三相电力计算模拟器

三相平衡负荷的有效电力、无功电力、视在电力的基本计算公式。可以从线间电压和线电流直接求出。

$$ \begin{aligned}P &= \sqrt{3}\, V_L \, I_L \, \cos\phi \quad \text{[W]}\\ Q &= \sqrt{3}\, V_L \, I_L \, \sin\phi \quad \text{[var]}\\ S &= \sqrt{3}\, V_L \, I_L \quad \text{[VA]}\end{aligned}$$

$V_L$ : 线间电压 (V), $I_L$ : 线电流 (A), $\phi$ : 电压与电流的相位差, $\cos\phi$ : 功率因数 (PF)。电力三角形的关系 $S^2 = P^2 + Q^2$ 总是成立。

Y接和△接中，线间值和相（内部）值的换算关系。机器的内部设计和CAE分析需要用到相的值。

$$ \text{Y接:}\quad V_L = \sqrt{3}\, V_{ph},\quad I_L = I_{ph}\\ \text{△接:}\quad V_L = V_{ph},\quad I_L = \sqrt{3}\, I_{ph}$$

$V_{ph}$ : 相电压, $I_{ph}$ : 相电流。系数 $\sqrt{3}$ 来自三相相位相差120°这一几何关系。无论哪种接法，电力$P$都可以用 $3 V_{ph}I_{ph} \cos\phi$ 计算。

工业电动机、泵、风机：工厂的主要动力设备几乎都是三相感应电动机。用CAE评估电动机的效率（含功率因数）和发热，以确定最佳接线方式（如Y-△启动）和维护计划。模拟器中改变功率因数时无功电力Q的变化，直接关系到损失评估。

电力系统的规划和运行：从发电厂到用户的输配电系统基本都是三相。为了分析系统的电压稳定性和电力损失，需要进行潮流计算（求有效电力P、无功电力Q的流向）。本模拟器中学到的电力三角关系是这个计算的基础。

数据中心电源设计：服务器机架的供电使用不间断电源（UPS）和电源分配装置（PDU），三相输入用来决定容量（视在电力S）。具有功率因数改善功能（PFC）的最新机器的效果可以通过改变参数来确认。

电动汽车（EV）充电设施：快速充电站利用三相电源在短时间内供应大功率。充电器转换器电路的设计，以及充电时对系统的影响（功率因数和谐波）的预测，都需要用CAE仿真，而这的基础知识就很重要。

使用这个模拟器时，特别是对CAE初学者来说，有几个容易犯错的地方。首先是"线间电压"的定义。这就是字面上的"两条线之间的电压"，是实测值。但很容易从单相电路的概念出发，把它和"接地电压"混淆，或者和Y接时的"相电压（线与中性点间）"搞错。比如说，配电盘上的电压表显示400V，那就是线间电压。在模拟器中输入"200V"时，这就是作为线间电压输入的。

其次是功率因数的符号。这个工具中功率因数是0～1的正值，但实际上，为了区分无功电力Q的"滞后"和"超前"，功率因数cosφ有时会带符号（滞后功率因数为正，超前功率因数为负）。接入电容器后变成超前功率因数，无功电力Q的值变为负数。模拟器中改变功率因数时Q的符号不变，但实际工作的计算表格中这一区别很重要。

最后是"平衡负荷"的大前提。这个工具的计算公式 $P=\sqrt{3}V_L I_L \cos\phi$ 只在三相负荷完全平衡（各相的阻抗相等）时才成立。现实的CAE分析中，比如配电系统的故障分析，经常会出现不平衡的情况。那种时候需要用对称分量法等其他方法。这个模拟器最好理解为学习理想的平衡状态这一"基础"的工具。