無功功率越大越好還是越小越好（電氣設計關於無功功率的理解）

2023-05-17 11:25:01 2

在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。

有功功率：是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5千瓦的電動機就是把5.5千瓦的電能轉換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用P表示，單位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。

▲ 有功功率、無功功率和視在功率的關係

無功功率：比較抽象，它是用於電路內電場與磁場的交換，並用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。

比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由於它不對外做功，才被稱之為「無功」。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。

因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。為了形象地說明這個問題，現舉一個例子：農村修水利需要開挖土方運土，運土時用竹筐裝滿土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是無功功率，竹筐並不是沒用，沒有竹筐泥土怎麼運到堤上呢?

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那麼，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。

無功功率對供、用電產生一定的不良影響，主要表現在：

（1）降低發電機有功功率的輸出。

（2）降低輸、變電設備的供電能力。

（3）造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。

（4）造成低功率因數運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發揮。

從發電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。這就是電網需要裝設無功補償裝置的道理。

無功功率與電網電壓關係是什麼？電機需要無功功率建立和維持旋轉磁場、變壓器也需要無功功率來維持一次線圈產生磁場，因此電網無功不夠，就要消耗電網電壓。

為什麼有功功率不足頻率就低呢？發電機額定功率供不應求時是被負載將轉子轉速拖低，轉子達不到同步轉速頻率就達不到額定值。

無功功率的一些認知誤區

《辭海》中對於無功功率的解釋：「在具有電感和電容的交流電路中，電感的磁場和電容的電場在一周期的一部分時間內從電源吸收能量，另一部分時間內將能量返回電源。在整個周期內平均功率是零，也就是沒有能量消耗，但能量是在電源和電感或電容之間來回交換的，能量交換的最大值叫做無功功率。」

這個解釋說明，無功功率的物理意義在於交流電源與負載之間的能量交換，無功功率就是交流正弦電路中能量交換的最大值，它表明了交流電源與負載之間能量交換的能力。

實際的無功設備在能量交換時一定有能量的損耗（如漏磁、介質損耗等），這部分丟失的損耗不能算入無功，這是因無功作用而產生的有功損耗。同理有些人把設備產生的不是需要的熱能等能量損失稱為無功是不對的，這是無用功，而不是無功，因其不能轉回電能。

誤區二：無功功率是不消耗能量的無用功率, 「無功」乃「無用之功」

無功功率決不是無用功率，相反它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。

誤區三：由於電源的無功無法滿足負荷的無功，導致電力系統處於不平衡狀態，所以需要無功補償。

首先，在電力系統中，系統（電源）的無功與負荷的無功是永遠處於平衡狀態的。電源無功-電壓特性是一條下降的曲線，而負荷（主要取決於異步電動機）的無功-電壓特性是一條上升的曲線，兩曲線的交點即運行點，對應相應的平衡的無功和電壓。當系統無功過剩時，表示電源的無功-電壓曲線向上移動，或者負荷的無功-電壓曲線向下移動，它們的交點即新的平衡點，顯然對應的電壓上升；反之則下降。

▲ 系統無功功率電源充足時的無功功率平衡曲線

因為電力系統中的無功主要是感性成分，感性無功電流形成的磁場在發電機中正好抵銷一部分勵磁系統產生的的磁場，使發電機氣隙中的磁場下降，相應的發電機的端電壓就要降低，相反的如果系統中無功供應大於用電設備的無功時（無功過剩），這部分無功的去磁反應消失，氣隙磁場增加，發電機端電壓上升，也即系統電壓上升。這種功率在電網中會造成電壓降落(感性電抗時)或電壓升高(容性電抗時)和焦耳(電阻發熱)損失，卻不能做出有效的功。這個時候就需要對無功功率進行補償。

無功補償的意義就，在電力供電系統中起提高電網的功率因數的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。

誤區四：無功功率補償即是利用電容發出的無功來補償電感性負載吸收的無功，兩者相互抵消。

有功功率可以用發出或吸收來形容，「發出」的含義為「產生」，「吸收」含義為「消耗，使用」，這個過程實際對應的是能量的流動過程。而無功功率不可以用"發出"和「吸收」來形容，因為有功功率和無功功率對應的物理過程有本質的區別。有功功率簡單可以理解為單位時間內從器件流出（或被器件使用（轉換）掉）的能量。這是一個能量的單向流動過程，對於電源即可用「發出」，而對於用電則應當用"吸收"來描述。

而無功功率覺得應該是這麼定義：單位時間內進出一個元件的能量。這是一個能量的來回流動的過程，即在進出這個元件，怎麼能用吸收和發出來描述呢？對於能量來說這是一個先吸收，在發出如此循環的過程，怎能用描述單向運動的詞來說清？對於無功功率，本人傾向的一種說法是：一個元件具有感性無功性質，或具有容性無功性質。

而不說「發出」或者「吸收」。例如我們說一個電感消耗的無功功率具有感性無功性質。當然感性無功是由於電感的電流相位滯後於他兩端的電壓。容性則是電流提前電壓。有了電流相位的提前或者滯後，就有了能量周期性的進出一個元件，也就產生了無功功率。

這裡可以借鑑一個有趣的例子來解釋無功補償原理。交流電包括了電流量和電壓量，這二位在出門前速度和方向都是一樣的。兩個人遇見了電爐子這等純電阻元件，毫不畏懼，攜手走過。後來走著走著遇見了電感這個惡人，電流懼怕電感（右手螺旋法則學過哇，電流通過電感線圈產生了磁力），電壓表示毫無壓力的通過。

此時二人就有了差別，電流比電壓落後了，表現就是電流滯後，向量圖表示上差了一個φ。好吧，此時二人還是向前走，遇見了電容大俠，電壓表示懼怕，電流表示毫無壓力（電容是通交流阻直流），此時由於電壓被電容絆了一下腳，電流順利的追趕上了電壓的步伐，二者的差別縮小。所以安裝無功補償設備，其實也就是安裝電容，目的是要把電流和電壓所差的相位角補回來。