功率包括電功率、機械功率。電功率又包括直流電功率、交流電功率和射頻功率;交流功率又包括余弦電路功率和非余弦電路功率;機械功率又包括線位移功率和角位移功率,角位移功率常見于馬達輸出功率;電功率還可分為瞬時功率、平均功率(有功功率)、無功功率、視在功率。在電學中,不加特殊申明時,功率均指有功功率。在非余弦電路中,無功功率又可分為位移無功功率,畸變無功功率,二者的方和根稱為廣義無功功率。
本文列舉了上述所有功率估算公式,文中p(t)指瞬時功率。u(t)、i(t)指瞬時電流和瞬時電壓。U、I指電流、電流有效值,P指平均功率。
1普遍適用的功率估算公式
在熱學中,下列瞬時功率估算公式普遍適用
注:有關熱學瞬時功率估算公式的更多信息請閱讀:瞬時功率與有功功率估算公式。
在熱學中,下列瞬時功率估算公式普遍適用
在熱學和熱學中,下列平均功率估算公式普遍適用
W為時間T內做的功。
在熱學中,上述平均功率P稱作有功功率,P=W/T作為有功功率估算公式普遍適用。
在熱學中,公式(3)還可用下列積分形式表示
其中,T為周期交流聯通號的周期、或直流電的任意一段時間、或非周期交流電的任意一段時間。熱學中,公式(3)和(4)的數學意義完全相同。
熱學中,對于二端器件或二端電路,下列視在功率估算公式普遍適用:
2直流電功率估算公式
已知電流、電流時采用上述估算公式。
已知電流、電阻時采用上述估算公式。
已知電壓、電阻時采用上述估算公式。
針對直流電路,右圖分別列舉了電流、電流、功率、電阻之間相互換算關系。
3余弦交流電功率估算公式
余弦交流電無功功率估算公式:
余弦交流電有功功率估算公式:
余弦電壓電路中的有功功率、無功功率、和視在功率兩者之間是一個直角三角形的關系:
當負載為純內阻時,下式創立:
此時,直流電功率估算公式同樣適用于余弦交流電路。
4非余弦交流電功率估算公式
非余弦交流電功率估算公式采用普適公式(3)或(4)
對于周期非余弦交流電,將周期交變電流電壓進行傅里葉變換,展開為傅里葉級數,有功功率估算公式還可表示為:
上式中,當n僅取一個值時,比如:n=1,上式成為基波有功功率估算公式;n=3,上式成為三次紋波有功功率估算公式。
在非余弦電路中,有功功率和視在功率的定義不變,但是,此時,電流、電流相位差早已沒有明晰的數學意義,此時,Q根據下列公式定義:
式中,Un、In為n次紋波的有效值,當n=1時,U1、I1稱為基波有效值。
但是,此時,
因為Q與基殃及紋波電流、電流的相位角相關,稱為位移無功功率。因此,引入畸變無功功率D,畸變無功功率估算公式如下:
畸變無功功率有時稱作畸變功率,上式中,N為電流、電流最大紋波次數中的小者。個別文獻中也將Q稱為無功功率,而將Q和D的方和根稱為廣義無功功率。
對比位移無功功率和畸變無功功率的估算公式,可以發覺:Q是相同頻度的電流份量與電壓份量相位移不同形成的無功;而畸變無功功率則是不同頻度電流及電壓份量之間形成的無功。這一點很容易理解,后者是由于相同頻度份量之間存在相位差。而前者因為頻度不同,其相位差一直在變化,其實不會相等,而電流和電壓相位不同,還會形成無功。
非余弦電路中,視在功率S、有功功率P、位移無功功率Q、畸變無功功率D滿足下列估算公式。
5射頻功率估算公式
射頻功率屬于交流電功率,理論上具有與交流電功率相同的估算公式,然而,實際上在超高頻和微波頻段,有TEM波和非TEM波之分。在TEM波的同軸系統中,電流和電壓雖非準確含義,但檢測其絕對值很困難。在波導系統中,由于存在不同的電磁模式,電流和電流失去惟一性。在個頻段和各傳輸系統中,功率是單值表征信號硬度的重要方式。在射頻范圍直接檢測功率取代了電流和電壓的檢測。
6單相有功功率估算公式
單相電路中,總有功功率等于各相有功功率的算術和。單相四線制電路中,一般采用三瓦計法分別檢測每相的功率,單相有功功率估算公式如下:
對于單相三線制電路,也可采用二瓦計法,單相功率估算公式為:
注1:二瓦計法適用對稱和不對稱的單相三線制電路,詳盡功率估算公式推論請參見:二瓦計與三瓦計法適用場合解讀。
對于余弦單相對稱電路,
U、I為線電流、線電壓有效值,φ為相電流與相電壓的相位差。
或
UP、IP為相電流、相電壓有效值,φ為相電流與相電壓的相位差。
注:采用二瓦計法檢測時,每位瓦表的相位差與上述φ有內在聯系,但并相同,詳盡內容請參見:二瓦計法相位與功率質數的關系。
7單相無功功率估算公式
在電源和負載都對稱的單相三線電路中,可以借助檢測有功功率的兩表法測出單相無功功率:
P1、P2為兩個功率表檢測數據
二表法適用于電源電流對稱、負載對稱或不對稱的單相三線制和單相四線制電路中:
P1、P2、P3分別為三個功率表檢測數據
