功率因數(shù)提高的Multisim仿真和實(shí)驗(yàn)分析

謝曉霞　張權(quán)

摘 要： 為了清楚直觀地了解如何提高負(fù)載的功率因數(shù)，將理論分析、仿真分析以及實(shí)驗(yàn)分析三者進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。在理論分析的基礎(chǔ)上，利用Multisim仿真軟件對(duì)感性負(fù)載電路功率因數(shù)的提高進(jìn)行了仿真分析，并設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路對(duì)理論分析以及仿真分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞： 功率因數(shù)； 感性負(fù)載； Multisim仿真； 虛擬儀器

中圖分類號(hào)： TN710?34； G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0150?03

Abstract：Theoretical analysis， simulation analysis and experiment analysis were combined to clearly comprehend about how to improve the power factor of the load. Based on the result of theoretical analysis， the Multisim software was used to simulate the improvement of power factor of perceptual load circuit. An experimental circuit was designed to verify the results of the theoretical analysis and simulation analysis.

Keywords： power factor； perceptual load； Multisim simulation； virtual instrument

0 引 言

功率因數(shù)是電器設(shè)備非常重要的性能指標(biāo)，也是衡量供電系統(tǒng)電能利用程度的重要指標(biāo)之一，它的高低關(guān)系到輸配電線路、設(shè)備的供電能力，也影響到其功率損耗。因此提高功率因數(shù)對(duì)于節(jié)約電能、降低損耗、提高輸配電設(shè)備的供電能力具有十分重要的意義。本文從理論分析入手，闡述了功率因數(shù)的定義以及功率因數(shù)提高的必要性和提高功率因數(shù)的方法，然后利用Multisim軟件仿真驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，用Excel繪成的仿真結(jié)果圖對(duì)比分析了并聯(lián)電容值的改變對(duì)電路功率因數(shù)的影響，最后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，借助虛擬示波器進(jìn)行觀察，得到了與理論分析相同的結(jié)論。

1 功率因數(shù)提高的理論分析

1.1 功率因數(shù)的定義

在供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)用電設(shè)備都具有電感的特性（諸如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力變壓器，電焊機(jī)等），它們都是靠電能轉(zhuǎn)化為磁能再轉(zhuǎn)化為熱能或機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。因此，設(shè)備從電力系統(tǒng)吸收兩種能量，一部分能量用于做功，即電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或熱能，這部分能量大部分是為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，稱為有功功率。另一部分能量用來產(chǎn)生電磁場，它是電磁感應(yīng)設(shè)備能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)拿浇椋荒軐?duì)外做功，所以這部分功率稱為無功功率。以無源端口為例（設(shè)端口電壓和電流為關(guān)聯(lián)參考方向），如果端口電壓[u（t）=2Ucos（ωt+θu）]，端口電流[i（t）=2Icos（ωt+θi）]，定義[φ=θu-θi]為端口電壓超前于端口電流的角度，則有功功率[P=UIcosφ，]無功功率[Q=UIsinφ。]電路總電流與總電壓的乘積為視在功率，用[S=UI]來表示，它代表了供電設(shè)備的容量。有功功率、無功功率、視在功率形成了功率三角形：三角形的兩條直角邊，一個(gè)是有功功率，一個(gè)是無功功率，斜邊代表視在功率，有功功率和視在功率之間的夾角[φ]就是功率因數(shù)角，功率因數(shù)角的余弦值[cosφ]就是功率因數(shù)PF（Power Factor）。

1.2 功率因數(shù)提高的意義

（1） 提高設(shè)備利用率

在電力系統(tǒng)中提供電能的發(fā)電機(jī)是按發(fā)電機(jī)的視在功率[S]設(shè)計(jì)的。發(fā)電機(jī)在額定電壓和額定電流下運(yùn)行時(shí)輸出的有功功率[P=UIcosφ=Scosφ]與所接負(fù)載的功率因數(shù)[cosφ]密切相關(guān)。只有當(dāng)所接負(fù)載是電阻性負(fù)載時(shí)，即[cosφ=1]時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率恰好等于發(fā)電機(jī)的容量；當(dāng)負(fù)載是感性（或容性）負(fù)載時(shí)，因[cosφ<1]，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率要小于該機(jī)的容量，發(fā)電機(jī)得不到充分利用，且負(fù)載的功率因數(shù)越小，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率越小。因此，為了充分利用發(fā)電機(jī)的容量，應(yīng)該設(shè)法提高負(fù)載的功率因數(shù)。

