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交流电路中感元件和电容元件的功率
在正弦交流电路中,理想的电感元件和电容元件都是储能元件,即是非耗能元件。所谓“非耗能”,是指在任一周期内,电感元件和电容元件从电源侧所吸收的能量和 为零。那么,它为什么是零呢?
1、交流电路中电感元件的功率
在交流电路中,电感元件的电压相位超前电流相位90°,它们的波形图如下图1-3所示。绿色波形图表示电压 u ,蓝色波形图表示电流 i 。
图1-3
在图1-3中,电压相位超前电流相位90°,如果看不出怎么超前的,可以这样理解:横轴为时间,随着时间的变化,在180°区间内,电压波形先达到最大值,电流后达到最大值,两个最大值的跨度为90°;或者说,电压先达到过零点(斜率为正),电流后达到过零点(斜率为正)。
电感元件中,瞬时电压与瞬时电流波形图已知,由于瞬时功率p=ui ,可以得出电感元件的瞬时功率波形如图1-3中的红色曲线所示。其实这个功率是有一个计算过程的,但比较复杂,我就不再展开讲解了,大家感兴趣的可以去补一下三角函数的知识。
把图1-3中电感元件的瞬时功率波形图单独显示,如下图1-4所示。可以看到,电感元件的瞬时功率按正弦规律变化,是一个周期量。
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。
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