借助智能電表開展物理實驗

易照巖+丁其英

摘 要 交流電比直流電復雜，學習起來也較困難。在交流環境下，通過測量LED燈和白熾燈的功率、電流、功率因數等物理量，來區別LED燈和白熾燈不同物理特性，深入理解功率、認識交流電。

關鍵詞 物理；實驗；LED燈；智能電表；交流電；白熾燈

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）09-0148-02

1 前言

220 V交流電作為日常生活中使用的電源形式，其也是高中物理中一個重要的知識點。在日常生活中，電力公司常向公眾開展安全用電宣傳，防止居民意外觸電，因此，很多學生對交流電既熟悉又陌生，對它缺少足夠的認識，在學習過程中存在困惑[1]。

LED燈與白熾燈發光原理不同：LED燈由發光二極管構成，發光二極管是在直流環境下工作的器件，要在交流電環境下工作，需要通過變壓整流裝置把交流電變為直流電，那么LED燈就是電感器件；而白熾燈是由鎢絲在高溫下發熱發光，是純電阻器件。LED燈和白熾燈在交流電環境下，功率、功率因數等物理量會呈現不同的特征。通過分析LED燈和白熾燈的功率、功率因數等測量數據，可幫助學生區分電感器件和純電阻器件，深入理解功率概念，以及不同類型的負載對電源（電網）的影響，從而加深對交流電的認識，為學好交流電奠定基礎。

2 實驗原理

在中學課本中，電功率（P）等于電壓（U）乘以電流（I）：

P=UI

在交變環境下，電壓和電流是一個周期內的平均電壓和電流。

在交流電中存在三種功率參數，分別為[2]：

1）視在功率，指電器消耗的總的功率；

2）有功功率，指使負載以發熱、發光、做機械功等形式消耗電能的功率；

3）無功功率，指負載在工作中必備的、但其沒有消耗電源電能，只是占用電源輸出的功率。

視在功率是器件消耗的總功率，一般由有功功率和無功功率組成，其數值可用公式P=UI計算。對于純電阻負載，負載的功率就是有功功率，純電阻負載的無功功率等于零；對電感性負載來說，負載的功率由有功功率和無功功率兩部分組成。

另外，可以用功率因數來刻畫電源的輸電效率，功率因數是電壓與電流之間相位差的余弦。一般情況下，功率因數可以用有功功率和視在功率的比值來計算[2]。對純電阻負載電路，功率因數就是有功功率和功率的比值，其值為1；對電感性負載來說，功率因數的數值小于1。因功率因數是供電系統的一個重要指標，生產企業會在電感性負載電路上安裝無功功率的補償裝置，增加功率因數的數值，從而提高電源（電網）的輸電效率。

3 實驗方案

本文測量儀器選用單項智能電表（DDZY1122-M），測量誤差小于±1%（DDZY1122單相費控智能電能表說明書）。

市電收費是按照千瓦時收費，那么單項智能電表（DDZY1122-

M）測量功率誤差在±10 W。為確保數據的準確性，這里檢材選用15 W以上的白熾燈和LED燈燈組。實驗電源是220 V

交流市電，市電交流電壓波動范圍為220 V±10%。白熾燈選用額定功率分別為40 W、60 W、100 W、200 W共四組。LED燈選用額定功率分別為16 W、36 W、44 W、56 W的LED燈。為探究電感器件對電源的影響，這里采用四組未安裝無功功率補償裝置的LED燈和一組24 W安裝無功功率補償裝置的LED燈。

在市電電壓（220 V±10%）下，測量不同額定功率的白熾燈和LED燈的電流、功率因數，測量數據見表1和表2。

4 實驗分析

白熾燈實驗數據分析 表1中的行1和行2，是用智能電表測量的白熾燈的交流電壓和電流。在測量誤差范圍內，從表1中行3和行4可以看到，智能電表測量的白熾燈的功率和視在功率相等，測量白熾燈的功率與白熾燈的額定功率其數值在誤差范圍內也相等。這說明白熾燈是純電阻器件，有用功率就是白熾燈的總功率，即視在功率。另一方面也說明單項智能電表測量的功率是白熾燈的有用功率。

