提高功率因数的方法和意义

一、实验目的

●了解提高电路功率因数的意义和方法。

●学习用Multisim仿真电路的方法和技巧。

二、实验原理

在正弦交流电路中,定义有功功率为瞬时功率在一个周期内的平均值,即

式中,φ为电压和电流的相位差,cosφ称为功率因数,用λ表示,λ＝cosφ。有功功率代表一端口实际消耗的功率。

同时,定义无功功率Q＝UI sinφ,该功率体现了电路中能量的交换能力,将λ＝cosφ代入无功功率表达式,得

当负载电压和有功功率一定时,功率因数越低,输电线路上的电流就越大,线路损耗也越大。此外,如果功率因数比较低,会导致电源设备容量得不到充分利用。因此,提高负载端功率因数,对降低电能损耗、提高电源设备容量的利用率有着重要作用。

由于实际负载(如电动机,电焊变压器等)多为感性,会导致系统功率因数较低。常采用并联电容的方法提高功率因数,如图5-39所示。

图5-39　功率因数提高电路原理图

图5-40　功率因数提高电路相量图

对于图5-39所示电路,并联电容前,电路中的电抗为感性,回路电流为I·；当并联电容后,电容两端的电流超前电源电压90°,此时,总电流I·＝I·1＋I·C.从相量图5-40可看出,并联电容后,总电流I·和电源电压的相位差φ＇减小了,所以功率因数λ＝cosφ增大。应注意,并联电容并没有改变电路消耗的有功功率。

三、实验内容及步骤

(1)测量图5-39所示电路开关断开时的功率因数,电源有效值为220 V,频率为50 Hz,电阻R＝100Ω,电感L＝0.318 5 H。

(2)测量图5-39所示电路并联一个10μF电容后的功率因数。

四、仿真过程及步骤(www.xing528.com)

1.绘制电路原理图

(1)交流源和接地：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“POWER SOURCES”→“AC POWER”和“GROUND”,设置交流源的电压有效值为220 V,频率为50 Hz。

(2)电阻：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“RESISTOR”,电阻设为100Ω。

(3)电容：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“CAPACITOR”,电容设为10μF。

(4)电感：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“INDUCTOR”,电感设为0.318 5 H。

(5)开关：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“SWITCH”→SPST。

(6)功率表：在主窗口右侧的虚拟仪器工具栏,单击“Wattmeter”,鼠标在主窗口上单击一次,放置一个功率表。将功率表的电压和电流的“＋”端子相接,两个电压端子并接在电源两端,两个电流端子串联在电路中。

(7)电压表：依次选择“Place”→“Component”→“Indicators”→“VOLTMETER”→“VOLTMETER_V”。

(8)电流表：“Place”→“Component”→“Indicators”→“AMMETER”→“AMMETER_V”。

(9)连线：完成连线的原理图如图5-41所示。

图5-41　Multisim仿真电路原理图

2.仿真分析

(1)测量图5-39所示电路开关断开时的功率因数

在开关断开的状态下,在Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Run”,双击功率表图标,出现功率表前面板,显示不并联电容时,电阻和电感串联支路消耗的功率和功率因数。

(2)测量图5-39所示电路并联一个10μF电容后的功率因数

单击开关使开关闭合,此时电容并接在电阻和电感的串联支路上,在NI Multisim主窗口的菜单栏选择“Simulate”→“Run”,双击功率表图标,出现功率表前面板,显示并联电容后,回路所消耗的功率(增大/减小/不变)和回路的功率因数(增大/减小/不变)。

五、实验思考与拓展

(1)提高功率因数的意义和方法分别有哪些?

(2)在感性负载上串联电容,能否提高功率因数?这种方式可以在供电系统中使用吗?为什么?