大学物理实验：交流电路功率因素与三相交流电

三相交流电与功率因素三相交流电与功率因素电磁学系列 13浙江大学物理实验中心浙江大学物理实验中心 正弦交流电在工农业生产、正弦交流电在工农业生产、科研和日常生活中与我们息息科研和日常生活中与我们息息相关，其性质与直流电有很大相关，其性质与直流电有很大的不同。其电流、电压除了有的不同。其电流、电压除了有幅值（一般以有效值表示）的幅值（一般以有效值表示）的关系外还存在着相位关系。关系外还存在着相位关系。一、实一、实 验验 目目 的的 1 1、学习测量交流功率及功率因数学习测量交流功率及功率因数的方法。的方法。2 2、学习使用各种交流电表。学习使用各种交流电表。3 3、学习三相电源，掌握星形，三角学习三相电源，掌握星形，三角形的供电方式形的供电方式 。二、实二、实 验验 原原 理理 1、功率因素功率因素 图图1 1是一个电阻是一个电阻R R与电感与电感L L串联再与电容串联再与电容C C并联的交流电并联的交流电路，各分段电压和总电压的关路，各分段电压和总电压的关系，或并联支路的分电流和总系，或并联支路的分电流和总电流的关系，都不能用代数和电流的关系，都不能用代数和来处理，而必须用矢量和来处来处理，而必须用矢量和来处理，有如下关系式：理，有如下关系式：(1)(2)II1I2RLC图图 1UI1 图图 2如果用如果用I I1 1 作为相位的参考作为相位的参考方向，图方向，图2 2是它们之间的相是它们之间的相位矢量图，由图可见位矢量图，由图可见I I1 1与与 同相。而纯电感同相。而纯电感L L上电压上电压 比比I I1 1 超前超前 ，合成的，合成的 是是总电压的幅值，总电压的幅值，是是I I1 1 落后落后 的相位角的相位角 。在直流电路中，电路的功率等于电流与电在直流电路中，电路的功率等于电流与电压的乘积，而对于交流电路，计算其平均功压的乘积，而对于交流电路，计算其平均功率率时还要考虑电压与电流间的相位差即：时还要考虑电压与电流间的相位差即：COSCOS 为为电电路路的的功功率率因因数数。很很大大程程度度上上它它取取决决于于负负载载的的性性质质，若若负负载载是是纯纯电电阻阻性性质质，如如白白炽炽灯灯、电炉等，由于电压与电流同相，则电炉等，由于电压与电流同相，则COSCOS=1=1。但在大多数电路中，常常使用交流异步电动但在大多数电路中，常常使用交流异步电动机、电焊机以及日光灯等，都是电感性负载。这机、电焊机以及日光灯等，都是电感性负载。这时时COSCOS11，电流滞后于电压电流滞后于电压角。它意味着电角。它意味着电源除了向负载提供平均功率而转换为其他形式的源除了向负载提供平均功率而转换为其他形式的能量（热能、机械能等）外，还有一部分无功功能量（热能、机械能等）外，还有一部分无功功率要不断往返于电源与负载之间。为尽量减少电率要不断往返于电源与负载之间。为尽量减少电路中的无功功率，我们必须要适当提高电路功率路中的无功功率，我们必须要适当提高电路功率因数因数 。2、提高功率因数常用的方法：提高功率因数常用的方法：提高功率因数，常用的方提高功率因数，常用的方法就是在靠近感性负载端并联电法就是在靠近感性负载端并联电容器，其电路图如图容器，其电路图如图1 1所示，由所示，由相量图相量图3 3 可知原感性负载电流可知原感性负载电流滞后于电压滞后于电压1 1，当并联电容以当并联电容以后，只要电容的大小选择得当，后，只要电容的大小选择得当，就可以使并联电容以后的总电流就可以使并联电容以后的总电流小于原来电感中的电流，使小于原来电感中的电流，使2 21 1，使功率因数得到提高。使功率因数得到提高。1 2图图 3三、三、实实 验验 仪仪 器器 装装 置置日光灯管日光灯管整流器整流器电容电容启辉器启辉器开关开关电压表电压表功率表功率表电流表电流表三相交流电三相交流电 1 1、实验电路配电板、实验电路配电板2、三三用用表（表（电压，功率，电流电压，功率，电流）的使用常识）的使用常识(1):(1):使用时仪表应放置水平位置，尽可能远离强电流导线使用时仪表应放置水平位置，尽可能远离强电流导线和强磁性场，以免仪表增加误差。和强磁性场，以免仪表增加误差。(2):(2):仪表指针如不在另位时，可利用表盖上调节器调整之。仪表指针如不在另位时，可利用表盖上调节器调整之。(3)(3)：根据所需测量范围将仪表接入电路，在通电前，必须：根据所需测量范围将仪表接入电路，在通电前，必须对线路中的电流，电压有所估计，避免超载。对线路中的电流，电压有所估计，避免超载。