基于Multisim仿真的功率因數(shù)提高理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

朱延楓 耿大勇 魏 玲

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

在直流電路中功率等于電流與電壓的乘積，而在計(jì)算交流電路的平均功率時(shí)還要考慮電壓與電流之間的相位差，即P=UIcosφ，其中cosφ被稱(chēng)為交流電路的功率因數(shù)。功率因數(shù)是電器設(shè)備非常重要的性能指標(biāo)，也是衡量供電系統(tǒng)電能利用程度的重要指標(biāo)之一，它的高低關(guān)系到輸配電線(xiàn)路、設(shè)備的供電能力，也影響到其他功率損耗[1]。從多年的教學(xué)效果來(lái)看，發(fā)現(xiàn)了學(xué)生在學(xué)習(xí)這一知識(shí)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題：一是概念不清晰，體現(xiàn)為交流電路卻用直流電路的分析方法；二是不能用理論知識(shí)解釋相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。怎么才能讓學(xué)生清楚地理解這一交流電路學(xué)習(xí)中的重要知識(shí)點(diǎn)呢？如何讓學(xué)生更好地理解相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容呢？本文借助Multisim這一電路仿真軟件輔助理論教學(xué)，并為學(xué)生開(kāi)展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)提供了可靠的依據(jù)，起到了從理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)渡作用。

Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司推出的原理電路設(shè)計(jì)、電路功能測(cè)試的虛擬仿真軟件。Multisim元件庫(kù)提供了數(shù)千種電路元器件供實(shí)驗(yàn)選用，虛擬測(cè)試儀器儀表種類(lèi)齊全，有一般實(shí)驗(yàn)室用的通用儀器，如萬(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器等，而且還有一般實(shí)驗(yàn)室少有或沒(méi)有的儀器，如波特圖儀、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、邏輯分析儀等。它具有較為詳細(xì)的電路分析功能，可以設(shè)計(jì)、測(cè)試和演示各種電子電路[2]。

Multisim電路仿真軟件可以較好地解決前面提到的學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。Multisim是電工電子技術(shù)課程理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的首選軟件之一。

1 基于Multisim仿真的功率因數(shù)提高的理論教學(xué)

在講解《功率因數(shù)的提高》這節(jié)內(nèi)容時(shí)，教師通常都會(huì)圍繞下面的三點(diǎn)講述。

1.1 什么是功率因數(shù)

如前所述，功率因數(shù)是交流電壓與電流間相位差φ的余弦值，即cosφ。只有在電阻負(fù)載（例如白熾燈、電阻爐等）的情況下，電壓和電流才同相，其功率因數(shù)為1。對(duì)其他負(fù)載來(lái)說(shuō)，其功率因數(shù)均介于0與1之間[3]。

1.2 為什么要提高功率因數(shù)

從前面的分析可知，當(dāng)功率因數(shù)不等于1時(shí)，電路中就會(huì)發(fā)生能量互換現(xiàn)象，出現(xiàn)無(wú)功功率Q=UIsinφ，這樣就會(huì)在電路中引起如下兩個(gè)問(wèn)題。

1.2.1 供電設(shè)備的容量不能充分利用

在電力系統(tǒng)中提供電能的發(fā)電機(jī)是按發(fā)電機(jī)的視在功率S設(shè)計(jì)的。發(fā)電機(jī)在額定電壓和額定電流下運(yùn)行時(shí)輸出功率P=UNINcosφ=SNcosφ與所接負(fù)載的功率因數(shù)cosφ密切相關(guān)[1]。顯然，若負(fù)載功率因數(shù)cosφ越小，則發(fā)電機(jī)輸出的有功功率越小，而無(wú)功功率越大，即電路中能量互換規(guī)模越大，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量沒(méi)有得到充分利用。

1.2.2 增加線(xiàn)路和發(fā)電機(jī)繞組的功率損耗

當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓U和輸出的有功功率P一定時(shí)，I與cosφ成反比，設(shè)線(xiàn)路和發(fā)電機(jī)繞組的等效電阻為r，則線(xiàn)路和發(fā)電機(jī)繞組上的功率損耗ΔP為：

即ΔP與功率因數(shù)cosφ的平方成反比，cosφ越小，ΔP越大。

由于在生活和生產(chǎn)中所使用的大部分用電設(shè)備都為感性負(fù)載，如生產(chǎn)中最常用的異步電動(dòng)機(jī)，生活中大量使用的照明負(fù)載，功率因數(shù)比較低。按照供用電規(guī)則，高壓供電的工業(yè)企業(yè)的平均功率因數(shù)不低于0.95，其他單位不低于0.9。

1.3 提高功率因數(shù)的方法

提高功率因數(shù)常用的方法是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)大小的電容（如圖1所示）。