（2） 降低電網(wǎng)線損

設(shè)電網(wǎng)線路等效損耗電阻為[R損，]假設(shè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載功率不變，則電網(wǎng)線路上的損耗[P損耗=I2R損=][PUcosφ2R損，]若能提高功率因數(shù)[cosφ，]就能降低流經(jīng)線路的電流，線損就能獲得降低。

由上述可知，功率因數(shù)的提高，能使發(fā)電設(shè)備的容量得到充分利用，同時(shí)也能使電能得到大量節(jié)約，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著極為重要的意義。

1.3 功率因數(shù)提高的方法

由于在供電系統(tǒng)中，絕大多數(shù)用電設(shè)備都具有電感的特性，所以以感性負(fù)載為例，對(duì)功率因數(shù)提高的方法進(jìn)行分析。

感性負(fù)載為了提高功率因數(shù)，最簡單的辦法就是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容。因?yàn)殡娙菰亩丝陔妷簻笥诙丝陔娏鳎碵φ<0，]其無功功率為負(fù)，則電容元件吸收無功功率；而感性負(fù)載的端口電壓超前于端口電流，即[φ>0，]其無功功率為正，則感性負(fù)載產(chǎn)生無功功率；也就是說，電容元件和感性負(fù)載的無功功率存在互補(bǔ)性。供電系統(tǒng)中正是利用這個(gè)特點(diǎn)，在感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容，用電容的無功功率去補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，以使電源輸出的無功功率減小，功率因數(shù)角[φ]也變小，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。

還有一種補(bǔ)償方法就是在電路中串聯(lián)電容，同樣可利用電容元件和感性負(fù)載無功功率的互補(bǔ)性實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。但串聯(lián)電容會(huì)改變用電設(shè)備兩端電壓的有效值， 所以該方法主要用于高壓長距離的“串補(bǔ)”， 但不適合用于常用感性負(fù)載的無功補(bǔ)償。

2 功率因數(shù)提高的Multisim仿真分析

2.1 Multisim介紹

Multisim軟件是NI公司發(fā)布的交互式SPICE仿真和電路分析的軟件，它具有直觀的圖形界面，可以輕松設(shè)計(jì)電路。具有豐富的元器件數(shù)據(jù)庫和大量的測試儀器，為電路分析和設(shè)計(jì)提供了良好的平臺(tái)。

2.2 仿真電路設(shè)計(jì)

以感性負(fù)載電路功率因數(shù)的提高為例，運(yùn)用Multisim軟件，設(shè)計(jì)仿真電路如圖1所示。感性負(fù)載由電感[L1]串聯(lián)電阻[R1]組成。在感性負(fù)載兩端并聯(lián)上可變電容[C1，]接入交流電源[V1。]選用虛擬儀器：功率表（XWM1）和電流表（Am），用功率表測量感性負(fù)載并上電容后的功率和功率因數(shù)，用電流表測量電源端的電流。為了比較并聯(lián)不同容量電容對(duì)功率因數(shù)和電路電流的影響，仿真中改變電容容值大小，讀取功率表和電流表的值，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，改變電容值不會(huì)改變感性負(fù)載的有功功率，但改變了負(fù)載的功率因數(shù)和線路電流。隨著并聯(lián)電容容值由小逐漸增大，功率因數(shù)由0.6（滯后）補(bǔ)償?shù)?.9（滯后），線路電流則逐漸減小，使得消耗在線路上的損耗減小，這個(gè)過程在電路中稱為欠補(bǔ)償，此時(shí)負(fù)載仍為感性；繼續(xù)增大電容值，當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，線路電流達(dá)到最小，端口電壓與端口電流同相，負(fù)載變成了純電阻，這種補(bǔ)償方式成為全補(bǔ)償，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。此時(shí)再增大電容值，無功功率增加反而導(dǎo)致功率因數(shù)下降，線路電流則逐漸增加，消耗在線路上的損耗又繼續(xù)增加，而且端口電流超前于端口電壓，負(fù)載變成容性，稱為過補(bǔ)償。

