借助智能电表开展物理实验

易照岩+丁其英

摘 要 交流电比直流电复杂，学习起来也较困难。在交流环境下，通过测量LED灯和白炽灯的功率、电流、功率因数等物理量，来区别LED灯和白炽灯不同物理特性，深入理解功率、认识交流电。

关键词 物理；实验；LED灯；智能电表；交流电；白炽灯

中图分类号：G633.7 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）09-0148-02

1 前言

220 V交流电作为日常生活中使用的电源形式，其也是高中物理中一个重要的知识点。在日常生活中，电力公司常向公众开展安全用电宣传，防止居民意外触电，因此，很多学生对交流电既熟悉又陌生，对它缺少足够的认识，在学习过程中存在困惑[1]。

LED灯与白炽灯发光原理不同：LED灯由发光二极管构成，发光二极管是在直流环境下工作的器件，要在交流电环境下工作，需要通过变压整流装置把交流电变为直流电，那么LED灯就是电感器件；而白炽灯是由钨丝在高温下发热发光，是纯电阻器件。LED灯和白炽灯在交流电环境下，功率、功率因数等物理量会呈现不同的特征。通过分析LED灯和白炽灯的功率、功率因数等测量数据，可帮助学生区分电感器件和纯电阻器件，深入理解功率概念，以及不同类型的负载对电源（电网）的影响，从而加深对交流电的认识，为学好交流电奠定基础。

2 实验原理

在中学课本中，电功率（P）等于电压（U）乘以电流（I）：

P=UI

在交变环境下，电压和电流是一个周期内的平均电压和电流。

在交流电中存在三种功率参数，分别为[2]：

1）视在功率，指电器消耗的总的功率；

2）有功功率，指使负载以发热、发光、做机械功等形式消耗电能的功率；

3）无功功率，指负载在工作中必备的、但其没有消耗电源电能，只是占用电源输出的功率。

视在功率是器件消耗的总功率，一般由有功功率和无功功率组成，其数值可用公式P=UI计算。对于纯电阻负载，负载的功率就是有功功率，纯电阻负载的无功功率等于零；对电感性负载来说，负载的功率由有功功率和无功功率两部分组成。

另外，可以用功率因数来刻画电源的输电效率，功率因数是电压与电流之间相位差的余弦。一般情况下，功率因数可以用有功功率和视在功率的比值来计算[2]。对纯电阻负载电路，功率因数就是有功功率和功率的比值，其值为1；对电感性负载来说，功率因数的数值小于1。因功率因数是供电系统的一个重要指标，生产企业会在电感性负载电路上安装无功功率的补偿装置，增加功率因数的数值，从而提高电源（电网）的输电效率。

3 实验方案

本文测量仪器选用单项智能电表（DDZY1122-M），测量误差小于±1%（DDZY1122单相费控智能电能表说明书）。

市电收费是按照千瓦时收费，那么单项智能电表（DDZY1122-

M）测量功率误差在±10 W。为确保数据的准确性，这里检材选用15 W以上的白炽灯和LED灯灯组。实验电源是220 V

交流市电，市电交流电压波动范围为220 V±10%。白炽灯选用额定功率分别为40 W、60 W、100 W、200 W共四组。LED灯选用额定功率分别为16 W、36 W、44 W、56 W的LED灯。为探究电感器件对电源的影响，这里采用四组未安装无功功率补偿装置的LED灯和一组24 W安装无功功率补偿装置的LED灯。

在市电电压（220 V±10%）下，测量不同额定功率的白炽灯和LED灯的电流、功率因数，测量数据见表1和表2。

4 实验分析

白炽灯实验数据分析 表1中的行1和行2，是用智能电表测量的白炽灯的交流电压和电流。在测量误差范围内，从表1中行3和行4可以看到，智能电表测量的白炽灯的功率和视在功率相等，测量白炽灯的功率与白炽灯的额定功率其数值在误差范围内也相等。这说明白炽灯是纯电阻器件，有用功率就是白炽灯的总功率，即视在功率。另一方面也说明单项智能电表测量的功率是白炽灯的有用功率。

