电能只是在电容器内储存电场能之间的不断转换。其瞬时功率在一个周期内的平均值为零。即有功功率P为零,所以,它并没有消耗电源的电能。其瞬时功率的最大值也叫无功功率,用“Qc”表示,单位是“乏”,用符号“var”表示,其瞬时功率波形图如下。

瞬时功率波形图

总结:纯电阻电路消耗有功功率,不存在无功功率。纯电感电路有功功率为0,而瞬时功率并不等于零,其瞬时功率的最大值称为无功功率,无功功率不是无用的功率。纯电容电路,有功功率也是0,其瞬时功率的最大值也叫无功功率,最重一点是,电容器可以调整电感线路的电压,功率因数等。




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