实验1.6 日光灯电路与功率因数的提高

功能 确认
“确认”键即可。若数字前显示
代表感性负载，若显示 代表容
性负载。在任何状态下按“复位”
键系统恢复到初始状态。
电流线圈 保险丝
同名端 相连
复位
电压线圈
1A
0～5A
数字式交流电流表 指针式交流电流表
记录功率因 数提高到最 大时所需补 偿电容值C
表1.6.1F U/V UR/V UL/V I/A IR/A IC/A P/W
挂箱
电容组
电流插座
镇流器参数计算。我们把镇流器看作RL与L串联电路，
其模型如图1.6.4a虚线框所示。我们可根据实验测得的
数据、相量图或解析式，求出其等效参数RL、L的值。
•
I
A R
灯管
~220V ＋
1
•
-U
RL
•
L
U1
镇流
器
•
U
θ
•
UR
•
•
UL
U1
•
•
U RL
I• I
（1）相量图计算法
由余弦定理求得 ，再根据下式可求得RL、L。
无功功率Q=UIsinθ，它是由电感或电容元件消耗的。
视在功率S=UI= P2 Q2
，功率因数
cosθ=
P S
。
功率表的说明(见动画)
功率表测量的是有功功率。 它有两个线圈，一个是电流线圈 一个是电压线圈,为了保证两个线 圈的电流流入(或流出)方向一致, 对于电流流进的接线端钮仪表面 板上均已标注“*”或“+” ，即 同名端。功率表在接线时，应使 电流线圈和电压线圈的同名端接 到电源同一极性的端子上。
八、补充思考题
1．并联电容器后，提高了电路的总功率因数， 而日光灯本身的功率因数是否也改变？为什么？
2．补偿电容值是否越大越好？为什么？补偿电容 除有容量的要求外，还有什么其它要求？
3. 当启辉器坏了，手头暂时没有好的启辉器， 可以用一个什么样的开关来代替？应如何联接和操作？
4.当改变电容时，功率表的读数和日光灯支路的 电流是否变化？为什么？
3.将柜体左侧三相调压器同轴旋钮，调至日光灯额 定工作电压220V，完成表中电压、电流、功率与功率 因数记录。
4. 改变电容，在1μF～10.4μF之间均匀取值， 通过观察智能型数字功率表中功率因数的感性、容性 显示变化，完成日光灯电路的测量表格记录。
根据测试数据，计算出cos =1时C 的值。
cos
U*
P
I*
RL
负载RL功率表接线示意图
功率表接线应按照同名端相连，电流线圈串联在回路 中，电压线圈并联在回路中的原则接线。如上图所示。
智能型数字功率表使用简介
打开电源，循环显示 ，
表示测试系统已准备就绪，
进入初始状态。按“功能”
键，出现固定 ，则测试
有功功率，读取时只需按
“确认”键即可；按“功
能”键，出现 ，则测试 功率因数，读取时只需按
路的电流突然消失，瞬时在电感上产生一个比电源 电压高得多的感应电动势，连同电源电压一起加在灯 管的两端，使灯管内的惰性气体电离而引起弧光放电， 产生大量紫外线，灯管内壁的荧光粉吸收紫外线后， 辐射出可见光，日光灯就开始正常工作。在正常状态 下，镇流器对灯管起分压和限流作用，使灯管电流不 致太大。
日光灯正常工作后，可看成由日光灯管和镇流器 串联的电路。灯管相当于一个电阻元件，前面已经提 到镇流器相当于一个电阻、电感相串联的元件。这样， 日光灯电路就可看成一个RL串联的感性负载，电流为 ，
电路分析基础实验
实验1.6 日光灯电路与功率因数的提高
一、实验目的
1.熟悉日光灯的接线方法。学习功率表的使用方法。 2.掌握在感性负载上并联电容器以提高电路功率因 数的原理。
二、实验任务
1. 完成日光灯电路的测量。(日光灯灯管额定电压 为220V，额定功率40W或30W)。
2.完成因补偿电容改变而引起的功率因数改变的曲
•
U 为电源电压
•
I
RL
为补偿前日光灯支路电流
•
I
C
为电容支路电流
•
I 为补偿后电路总电流
θ及 为补偿前、后电压与电流的相位角
过补偿现象。从图看出，随着并联电容不断地增加，
电容电流Ic也随之增大，使得| |逐渐变小，过0后， 又逐
渐变大，此后电容越大，功率因数反而下降，此现象就称 为过补偿。在过补偿的情况下，系统由感性转变为容性。 出现容性的无功电流，不仅达不到补偿的预期效果，反而 会使配电线路各项损耗增加，在工程应用中，应避免过补 偿。
1时，C
P U
2
tan
P 为有功功率 ω 为2πf(f=50Hz) U 为电源电压=220V
tanθ通过补偿前即C=0时的cosθ值推出。
六、实验报告要求
