对“功率因数提高实验”教学方法的研究与探讨

李 莹，卢学英

（天津大学 电气与自动化学院，天津 300072）

1 功率因数提高的意义

功率因数是指电力系统中线路有功功率与视在功率的比值，即cosφ=P/S。在视在功率一定的前提下，功率因数越低，即φ 角越大时，有功功率越小，无功功率越大，线路电流也越大，导致电网线路传输效率降低[1]。考虑到工业生产中多数用电设备都具有电感特性，工作时不仅要从供电系统吸收有功功率，还要吸收一部分无功功率，若无功功率持续增大势必降低整个电力系统的功率因数，因此提高负载功率因数是电力系统中一项重要的工程实践问题，需要采取多方面措施[2]。通常的解决办法是在感性负载两端并联适当的电容器，取其容性电流分量来补偿感性电流，从而达到补偿无功功率的目的[3]。

以上内容在本科生电气工程学概论学习后会进行相关实验论证与分析，但以往实验教材多以日光灯电路作为教学负载[4-5]，内容虽简单但缺乏工程实践性。实际工业生产中的负载大多为电动机、电力变压器等大型电气设备，若能在教学中增加对此类器件的实验测试，将有助于加深学生对功率因数提高原理的理解，切实体验电工理论与工程应用的区别，提高其工程实践能力。

本文结合工程实际应用，从电路分析角度，将实验互感线圈、单相小型异步电动机和三相异步电动机分别作为实验负载，给出不同负载下的实施电路，并对每组测量数据进行对比、分析，总结各项负载电路的优势与劣势，希望以此作为电路实践教学的一个补充。

2 实验教学方法

在电工技术实验教材中，“功率因数提高实验”通常采用三表法测量手段[6]。为了真实模拟工业生产过程中的各种负载形式，让学生体会理论应用于实践的过程，这里以互感线圈、单相异步电机、三相异步电机为例，分别进行实验测试，让学生在实践操作中理解实现功率因数提高的有效措施和工程意义[7]，学会根据不同负载形式自主设计、连接电路，并分析各种设备的实验共性和特性。

2.1 互感线圈负载电路

实验以一组750 wdg/36 V互感线圈为负载，电路如图1所示，图中L为互感线圈，R为串联可调电阻，阻值 40 Ω，C 为电容器组（可取值 0.47 µF/1 µF/2 µF/4 µF/8 µF）。电源输入单相交流 220 V/50 Hz。电容未接入前，电流为0.891 A，电压为54.3 V，功率为41.4 W，此时cosφ=0.855。然后，负载两端逐步增加并联电容值，并记录此时仪表读数，由实测数据计算的电路功率因数变化曲线如图2所示。

图1 互感线圈功率因数提高电路图

图2 互感线圈功率因数变化图

2.2 单相异步电动机负载电路

实验采用一单相电容运转式异步电动机为负载[2]，电机型号为 YY-5624，参数为60 W/0.64 A、转速为1400 r/min，电容器组同上，电路如图3所示。电容未接入前，电流为0.45 A，电压为216 V，功率为58.0 W，此时cosφ=0.597。然后，逐步增加并联电容值，并记录仪表读数，由实测数据计算的功率因数变化曲线如图4所示。

图3 单相异步电动机功率因数提高电路图

图4 单相异步电动机功率因数变化图

2.3 三相异步电动机负载电路

实验以三相异步电动机为感性负载时，电源需采取三相三线制，负载电机采用三角形连接方式，如图5所示。图中L代表电机每一相定子绕组线圈，线圈两端分别并联一盏灯泡和电容器组，电机参数为150 W/0.6 A、转速为1400 r/min。电容未接入前，测得两功率表读数分别为46 W和99.2 W，此时cosφ=0.84。然后，逐步增加并联电容值并记录两功率表读数，由实验数据计算出功率因数变化曲线如图6所示。

图5 三相异步电动机功率因数提高电路图

图6 三相异步电动机功率因数变化图

3 实验方案分析

3.1 无功补偿法

无功补偿法在三组负载电路中均起到了提高电路功率因数的作用[8]。尽管由于每组负载的电感量和内阻值不同导致补偿电容量也不同，但学生可以从实验数据和功率因数变化图上直观地看到补偿效果，客观上验证了教材理论知识，达到了理论联系实际的目的。

3.2 线路连接

从线路连接难易程度来看，互感线圈负载电路最为简单，学生只要掌握先串后并的原则即可，实验测量值与理论值间的误差也很小，因此该实验属于基础性实验内容，目的是培养学生的基本实验技能和对理论知识的理解。

当以单相异步电机为负载时，由于其结构原因，需要在启动绕组中串入电容，再与工作绕组并联接上电源方可启动，电路连接方式略有不同。从工程实践上来说，单相异步电机是常用的小容量交流电机，具有结构简单、运行可靠、维护方便等特点，已广泛用于工业生产和日常生活等各个领域，工程实用性非常强。学生可通过这一实验学习和掌握其使用方法和运行特性，从而对今后的专业课学习和工作实践打下良好基础。

