相量法在“提高功率因數(shù)的意義”教學中的運用

程來星　陳偉

摘 要：高職院校《電工技術基礎》教材中，對提高功率因數(shù)的兩個重要意義，主要是針對公式P=UIcosφ來進行分析的。如果針對交流電路中兩個主要參數(shù)電壓和電流，采用相量法來進行分析，能更直觀加強學生對提高功率因數(shù)的意義的理解和掌握。在“提高功率因數(shù)的意義”教學中，運用學生前面學過的相量法，便于學生更好的理解電力系統(tǒng)中，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用異步電動機，負載大多為感性的，負載的電壓相位超前電流相位φ角，這是引起功率因數(shù)降低的主要原因。

關鍵詞：相量法 提高 功率因數(shù) 運用

中圖分類號：G72 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0149-01

在電能的傳輸過程中，提高用電設備的功率因數(shù)具有兩個非常重要的意義，一是提高功率因數(shù)可以提高電源設備的利用率；二是提高功率因數(shù)可以減小輸電線路中的功率和電壓損失。目前高職院校《電工技術基礎》教材中，提高功率因數(shù)的意義，主要是針對公式P=UIcosφ來進行分析的，一是任何電源都有確定的容量（SN=UNIN），電源向用電設備提供多大的有功功率并不取決于電源本身，而是決定于用電設備的大小和性質(zhì)，用電設備的功率由公式P=UIcosφ確定，功率因數(shù)越高，電源輸出的有功功率就越大，無功功率就越小，電源的容量就能夠得到充分利用。二是任何輸電線路都有阻抗（Z0），當用電設備端電壓U和功率P一定時，由公式I=P/Ucosφ可知，功率因數(shù)越高，I越小，輸電線路中的電能損耗（P=I2R）越小，線路上的電壓損失（ΔU=IZ0）越小。

上述分析都是圍繞公式P=UIcosφ來展開的，分析雖然簡單，但不一定能讓學生對提高功率因數(shù)的意義進行真正理解和掌握。如果我們將電源、輸電線路和用電設備簡化成電路圖，以交流電路中兩個主要參數(shù)電壓和電流為研究對象，引入相量分析法，來理解提高功率因數(shù)的意義，則能夠使學生在交流電路的學習中，進一步加深對交流電壓和電流的大小、相位的理解，更加直觀的表述交流電路中的能量轉(zhuǎn)換和功率的特點。分析方法如下。

（1）提高電源設備的利用率。電源設備的容量表示其供電能力，是以視在功率表征的，即SN=UNIN，在不考慮輸電線路阻抗（Z0）的情況下，我們假設電源在額定狀態(tài)下工作，由圖1可知，UN=U，IN=I，用電設備功率因數(shù)越高，I有越大，電源輸出的有功功率越大。當用電設備呈純電阻性時，功率因數(shù)為1，此時SN=P=UI，電源設備的容量全部以有功功率輸出。從用電設備的角度來講，任何用電設備都有額定功率，如果用電設備的功率因數(shù)越高，同一電源所能供電的用電設備就越多，電源設備利用率越高。

（2）減小輸電線路的功率和電壓損失。在電能的傳輸中，輸電線路以電流的形式把電能輸送到各地，輸電線路不可避免的有阻抗（），電流流經(jīng)輸電線路時，就會在電阻上產(chǎn)生功率損耗（P=I2R），在阻抗上產(chǎn)生電壓損失（ΔU=IZ0），對輸電線路來講，電阻R和阻抗Z0可以看成是定值，因此，決定輸電線路的功率損耗和電壓損失正是電流的有效值I。在電力系統(tǒng)中，我們要保證用電設備在額定狀態(tài)下工作，也就是保證用電設備功率P不變的前提下，盡量減小輸電線路上流過的電流I。根據(jù)前面的分析，，P=I有U，我們只能在保證I有不變的前提下盡量減小I無。由圖2可知，這就是要盡量減小φ角，提高用電設備的功率因數(shù)。如果用電設備的功率因數(shù)低，在輸電線路上就要流過較多的無功電流，而無功電流對用電設備的實際功率沒有任何貢獻，但對電路中電流有效值有貢獻，因而要增加輸電線路上的功率損耗和電壓損失。

分析各種正弦交流電路，就是要明確電路中電壓與電流之間的關系（大小和相位），并討論電路中的能量轉(zhuǎn)換和功率的特點。對正弦交流電路進行分析計算，最為簡便的方法是相量法。在“提高功率因數(shù)的意義”教學中，運用學生前面學過的相量法，便于學生更好的理解電力系統(tǒng)中，由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用異步電動機，負載大多為感性的，負載的電壓相位超前電流相位φ角，這是引起功率因數(shù)降低的主要原因。功率因數(shù)的高低是關系到電源設備能否充分利用，輸電效率能否提高的關鍵問題。

參考文獻

[1] 梁燦彬，秦光戎，梁竹健.電磁學[M].北京：高等教育出版社，1980.

[2] 儲克森.電工基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[3] 葉水春，樊輝娜.電工電子技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.endprint