圖1 感性負(fù)載功率因數(shù)提高的電路圖

未并聯(lián)電容時(shí)，電路中電流和電壓的相量圖（如圖2a所示）。從圖中可知由于負(fù)載為感性的，因此負(fù)載兩端的電壓超前電流0＜cosφ1＜1。并聯(lián)了電容以后的電路中電流和電壓的相量圖（如圖2b，2c所示）。從圖2b中可以看出當(dāng)并聯(lián)了適當(dāng)大小的電容以后，并沒(méi)改變?cè)行载?fù)載兩端的電壓，所以原感性負(fù)載的電流、有功功率也不變。線(xiàn)路電流的相量和。此時(shí)電路的阻抗角變小了，φ＜φ1，因此功率因數(shù)提高了。同樣也是并聯(lián)了電容以后電路中電流和電壓的相量圖如圖2c所示，但從圖中可以看出，φ＞φ1，功率因數(shù)沒(méi)有提高反而降低了，這是為什么呢？這主要是由于圖2c中的電容值比較大，導(dǎo)致很大，從圖2b和圖2c的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，并不是并聯(lián)的電容值越大越好。從相量圖中可以推導(dǎo)出電容值的計(jì)算公式如下：

從以上的分析可以得到如下的結(jié)論：（1）并聯(lián)電容后線(xiàn)路的功率因數(shù)提高了；（2）并聯(lián)電容前后電路的有功功率不變；（3）并聯(lián)電容前后感性負(fù)載的電流不變；（4）并聯(lián)電容后線(xiàn)路的電流減小了。

圖2 相量圖

2 基于Multisim仿真驗(yàn)證理論教學(xué)內(nèi)容

為了讓學(xué)生更好地理解上述理論內(nèi)容，本文采用基于Multisim軟件仿真完成理論教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，并為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課打下了良好的基礎(chǔ)。

首先，利用Multisim設(shè)計(jì)仿真電路（如圖3所示）。電源（V1）是電壓大小為100 V、頻率50 Hz的交流電壓源，感性負(fù)載由電阻（R1=300 Ω）和電感（L1=1 H）串聯(lián)組成。從前面的理論分析中可知：提高功率因數(shù)的方法是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)大小的電容。因此在設(shè)計(jì)仿真電路中給出了7個(gè)不同的電容值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證理論的正確性。在仿真電路中，利用一個(gè)單刀7投開(kāi)關(guān)（J2）選擇不同的電容。在電容所在的支路接一個(gè)普通開(kāi)關(guān)（J1），控制是否并聯(lián)電容。在仿真電路中接一塊功率表（XWM1）可以測(cè)量線(xiàn)路的有功功率和功率因數(shù)。三塊交流電流表（U1，U2，U3）分別用以測(cè)量線(xiàn)路、感性負(fù)載及電容的電流（見(jiàn)表1）。

圖3 仿真電路圖

從表1的數(shù)據(jù)可以看出1.3中提到的4點(diǎn)結(jié)論都是成立的，即通過(guò)基于Multisim的仿真結(jié)果驗(yàn)證了所學(xué)理論的正確性。從表1中學(xué)生還可以看出不是并聯(lián)的電容越大，功率因數(shù)越大。例如當(dāng)C=4.3 μF時(shí)，cosφ=0.98；但當(dāng)C=8.6 μF時(shí)，cosφ=0.83，電容值變大了，功率因數(shù)不增大反而減小了。

表1 提高功率因數(shù)的仿真數(shù)據(jù)表

3 基于Multisim仿真結(jié)果的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

通過(guò)前面的理論教學(xué)和基于Multisim的仿真學(xué)習(xí)，學(xué)生們對(duì)于提高功率因數(shù)這一知識(shí)點(diǎn)有了深刻的理解，因此學(xué)生在進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，思路比較清晰，并且完全可以自行檢查所測(cè)的數(shù)據(jù)是否正確。我校的電工技術(shù)試驗(yàn)臺(tái)（如圖4所示）提供了實(shí)驗(yàn)所需的全部電路元件和設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中利用電流插孔、電流插筆和交流電流表同時(shí)完成對(duì)線(xiàn)路電流、感性負(fù)載電流和電容電流的測(cè)量，電容的選擇是通過(guò)7個(gè)開(kāi)關(guān)控制的。

圖4 實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖

為了與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所有元件的參數(shù)值均選擇與仿真電路中的一致，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）中可以看出，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此利用Multisim軟件仿真輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)是可行的。

表2 提高功率因數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)功率因數(shù)提高這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了理論分析。然后將仿真軟件Multisim作為橋梁實(shí)現(xiàn)由理論教學(xué)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)渡。本文仿真電路與實(shí)驗(yàn)電路具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的對(duì)比性，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二者的結(jié)論均與理論分析相一致。

將仿真軟件Multisim引入到電工技術(shù)課程的教學(xué)中不但可以使學(xué)生加深對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的理解，而且Multisim仿真軟件類(lèi)似一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在進(jìn)行真正的實(shí)驗(yàn)之前，進(jìn)行“虛擬”實(shí)驗(yàn)，完成電路參數(shù)的確定和設(shè)計(jì)工作，這樣可以有效地減少實(shí)驗(yàn)時(shí)的錯(cuò)誤操作，并且可以拓寬學(xué)生的思路。這種學(xué)習(xí)方式也可以推廣到學(xué)生的各種技能比賽中。由此可見(jiàn)，基于Multisim的仿真分析對(duì)電工技術(shù)課程的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的提高具有一定的促進(jìn)作用。