提高功率因數實驗式教學法研究

方潔 王昕鑫 歐陽艷蓉

【摘 要】負載的功率因數越低，電路能量交換部分所占的比例越大，對電力系統不利。那是什么導致了功率因數偏低？提高功率因數有什么意義？如何提高功率因數？本文從實驗的角度出發研究了這幾個問題。

【關鍵詞】功率因數 ? ? 實驗式教學 ? ? 并聯電容

電路的有功功率和視在功率的比值叫作功率因數。在供電系統的負載中，就其性質來說，多屬于感性負載，由于感性負載的電流滯后于電壓，功率因數總是小于1。如經常使用的異步電動機、控制電路中的交流接觸器，其功率因數較低，一般在0.7—0.85左右。那么怎樣提高電感性電路的功率因數呢？下面通過一個典型的日光燈電路進行分析。

一、日光燈電路

日光燈電路由燈管、鎮流器、啟輝器組成。日光燈燈管是一個在真空情況下先充有一定數量的氬氣和少量水銀的玻璃管。管的內壁涂有熒光材料，兩個電極用鎢絲繞成，上面涂有一層加熱后能發射電子的物質。管內氬氣既可以幫助燈管點燃，又可延長燈管壽命。鎮流器是一個帶有鐵芯的電感線圈。在燈管啟輝器瞬間產生一個較高的自感電動勢與電源疊加，加在燈管兩端助其點燃，在燈管正常工作時，起到穩壓限流的作用，避免電流過大而燒毀燈絲。啟輝器里面有氖泡與兩個電極。氖泡內充有氖氣;兩個電極一個是固定的靜觸片，另一個是用膨脹系數不同的雙金屬片制成的倒U型可動的動觸片。

工作過程：當開關接通的時候，電源電壓立即通過鎮流器和燈管燈絲加到啟輝器的兩極。220V的電壓立即使啟輝器的惰性氣體電離，產生輝光放電。輝光放電的熱量使雙金屬片受熱膨脹，兩觸片接觸。電流通過鎮流器、啟輝器觸片和兩端燈絲構成通路。燈絲很快被電流加熱，發射出大量電子。這時，由于啟輝器兩觸片閉合，兩極間電壓為0，輝光放電消失，啟輝器內溫度降低，雙金屬片自動復位，兩觸片分開。在兩觸片斷開的瞬間，電路電流突然切斷，鎮流器產生很大的自感電動勢，與電源電壓疊加后作用于燈管兩端。燈絲受熱時發射出來的大量電子，在燈管兩端高電壓作用下，以極大的速度由低電勢向高電勢端運動。在加速運動的過程中，碰撞管內氬氣分子使之迅速電離。氬氣電離生熱，熱量使水銀產生蒸汽，隨之水銀蒸汽也被電離，并發出強烈的紫外線，在紫外線的激發下，管壁內的熒光粉發出近乎白色的可見光。

二、功率因數低的原因

大多數負載都屬于電感性的，即既含有R又含有L。電源與負載之間存在能量交換。電路中存在電感，若感性越強，即電感L越大時，感抗會隨之增大，由于是串聯電路，那電感兩端的電壓UL也會越大，在相量圖中總電壓與總電流的夾角也會增大，這樣直接導致功率因數cos的減小。功率因數不高的根本原因就是電感性負載的存在。

三、提高功率因數的意義

（一）充分利用發電設備的容量

例1.一臺容量為1000VA（視在功率）的發電機，如果cos=0.6，能接幾盞功率為100W的白熾燈？如果cos=0.9，能接幾盞功率為100W的白熾燈？

當cos=0.6，能接100W的白熾燈6盞。

當cos=0.9，能接100W的白熾燈9盞。

因為P=UIcos，當電源容量S=UI一定時，功率因數cos越高，其輸出的功率越大。

（二）減少耗材

例2.某電站以U=220kV的高壓向某地輸送P=240MW的電力，若輸電線路得總電阻R=10Ω，試計算當功率因數由0.6提高到0.9時，輸電線上一年少損耗多少電能？

解：當功率因數為0.6時，端口的電流為

當功率因數為0.9時，端口的電流為

一年中輸電線上可以少損耗的電能

線路損耗減少，可以使負載電壓與電源電壓更接近，電壓調整率更高。在線路損耗一定時，提高功率因數可以使輸電線上的電流減小，從而可以減小導線的截面，節約銅材。

四、提高功率因數的方法

提高功率因數需減少電源與負載之間的能量互換。對于電感性負載，通常采用的方法是將電容與負載并聯。

圖1 電感性負載并聯電容

圖2 電感性負載并聯電容相量圖

提高功率因數的原則：必須保證原負載的工作狀態不變。即加至負載上的電壓和負載的有功功率都不變。分析實驗數據可發現電路中總電流減小，視在功率減小，而功率因數得到了提高。原感性支路的工作狀態沒有發生變化，電路的有功功率不變。并聯電容時一定要注意電容量要適當，所謂適當電容的電容量通過推導滿足如下公式：

C=（tanφ1-tanφ）

其中，P為有功功率，為角頻率，U為電壓有效值，是并聯電容前對應的角度，是并聯電容后對應的角度。

本文從實驗的角度出發，通過典型的日光燈電路貫穿各個知識點的學習，將復雜的問題簡單化，能夠通過實驗數據方便的分析出功率因數不高的原因以及提高功率因數的方法，并且增強了學生儀器儀表的使用能力，對高職類的教學有一定的借鑒意義。

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