何紫薇 池佳豪 陳夢(mèng)陽 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

在目前的電網(wǎng)系統(tǒng)中，大部分負(fù)載都為需要向其提供無功功率的感性負(fù)載，造成了電網(wǎng)的功率因數(shù)較低，而改善功率因數(shù)，意味著減少電路損耗，提高效率，因此無功功率補(bǔ)償一直都有著重要的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景.本文設(shè)計(jì)了一種提高功率因數(shù)的探究演示儀，采用并聯(lián)電容器的方法，并且針對(duì)大學(xué)教學(xué)中，效果不直觀，操作不便捷等問題進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)提高功率因數(shù)的方法進(jìn)行了詳細(xì)的探究.

1 功率因數(shù)的物理意義

在實(shí)際生活和生產(chǎn)工作中，功率因數(shù)的大小與負(fù)載特性有關(guān).由功率因數(shù)定義可知，當(dāng)線路中電流與電壓同相位時(shí)，功率因數(shù)等于1.但是在多數(shù)時(shí)候，電力系統(tǒng)中常見的負(fù)載為感性負(fù)載，即電流相位滯后于電壓的一種負(fù)載.容性負(fù)載則是電流相位超前于電壓的一種負(fù)載，在感性電路中并聯(lián)電容器，可以補(bǔ)償無功功率，減少電網(wǎng)中來回傳送的無功功率， 從而減小電路損耗，提高電能利用率.

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該儀器由220 V市電作為輸入，并由變壓器完成220 V到24 V/12 V的轉(zhuǎn)換.為了保證安全，在每個(gè)輸入部分由空氣開關(guān)控制通斷.用電流電壓互感器采樣線路中的交流電，ADE7763采集后將測(cè)量的電能參數(shù)發(fā)送給單片機(jī)STM32.演示電路通過插排接入到線路中，STM32會(huì)將采集到的信息顯示在液晶上.本系統(tǒng)的整體框圖如圖1 所示.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

3 演示儀硬件設(shè)計(jì)

3.1 ADE7763測(cè)量電路

3.1.1 采樣電路

采樣電路采用電壓互感器和電流互感器將交流電上的大電壓、大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓、小電流信號(hào)并送入ADE7763.

3.1.2 電能測(cè)量模塊

ADE7763是一款高精度的電能計(jì)量芯片，電壓、電流信號(hào)通過互感器由V1P/V1N，V2N/V2P引腳輸入，ADE7763的外圍還包括晶振電路，與單片機(jī)的通信電路等.測(cè)量模塊整體外圍電路如圖2所示.

圖2 電能測(cè)量電路

3.2 演示電路

演示電路主要由燈泡D和電容器組成.本儀器采用了12 V～36 V，7 W的燈泡作為感性電路，采用容值不等、耐壓值為400 V的CBB電容器作為補(bǔ)償電路.演示電路如圖3所示.電容分別為10 nF，100 nF，1 μF，5 μF，10 μF，20 μF.

圖3 演示電路

4 實(shí)驗(yàn)原理及過程

原理：在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器，可以用電容器的無功功率補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率從而提高功率因數(shù).并聯(lián)容值不等的電容器時(shí)，電容器給線路提供不同的無功功率補(bǔ)償，但燈泡D的有功功率不改變，從而提高功率因數(shù).但在并聯(lián)過大的電容器后，發(fā)生過補(bǔ)償現(xiàn)象，電流的相位超前了，功率因數(shù)反而降低.儀器實(shí)物圖如圖4所示.

圖4 功率因數(shù)原理探究裝置實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過程：

(2)依次接通S2，S3,S4.燈泡依然發(fā)光，觀察測(cè)量端有功功率、視在功率和功率因數(shù).

(3)對(duì)比容值和功率因數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，在并聯(lián)電容器后，功率因數(shù)提高，電流減少，但在接入容值較大的電容器時(shí)，功率因數(shù)反而減少，這是因?yàn)榘l(fā)生了過補(bǔ)償現(xiàn)象.這說明在感性負(fù)載兩端并入合適的電容器時(shí)，電路的功率因數(shù)會(huì)提高，減少電路損耗.

5 結(jié)論