无功功率

无功功率 (Reactive Power)

符号	$Q$
单位	乏 (var) / 千乏 (kvar)
物理本质	储能元件与源之间的能量交换
核心关联	功率因数 (PF), PFC

无功功率是指在具有电感或电容的交流电路中，电场或磁场在半个周期内吸收能量，而在另半个周期内将能量返回电源的功率。它在电源与负载之间往返“流动”，不转化成机械能或热能，但在建立电磁场（如电机、变压器工作）中必不可少。

物理意义：能量的“搬运工”

在交流电路中，电压与电流之间存在相位差 $\varphi$：

• 有功功率 (P)： $P=V\cdot I\cdot \cos \varphi$（单位：W）。实际消耗的能量。
• 无功功率 (Q)： $Q=V\cdot I\cdot \sin \varphi$（单位：var）。维持电磁场所交换的能量。
• 视在功率 (S)： $S=\sqrt{P^2+Q^2}=V\cdot I$（单位：VA）。电网需要提供的总容量。

为什么 50kW 系统必须关注无功功率？

对于您开发的 50kW 变频器或大型热泵系统，无功功率过大会带来以下负面影响：

1. 占用电网容量： 如果 PF（功率因数）较低，意味着视在功率 $S$ 远大于有功功率 $P$。为了输出 50kW 的有用功，电网可能需要按 70kVA 甚至更高的容量来配电。
2. 增加线损： 虽然无功功率不消耗能量，但它流经导线时会产生真实的电流 $I$，根据 $P_{loss}=I^{2}R$，这会加剧电缆发热。
3. 电压波动： 大量的感性无功会导致电网末端电压下降，影响系统稳定性。

无功功率的分类

• 感性无功： 由电感性负载（如变频器中的电抗器、电机绕组）产生，电流滞后电压 90°。
• 容性无功： 由电容性负载（如母线电容、长电缆寄生电容）产生，电流超前电压 90°。

工程应用与补偿

在 50kW 电力电子设计中，我们通常采用以下手段处理无功功率：

• 被动补偿： 在输入端并联电容或串联电抗器，抵消感性或容性分量。
• 主动补偿 (APFC)： 通过控制 IGBT/SiC MOSFET 的开关动作，使输入电流强行跟踪电压相位，使 $\varphi \approx 0$，从而将无功功率降至最低。
• SVC/SVG： 在大型工业配电中，使用静止无功补偿器实时调节功率因数。

参见

• 功率因数 (PF)
• 功率因数校正 (PFC)
• 视在功率
• 变频器