表1的行5是测量白炽灯功率因数，其数值等于1；行6是用测量功率除以视在功率计算的功率因数，其数值也等于1。同样说明白炽灯是纯电阻器件，视在功率全部由有功功率组成，白炽灯没有多占用电源的输出功率，也就是说白炽灯没有浪费电源的输出功率。

LED灯实验数据分析 表2中前四组是未安装无功功率补偿装置的LED灯的测量数据，第五组是安装无功功率补偿装置的LED灯的测量数据。表2中的行1和行2是用智能电表测量的LED灯的交流电压和电流。从表2中行3和行4可以看到，智能电表测量的LED灯的功率与视在功率数值不相等。从这些数据可以看出，LED灯的功率是由有功功率和无功功率组成的，LED灯是电感性器件，其正常工作需要无功功率的支撑。

表2的行5是测量的LED灯的功率因数，行6是用有功功率除以视在功率计算的功率因数，两个数值相等，这同样说明LED灯的功率与白炽灯不同，其视在功率由有功功率和无功功率组成。从LED灯的测量可以看到，无功功率并不是没有用的功率，它是LED灯正常工作所必需的。由于无功功率的存在，LED灯多占用电源的输出功率，也就是说电源（电网）的输出功率被浪费了。

表2中的第五组是安装无功功率补偿装置的LED灯的测量数据，从中可以看到测量的功率因数是0.92（6），数值接近于1，这表明安装无功功率补偿装置的LED灯没有浪费电源（电网）的输出功率。利用有功功率除以视在功率计算得到的功率因数数值为0.55（1），其与智能电表测量的数值是不相等的。这说明安装无功功率补偿装置的LED灯的功率因数的计算，不能用有功功率除以视在功率这个简单的公式。

白炽灯与LED灯的功率的分析 单纯从功率上看，如额定功率36 W的LED灯，有用功率只有22.（8）W[视在功率为99.2（6）W]，其只有白炽灯（额定功率100 W）功率的20%，可见LED灯的节能性。从另一个方面来看，36 W的LED灯的功率因数为0.23，视在功率约为98 W，这说明36 W

的LED灯与100 W的白炽灯占用同样的电源输出功率。对电力公司来说，36 W的LED灯与100 W的白炽灯一样，占用相同的电网输出功率，而电力公司计费是按照有功功率计费的。这就表明，电力公司的电网提供同样的输电能力，要少收费。这就是无功功率对电源（电网）的主要影响。

因此，国家规定对于较大额定功率的LED灯都要安装无功功率补偿装置，来提高电网的输电效率，减少输电成本。通过对表1和表2的数据分析，可以得到两个结论：通过比较视在功率与有功功率（智能电表測量数值）是否相等，说明电力中的负载是纯电阻器件还是电感性器件；通过智能电表测量的功率因数是否等于1，说明电路中的负载是否浪费电源的输出功率。

5 结束语

本文用居民用电作为实验电源，研究LED灯和白炽灯在功率、功率因数上的差异，增强学生对交流电的认识，更深入理解电感性负载功率的特征（有功功率和无功功率组成）。在交流电路中，电感性负载正常工作时需要无功功率，而无功功率会降低供电电源或者输电电网的效率，但是可以通过在电路中安装无功功率补偿装置来弥补，提高电源或输电电网的供电效率。

实际上，电力公司会在供电电网中安装无用功率补偿装置，以提高供电电网的效率，减少对电网建设的投入，从而降低供电成本[2]。

参考文献

[1]物理课程教材研究开发中心.高中物理（选修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]葛艳军.变电运行中10kV电网功率因数的意义及提高方法[J].信息系统工程，2015（12）：119.