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1、实验八单相交流电路及功率因数的提高 一、实验目的 1. 研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。 2. 了解日光灯电路的特点，理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。 二、原理说明 1. 交流电路中电压、电流相量之间的关系在单相正弦交流电路中，各支路电流和回路中各元件两端 的电压满足相量形式的基尔霍夫定律，即 ?0 和U0 图 8-1 所示的 RC 串联电路，在正弦稳态信号U 的激励下，电阻上的端电压U与电路中的电流I同 相位，当R 的阻值改变时， R U 和 C U 的大小会随之改变，但相位差总是保持90， R U 的相量轨迹是 一个半圆，电压U、 C U 与 R U 三者之间形成一
2、个直角三角形。 即U= R U+ C U 相位角 acr tg (Uc / U R) 改变电阻 R 时，可改变角的大小，故RC 串联电路具有移相的作用。 2. 交流电路的功率因数 交流电路的功率因数定义为有功功率与视在功率之比，即 cos P / S 其中 为电路的总电压与总电流之间的相位差。 交流电路的负载多为感性（如日光灯、电动机、变压器等），电感与外界交换能量本身需要一定的 无功功率，因此功率因数比较低(cos 0.5)。从供电方面来看，在同一电压下输送给负载一定的有功功 率时，所需电流就较大；若将功率因数提高(如 cos 1 )，所需电流就可小些。这样即可提高供电设备 的利用率，又可减
3、少线路的能量损失。所以，功率因数的大小关系到电源设备及输电线路能否得到充分 利用。 为了提高交流电路的功率因数，可在感性负载两端并联适当的电容，如图8-2 所示。并联电容 以后，对于原电路所加的电压和负载参数均未改变，但由于 C I的出现，电路的总电流I减小了，总电压 与总电流之间的相位差减小，即功率因数cos得到提高。 3. 日光灯电路及功率因数的提高 日光灯电路由灯管R、镇流器 L 和启辉器 S 组成， C 是补偿电容器，用以改善电路的功率因数，如 图 8-3 所示。其工作原理如下： 当接通 220V 交流电源时，电源电压通过镇流器施加于启辉器两电极上，使极间气体导电，可动电 极(双金属片
4、 )与固定电极接触。由于两电极接触不再产生热量，双金属片冷却复原使电路突然断开，此 时镇流器产生一较高的自感电势经回路施加于灯管两端，而使灯管迅速起燃，电流经镇流器、灯管而流 通。灯管起燃后，两端压降较低，起辉器不再动作，日光灯正常工作。 三、实验设备 序号名称型号与规格数量备注 1自耦调压器0220V 1 RTDG01 2交流电流表0 5A 1 RTT03-1 3交流电压表0300V 1 RTT03-1 4单相瓦特表D34-W 或其它1 RTT04 5白炽灯泡40W/220V 3 RTDG07 6镇流器与 40W 灯管配用1 RTDG08 7启辉器与 40W 灯管配用1 RTDG08 8电容
5、器1F,2.2F4.7F/400V RTDG08 9日光灯灯管40W 1 RTDG-1 10电流插座3 RTDG08 四、实验内容 1. 用一只 220V，40W 的白炽灯泡和4.7F/450V 电容器组成如图8-1 所示的实验电路，经指导教 师检查后，接通市电，将自耦调压器输出调至220V。记录 U、UR、UC值，验证电压三角形关系。改变 亮灯盏数 (即改变 R)成并联电容C 之值，重复测量，数据记入表8-1 中。 表 8-1 验证电压关系 负载情况测量值计算值 R C U(v) UR(v) Uc(v) U (UR,UC组成 Rt) U ? 40WR3 4.7 F 40WR2 4.7 f 4
6、0WR1 2.2 F 2. 日光灯线路接线与测量。 按图 8-3 组成线路，经指导教师检查后接通市电交流220V 电源，调节自耦调压器的输出，使其输 出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为至，按表 8-2 记录各表数据。 然后将电压调至220V，测量功 率 P 和 PR，电流 I，电压 U，UL，UR等值，计算镇流器等值电阻r 和等效电感L。 表 8-2 日光灯电路的测量 日光灯测量值计算值 工作状态U(V) I(A) P(W) UR(V) UrL(V) Pr(W) r( ) L(H) 启辉状态 正常工作 3. 并联电路电路功率因数的改善。 按图 8-3 组成实验线路。 经指导老师检查后，接通
7、市电，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表，电压表读数，通过 一只电流表和三个电流插孔分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行重复测量。 电容值测量数值计算值 0 P(w) U(v) I(A) IL(A) IC(A) cosI A cos 1 F 2.2 F 3.2 F 4.7 F 5.7 F 6.9 F 五、实验注意事项 1. 本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。 2. 功率表要正确接入电路，读数时要注意量程和实际读数的折算关系。 3. 线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。 六、预习思考题 1. 参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。 2. 在日常
8、生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后 迅速断开，使日光灯点亮；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？ 3. 为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的 总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？ 4. 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？ 5. 若日光灯在正常电压下不能启动点燃，如何用电压表测出故障发生的位置?试简述排除故障的过程? 七、实验报告 1. 完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。 2. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。 3. 讨论改善电路功率因数的意义和方法。 4. 装接日光灯线路的心得体会及其他。
