功率因數原理探究演示儀*

何紫薇 池佳豪 陳夢陽 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

在目前的電網系統中，大部分負載都為需要向其提供無功功率的感性負載，造成了電網的功率因數較低，而改善功率因數，意味著減少電路損耗，提高效率，因此無功功率補償一直都有著重要的研究意義和廣闊的應用前景.本文設計了一種提高功率因數的探究演示儀，采用并聯電容器的方法，并且針對大學教學中，效果不直觀，操作不便捷等問題進行了改進，對提高功率因數的方法進行了詳細的探究.

1 功率因數的物理意義

在實際生活和生產工作中，功率因數的大小與負載特性有關.由功率因數定義可知，當線路中電流與電壓同相位時，功率因數等于1.但是在多數時候，電力系統中常見的負載為感性負載，即電流相位滯后于電壓的一種負載.容性負載則是電流相位超前于電壓的一種負載，在感性電路中并聯電容器，可以補償無功功率，減少電網中來回傳送的無功功率， 從而減小電路損耗，提高電能利用率.

2 系統整體架構

該儀器由220 V市電作為輸入，并由變壓器完成220 V到24 V/12 V的轉換.為了保證安全，在每個輸入部分由空氣開關控制通斷.用電流電壓互感器采樣線路中的交流電，ADE7763采集后將測量的電能參數發送給單片機STM32.演示電路通過插排接入到線路中，STM32會將采集到的信息顯示在液晶上.本系統的整體框圖如圖1 所示.

圖1 系統整體框圖

3 演示儀硬件設計

3.1 ADE7763測量電路

3.1.1 采樣電路

采樣電路采用電壓互感器和電流互感器將交流電上的大電壓、大電流信號轉換為小電壓、小電流信號并送入ADE7763.

3.1.2 電能測量模塊

ADE7763是一款高精度的電能計量芯片，電壓、電流信號通過互感器由V1P/V1N，V2N/V2P引腳輸入，ADE7763的外圍還包括晶振電路，與單片機的通信電路等.測量模塊整體外圍電路如圖2所示.

圖2 電能測量電路

3.2 演示電路

演示電路主要由燈泡D和電容器組成.本儀器采用了12 V～36 V，7 W的燈泡作為感性電路，采用容值不等、耐壓值為400 V的CBB電容器作為補償電路.演示電路如圖3所示.電容分別為10 nF，100 nF，1 μF，5 μF，10 μF，20 μF.

圖3 演示電路

4 實驗原理及過程

原理：在感性負載上并聯電容器，可以用電容器的無功功率補償感性負載的無功功率從而提高功率因數.并聯容值不等的電容器時，電容器給線路提供不同的無功功率補償，但燈泡D的有功功率不改變，從而提高功率因數.但在并聯過大的電容器后，發生過補償現象，電流的相位超前了，功率因數反而降低.儀器實物圖如圖4所示.

圖4 功率因數原理探究裝置實物圖

實驗過程：

(2)依次接通S2，S3,S4.燈泡依然發光，觀察測量端有功功率、視在功率和功率因數.

(3)對比容值和功率因數，可以發現，在并聯電容器后，功率因數提高，電流減少，但在接入容值較大的電容器時，功率因數反而減少，這是因為發生了過補償現象.這說明在感性負載兩端并入合適的電容器時，電路的功率因數會提高，減少電路損耗.

5 結論