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W=uit、W=pt的區別,二者所算的功,是不是均沒有只包括真實用電器所費的功,還包括了導線所費的功?

2022-02-13科學

題主主題描述不清,我把它改一下:「 W=uit、W=pt這兩個公式所算的功,是不是既有電器自身消耗的功,還包括導線消耗的功? 」。

按此理解,我們首先弄清楚什麽是系統電壓和標稱電壓,再來弄清楚兩個運算式的意義。

我今天的時間比較多,給題主多寫一點吧。

1.關於系統電壓和標稱電壓

我們看下圖:

圖1:供配電網系統電壓與標稱電壓的關系

圖1中我們看到了左側的電源部份,它的出口處的電壓叫做系統電壓Us。圖1中右側我們看到了用電負載F,該處的電壓叫做配電網額定電壓Un。國家標準規定,用電裝置和用電電器的標稱電壓必須等於配電網的額定電壓。

系統電壓Us與額定電壓Un之間的偏差就是路線壓降,它體現了路線損耗。

我們看下圖:

圖2:國家標準規定的供配電網各處電壓關系

圖2的左側是發電機,它的出口處電壓是發電機的額定電壓Un,經過升壓變壓器後,電壓變成輸送電的電壓等級。我們註意到輸送電路線末端是輸送電的額定電壓Un,而輸送電路線始端的電壓比末端高10%,其目的用於補償路線損耗。

圖2的右側我們看到了降壓變壓器,其出口處就是我們尋常所見的低壓配電網始端。低壓配電網最右側我們看到了用電裝置M,該處的電壓就是低壓配電網的標稱電壓Un,為380V/220V(線電壓/相電壓),而降壓變壓器出口處的系統電壓是400V/230V(線電壓/相電壓),系統電壓比標稱電壓高5%。

對於具體的用電裝置或者用電電器,銘牌上標定的電壓就是標稱電壓。

我們看下圖:

圖3:馬達和電冰箱的銘牌

圖3中左側是馬達銘牌,我們看到了它的電壓是380V。圖3右側是電冰箱銘牌,它的電壓是220V。這裏的380V和220V都是標稱電壓。

由此可見,題主探討的W=UIt中的U指的就是標稱電壓,,而W指的是電器自身所「費」的功,不是號誌站「費」的功。

第一個問題回答完畢。

2.對公式W=UIt與W=Pt淺析

(1)從直流電路中的電阻元件談起

我們看下圖:

圖4:電阻R消耗的熱能是什麽?

圖4是很簡單的直流回路,它由直流電源E、負載電阻R和兩條連線線構成。我們設電源E的內阻是r,則路端電壓U為:

U=E-Ir ,式1

負載電阻R上產生的發熱功率為: P=UI=I^2R ,故電阻R上產生的熱量為:

Q=Pt=UIt=I^2Rt=I^2\rho L/S ,式2

註意:式2中的Q不建議寫成W。

我們看到,對於電阻來說發熱熱量既可以寫成Q=UIt,也可以寫成Q=Pt。

我們設電阻自身溫度增加所消耗的熱量是Q2,其運算式為:

Q_1=cm(\theta-\theta_0) ,式3

式3中的c是電阻的比熱容,m是電阻的品質,θ是電阻當前的溫度,θ0是電阻的初始溫度。

有發熱當然就會有散熱,根據牛頓散熱公式,電阻散熱消耗的熱量Q2是:

Q_2=K_tA\tau t=K_tML\tau t ,式4

式4中的Kt是綜合散熱系數,M是電阻的截面周長,L是電阻本體的長度,τ是溫升,它是電阻表面溫度與環境溫度之差,t是通電時間。

對於電阻來說,發熱等於散熱,也即: Q=Q_1+Q_2 ,式5

當電阻的溫度趨於穩定後,因為電阻表面的溫度不再變化,故 Q_2=0 , Q=Q_2 。我們由此推得電阻的額定電流In和電阻的表面溫升τ的運算式,如下:

\[\left\{\begin{array}{11}I_n=\sqrt{\frac{K_tMS\tau_m}{\rho}}\\\tau=\frac{I^2\rho}{K_tMS}\end {array}\right.\] ,式6

對於電阻來說,路線中的電流I不得超過它的額定電流In,而電阻表面溫升τ不得超過電阻溫升的最大值τm。

我們從式6中未看到電壓U,但我們清楚地知道,電阻的發熱熱量Q(即題主的W參數)與電壓的高低是有關的,只不過我們未加以討論就是了。

(2)交流路線中的電器又會如何?

現在,我們把電阻想象為電器。我們知道,配電系統的標稱電壓不得隨意改變,它必須符合國家標準的要求。因此,電器的發熱量主要取決與電流!這是非常重要的概念!

對於電器來說,電壓不得超過電器的額定絕緣電壓,且電器內部以及它的接線端子之電氣間隙和爬電距離,還有電器內部絕緣材料的絕緣效能都必須滿足標稱電壓的要求。

對於交流馬達回路,情況就更復雜了。我們再仔細看圖3的馬達銘牌,其中有cosΦ=0.88字樣,這就是功率因數。

對於馬達來說,它的軸上輸出功率為: P=\sqrt{3}U_nI_n\cos\phi_n\eta_n ,這裏的Un是額定電壓,也就是配電網末端的標稱電壓。而In則是馬達的額定電流。

我們看到,馬達軸上輸出功率運算式中存在功率因數和效率。再看題主的公式W=Pt,是不是過於簡化了?!顯然,題主探討的公式只適用於直流電路中的電阻,對於交流電路中的元器件和電器,與實際運用不是一回事。在交流電路中,電壓和電流必須使用它們的相量,而電阻、電容和電感則必須用阻抗來表達,且必須考慮到電壓與電流之間的相位差,可見題主的運算式W=UIt和W=Pt將是另外一種形式了。

3.在實際電氣工程中題主的問題會以何種形式出現?

在實際工程中,我們在設計供配電系統時,必須考慮到路線的電壓損失,且用電裝置必須考慮到不同的工作制。我們用需要系數Kc把電器的功率轉換成計算功率,並由此得到系統的總計算功率、總計算無功功率、總計算視在功率,由此得到系統容量和電力變壓器容量。由電力變壓器容量推出它的額定電流、計算短路電流等參數,再考慮到電纜承受短路電流熱沖擊的能力,計算出用電裝置處的電壓是否滿足標稱電壓的要求,最後得到用電電器的實際工況。

可見,題主這個問題的背後,還是有很多知識量的。

就寫到這裏吧。