如何提高日光灯电路的功率因数？

时间：2026-01-23 理论教育景枫版权反馈

【摘要】：知识目标掌握RLC 并联电路的分析方法;掌握功率因数的定义;掌握提高功率因数的方法。在电工实验室中,各实验小组按照《Q/GDW 1799.1—2013 国家电网公司电力安全工作规程》、进网电工证相关标准的要求,进行提高日光灯电路功率因数的操作。2)并联谐振类比于RLC 串联谐振,发生在RLC 并联电路中的谐振称为并联谐振。因此,国家的有关职能部门颁发了“功率因数调整电费办法”的规定。凡功率因数值低于规定的工厂企业要加收电费。

【任务目标】

•知识目标

(1)掌握RLC 并联电路的分析方法;

(2)掌握功率因数的定义;

(3)掌握提高功率因数的方法。

•能力目标

(1)能识读电路图;

(2)能正确按图接线;

(3)能掌握提高日光灯电路功率因数的原理与方法;

(4)能进行实验数据分析;

(5)能完成实验报告填写。

•态度目标

(1)能主动学习,在完成任务过程中发现问题、分析问题和解决问题;

(2)能与小组成员协商、交流配合完成本次学习任务,养成分工合作的团队意识;

(3)严格遵守安全规范,爱岗敬业、勤奋工作。

【任务描述】

班级学生自由组合为若干个实验小组,各实验小组自行选出组长,并明确各小组成员的角色。在电工实验室中,各实验小组按照《Q/GDW 1799.1—2013 国家电网公司电力安全工作规程》、进网电工证相关标准的要求,进行提高日光灯电路功率因数的操作。

【任务准备】

课前预习相关知识部分,独立回答下列问题:

(1)RLC 并联电路中的电流电压关系如何?

(2)什么是功率因数?

(3)电力系统中为什么要提高用电负荷的功率因数?

(4)如何提高功率因数?

【相关知识】

理论知识

一、RLC 并联电路

RLC 并联电路如图3.4.1(a)所示,其中三元件电导为G、电感为L、电容为C,电流电压参考方向已标明。

图3.4.1　RLC 并联电路

1)电压和电流的关系

式中,Y 叫复导纳,它是关联参考方向下网络的端口电流相量与电压相量的比值,单位为S,Y 是一个复数。复导纳Y 的实部为电路的电导G,虚部B =BC -BL,称为电纳,单位为S。电纳B 为代数量,BC ＞BL 时B 为正值,BC ＜BL 时B 为负值。

复导纳Y 的模|Y|称为导纳,单位为S

导纳|Y|即是端口电流与电压的有效值的比值

复导纳的辐角为导纳角

导纳角就是关联参考方向下端口电流超前电压的相位差,即

B 为正值时φ′为正值,B 为负值时φ′为负值。

RLC 并联电路中

【例3.4.1】　已知R=25 Ω、L=2 mH、C=5 μF 并联电路的端口正弦电流I=0.5 A,电路的角频率为5 000 rad/s,试求电压及各元件电流。

解

电路是感性的

【例3.4.2】　在RLC 并联电路中,R=5 Ω,L=10 mH,C=400 μF,电路端电压U=220 V,电压的角频率ω=314 rad/s。试求:

(a)电路的复导纳及复阻抗;

