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W=uit、W=pt的区别,二者所算的功,是不是均没有只包括真实用电器所费的功,还包括了导线所费的功?

2022-02-13科学

题主主题描述不清,我把它改一下:「 W=uit、W=pt这两个公式所算的功,是不是既有电器自身消耗的功,还包括导线消耗的功? 」。

按此理解,我们首先弄清楚什么是系统电压和标称电压,再来弄清楚两个表达式的意义。

我今天的时间比较多,给题主多写一点吧。

1.关于系统电压和标称电压

我们看下图:

图1:供配电网系统电压与标称电压的关系

图1中我们看到了左侧的电源部分,它的出口处的电压叫做系统电压Us。图1中右侧我们看到了用电负载F,该处的电压叫做配电网额定电压Un。国家标准规定,用电设备和用电电器的标称电压必须等于配电网的额定电压。

系统电压Us与额定电压Un之间的偏差就是线路压降,它体现了线路损耗。

我们看下图:

图2:国家标准规定的供配电网各处电压关系

图2的左侧是发电机,它的出口处电压是发电机的额定电压Un,经过升压变压器后,电压变成输送电的电压等级。我们注意到输送电线路末端是输送电的额定电压Un,而输送电线路始端的电压比末端高10%,其目的用于补偿线路损耗。

图2的右侧我们看到了降压变压器,其出口处就是我们寻常所见的低压配电网始端。低压配电网最右侧我们看到了用电设备M,该处的电压就是低压配电网的标称电压Un,为380V/220V(线电压/相电压),而降压变压器出口处的系统电压是400V/230V(线电压/相电压),系统电压比标称电压高5%。

对于具体的用电设备或者用电电器,铭牌上标定的电压就是标称电压。

我们看下图:

图3:电动机和电冰箱的铭牌

图3中左侧是电动机铭牌,我们看到了它的电压是380V。图3右侧是电冰箱铭牌,它的电压是220V。这里的380V和220V都是标称电压。

由此可见,题主探讨的W=UIt中的U指的就是标称电压,,而W指的是电器自身所「费」的功,不是线路所「费」的功。

第一个问题回答完毕。

2.对公式W=UIt与W=Pt浅析

(1)从直流电路中的电阻元件谈起

我们看下图:

图4:电阻R消耗的热能是什么?

图4是很简单的直流回路,它由直流电源E、负载电阻R和两条连接线构成。我们设电源E的内阻是r,则路端电压U为:

U=E-Ir ,式1

负载电阻R上产生的发热功率为: P=UI=I^2R ,故电阻R上产生的热量为:

Q=Pt=UIt=I^2Rt=I^2\rho L/S ,式2

注意:式2中的Q不建议写成W。

我们看到,对于电阻来说发热热量既可以写成Q=UIt,也可以写成Q=Pt。

我们设电阻自身温度增加所消耗的热量是Q2,其表达式为:

Q_1=cm(\theta-\theta_0) ,式3

式3中的c是电阻的比热容,m是电阻的质量,θ是电阻当前的温度,θ0是电阻的初始温度。

有发热当然就会有散热,根据牛顿散热公式,电阻散热消耗的热量Q2是:

Q_2=K_tA\tau t=K_tML\tau t ,式4

式4中的Kt是综合散热系数,M是电阻的截面周长,L是电阻本体的长度,τ是温升,它是电阻表面温度与环境温度之差,t是通电时间。

对于电阻来说,发热等于散热,也即: Q=Q_1+Q_2 ,式5

当电阻的温度趋于稳定后,因为电阻表面的温度不再变化,故 Q_2=0 , Q=Q_2 。我们由此推得电阻的额定电流In和电阻的表面温升τ的表达式,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

对于电阻来说,线路中的电流I不得超过它的额定电流In,而电阻表面温升τ不得超过电阻温升的最大值τm。

我们从式6中未看到电压U,但我们清楚地知道,电阻的发热热量Q(即题主的W参数)与电压的高低是有关的,只不过我们未加以讨论就是了。

(2)交流线路中的电器又会如何?

现在,我们把电阻想象为电器。我们知道,配电系统的标称电压不得随意改变,它必须符合国家标准的要求。因此,电器的发热量主要取决与电流!这是非常重要的概念!

对于电器来说,电压不得超过电器的额定绝缘电压,且电器内部以及它的接线端子之电气间隙和爬电距离,还有电器内部绝缘材料的绝缘性能都必须满足标称电压的要求。

对于交流电动机回路,情况就更复杂了。我们再仔细看图3的电动机铭牌,其中有cosΦ=0.88字样,这就是功率因数。

对于电动机来说,它的轴上输出功率为: P=\sqrt{3}U_nI_n\cos\phi_n\eta_n ,这里的Un是额定电压,也就是配电网末端的标称电压。而In则是电动机的额定电流。

我们看到,电动机轴上输出功率表达式中存在功率因数和效率。再看题主的公式W=Pt,是不是过于简化了?!显然,题主探讨的公式只适用于直流电路中的电阻,对于交流电路中的元器件和电器,与实际运用不是一回事。在交流电路中,电压和电流必须使用它们的相量,而电阻、电容和电感则必须用阻抗来表达,且必须考虑到电压与电流之间的相位差,可见题主的表达式W=UIt和W=Pt将是另外一种形式了。

3.在实际电气工程中题主的问题会以何种形式出现?

在实际工程中,我们在设计供配电系统时,必须考虑到线路的电压损失,且用电设备必须考虑到不同的工作制。我们用需要系数Kc把电器的功率转换成计算功率,并由此得到系统的总计算功率、总计算无功功率、总计算视在功率,由此得到系统容量和电力变压器容量。由电力变压器容量推出它的额定电流、计算短路电流等参数,再考虑到电缆承受短路电流热冲击的能力,计算出用电设备处的电压是否满足标称电压的要求,最后得到用电电器的实际工况。

可见,题主这个问题的背后,还是有很多知识量的。

就写到这里吧。