1. 画出实验电路与表格，写出实验的简要过程与 步骤。
2.记录在额定电压下，电容从0～10.4μF之间变 化时相关参数的表格记录。
3.根据实验测得的数据，计算 cos= 1时补偿电容值。
镇流器是一个具有铁心的电感线圈，但它不是纯电 感，它相当于一个电阻与电感相串联的元件。其作用是 限制和平稳通过灯管的电流，并产生较高的自感电动势 以点亮日光灯。
启辉器：在日光灯接通过程中起点动开关作用。 启辉器内有一个充有氖气的氖泡，氖泡内有两个电极， 一个是固定电极，另一个是由两片热膨胀系数相差较 大的金属片辗压而成的可动电极。在两电极的引出端
完成补偿电容大小与功率因数之间的关系曲线 cos = f(C)。
4.根据测试数据，得出结论。完成思考题。
cos
七、注意事项
用万用表的 档，判断功率表的电流线 圈中的熔断器与日光灯管的熔断器的导通情况。
日光灯供电电源从相线和零线引出。 对于强电实验决不允许带电接、拆线。发生 异常现象，立即断开电源开关。
并联一个电容C，用以消除对无线电设备的干扰。
日光灯的工作原理： 当日光灯电路接通电源后，因灯管尚未导通，故 电源电压全部加在启辉器两端，使氖泡的两电极之间 发生辉光放电，使可动电极的双金属片因受热膨胀而 与固定电极接触，于是电源、镇流器、灯丝和启辉器 构成一个闭合回路，所通过的电流使灯丝得到预热而 发射电子。在氖泡内，两电极接触后辉光放电熄灭， 随之双金属片冷缩与固定电极断开，断开的瞬间使电
交流电源～220V
数字万用表、导线。
镇流器是一个带铁芯的电 感线圈，它相当于一个电 阻与电感串联的元件。
L，r
四、实验原理
日光灯电路主要有灯管、起 辉器和镇流器组成。
起辉器
灯管
日光灯电路接线图
接启辉器
镇流器
启辉器
保险丝是为了避免过电流损坏灯管
日光灯灯管
镇启 流辉 器器
点动开关
点动 开关
灯管：内有灯丝、灯头。玻璃管被抽成真空后，充 入少量惰性气体并注入微量的液态水银，其内壁涂有 一层匀薄的荧光粉。两端灯丝上涂有可发射电子的物 质(电子粉)称为阴极。灯头与管内灯丝相连。
线cos =f(C)的测试。根据装置上现有的电容，求出将日
光灯功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值。
相线
W
点U 亮~2电20V压
不要带电接、拆线
I
IRL
ULr
Ic
UR
零线
日光灯测试电路图
三、实验设备
三相自耦调压器、灯管、
挂箱上的起辉器、镇流器、
电容器组及电流插座、交流
电流表、电流插头、
智能型数字功率表、
向量图如下图所示。
•
•
I I RL L
•
IC
•
•
IC
U
C
R
•
U
θ
•
I
日光灯电路
•
IC
•
I RL
提高电路功率因数的原理图与向量图
由图可见，并联电容器后，cos ＞cosθ，即功率
因数得到了提高。补偿电容C大小可按下式计算：
C P (tan tan ) U 2
P 为有功功率
ω 为2πf(f=50Hz)
(R RL )2 (L)2
Z1
U1 I
RL2 (L)2
（1.6.5） （1.6.6）
求式(1.6.5)和式(1.6.6)联立的方程解，即可求出 等效参数RL、L的值。
电路的有功功率P=UIcosθ，它表明了二端网络实
际吸收能量的大小，功率因数越接近1，吸收的有功功率 就越大。有功功率是由电阻元件消耗的。
URL=U1×cos ，则 RL=
U RL（1.6.1）
I
UL=U1×sin ，则 L=
（1IU.6L .2）
或由余弦定理求得 ，再根据下式可求得RL、L。
URL= U×cos -UR，则 RL=
U R（L 1.6.3）
I
UL =U×sin ，则 L=
U L （1.6.4）
I
（2）解析计算法
Z U I
cos
电路 性质
0 220
1
2.2
3.2
4.7
5.7
6.9
7.9
8.9
9.4
10.4
cos max= 时， C = μF
五、实验步骤
1. 用万用表的
档，判断功率表的电流线圈中
的熔断器与日光灯管的熔断器的导通情况。
2.将电流线圈与电压线圈同名端相联。按照先串 联回路联接，后并联回路联接的原则，按前面实验电 路图的动画步骤进行接线。经检查无误后方可通电。
设该负I• R载L 两端电压相位超前于电流相位θ角，则电路的功率因 数为cosθ。
为了提高电源的利用率和电路的传输效率，须提
高电路的功率因数。提高感性负载功率因数的方法之