图1-4
结合上文提到的能量与功率曲线的关系,从图1-4中也可以看到,电感元件在一个功率周期内,会从电源吸收能量(正半面积),也会对电源释放能量(负半面积),由于曲线的对称性,正半面积的大小恰好等于负半面积,这表明,电感元件所吸收的能量全部又释放回去,一点都不留。这就是电感元件的非耗能特性,电感元件只和电源之间进行能量交换,而不会像电阻元件那样把电能转化为热能、光能等从而消耗掉。电感元件的这种吸收能量又释放能量的特性称为储能特性。
基于图1-4,我们可以计算一下电感元件的平均功率,基于其瞬时功率的周期性,每一个周期的能量变化过程都是一样的,所以我们任取一个周期计算即可。
其实,不用计算,我想大家也知道,电感元件的平均功率为0。因为在一个周期内,电感的总能量变化为0(吸收又释放),所以平均功率如下图1-5所示。
图1-5
2、交流电路中电容元件的功率
在交流电路中,电容元件的电流相位超前电压相位90°,它们的波形图如下图1-6所示。绿色波形图表示电压 u ,蓝色波形图表示电流 i 。
图1-6
根据电容元件的瞬时电压波形和瞬时电流波形,可以得出电容元件的瞬时功率波形如图1-6的红色曲线所示。显然,电容元件的瞬时功率也是一个周期量。
那么,电容元件的平均功率是多少,应该不用我说了吧?没错,也是零。
既然电感元件和电容元件的平均功率都为零,而工程计量中的功率却又是平均功率,那么,电感元件和电容元件与电源之间的能量交换就不能用平均功率来体现,这又该怎么办呢?这个问题就由无功功率来解答。
03
无功功率
为了表示电感元件和电容元件与电源之间的能量交换情况,把它们的瞬时功率最大值定义为无功功率,如下图1-7所示,我们以电容元件为例。
图1-7
图1-7所示的电容元件的瞬时功率波形图中,其瞬时功率的最大值即为电容元件的无功功率,用字母Q表示,单位为var[乏],它表示电容元件与电源之间能量交换的最快速度(因为功率表示能量变化的快慢)。
在数值上,这个瞬时功率最大值恰好等于电容元件的电压有效值乘以电流有限值,即Q=UI 。这其实是有一个数学计算的推导过程的,在此我也不再展开分析,大家感兴趣的,还是去看一下三角函数的相关知识吧。同理,电感元件的无功功率也等于电感元件两端的电压有效值乘以其电流有效值。
回到上文的那句话,大家知道我为什么说“无功功率”是一个功率,但又不完全是一个功率了吧?因为一方面它表示了储能元件与电源之间能量交换的最快速度,这是功率,但另一方面它并不表示储能元件的耗能特性,所以它又不是功率。
所谓“无功”,其实就是无耗能,不把电源的能量花出去,但又确确实实吸收了电源的能量,即使它又还回去了。