提高功率因數(shù)實驗式教學(xué)法研究

方潔 王昕鑫 歐陽艷蓉

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

【關(guān)鍵詞】功率因數(shù) ? ? 實驗式教學(xué) ? ? 并聯(lián)電容

電路的有功功率和視在功率的比值叫作功率因數(shù)。在供電系統(tǒng)的負(fù)載中，就其性質(zhì)來說，多屬于感性負(fù)載，由于感性負(fù)載的電流滯后于電壓，功率因數(shù)總是小于1。如經(jīng)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(shù)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(shù)呢？下面通過一個典型的日光燈電路進(jìn)行分析。

一、日光燈電路

日光燈電路由燈管、鎮(zhèn)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(shù)量的氬氣和少量水銀的玻璃管。管的內(nèi)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(fā)射電子的物質(zhì)。管內(nèi)氬氣既可以幫助燈管點燃，又可延長燈管壽命。鎮(zhèn)流器是一個帶有鐵芯的電感線圈。在燈管啟輝器瞬間產(chǎn)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(wěn)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(nèi)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(shù)不同的雙金屬片制成的倒U型可動的動觸片。

工作過程：當(dāng)開關(guān)接通的時候，電源電壓立即通過鎮(zhèn)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(chǎn)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(zhèn)流器、啟輝器觸片和兩端燈絲構(gòu)成通路。燈絲很快被電流加熱，發(fā)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(nèi)溫度降低，雙金屬片自動復(fù)位，兩觸片分開。在兩觸片斷開的瞬間，電路電流突然切斷，鎮(zhèn)流器產(chǎn)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(fā)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(nèi)氬氣分子使之迅速電離。氬氣電離生熱，熱量使水銀產(chǎn)生蒸汽，隨之水銀蒸汽也被電離，并發(fā)出強烈的紫外線，在紫外線的激發(fā)下，管壁內(nèi)的熒光粉發(fā)出近乎白色的可見光。

二、功率因數(shù)低的原因

大多數(shù)負(fù)載都屬于電感性的，即既含有R又含有L。電源與負(fù)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(lián)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(dǎo)致功率因數(shù)cos的減小。功率因數(shù)不高的根本原因就是電感性負(fù)載的存在。

三、提高功率因數(shù)的意義

（一）充分利用發(fā)電設(shè)備的容量

例1.一臺容量為1000VA（視在功率）的發(fā)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(dāng)cos=0.6，能接100W的白熾燈6盞。

當(dāng)cos=0.9，能接100W的白熾燈9盞。

因為P=UIcos，當(dāng)電源容量S=UI一定時，功率因數(shù)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(dāng)功率因數(shù)由0.6提高到0.9時，輸電線上一年少損耗多少電能？

解：當(dāng)功率因數(shù)為0.6時，端口的電流為

當(dāng)功率因數(shù)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(fù)載電壓與電源電壓更接近，電壓調(diào)整率更高。在線路損耗一定時，提高功率因數(shù)可以使輸電線上的電流減小，從而可以減小導(dǎo)線的截面，節(jié)約銅材。

四、提高功率因數(shù)的方法

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

圖1 電感性負(fù)載并聯(lián)電容

圖2 電感性負(fù)載并聯(lián)電容相量圖

提高功率因數(shù)的原則：必須保證原負(fù)載的工作狀態(tài)不變。即加至負(fù)載上的電壓和負(fù)載的有功功率都不變。分析實驗數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)電路中總電流減小，視在功率減小，而功率因數(shù)得到了提高。原感性支路的工作狀態(tài)沒有發(fā)生變化，電路的有功功率不變。并聯(lián)電容時一定要注意電容量要適當(dāng)，所謂適當(dāng)電容的電容量通過推導(dǎo)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(lián)電容前對應(yīng)的角度，是并聯(lián)電容后對應(yīng)的角度。

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

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