表1的行5是測量白熾燈功率因數，其數值等于1；行6是用測量功率除以視在功率計算的功率因數，其數值也等于1。同樣說明白熾燈是純電阻器件，視在功率全部由有功功率組成，白熾燈沒有多占用電源的輸出功率，也就是說白熾燈沒有浪費電源的輸出功率。

LED燈實驗數據分析 表2中前四組是未安裝無功功率補償裝置的LED燈的測量數據，第五組是安裝無功功率補償裝置的LED燈的測量數據。表2中的行1和行2是用智能電表測量的LED燈的交流電壓和電流。從表2中行3和行4可以看到，智能電表測量的LED燈的功率與視在功率數值不相等。從這些數據可以看出，LED燈的功率是由有功功率和無功功率組成的，LED燈是電感性器件，其正常工作需要無功功率的支撐。

表2的行5是測量的LED燈的功率因數，行6是用有功功率除以視在功率計算的功率因數，兩個數值相等，這同樣說明LED燈的功率與白熾燈不同，其視在功率由有功功率和無功功率組成。從LED燈的測量可以看到，無功功率并不是沒有用的功率，它是LED燈正常工作所必需的。由于無功功率的存在，LED燈多占用電源的輸出功率，也就是說電源（電網）的輸出功率被浪費了。

表2中的第五組是安裝無功功率補償裝置的LED燈的測量數據，從中可以看到測量的功率因數是0.92（6），數值接近于1，這表明安裝無功功率補償裝置的LED燈沒有浪費電源（電網）的輸出功率。利用有功功率除以視在功率計算得到的功率因數數值為0.55（1），其與智能電表測量的數值是不相等的。這說明安裝無功功率補償裝置的LED燈的功率因數的計算，不能用有功功率除以視在功率這個簡單的公式。

白熾燈與LED燈的功率的分析 單純從功率上看，如額定功率36 W的LED燈，有用功率只有22.（8）W[視在功率為99.2（6）W]，其只有白熾燈（額定功率100 W）功率的20%，可見LED燈的節能性。從另一個方面來看，36 W的LED燈的功率因數為0.23，視在功率約為98 W，這說明36 W

的LED燈與100 W的白熾燈占用同樣的電源輸出功率。對電力公司來說，36 W的LED燈與100 W的白熾燈一樣，占用相同的電網輸出功率，而電力公司計費是按照有功功率計費的。這就表明，電力公司的電網提供同樣的輸電能力，要少收費。這就是無功功率對電源（電網）的主要影響。

因此，國家規定對于較大額定功率的LED燈都要安裝無功功率補償裝置，來提高電網的輸電效率，減少輸電成本。通過對表1和表2的數據分析，可以得到兩個結論：通過比較視在功率與有功功率（智能電表測量數值）是否相等，說明電力中的負載是純電阻器件還是電感性器件；通過智能電表測量的功率因數是否等于1，說明電路中的負載是否浪費電源的輸出功率。

5 結束語

本文用居民用電作為實驗電源，研究LED燈和白熾燈在功率、功率因數上的差異，增強學生對交流電的認識，更深入理解電感性負載功率的特征（有功功率和無功功率組成）。在交流電路中，電感性負載正常工作時需要無功功率，而無功功率會降低供電電源或者輸電電網的效率，但是可以通過在電路中安裝無功功率補償裝置來彌補，提高電源或輸電電網的供電效率。

實際上，電力公司會在供電電網中安裝無用功率補償裝置，以提高供電電網的效率，減少對電網建設的投入，從而降低供電成本[2]。

參考文獻

[1]物理課程教材研究開發中心.高中物理（選修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]葛艷軍.變電運行中10kV電網功率因數的意義及提高方法[J].信息系統工程，2015（12）：119.