李 瑩，盧學(xué)英

（天津大學(xué) 電氣與自動化學(xué)院，天津 300072）

1 功率因數(shù)提高的意義

功率因數(shù)是指電力系統(tǒng)中線路有功功率與視在功率的比值，即cosφ=P/S。在視在功率一定的前提下，功率因數(shù)越低，即φ 角越大時，有功功率越小，無功功率越大，線路電流也越大，導(dǎo)致電網(wǎng)線路傳輸效率降低[1]?？紤]到工業(yè)生產(chǎn)中多數(shù)用電設(shè)備都具有電感特性，工作時不僅要從供電系統(tǒng)吸收有功功率，還要吸收一部分無功功率，若無功功率持續(xù)增大勢必降低整個電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，因此提高負(fù)載功率因數(shù)是電力系統(tǒng)中一項重要的工程實踐問題，需要采取多方面措施[2]。通常的解決辦法是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙萜?，取其容性電流分量來補(bǔ)償感性電流，從而達(dá)到補(bǔ)償無功功率的目的[3]。

以上內(nèi)容在本科生電氣工程學(xué)概論學(xué)習(xí)后會進(jìn)行相關(guān)實驗論證與分析，但以往實驗教材多以日光燈電路作為教學(xué)負(fù)載[4-5]，內(nèi)容雖簡單但缺乏工程實踐性。實際工業(yè)生產(chǎn)中的負(fù)載大多為電動機(jī)、電力變壓器等大型電氣設(shè)備，若能在教學(xué)中增加對此類器件的實驗測試，將有助于加深學(xué)生對功率因數(shù)提高原理的理解，切實體驗電工理論與工程應(yīng)用的區(qū)別，提高其工程實踐能力。

本文結(jié)合工程實際應(yīng)用，從電路分析角度，將實驗互感線圈、單相小型異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)分別作為實驗負(fù)載，給出不同負(fù)載下的實施電路，并對每組測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析，總結(jié)各項負(fù)載電路的優(yōu)勢與劣勢，希望以此作為電路實踐教學(xué)的一個補(bǔ)充。

2 實驗教學(xué)方法

在電工技術(shù)實驗教材中，“功率因數(shù)提高實驗”通常采用三表法測量手段[6]。為了真實模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中的各種負(fù)載形式，讓學(xué)生體會理論應(yīng)用于實踐的過程，這里以互感線圈、單相異步電機(jī)、三相異步電機(jī)為例，分別進(jìn)行實驗測試，讓學(xué)生在實踐操作中理解實現(xiàn)功率因數(shù)提高的有效措施和工程意義[7]，學(xué)會根據(jù)不同負(fù)載形式自主設(shè)計、連接電路，并分析各種設(shè)備的實驗共性和特性。

2.1 互感線圈負(fù)載電路

實驗以一組750 wdg/36 V互感線圈為負(fù)載，電路如圖1所示，圖中L為互感線圈，R為串聯(lián)可調(diào)電阻，阻值 40 Ω，C 為電容器組（可取值 0.47 μF/1 μF/2 μF/4 μF/8 μF）。電源輸入單相交流 220 V/50 Hz。電容未接入前，電流為0.891 A，電壓為54.3 V，功率為41.4 W，此時cosφ=0.855。然后，負(fù)載兩端逐步增加并聯(lián)電容值，并記錄此時儀表讀數(shù)，由實測數(shù)據(jù)計算的電路功率因數(shù)變化曲線如圖2所示。

圖1 互感線圈功率因數(shù)提高電路圖

圖2 互感線圈功率因數(shù)變化圖

2.2 單相異步電動機(jī)負(fù)載電路

實驗采用一單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)式異步電動機(jī)為負(fù)載[2]，電機(jī)型號為 YY-5624，參數(shù)為60 W/0.64 A、轉(zhuǎn)速為1400 r/min，電容器組同上，電路如圖3所示。電容未接入前，電流為0.45 A，電壓為216 V，功率為58.0 W，此時cosφ=0.597。然后，逐步增加并聯(lián)電容值，并記錄儀表讀數(shù)，由實測數(shù)據(jù)計算的功率因數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖3 單相異步電動機(jī)功率因數(shù)提高電路圖