8電動機輸出功率估算公式
電動機輸出功率稱作電動機軸功率或機械功率,電動機輸出功率估算公式如下:
其推論過程如下:
P=FV(a)
F:力,單位為N;V:速率,單位為m/s;P:功率,單位為W
T=FR
F=T/R(b)
T:力矩,單位為N.m;R:作用直徑,單位為m
V=2πRn/60=πR*n/30(c)
V:線速率,單位為m/s;n:怠速,單位為r/min
將(b)、(c)代入(a)
P=πTn/30
若將P的單位變為kW,得到下列馬達功率估算公式:
P=πTn/30000=Tn/9549
或
T=9549P/n
注:馬達輸入功率、輸出功率及轉矩的換算公式及詳盡推論過程請參見:力矩和功率的估算公式推論及記憶技巧。
力矩和功率的估算公式推論及記憶技巧
力矩和功率及怠速的關系式,是馬達學中常用的關系式,近日在百度曉得上常有聽到關于力矩和功率及怠速的相關估算式的問答,通常回答者都是直接給出估算公式,公式中的常數采用近似值,常數常常不容易記住,本文的目的就是幫助你們便捷的記住那些公式,并在工程應用中熟練的使用。
1記住力矩和功率的公式方式
力矩和功率及怠速的關系式通常用于描述馬達的轉軸的做功問題,扭力越大,軸功率越大;怠速越高,軸功率越大,力矩和怠速都是形成軸功率的必要條件,力矩為零或怠速為零,輸出軸功率為零。為此,馬達空轉或堵轉就是軸功率等于零的兩個特例。
功率和轉矩及怠速成反比,力矩和功率的關系式具有如下方式:
P=aTN
上式中,a為常數,對應的有:
T=(1/a)(1/N)P
即力矩和功率成反比,和怠速成正比。
記憶技巧:
記住力矩T和功率P成反比,力矩T和怠速N成正比,而系數a毋須記憶。
2記住力做功的基本公式
提問者一般都曉得上述關系式,問題的焦點在于常數a的具體數值。
倘若不是常常使用該公式,的確很難記住這個常數,本人亦是這么。
不過,只要記住力矩和怠速公式的推論方法,可以很快推導入結果,得到系數a的確切值。
我們曉得熱學中力做功的功率估算公式為:
P=FV(2)
上述公式為力做功的基本公式。但是,基本公式中沒有出現力矩T和怠速N。
假如我們注意到:扭力實際上就是熱學上的扭力。就很容易聯想到力矩T和力F的關系。
因為扭力等于力F和力臂的乘積,而力臂是軸的直徑r,因而有:
T=Fr或
F=T/r(3)
圖2力矩和力臂的關系
記憶技巧:
力矩的單位是N.m,N是力的單位,m是寬度的單位,為此,力等于扭力乘以寬度,而寬度就是直徑r。
3把握角速率和速率的轉換方式
第二節告訴我們,力矩與軸的直徑有關,但是,力矩和功率的關系式(1)中,并無軸直徑的參數r,也無力做功基本公式(2)中的速率V。
這就引導我們去思索,將速率V變換為怠速N后,怠速N與力矩T相加,應當可以抵消掉軸直徑r。實際正是這么:
電動機軸面上任意一點的速率與旋轉的角速率及軸直徑成反比,即:
V=ωr(4)
記憶技巧:
弧形的寬度等于角度除以直徑,圓周運動的速率等于角速率除以直徑。
4力矩和功率的基本公式
將式(3)和(4)代入式(2),得到:
P=Tω(5)
式(5)為力矩和功率的基本公式,這個公式,我們可以根據上述方法推論,不過最好的辦法還是直接記住。
記憶技巧:
角速率ω和怠速N都可以反映怠速,采用角速率時,力矩和功率成反比,力矩和怠速成正比,且正反比的系數均為1,因而,這是力矩和功率的基本公式。
5單位轉換
至此,我們還是沒有得出力矩和功率關系式(1)中的常數a。這么,上面的推論,是否過分冗長呢?
其實不是,實際上,式(5)和式(1)具有相同的含意,區別僅僅在于變量的單位。
而一個公式中,假如單位不確定,常數是沒有意義的。
式(5)中,P、T和ω均采用標準單位,分別為瓦特(W)、牛頓.米(N.m)和弧度/秒(rad/s)。
式(1)中電功率三個公式的適用條件,若轉矩和功率的單位不變,怠速N采用常用的轉/分(r/min)。
因為一圈等于2π弧度電功率三個公式的適用條件,1分鐘等于60秒,式(5)變換為:
P=(2π/60)TN
若功率P采用kW為單位,上式變換為:
P=(2π/60000)TN
60000/2π≈9549代入上式得到:
P≈TN/9549
T≈9549P/N(6)
式(6)就是最常用的力矩和功率估算公式。
若功率較小,單位采用瓦特,式(6)的常數須要乘以1000。若怠速單位采用轉每秒,式(6)的常數須要除以60。
式(6)和式(5)的區別僅僅在于單位的選擇,而式(5)才是力矩和功率的基本公式。
6力矩和功率及怠速關系式記憶技巧
力矩和功率的基本公式為P=Tω,角速率ω可用怠速N代替,只要記住使用公式的變量和基本公式中變量的單位轉換關系,就可以便捷的推導入各類力矩和功率的估算公式及相關常數的確切數值。