(b)电路中的总电流及各元件电流。

2)并联谐振

类比于RLC 串联谐振,发生在RLC 并联电路中的谐振称为并联谐振。

(1)并联谐振的条件。

由图3.4.2(a)所示的RLC 并联电路可知,电路所加电压为u,三个元件中的电流分别为iR、iL 与iC,其有效值与电压的关系为

当电路发生谐振时,端电压u 与端电流i 同相位,电路呈电阻性,如图3.4.2(b)所示。此时,IL 与IC 相等,所以总电流为

图3.4.2　RLC 并联谐振电路和相量图

由此可见,RLC 并联电路发生谐振的条件是电容电流与电感电流的大小相等,即

所以RLC 并联电路谐振角频率为

RLC 并联电路谐振角频率与RLC 串联电路的谐振角频率相同。

(2)并联谐振的特征。

②谐振时,虽然电感L 和电容C 并联的总电流ILC =0,但L 和C 支路中的电流并不等于零。它们的有效值分别为

如果XL =XC≪R,则IL =IC≫I,也就意味着电感L 和电容C 支路中的电流远远大于电路的总电流。因此并联谐振又称为电流谐振。

发生并联谐振时,电感电流或电容电流与总电流的比值称为RLC 并联电路的品质因数Q,即

(3)实际并联谐振电路。

实际使用的并联谐振电路由电感线圈和电容器并联组成。因为实际电感线圈中存在电阻,所以实际并联谐振电路相当于电阻R 与电感L 串联后再与电容C 并联的电路,如图3.4.3(a)所示。

图3.4.3　R、L 串联与C 并联谐振电路和相量图

由图3.4.3(a)可知,端电压为u,端电流为i,当发生谐振时,u 与i 同相,电路呈电阻性。此时的电压和电流的相量图如图3.4.3(b)所示。由图可知

因此,此电路发生并联谐振的条件是电容电流应与电感线圈电流的无功分量相等。

因

所以发生并联谐振时,

故谐振角频率为

谐振频率为

与RLC 串联电路的谐振角频率相同。

【例3.4.3】　如图3.4.2(a)所示,将变频电源接在此电路中,R =50 Ω,L =16 μH,C =40 μF,U=220 V。求谐振频率f0 相应的I、IL、IC、IR。

解

答:I 为4.4 A,IL 为11 A,IC 为11 A,IR 为4.4 A。

【例3.4.4】　有一高频阻波器,电感量为100 μH,阻塞频率为400 kHz,求阻波器内需并联多大电容才能满足要求。

答:阻波器内需并联1 585 pF 的电容才能满足要求。

【例3.4.5】　收音机中并联谐振电路,已知R =6 Ω,L =150 μH,C =780 pF,求谐振频率。

二、功率因数的定义

正弦交流电路中功率因数定义为有功功率与视在功率的比值

生产中大量应用线圈和电动机等包含有电感的设备,这些设备都是电感性负载,它们的功率因数随着设备使用的情况不同而改变,一般情况下数值都不高,如异步电动机满载时的功率因素约0.7 ～0.9,空载时仅为0.2 ～0.3,日光灯的功率因素为0.3 ～0.5。功率因数过低会造成如下影响:(https://www.xing528.com)

(1)电源利用率较低。因,所以当消耗的有功功率P 一定时,功率因数λ越小,电源提供的视在功率S 就越大。因此,相同功率的负荷,功率因素越低,占用电源设备的容量就越大,电源设备的供电能力得不到充分利用。

(2)线路压降增大。因P=UI cos φ ,所以功率因数越小,线路上流经的电流就越大。因线路的等值阻抗不变,流经的电流越大,则线路上的压降就越大,有可能造成线路末端电压过低,影响用电设备的正常运行。

(3)功率损耗增大。因P =I2R,线路上的等值电阻不变,功率因数低会导致线路电流大,则线路上的有功损耗也会随之变大。

因此,国家的有关职能部门颁发了“功率因数调整电费办法”的规定。凡功率因数值低于规定的工厂企业要加收电费。提高功率因数,无论对整个电力系统,还是对用户本身,都是大有好处的。

三、提高功率因数的方法

提高功率因数一般采用在感性负载两端并联电容的方式。感性负载串联电容后虽然也可以改变功率因数,但是在功率因数改变的同时,负载上的工作电压也发生了变化,会影响负载正常运行。这种并联在负载两端以提升功率因数的电容称为补偿电容器,并联电容后,负载两端的电压不变,电容不消耗有功功率,只用来补偿感性无功功率,如图3.4.4(a)所示。