圖4 單相異步電動機(jī)功率因數(shù)變化圖

2.3 三相異步電動機(jī)負(fù)載電路

實驗以三相異步電動機(jī)為感性負(fù)載時，電源需采取三相三線制，負(fù)載電機(jī)采用三角形連接方式，如圖5所示。圖中L代表電機(jī)每一相定子繞組線圈，線圈兩端分別并聯(lián)一盞燈泡和電容器組，電機(jī)參數(shù)為150 W/0.6 A、轉(zhuǎn)速為1400 r/min。電容未接入前，測得兩功率表讀數(shù)分別為46 W和99.2 W，此時cosφ=0.84。然后，逐步增加并聯(lián)電容值并記錄兩功率表讀數(shù)，由實驗數(shù)據(jù)計算出功率因數(shù)變化曲線如圖6所示。

圖5 三相異步電動機(jī)功率因數(shù)提高電路圖

圖6 三相異步電動機(jī)功率因數(shù)變化圖

3 實驗方案分析

3.1 無功補(bǔ)償法

無功補(bǔ)償法在三組負(fù)載電路中均起到了提高電路功率因數(shù)的作用[8]。盡管由于每組負(fù)載的電感量和內(nèi)阻值不同導(dǎo)致補(bǔ)償電容量也不同，但學(xué)生可以從實驗數(shù)據(jù)和功率因數(shù)變化圖上直觀地看到補(bǔ)償效果，客觀上驗證了教材理論知識，達(dá)到了理論聯(lián)系實際的目的。

3.2 線路連接

從線路連接難易程度來看，互感線圈負(fù)載電路最為簡單，學(xué)生只要掌握先串后并的原則即可，實驗測量值與理論值間的誤差也很小，因此該實驗屬于基礎(chǔ)性實驗內(nèi)容，目的是培養(yǎng)學(xué)生的基本實驗技能和對理論知識的理解。

當(dāng)以單相異步電機(jī)為負(fù)載時，由于其結(jié)構(gòu)原因，需要在啟動繞組中串入電容，再與工作繞組并聯(lián)接上電源方可啟動，電路連接方式略有不同。從工程實踐上來說，單相異步電機(jī)是常用的小容量交流電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域，工程實用性非常強(qiáng)。學(xué)生可通過這一實驗學(xué)習(xí)和掌握其使用方法和運(yùn)行特性，從而對今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)和工作實踐打下良好基礎(chǔ)。

與前兩種電路相比較，三相異步電機(jī)負(fù)載電路的連線最為復(fù)雜，導(dǎo)線數(shù)量最多，是對學(xué)生實踐操作能力的一次很好的考驗和鍛煉機(jī)會。學(xué)生在連線時，不僅要考慮三相電源的輸出形式及負(fù)載星三角連線規(guī)則，而且要確保電路連線的正確性，避免發(fā)生合閘短路事故，同時還要注意兩個功率表的接線位置。只有做到每個環(huán)節(jié)都準(zhǔn)確無誤，才能順利展開實驗操作。該實驗連線難度相對較大，需要學(xué)生課前充分做好預(yù)習(xí)工作。

3.3 實驗安全性

從實驗安全性角度來看，互感線圈電路的安全性最高。由于線圈的耐壓值僅為36 V，實驗需保證其工作在正常電壓范圍內(nèi)，否則線圈會因急速過熱燒毀變形。實驗顯示，這一電路中的電源輸出只有幾十伏特，相對較低，因此采用這一負(fù)載的安全性較高。而在單相電機(jī)負(fù)載和三相電機(jī)負(fù)載實驗中，電源一側(cè)輸出值均接近于220 V，已屬于高壓實驗電路，安全性要比前者為低。學(xué)生在實驗過程中必須遵守安全操作規(guī)程，保證人身安全。

3.4 實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)方面來看，每個實驗電路需要測量的數(shù)據(jù)內(nèi)容都有所不同，參數(shù)設(shè)置要求相差很大。例如，圖1電路中的串聯(lián)電阻R，當(dāng)取值分別為40 Ω和90 Ω時，結(jié)果顯示該電路由感性過渡到全補(bǔ)償狀態(tài)時，電容調(diào)節(jié)范圍分別為 0～26.94 μF 和 0～9.47 μF?？梢钥吹?，R值越大電容調(diào)節(jié)范圍反而越小，補(bǔ)償過程也越短，若繼續(xù)增大，將有可能看不到功率因數(shù)提高的現(xiàn)象。相反，R值過小實驗現(xiàn)象又過于漫長，且實驗數(shù)據(jù)冗長，甚至電容并聯(lián)到最大值時仍然沒有達(dá)到全補(bǔ)償，此時實驗是不成功的。因此，學(xué)生在測試前一定要根據(jù)實驗設(shè)備的參數(shù)值合理選擇電路參數(shù)，掌握理論數(shù)據(jù)后再進(jìn)行實驗操作。

