一、有功功率
无源二端网络 N 中含有线性电阻、电容、电感、受控源等元件,阻抗为 。其端电压和端电流分别为 。
二端网络 N 吸收的瞬时功率为
平均功率( average power )是指在一个周期内吸收的瞬时功率的平均值,用 P 表示,即
有功功率
在一个周期内吸收的瞬时功率的平均值,称为平均功率,又称有功功率( active power ),单位为瓦( W )。
有功功率是真正由来做功的功率,由网络中的电阻元件产生。 称为二端网络的功率因数( power factor ), 又称为功率因数角。
二、无功功率和视在功率
无功功率
无功功率表示网络与电源进行能量交换的规模,由网络中的储能元件产生。单位是乏( var )。
视在功率
单位是伏安( VA )。
设二端网络的等效阻抗为
则该二端网络的等效电阻为
该二端网络的等效电抗为
图 7.5-1 中, ,则 , ,根据各功率的定义,可以得到
1 、电阻元件, Z=R , , ,则
电阻元件只从电路中吸收能量,而不与电路作能量交换;
2 、电感元件, , , ,则
电感元件不耗能,只与电路作能量交换;
3 、电容元件, , , ,则
电容元件也不耗能,只与电路作能量交换。
三、复功率
复功率
二端网络的端电压为 ,端电流为 ,设端电流的共轭相量为 ,则定义 和 的乘积为复功率( complex power ),即
功率守恒
如果二端网络中含有 n 个元件,则有功、无功、复功率都守恒
但是,视在功率不守恒
例 7.5-1 图 7.5-2 所示电路中, ,角频率 , ,电路吸收的有功功率 P=200W ,求电阻 R 和电感 L 。
解:由 KVL 可得
所以,
因为电路吸收的有功功率就是电阻 R 吸收的有功功率,即
所以,电阻
又
则感抗为
所以,电感
例 7.5-2 图 7.5-3 所示正弦稳态电路中,已知电压源 ,电流源 ,试分别求出电压源和电流源发出的总有功功率。
解:根据功率守恒性,电压源和电流源所发出的总有功功率,就是 1 Ω和 2 Ω电阻吸收的有功功率之和,因此,只要先求出通过 1 Ω电阻的电流 和通过 2 Ω电阻的电流 就可以了。
设电流源两端的电压为 ,列写节点电压方程,
代入参数,得
解得
所以
因此,电压源和电流源发出的总有功功率为
四、最大功率传输
一个含源的二端网络,总可以用一条电压源 和等效阻抗 Zo 相串联的戴维南等效支路来替代,如图 7.5-4 所示。
设电压源的等效阻抗为 ,负载阻抗为 。
则电路中的电流
电流的有效值为
负载 获得的有功功率实际就是 中的电阻部分 获得的有功功率,所以,负载获得的功率为
1 、负载 的电阻部分 和电抗部分 皆可调
式中, ,欲使 PL 达到最大,可先令 ,即 ,这时,
再调节 RL ,使 PL 达到最大,令 ,即
解得:
因此,当负载阻抗与电源等效阻抗互为共轭复数, 时,即
负载获得最大功率,称为共轭匹配( conjugate matching )。这时获得的最大功率为
2 、负载 的阻抗角 固定,而阻抗模 可变
有些情况下,负载是电阻性设备,即 , ,这时, , ,通过调节 RL 使负载获得最大功率。
负载获得的功率为
令 ,即
解得:
当负载为一个电阻时,负载获得最大功率的条件是负载电阻与电源等效阻抗的模相等,即模匹配( modular matching )。
模匹配时负载电阻获得的最大功率为
结 论
1 、当负载 和 皆可调时,采用共轭匹配,
2 、当负载为纯电阻 时,采用模匹配,
3 、一般情况下,负载在模匹配时获得的最大功率比共轭匹配时要小。
例 7.5-3 电路如图 7.5-5 所示, ,负载为以下两种情况:( 1 )负载 为可变电阻,( 2 )负载 为可变阻抗( RL 、 XL 均可调),试问负载分别为何值时获得最大功率,并求最大功率值。
解: 电压源的等效阻抗为
( 1 )负载为可变电阻时,欲使负载获得最大功率,则应采用模匹配,,即负载 ZL=RL=7.07 Ω时获得最大功率,最大功率为
( 2 )负载为可变阻抗,即 RL 、 XL 均可调时,欲使负载获得最大功率,则应采用共轭匹配,,即负载 时获得最大功率,最大功率为,显然,负载采用共轭匹配时获得的最大功率比采用模匹配时要大。