功率因数提高的Multisim仿真和实验分析

谢晓霞　张权

摘 要： 为了清楚直观地了解如何提高负载的功率因数，将理论分析、仿真分析以及实验分析三者进行有机的结合。在理论分析的基础上，利用Multisim仿真软件对感性负载电路功率因数的提高进行了仿真分析，并设计了实验电路对理论分析以及仿真分析的结果进行验证。

关键词： 功率因数； 感性负载； Multisim仿真； 虚拟仪器

中图分类号： TN710?34； G642 文献标识码： A 文章编号： 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

功率因数是电器设备非常重要的性能指标，也是衡量供电系统电能利用程度的重要指标之一，它的高低关系到输配电线路、设备的供电能力，也影响到其功率损耗。因此提高功率因数对于节约电能、降低损耗、提高输配电设备的供电能力具有十分重要的意义。本文从理论分析入手，阐述了功率因数的定义以及功率因数提高的必要性和提高功率因数的方法，然后利用Multisim软件仿真验证了理论分析的结果，用Excel绘成的仿真结果图对比分析了并联电容值的改变对电路功率因数的影响，最后设计了实验电路，借助虚拟示波器进行观察，得到了与理论分析相同的结论。

1 功率因数提高的理论分析

1.1 功率因数的定义

在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如感应电动机、电力变压器，电焊机等），它们都是靠电能转化为磁能再转化为热能或机械能来实现能量转换的。因此，设备从电力系统吸收两种能量，一部分能量用于做功，即电能转换为机械能或热能，这部分能量大部分是为了满足生产和生活的需要，称为有功功率。另一部分能量用来产生电磁场，它是电磁感应设备能量转换和传输的媒介，不能对外做功，所以这部分功率称为无功功率。以无源端口为例（设端口电压和电流为关联参考方向），如果端口电压[u（t）=2Ucos（ωt+θu）]，端口电流[i（t）=2Icos（ωt+θi）]，定义[φ=θu-θi]为端口电压超前于端口电流的角度，则有功功率[P=UIcosφ，]无功功率[Q=UIsinφ。]电路总电流与总电压的乘积为视在功率，用[S=UI]来表示，它代表了供电设备的容量。有功功率、无功功率、视在功率形成了功率三角形：三角形的两条直角边，一个是有功功率，一个是无功功率，斜边代表视在功率，有功功率和视在功率之间的夹角[φ]就是功率因数角，功率因数角的余弦值[cosφ]就是功率因数PF（Power Factor）。

1.2 功率因数提高的意义

（1） 提高设备利用率

在电力系统中提供电能的发电机是按发电机的视在功率[S]设计的。发电机在额定电压和额定电流下运行时输出的有功功率[P=UIcosφ=Scosφ]与所接负载的功率因数[cosφ]密切相关。只有当所接负载是电阻性负载时，即[cosφ=1]时，发电机输出的有功功率恰好等于发电机的容量；当负载是感性（或容性）负载时，因[cosφ<1]，发电机输出的有功功率要小于该机的容量，发电机得不到充分利用，且负载的功率因数越小，发电机输出的有功功率越小。因此，为了充分利用发电机的容量，应该设法提高负载的功率因数。

（2） 降低电网线损

设电网线路等效损耗电阻为[R损，]假设电网电压和负载功率不变，则电网线路上的损耗[P损耗=I2R损=][PUcosφ2R损，]若能提高功率因数[cosφ，]就能降低流经线路的电流，线损就能获得降低。

由上述可知，功率因数的提高，能使发电设备的容量得到充分利用，同时也能使电能得到大量节约，对国民经济的发展有着极为重要的意义。

1.3 功率因数提高的方法

由于在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性，所以以感性负载为例，对功率因数提高的方法进行分析。

感性负载为了提高功率因数，最简单的办法就是在感性负载两端并联电容。因为电容元件的端口电压滞后于端口电流，即[φ<0，]其无功功率为负，则电容元件吸收无功功率；而感性负载的端口电压超前于端口电流，即[φ>0，]其无功功率为正，则感性负载产生无功功率；也就是说，电容元件和感性负载的无功功率存在互补性。供电系统中正是利用这个特点，在感性负载两端并联电容，用电容的无功功率去补偿感性负载的无功功率，以使电源输出的无功功率减小，功率因数角[φ]也变小，实现功率因数的提高。

还有一种补偿方法就是在电路中串联电容，同样可利用电容元件和感性负载无功功率的互补性实现功率因数的提高。但串联电容会改变用电设备两端电压的有效值， 所以该方法主要用于高压长距离的“串补”， 但不适合用于常用感性负载的无功补偿。