(4)(4)：当仪表使用于直流电路内时，应将接线柱接线互换，：当仪表使用于直流电路内时，应将接线柱接线互换，取二次读数之平均值作为正确取二次读数之平均值作为正确指示值，以消除剩磁误差。指示值，以消除剩磁误差。AvwA (5):(5):D26wD26w功率表测量时如遇仪表指针反向偏转时，应改变换向功率表测量时如遇仪表指针反向偏转时，应改变换向开关之极性。即可使指针顺方向偏转，切忌互换电压接线，以免使开关之极性。即可使指针顺方向偏转，切忌互换电压接线，以免使仪表产生误差。仪表产生误差。(6):(6):D26wD26w功率表之指示值可按下式计算：功率表之指示值可按下式计算：P=CP=C (瓦特瓦特)式中：式中：P P为功率指示值为功率指示值 C C为仪表常数，亦即每格刻度所代表之瓦特，列表于下为仪表常数，亦即每格刻度所代表之瓦特，列表于下 为指针偏转后指示格数为指针偏转后指示格数3 3、三用表的三用表的接线接线1 13 32 2黄线将同铭黄线将同铭端端*都联接起来都联接起来红线是电压联线红线是电压联线蓝线是蓝线是电流联线电流联线VWA四、实四、实 验验 内内 容容 1、日光灯的组装日光灯的组装 日光灯是典型的感性负载电路，按线路完成连线，日光灯是典型的感性负载电路，按线路完成连线，要求能点亮灯管即可。接线如下。要求能点亮灯管即可。接线如下。s电容c镇流器日光灯开关220v火线零线起辉器132 2、各种交流电表的使用各种交流电表的使用 在上图箭头处断开电路，将所组合的三用表按对应在上图箭头处断开电路，将所组合的三用表按对应数字接入电路，进行电流，电压及功率的测量，用公式：数字接入电路，进行电流，电压及功率的测量，用公式：解出没有并联电容时的功率因数。解出没有并联电容时的功率因数。（3）s电容c镇流器日光灯开关220v火线零线起辉器132三用表的连接过程演示三用表的连接过程演示 3、并联电容提高功率因数并联电容提高功率因数 将电容并入日光灯电路（按图中虚线所示），观将电容并入日光灯电路（按图中虚线所示），观察三用表的指示，运用公式（察三用表的指示，运用公式（3 3），解出并联电容后的），解出并联电容后的功率因数，进行比较。实验的所有数据填入下表。功率因数，进行比较。实验的所有数据填入下表。未加电容加电容C1（）C2（）C3（）C4（）I（A）V(V)P(W)COS 点击观察过程点击观察过程实验现象观察实验现象观察AABB0CC星形星形电路电路三角形电路三角形电路图图 6 4、三相交流电路（选做）三相交流电路（选做）三相交流电是目前使用三相交流电是目前使用 广泛的供电方式，常见的广泛的供电方式，常见的是采用以三相相序是采用以三相相序A A，B B，C C为顺序，相位互差为顺序，相位互差1201200 0的正的正弦交流电组合在一起进行供电。弦交流电组合在一起进行供电。三相交流电的负载常三相交流电的负载常用的有用的有“星形星形”，“三角形三角形”，其示意图如下：由负，其示意图如下：由负载的不同又分成载的不同又分成“对称负载对称负载”和和“不对称负载不对称负载”，（在星形负载中还有有中线与无中线的区分），由电（在星形负载中还有有中线与无中线的区分），由电工原理可知：工原理可知：对星形电路而言对星形电路而言：A A 线电压是相电压的线电压是相电压的 倍；倍；线电流线电流=相电流；相电流；B B 对称负载时星形电路中线电流为另，而不对对称负载时星形电路中线电流为另，而不对称负载电路中线电流不为零。称负载电路中线电流不为零。对三角形电路而言对三角形电路而言：线电压线电压=相电压，线电流等于相电流的相电压，线电流等于相电流的 倍倍（1 1）、测量星形电路三相四线制电源的相、线电压，电流）、测量星形电路三相四线制电源的相、线电压，电流相电压线电压相电流线电流UA0UB0UC0UABUBCUCAIA0IB0IC0IAIBIC对称负载不对称负载有中线无中线有中线无中线相电压电流UA0UB0UC0IAIBICI0（2）测量星形电路三相四线制电源对称负载电路，有测量星形电路三相四线制电源对称负载电路，有中线和无中线时的各电量；中线和无中线时的各电量；（3 3）测量三角形电路）测量三角形电路 。对称负载不对称负载UABUBCUCAIAICA五、五、注注 意意 事事 项项 警告警告 因为该实验是强电，因因为该实验是强电，因此实验中必须谨慎小心。接此实验中必须谨慎小心。接线务必仔细检查，必要时请线务必仔细检查，必要时请教师检查后方可通电。教师检查后方可通电。