對“功率因數提高實驗”教學方法的研究與探討

李 瑩，盧學英

（天津大學 電氣與自動化學院，天津 300072）

1 功率因數提高的意義

功率因數是指電力系統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，導致電網線路傳輸效率降低[1]。考慮到工業生產中多數用電設備都具有電感特性，工作時不僅要從供電系統吸收有功功率，還要吸收一部分無功功率，若無功功率持續增大勢必降低整個電力系統的功率因數，因此提高負載功率因數是電力系統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載兩端并聯適當的電容器，取其容性電流分量來補償感性電流，從而達到補償無功功率的目的[3]。

以上內容在本科生電氣工程學概論學習后會進行相關實驗論證與分析，但以往實驗教材多以日光燈電路作為教學負載[4-5]，內容雖簡單但缺乏工程實踐性。實際工業生產中的負載大多為電動機、電力變壓器等大型電氣設備，若能在教學中增加對此類器件的實驗測試，將有助于加深學生對功率因數提高原理的理解，切實體驗電工理論與工程應用的區別，提高其工程實踐能力。

本文結合工程實際應用，從電路分析角度，將實驗互感線圈、單相小型異步電動機和三相異步電動機分別作為實驗負載，給出不同負載下的實施電路，并對每組測量數據進行對比、分析，總結各項負載電路的優勢與劣勢，希望以此作為電路實踐教學的一個補充。

2 實驗教學方法

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

2.1 互感線圈負載電路

實驗以一組750 wdg/36 V互感線圈為負載，電路如圖1所示，圖中L為互感線圈，R為串聯可調電阻，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，負載兩端逐步增加并聯電容值，并記錄此時儀表讀數，由實測數據計算的電路功率因數變化曲線如圖2所示。

圖1 互感線圈功率因數提高電路圖

圖2 互感線圈功率因數變化圖

2.2 單相異步電動機負載電路

實驗采用一單相電容運轉式異步電動機為負載[2]，電機型號為 YY-5624，參數為60 W/0.64 A、轉速為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，逐步增加并聯電容值，并記錄儀表讀數，由實測數據計算的功率因數變化曲線如圖4所示。

圖3 單相異步電動機功率因數提高電路圖

圖4 單相異步電動機功率因數變化圖

2.3 三相異步電動機負載電路

實驗以三相異步電動機為感性負載時，電源需采取三相三線制，負載電機采用三角形連接方式，如圖5所示。圖中L代表電機每一相定子繞組線圈，線圈兩端分別并聯一盞燈泡和電容器組，電機參數為150 W/0.6 A、轉速為1400 r/min。電容未接入前，測得兩功率表讀數分別為46 W和99.2 W，此時cosφ=0.84。然后，逐步增加并聯電容值并記錄兩功率表讀數，由實驗數據計算出功率因數變化曲線如圖6所示。

圖5 三相異步電動機功率因數提高電路圖

圖6 三相異步電動機功率因數變化圖

3 實驗方案分析

3.1 無功補償法

無功補償法在三組負載電路中均起到了提高電路功率因數的作用[8]。盡管由于每組負載的電感量和內阻值不同導致補償電容量也不同，但學生可以從實驗數據和功率因數變化圖上直觀地看到補償效果，客觀上驗證了教材理論知識，達到了理論聯系實際的目的。

3.2 線路連接

從線路連接難易程度來看，互感線圈負載電路最為簡單，學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性實驗內容，目的是培養學生的基本實驗技能和對理論知識的理解。

當以單相異步電機為負載時，由于其結構原因，需要在啟動繞組中串入電容，再與工作繞組并聯接上電源方可啟動，電路連接方式略有不同。從工程實踐上來說，單相異步電機是常用的小容量交流電機，具有結構簡單、運行可靠、維護方便等特點，已廣泛用于工業生產和日常生活等各個領域，工程實用性非常強。學生可通過這一實驗學習和掌握其使用方法和運行特性，從而對今后的專業課學習和工作實踐打下良好基礎。

與前兩種電路相比較，三相異步電機負載電路的連線最為復雜，導線數量最多，是對學生實踐操作能力的一次很好的考驗和鍛煉機會。學生在連線時，不僅要考慮三相電源的輸出形式及負載星三角連線規則，而且要確保電路連線的正確性，避免發生合閘短路事故，同時還要注意兩個功率表的接線位置。只有做到每個環節都準確無誤，才能順利展開實驗操作。該實驗連線難度相對較大，需要學生課前充分做好預習工作。

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，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，因此采用這一負載的安全性較高。而在單相電機負載和三相電機負載實驗中，電源一側輸出值均接近于220 V，已屬于高壓實驗電路，安全性要比前者為低。學生在實驗過程中必須遵守安全操作規程，保證人身安全。

3.4 實驗數據

從實驗數據方面來看，每個實驗電路需要測量的數據內容都有所不同，參數設置要求相差很大。例如，圖1電路中的串聯電阻R，當取值分別為40 Ω和90 Ω時，結果顯示該電路由感性過渡到全補償狀態時，電容調節范圍分別為 0～26.94 μF 和 0～9.47 μF。可以看到，R值越大電容調節范圍反而越小，補償過程也越短，若繼續增大，將有可能看不到功率因數提高的現象。相反，R值過小實驗現象又過于漫長，且實驗數據冗長，甚至電容并聯到最大值時仍然沒有達到全補償，此時實驗是不成功的。因此，學生在測試前一定要根據實驗設備的參數值合理選擇電路參數，掌握理論數據后再進行實驗操作。

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

采用三相異步電機為負載，學生需要具備以下方面電工理論知識。一是掌握三相電機的連接方式[9]；二是掌握三相電路功率測量方法，這是與單相電機負載電路的主要區別；三是要考慮因電機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的設定是否滿足儀表讀數要求，避免讀數不準問題。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一盞40 W負載燈泡，以提高線電流和功率表示數，這樣既能在電流表的最小量程上讀取適當讀數，又能避免因合閘導致啟動電流過大超出量程問題。這一實驗措施可以證明，電機處于啟動、穩定運轉、空載及帶載運行狀態時的設備利用率存在很大差異，學生在實驗時可以嘗試不同的電源連接方式、負載連接方式及設置不同的電路參數[10]，從而測量不同負載率下的實驗數據，并分析其原因所在，在實踐操作中體會所學知識。

4 結語

從以上三種負載實驗對比來看，互感線圈負載實驗內容簡單、數據清晰，作為基礎型電工實驗項目可以提高學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電氣設備，實驗數據也僅限于課堂理論教學研究，與實踐生產相去甚遠，因此工程實用性較差。

以單相異步電機為負載的電路，優點在于線路連接相對簡單、數據變化曲線明顯，而且這種電機在工業生產和日常生活中都大量存在，工程實用性很強，因此適合作為本科生功率因數提高實驗內容。三相異步電機的運行性能相比單相電機更好，線路也更復雜，采用這種負載電路需要學生掌握的相關知識更加深入、更加專業，而且要求學生在實驗中時刻把握電路參數與實驗數據之間的因果關系，因此該實驗具備了一定的綜合性特點，對學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計型實驗來考核[11]。

學生在教師指導下自主預習、設計電路直至完成實驗測量任務，不僅能夠鍛煉學生對復雜性電路的動手能力，而且使他們將電工學及電機學的相關知識有機地銜接起來，擴大專業知識面，做到前后貫通、學以致用，從而使專業學習能力和實踐操作能力大大提升[12]。

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