借助智能電表開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)

易照巖+丁其英

摘 要 交流電比直流電復(fù)雜，學(xué)習(xí)起來(lái)也較困難。在交流環(huán)境下，通過(guò)測(cè)量LED燈和白熾燈的功率、電流、功率因數(shù)等物理量，來(lái)區(qū)別LED燈和白熾燈不同物理特性，深入理解功率、認(rèn)識(shí)交流電。

關(guān)鍵詞 物理；實(shí)驗(yàn)；LED燈；智能電表；交流電；白熾燈

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）09-0148-02

1 前言

220 V交流電作為日常生活中使用的電源形式，其也是高中物理中一個(gè)重要的知識(shí)點(diǎn)。在日常生活中，電力公司常向公眾開(kāi)展安全用電宣傳，防止居民意外觸電，因此，很多學(xué)生對(duì)交流電既熟悉又陌生，對(duì)它缺少足夠的認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在困惑[1]。

LED燈與白熾燈發(fā)光原理不同：LED燈由發(fā)光二極管構(gòu)成，發(fā)光二極管是在直流環(huán)境下工作的器件，要在交流電環(huán)境下工作，需要通過(guò)變壓整流裝置把交流電變?yōu)橹绷麟姡敲碙ED燈就是電感器件；而白熾燈是由鎢絲在高溫下發(fā)熱發(fā)光，是純電阻器件。LED燈和白熾燈在交流電環(huán)境下，功率、功率因數(shù)等物理量會(huì)呈現(xiàn)不同的特征。通過(guò)分析LED燈和白熾燈的功率、功率因數(shù)等測(cè)量數(shù)據(jù)，可幫助學(xué)生區(qū)分電感器件和純電阻器件，深入理解功率概念，以及不同類(lèi)型的負(fù)載對(duì)電源（電網(wǎng)）的影響，從而加深對(duì)交流電的認(rèn)識(shí)，為學(xué)好交流電奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

在中學(xué)課本中，電功率（P）等于電壓（U）乘以電流（I）：

P=UI

在交變環(huán)境下，電壓和電流是一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓和電流。

在交流電中存在三種功率參數(shù)，分別為[2]：

1）視在功率，指電器消耗的總的功率；

2）有功功率，指使負(fù)載以發(fā)熱、發(fā)光、做機(jī)械功等形式消耗電能的功率；

3）無(wú)功功率，指負(fù)載在工作中必備的、但其沒(méi)有消耗電源電能，只是占用電源輸出的功率。

視在功率是器件消耗的總功率，一般由有功功率和無(wú)功功率組成，其數(shù)值可用公式P=UI計(jì)算。對(duì)于純電阻負(fù)載，負(fù)載的功率就是有功功率，純電阻負(fù)載的無(wú)功功率等于零；對(duì)電感性負(fù)載來(lái)說(shuō)，負(fù)載的功率由有功功率和無(wú)功功率兩部分組成。

另外，可以用功率因數(shù)來(lái)刻畫(huà)電源的輸電效率，功率因數(shù)是電壓與電流之間相位差的余弦。一般情況下，功率因數(shù)可以用有功功率和視在功率的比值來(lái)計(jì)算[2]。對(duì)純電阻負(fù)載電路，功率因數(shù)就是有功功率和功率的比值，其值為1；對(duì)電感性負(fù)載來(lái)說(shuō)，功率因數(shù)的數(shù)值小于1。因功率因數(shù)是供電系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，生產(chǎn)企業(yè)會(huì)在電感性負(fù)載電路上安裝無(wú)功功率的補(bǔ)償裝置，增加功率因數(shù)的數(shù)值，從而提高電源（電網(wǎng)）的輸電效率。

3 實(shí)驗(yàn)方案

本文測(cè)量?jī)x器選用單項(xiàng)智能電表（DDZY1122-M），測(cè)量誤差小于±1%（DDZY1122單相費(fèi)控智能電能表說(shuō)明書(shū)）。

市電收費(fèi)是按照千瓦時(shí)收費(fèi)，那么單項(xiàng)智能電表（DDZY1122-

M）測(cè)量功率誤差在±10 W。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這里檢材選用15 W以上的白熾燈和LED燈燈組。實(shí)驗(yàn)電源是220 V

交流市電，市電交流電壓波動(dòng)范圍為220 V±10%。白熾燈選用額定功率分別為40 W、60 W、100 W、200 W共四組。LED燈選用額定功率分別為16 W、36 W、44 W、56 W的LED燈。為探究電感器件對(duì)電源的影響，這里采用四組未安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈和一組24 W安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈。

在市電電壓（220 V±10%）下，測(cè)量不同額定功率的白熾燈和LED燈的電流、功率因數(shù)，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

4 實(shí)驗(yàn)分析

白熾燈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 表1中的行1和行2，是用智能電表測(cè)量的白熾燈的交流電壓和電流。在測(cè)量誤差范圍內(nèi)，從表1中行3和行4可以看到，智能電表測(cè)量的白熾燈的功率和視在功率相等，測(cè)量白熾燈的功率與白熾燈的額定功率其數(shù)值在誤差范圍內(nèi)也相等。這說(shuō)明白熾燈是純電阻器件，有用功率就是白熾燈的總功率，即視在功率。另一方面也說(shuō)明單項(xiàng)智能電表測(cè)量的功率是白熾燈的有用功率。