与前两种电路相比较，三相异步电机负载电路的连线最为复杂，导线数量最多，是对学生实践操作能力的一次很好的考验和锻炼机会。学生在连线时，不仅要考虑三相电源的输出形式及负载星三角连线规则，而且要确保电路连线的正确性，避免发生合闸短路事故，同时还要注意两个功率表的接线位置。只有做到每个环节都准确无误，才能顺利展开实验操作。该实验连线难度相对较大，需要学生课前充分做好预习工作。

3.3 实验安全性

从实验安全性角度来看，互感线圈电路的安全性最高。由于线圈的耐压值仅为36 V，实验需保证其工作在正常电压范围内，否则线圈会因急速过热烧毁变形。实验显示，这一电路中的电源输出只有几十伏特，相对较低，因此采用这一负载的安全性较高。而在单相电机负载和三相电机负载实验中，电源一侧输出值均接近于220 V，已属于高压实验电路，安全性要比前者为低。学生在实验过程中必须遵守安全操作规程，保证人身安全。

3.4 实验数据

从实验数据方面来看，每个实验电路需要测量的数据内容都有所不同，参数设置要求相差很大。例如，图1电路中的串联电阻R，当取值分别为40 Ω和90 Ω时，结果显示该电路由感性过渡到全补偿状态时，电容调节范围分别为 0～26.94 μF 和 0～9.47 μF。可以看到，R值越大电容调节范围反而越小，补偿过程也越短，若继续增大，将有可能看不到功率因数提高的现象。相反，R值过小实验现象又过于漫长，且实验数据冗长，甚至电容并联到最大值时仍然没有达到全补偿，此时实验是不成功的。因此，学生在测试前一定要根据实验设备的参数值合理选择电路参数，掌握理论数据后再进行实验操作。

在单相异步电机实验中，当电机处于空载或轻载运行时，系统cosφ值往往较低，本实验中其初始值约为0.6，而并联电容后cosφ值可以提高40%左右接近于1，实验效果非常明显。与三相电机负载电路相比，该电路连线难易程度适中，比较符合本科实验教学的课时要求，因此采用这一负载形式较为实际，实验过程既能验证相关理论知识，又能锻炼学生的实践操作能力。

采用三相异步电机为负载，学生需要具备以下方面电工理论知识。一是掌握三相电机的连接方式[9]；二是掌握三相电路功率测量方法，这是与单相电机负载电路的主要区别；三是要考虑因电机启动电流过大对电流表和电压表的冲击问题；四是要考虑实验过程中元件参数的设定是否满足仪表读数要求，避免读数不准问题。例如，在实验中为了满足仪表测量要求，需要在每相定子绕组的两端并联一盏40 W负载灯泡，以提高线电流和功率表示数，这样既能在电流表的最小量程上读取适当读数，又能避免因合闸导致启动电流过大超出量程问题。这一实验措施可以证明，电机处于启动、稳定运转、空载及带载运行状态时的设备利用率存在很大差异，学生在实验时可以尝试不同的电源连接方式、负载连接方式及设置不同的电路参数[10]，从而测量不同负载率下的实验数据，并分析其原因所在，在实践操作中体会所学知识。

4 结语

从以上三种负载实验对比来看，互感线圈负载实验内容简单、数据清晰，作为基础型电工实验项目可以提高学生对理论知识的理解和实验操作技能。但由于仅是实验室专用元器件而非工业电气设备，实验数据也仅限于课堂理论教学研究，与实践生产相去甚远，因此工程实用性较差。

以单相异步电机为负载的电路，优点在于线路连接相对简单、数据变化曲线明显，而且这种电机在工业生产和日常生活中都大量存在，工程实用性很强，因此适合作为本科生功率因数提高实验内容。三相异步电机的运行性能相比单相电机更好，线路也更复杂，采用这种负载电路需要学生掌握的相关知识更加深入、更加专业，而且要求学生在实验中时刻把握电路参数与实验数据之间的因果关系，因此该实验具备了一定的综合性特点，对学生的理论知识和综合实践能力都是一个很好的检验，完全可以作为一项综合设计型实验来考核[11]。

学生在教师指导下自主预习、设计电路直至完成实验测量任务，不仅能够锻炼学生对复杂性电路的动手能力，而且使他们将电工学及电机学的相关知识有机地衔接起来，扩大专业知识面，做到前后贯通、学以致用，从而使专业学习能力和实践操作能力大大提升[12]。

实践证明，以上三项实验内容难度由低到高，由浅入深，既满足了教学大纲的要求，又层次分明、循序渐进，使学生由基础实验开始，逐步培养工程意识和综合实践能力。将此三项实验应用于实验教学，不仅能加深学生对理论知识的理解，还能拓展其专业视野，提高综合素质。