2 功率因数提高的Multisim仿真分析

2.1 Multisim介绍

Multisim软件是NI公司发布的交互式SPICE仿真和电路分析的软件，它具有直观的图形界面，可以轻松设计电路。具有丰富的元器件数据库和大量的测试仪器，为电路分析和设计提供了良好的平台。

2.2 仿真电路设计

以感性负载电路功率因数的提高为例，运用Multisim软件，设计仿真电路如图1所示。感性负载由电感[L1]串联电阻[R1]组成。在感性负载两端并联上可变电容[C1，]接入交流电源[V1。]选用虚拟仪器：功率表（XWM1）和电流表（Am），用功率表测量感性负载并上电容后的功率和功率因数，用电流表测量电源端的电流。为了比较并联不同容量电容对功率因数和电路电流的影响，仿真中改变电容容值大小，读取功率表和电流表的值，得到实验结果如表1所示。

从表中数据可以看出，改变电容值不会改变感性负载的有功功率，但改变了负载的功率因数和线路电流。随着并联电容容值由小逐渐增大，功率因数由0.6（滞后）补偿到0.9（滞后），线路电流则逐渐减小，使得消耗在线路上的损耗减小，这个过程在电路中称为欠补偿，此时负载仍为感性；继续增大电容值，当功率因数为1时，线路电流达到最小，端口电压与端口电流同相，负载变成了纯电阻，这种补偿方式成为全补偿，电路发生并联谐振。此时再增大电容值，无功功率增加反而导致功率因数下降，线路电流则逐渐增加，消耗在线路上的损耗又继续增加，而且端口电流超前于端口电压，负载变成容性，称为过补偿。

将电容值与功率因数的关系以及与线路电流的关系数据用Excel绘成图，得到曲线图如图2，图3所示。

图2、图3将功率因数和电源电流与并联电容值的关系清晰地体现出来。从图中可以得出结论：为了使功率因数增大，尽可能地减小线路电流，需要选择合适的并联电容的值，并不是越大越好。其次从图中看到将功率因数从0.6补偿到0.9，功率因数每增加0.1，需要增加的容值约为120 μF左右，而从0.9补偿到1则需要增加的容值约为200 μF，实际的工业电路中就需要考虑此时的补偿装置的性价比，来确定是否需要将功率因数补偿到0.9以上了。

3 功率因数提高的实验分析

为了验证理论仿真结果，设计了实验电路，运用虚拟仪器对实验结果进行采集分析，并投影到大屏幕上进行教学演示。

3.1 虚拟仪器的介绍

虚拟仪器是一种便携式测量设备，如图4所示，可以取代传统的分离仪器（如示波器、频谱分析仪、波形发生器、瞬态记录仪、数字多用表等）， 支持即插即用。它可将电路中产生的真实波形采样处理和显示，而且可以方便的与计算机接口，在计算机上进行数据分析和显示。此外方便的拷贝数据功能能使测量值能方便地被外部程序所处理。

3.2 实验电路的设计

实验电路如图5，图6所示，图6为真实的实验电路，电路由电感（等效于理想电感元件[L]串联理想电阻元件[R]）串联电阻[R1]（用来模拟线路阻抗）组成。在电感两端通过开关可并入多个不同容值的电容元件，在线路电阻[R1]两端并入了一个LED灯，用来观察线路电流的大小变化（通过LED的亮度变化来显示），将市电通过变压器将电压变为30 V作为电路的激励加在电路两端，用虚拟示波器观测电感两端电压与串联电阻两端的电压。由于串联电阻两端电压与流过它的电流同相，所以通过观测虚拟示波器采样得到的电感两端的电压与串联电阻两端电压的波形，得到的相位关系实际上对应的就是电感两端电压与线路上电流的相位关系，由此可以判断功率因数角的变化，从而分析出功率因数的变化情况。

图中两个波形分别对应着电感两端电压和串联电阻两端电压（与流过串联电阻的电流同相），通过观测可以判断出电感电压与线路电流的相位差角，在实验中观测到随着电容的不断并入，即电容值的不断增大（并联的等效电容[C=C1+C2）]， 电流滞后于电压的相位差角逐渐减小，即功率因数角[φ]减小，功率因数[cosφ]增大。继续并入电容，则电流超前于电压，负载的特性发生了改变，由感性负载变成了容性负载，功率因数角又继续增大，功率因数变小。

4 结 语

如何提高负载的功率因数以提高电源利用率是电路理论教学中的一个重点内容，同时也是一个难点问题。本文从理论分析入手，阐述了功率因数的定义以及功率因数提高的必要性和提高功率因数的方法，然后通过软件验证了理论分析的结果，并图形化对比分析了并联电容值的改变对电路功率因数的影响，最后设计了实验电路，借助虚拟示波器进行观察，得到了与理论分析相同的结论。

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