提高功率因数实验式教学法研究

【摘要】工作过程：当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220V的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两触...

【摘 要】负载的功率因数越低，电路能量交换部分所占的比例越大，对电力系统不利。那是什么导致了功率因数偏低？提高功率因数有什么意义？如何提高功率因数？本文从实验的角度出发研究了这几个问题。

【关键词】功率因数 实验式教学 并联电容

电路的有功功率和视在功率的比值叫作功率因数。在供电系统的负载中，就其性质来说，多属于感性负载，由于感性负载的电流滞后于电压，功率因数总是小于1。如经常使用的异步电动机、控制电路中的交流接触器，其功率因数较低，一般在0.7―0.85左右。那么怎样提高电感性电路的功率因数呢？下面通过一个典型的日光灯电路进行分析。

一、日光灯电路

日光灯电路由灯管、镇流器、启辉器组成。日光灯灯管是一个在真空情况下先充有一定数量的氩气和少量水银的玻璃管。管的内壁涂有荧光材料，两个电极用钨丝绕成，上面涂有一层加热后能发射电子的物质。管内氩气既可以帮助灯管点燃，又可延长灯管寿命。镇流器是一个带有铁芯的电感线圈。在灯管启辉器瞬间产生一个较高的自感电动势与电源叠加，加在灯管两端助其点燃，在灯管正常工作时，起到稳压限流的作用，避免电流过大而烧毁灯丝。启辉器里面有氖泡与两个电极。氖泡内充有氖气;两个电极一个是固定的静触片，另一个是用膨胀系数不同的双金属片制成的倒U型可动的动触片。

工作过程：当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220V的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两触片接触。电流通过镇流器、启辉器触片和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两触片闭合，两极间电压为0，辉光放电消失，启辉器内温度降低，双金属片自动复位，两触片分开。在两触片断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于灯管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸汽，随之水银蒸汽也被电离，并发出强烈的紫外线，在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。

二、功率因数低的原因

大多数负载都属于电感性的，即既含有R又含有L。电源与负载之间存在能量交换。电路中存在电感，若感性越强，即电感L越大时，感抗会随之增大，由于是串联电路，那电感两端的电压UL也会越大，在相量图中总电压与总电流的夹角也会增大，这样直接导致功率因数cos的减小。功率因数不高的根本原因就是电感性负载的存在。

三、提高功率因数的意义

（一）充分利用发电设备的容量

例1.一台容量为1000VA（视在功率）的发电机，如果cos=0.6，能接几盏功率为100W的白炽灯？如果cos=0.9，能接几盏功率为100W的白炽灯？

当cos=0.6，能接100W的白炽灯6盏。

当cos=0.9，能接100W的白炽灯9盏。

因为P=UIcos，当电源容量S=UI一定时，功率因数cos越高，其输出的功率越大。

（二）减少耗材

例2.某电站以U=220kV的高压向某地输送P=240MW的电力，若输电线路得总电阻R=10Ω，试计算当功率因数由0.6提高到0.9时，输电线上一年少损耗多少电能？

解：当功率因数为0.6时，端口的电流为

当功率因数为0.9时，端口的电流为

一年中输电线上可以少损耗的电能

线路损耗减少，可以使负载电压与电源电压更接近，电压调整率更高。在线路损耗一定时，提高功率因数可以使输电线上的电流减小，从而可以减小导线的截面，节约铜材。

四、提高功率因数的方法

提高功率因数需减少电源与负载之间的能量互换。对于电感性负载，通常采用的方法是将电容与负载并联。

图1 电感性负载并联电容

图2 电感性负载并联电容相量图

提高功率因数的原则：必须保证原负载的工作状态不变。即加至负载上的电压和负载的有功功率都不变。分析实验数据可发现电路中总电流减小，视在功率减小，而功率因数得到了提高。原感性支路的工作状态没有发生变化，电路的有功功率不变。并联电容时一定要注意电容量要适当，所谓适当电容的电容量通过推导满足如下公式：

C=（tanφ1-tanφ）

其中，P为有功功率，为角频率，U为电压有效值，是并联电容前对应的角度，是并联电容后对应的角度。

本文从实验的角度出发，通过典型的日光灯电路贯穿各个知识点的学习，将复杂的问题简单化，能够通过实验数据方便的分析出功率因数不高的原因以及提高功率因数的方法，并且增强了学生仪器仪表的使用能力，对高职类的教学有一定的借鉴意义。

【参考文献】

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