在單相異步電機(jī)實驗中，當(dāng)電機(jī)處于空載或輕載運(yùn)行時，系統(tǒng)cosφ值往往較低，本實驗中其初始值約為0.6，而并聯(lián)電容后cosφ值可以提高40%左右接近于1，實驗效果非常明顯。與三相電機(jī)負(fù)載電路相比，該電路連線難易程度適中，比較符合本科實驗教學(xué)的課時要求，因此采用這一負(fù)載形式較為實際，實驗過程既能驗證相關(guān)理論知識，又能鍛煉學(xué)生的實踐操作能力。

采用三相異步電機(jī)為負(fù)載，學(xué)生需要具備以下方面電工理論知識。一是掌握三相電機(jī)的連接方式[9]；二是掌握三相電路功率測量方法，這是與單相電機(jī)負(fù)載電路的主要區(qū)別；三是要考慮因電機(jī)啟動電流過大對電流表和電壓表的沖擊問題；四是要考慮實驗過程中元件參數(shù)的設(shè)定是否滿足儀表讀數(shù)要求，避免讀數(shù)不準(zhǔn)問題。例如，在實驗中為了滿足儀表測量要求，需要在每相定子繞組的兩端并聯(lián)一盞40 W負(fù)載燈泡，以提高線電流和功率表示數(shù)，這樣既能在電流表的最小量程上讀取適當(dāng)讀數(shù)，又能避免因合閘導(dǎo)致啟動電流過大超出量程問題。這一實驗措施可以證明，電機(jī)處于啟動、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、空載及帶載運(yùn)行狀態(tài)時的設(shè)備利用率存在很大差異，學(xué)生在實驗時可以嘗試不同的電源連接方式、負(fù)載連接方式及設(shè)置不同的電路參數(shù)[10]，從而測量不同負(fù)載率下的實驗數(shù)據(jù)，并分析其原因所在，在實踐操作中體會所學(xué)知識。

4 結(jié)語

從以上三種負(fù)載實驗對比來看，互感線圈負(fù)載實驗內(nèi)容簡單、數(shù)據(jù)清晰，作為基礎(chǔ)型電工實驗項目可以提高學(xué)生對理論知識的理解和實驗操作技能。但由于僅是實驗室專用元器件而非工業(yè)電氣設(shè)備，實驗數(shù)據(jù)也僅限于課堂理論教學(xué)研究，與實踐生產(chǎn)相去甚遠(yuǎn)，因此工程實用性較差。

以單相異步電機(jī)為負(fù)載的電路，優(yōu)點(diǎn)在于線路連接相對簡單、數(shù)據(jù)變化曲線明顯，而且這種電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都大量存在，工程實用性很強(qiáng)，因此適合作為本科生功率因數(shù)提高實驗內(nèi)容。三相異步電機(jī)的運(yùn)行性能相比單相電機(jī)更好，線路也更復(fù)雜，采用這種負(fù)載電路需要學(xué)生掌握的相關(guān)知識更加深入、更加專業(yè)，而且要求學(xué)生在實驗中時刻把握電路參數(shù)與實驗數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系，因此該實驗具備了一定的綜合性特點(diǎn)，對學(xué)生的理論知識和綜合實踐能力都是一個很好的檢驗，完全可以作為一項綜合設(shè)計型實驗來考核[11]。

學(xué)生在教師指導(dǎo)下自主預(yù)習(xí)、設(shè)計電路直至完成實驗測量任務(wù)，不僅能夠鍛煉學(xué)生對復(fù)雜性電路的動手能力，而且使他們將電工學(xué)及電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識有機(jī)地銜接起來，擴(kuò)大專業(yè)知識面，做到前后貫通、學(xué)以致用，從而使專業(yè)學(xué)習(xí)能力和實踐操作能力大大提升[12]。

實踐證明，以上三項實驗內(nèi)容難度由低到高，由淺入深，既滿足了教學(xué)大綱的要求，又層次分明、循序漸進(jìn)，使學(xué)生由基礎(chǔ)實驗開始，逐步培養(yǎng)工程意識和綜合實踐能力。將此三項實驗應(yīng)用于實驗教學(xué)，不僅能加深學(xué)生對理論知識的理解，還能拓展其專業(yè)視野，提高綜合素質(zhì)。