將電容值與功率因數(shù)的關(guān)系以及與線路電流的關(guān)系數(shù)據(jù)用Excel繪成圖，得到曲線圖如圖2，圖3所示。

圖2、圖3將功率因數(shù)和電源電流與并聯(lián)電容值的關(guān)系清晰地體現(xiàn)出來。從圖中可以得出結(jié)論：為了使功率因數(shù)增大，盡可能地減小線路電流，需要選擇合適的并聯(lián)電容的值，并不是越大越好。其次從圖中看到將功率因數(shù)從0.6補(bǔ)償?shù)?.9，功率因數(shù)每增加0.1，需要增加的容值約為120 μF左右，而從0.9補(bǔ)償?shù)?則需要增加的容值約為200 μF，實(shí)際的工業(yè)電路中就需要考慮此時(shí)的補(bǔ)償裝置的性價(jià)比，來確定是否需要將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.9以上了。

3 功率因數(shù)提高的實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證理論仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，運(yùn)用虛擬儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行采集分析，并投影到大屏幕上進(jìn)行教學(xué)演示。

3.1 虛擬儀器的介紹

虛擬儀器是一種便攜式測量設(shè)備，如圖4所示，可以取代傳統(tǒng)的分離儀器（如示波器、頻譜分析儀、波形發(fā)生器、瞬態(tài)記錄儀、數(shù)字多用表等）， 支持即插即用。它可將電路中產(chǎn)生的真實(shí)波形采樣處理和顯示，而且可以方便的與計(jì)算機(jī)接口，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和顯示。此外方便的拷貝數(shù)據(jù)功能能使測量值能方便地被外部程序所處理。

3.2 實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路如圖5，圖6所示，圖6為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)電路，電路由電感（等效于理想電感元件[L]串聯(lián)理想電阻元件[R]）串聯(lián)電阻[R1]（用來模擬線路阻抗）組成。在電感兩端通過開關(guān)可并入多個(gè)不同容值的電容元件，在線路電阻[R1]兩端并入了一個(gè)LED燈，用來觀察線路電流的大小變化（通過LED的亮度變化來顯示），將市電通過變壓器將電壓變?yōu)?0 V作為電路的激勵(lì)加在電路兩端，用虛擬示波器觀測電感兩端電壓與串聯(lián)電阻兩端的電壓。由于串聯(lián)電阻兩端電壓與流過它的電流同相，所以通過觀測虛擬示波器采樣得到的電感兩端的電壓與串聯(lián)電阻兩端電壓的波形，得到的相位關(guān)系實(shí)際上對(duì)應(yīng)的就是電感兩端電壓與線路上電流的相位關(guān)系，由此可以判斷功率因數(shù)角的變化，從而分析出功率因數(shù)的變化情況。

圖中兩個(gè)波形分別對(duì)應(yīng)著電感兩端電壓和串聯(lián)電阻兩端電壓（與流過串聯(lián)電阻的電流同相），通過觀測可以判斷出電感電壓與線路電流的相位差角，在實(shí)驗(yàn)中觀測到隨著電容的不斷并入，即電容值的不斷增大（并聯(lián)的等效電容[C=C1+C2）]， 電流滯后于電壓的相位差角逐漸減小，即功率因數(shù)角[φ]減小，功率因數(shù)[cosφ]增大。繼續(xù)并入電容，則電流超前于電壓，負(fù)載的特性發(fā)生了改變，由感性負(fù)載變成了容性負(fù)載，功率因數(shù)角又繼續(xù)增大，功率因數(shù)變小。

4 結(jié) 語

如何提高負(fù)載的功率因數(shù)以提高電源利用率是電路理論教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)問題。本文從理論分析入手，闡述了功率因數(shù)的定義以及功率因數(shù)提高的必要性和提高功率因數(shù)的方法，然后通過軟件驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果，并圖形化對(duì)比分析了并聯(lián)電容值的改變對(duì)電路功率因數(shù)的影響，最后設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)電路，借助虛擬示波器進(jìn)行觀察，得到了與理論分析相同的結(jié)論。

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