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三相电路中功率现象的解释及无功功率的分类

三相电路中功率现象的解释及无功功率的分类

点击数:7928 次   录入时间:03-04 11:47:04   整理:http://www.55dianzi.com   电工技术

1  引言
      三相电路中,由于其三相电源u[ua,ub,uc]T及三相负载电流i[ia,ib,ic]T都是三维函数,三相电源之间、三相负载之间互相影响,从而使得功率现象与单相电路有了很大的不同。
      在传统功率理论(对称正弦)中,三相瞬时有功功率之和为常数,且无功功率只在相间流动。在畸变和不对称的情况下,有功功率是否还满足这一性质,三相电路中无功电流的流动是否只局限于三相之间,是否存在三相电源与三相负载间的无功流动,这是值得探讨的理论问题。
    为便于探讨,本文首先从对称正弦三相电路开始分析。
2  对称正弦三相电路中功率现象解释

   
如图1所示的对称正弦三相电路,其电源为对称正弦电压源,负载为对称线性负载。其中

依据传统功率理论,有


   
负载R+jX中的X不论如何变化,三相瞬时无功功率之和都为零。也就是,在任一瞬时,各相负载有的在利用电磁场蓄能,有的将前一段时间的电磁场蓄能释放出来,各相的电磁场蓄能功率之和为零,任一相的电磁场蓄能功率都由其他两相提供而不是由电源提供,无功功率只在相间流动,不存在电源与负载间流动的无功功率。
   
由于是对称正弦电路,如果把三相电源作为一个整体,则其输出的总功率不随时间变化。同样,三相负载作为一个整体,其吸收的总功率也不随时间变化。设三相电源为同步发电机,这一点可以由发电机气隙中存在同步旋转的正弦磁动势,带动发电机的原动机输出恒定转矩得出。
   
对称正弦电路的特点:
  
(1)无功功率只在相间流动,不存在电源与负载间流动的无功功率;
  
(2)任一瞬时,三相电源输出的总功率总是等于各相有功功率之和;
  
(3)任一瞬时,三相电源输出的总功率(各相有功功率之和)为恒值。
3  非正弦及不对称三相电路中功率现象解释
       对于非正弦及不对称三相电路,由于电压、电流不再是简单的正弦函数且三相电路之间互有影响,而使得三相电路的功率现象变得十分复杂。三相电路的三相瞬时有功功率之和能否保持为不变的常数,三相电路(尤其是三相三线电路)中是否只存在相间流动的无功功率等,均为无统一结论的问题。
       本文作者认为:三相瞬时有功功率之和为常数且无功功率只在相间流动,这只是对称正弦电路中电源电压、负载电流波形为对称正弦的一个特点(也是优点)。但三相瞬时有功功率之和为常数并不应该(在很多情况下也不可能)成为非正弦及不对称三相电路中有功电流的确定原则。例如,在三相电压任意畸变且不对称的情况下,可以设三相电压在t0时刻同时过零点,即

   
在这种情况下,无论有功电流ipa(t),ipb(t),ipc(t)如何定义,三相瞬时有功功率之和在t0时刻都为零,即

    假设负载为线性电阻,由于负载消耗了功率,不可能说电源在任意时刻发出的有功功率都为零。因此,不论如何定义有功电流,电源发出的三相瞬时有功功率之和都是波动的。实际上,三相瞬时有功功率之和存在波动,这是电源电压畸变且不对称所必须付出的代价。
       本文作者还认为:由于电源电压、负载电流不再是简单的对称正弦波,非正弦及不对称三相电路中的无功功率也不仅仅在相间流动,而有可能存在三相电源与三相负载间的无功流动,如图2所示 [1]。图中,三相电源为对称正弦电压源,负载为不对称线性电容负载。

    上式为一周期量[1](周期为电源周期的1/2),并不恒等于零。这说明,三相电路中不仅存在相间无功流动,而且有可能存在电源与负载间的无功流动。
4  三相电路中无功功率的分类
4.1  无功功率的分类
      在通用瞬时功率理论体系[2,3]中三相三线制电路有功电流、无功电流为

4.2   相间流动的无功功率q1
       对三相电路在空间上(三相间)按照某一目标对其功率分布进行优化, 优化的结果将满足:任意时刻的三相无功功率瞬时值之和为零。由于是在空间上进行优化,故可将这部分无功功率定义为相间流动的无功功率。
  
1)三相四线制电路中相间流动的无功功率定义
       以最小能量传输损失(电流最小做功能力损失)为目标函数,可得三相四线制电路相间流动的无功电流iq

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