表1的行5是測(cè)量白熾燈功率因數(shù)，其數(shù)值等于1；行6是用測(cè)量功率除以視在功率計(jì)算的功率因數(shù)，其數(shù)值也等于1。同樣說(shuō)明白熾燈是純電阻器件，視在功率全部由有功功率組成，白熾燈沒(méi)有多占用電源的輸出功率，也就是說(shuō)白熾燈沒(méi)有浪費(fèi)電源的輸出功率。

LED燈實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 表2中前四組是未安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈的測(cè)量數(shù)據(jù)，第五組是安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈的測(cè)量數(shù)據(jù)。表2中的行1和行2是用智能電表測(cè)量的LED燈的交流電壓和電流。從表2中行3和行4可以看到，智能電表測(cè)量的LED燈的功率與視在功率數(shù)值不相等。從這些數(shù)據(jù)可以看出，LED燈的功率是由有功功率和無(wú)功功率組成的，LED燈是電感性器件，其正常工作需要無(wú)功功率的支撐。

表2的行5是測(cè)量的LED燈的功率因數(shù)，行6是用有功功率除以視在功率計(jì)算的功率因數(shù)，兩個(gè)數(shù)值相等，這同樣說(shuō)明LED燈的功率與白熾燈不同，其視在功率由有功功率和無(wú)功功率組成。從LED燈的測(cè)量可以看到，無(wú)功功率并不是沒(méi)有用的功率，它是LED燈正常工作所必需的。由于無(wú)功功率的存在，LED燈多占用電源的輸出功率，也就是說(shuō)電源（電網(wǎng)）的輸出功率被浪費(fèi)了。

表2中的第五組是安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈的測(cè)量數(shù)據(jù)，從中可以看到測(cè)量的功率因數(shù)是0.92（6），數(shù)值接近于1，這表明安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈沒(méi)有浪費(fèi)電源（電網(wǎng)）的輸出功率。利用有功功率除以視在功率計(jì)算得到的功率因數(shù)數(shù)值為0.55（1），其與智能電表測(cè)量的數(shù)值是不相等的。這說(shuō)明安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的LED燈的功率因數(shù)的計(jì)算，不能用有功功率除以視在功率這個(gè)簡(jiǎn)單的公式。

白熾燈與LED燈的功率的分析 單純從功率上看，如額定功率36 W的LED燈，有用功率只有22.（8）W[視在功率為99.2（6）W]，其只有白熾燈（額定功率100 W）功率的20%，可見(jiàn)LED燈的節(jié)能性。從另一個(gè)方面來(lái)看，36 W的LED燈的功率因數(shù)為0.23，視在功率約為98 W，這說(shuō)明36 W

的LED燈與100 W的白熾燈占用同樣的電源輸出功率。對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)，36 W的LED燈與100 W的白熾燈一樣，占用相同的電網(wǎng)輸出功率，而電力公司計(jì)費(fèi)是按照有功功率計(jì)費(fèi)的。這就表明，電力公司的電網(wǎng)提供同樣的輸電能力，要少收費(fèi)。這就是無(wú)功功率對(duì)電源（電網(wǎng)）的主要影響。

因此，國(guó)家規(guī)定對(duì)于較大額定功率的LED燈都要安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，來(lái)提高電網(wǎng)的輸電效率，減少輸電成本。通過(guò)對(duì)表1和表2的數(shù)據(jù)分析，可以得到兩個(gè)結(jié)論：通過(guò)比較視在功率與有功功率（智能電表測(cè)量數(shù)值）是否相等，說(shuō)明電力中的負(fù)載是純電阻器件還是電感性器件；通過(guò)智能電表測(cè)量的功率因數(shù)是否等于1，說(shuō)明電路中的負(fù)載是否浪費(fèi)電源的輸出功率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文用居民用電作為實(shí)驗(yàn)電源，研究LED燈和白熾燈在功率、功率因數(shù)上的差異，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)交流電的認(rèn)識(shí)，更深入理解電感性負(fù)載功率的特征（有功功率和無(wú)功功率組成）。在交流電路中，電感性負(fù)載正常工作時(shí)需要無(wú)功功率，而無(wú)功功率會(huì)降低供電電源或者輸電電網(wǎng)的效率，但是可以通過(guò)在電路中安裝無(wú)功功率補(bǔ)償裝置來(lái)彌補(bǔ)，提高電源或輸電電網(wǎng)的供電效率。

實(shí)際上，電力公司會(huì)在供電電網(wǎng)中安裝無(wú)用功率補(bǔ)償裝置，以提高供電電網(wǎng)的效率，減少對(duì)電網(wǎng)建設(shè)的投入，從而降低供電成本[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.高中物理（選修3-2）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]葛艷軍.變電運(yùn)行中10kV電網(wǎng)功率因數(shù)的意義及提高方法[J].信息系統(tǒng)工程，2015（12）：119.