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1、实验 日光灯电路与功率因数的提高4.7.1实验目的1 .熟悉日光灯的接线方法。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。4.7.2 实验任务4.7.2.1 基本实验图 4-7-11 .完成因无补偿电容和不同的补偿 电容时电路中相关支路的电压、电流以及 电路的功率、功率因数的测量和电路的总 功率因数曲线cose =f(C)的测量。并 测出将电路的总功率因数提高到最大值 时所需补偿电容器的电容值。(日光灯灯 管额定电压为220V,额定功率30W )2 .完成图4-7-1所示点亮日光灯时所需电压 U点亮和日光灯熄灭时电压 U熄灭 的测量。3 .定量画出电路的相量图。完成镇流器的等效参
2、数R、L的计算。4.7.2.2 扩展实验保持U=220V不变，当电路并联最佳电容器后使得总功率因数达到最大时， 在 电容器组两端并入20W灯泡，通过并入灯泡的个数，使得总电流 I与无并联电容 时的I值大致相同，记录此时I、Ic、Il、P以及流入灯泡的电流值。4.7.3 实验设备1 .三相自耦调压器2 .灯管3 .镇流器4 .起辉器5 .单相智能型数字功率表6 .电容器组/500V7 .电流插座8 .粗导线电流插头9 .交流电压表（0500V）或数字万用表10 .交流电流表（05A）11 .粗导线4.7.4实验原理1 .日光灯电路组成日光灯电路主要有灯管、启辉器和镇流器 组成。联接关系如图4-7
3、-2所示。2 .日光灯工作原理图4-7-2日光灯电路图接通电源后，启辉器内固定电极、可动电极间的凝气发生辉光放电，使可动 电极的双金属片因受热膨胀而与固定电极接触，内壁涂有荧光粉的真空灯管里的 灯丝预热并发射电子。启辉器接通后辉光放电停止，双金属片冷缩与固定电极断 开，此时镇流器将感应出瞬时高电压加于灯管两端，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，发光后日光灯两端电压急剧下降，下降到一定值，如40W/日光灯下降到110V左右开始稳定工作。启辉器因在110V电压下无法接通工作而断开。启辉器在电路启动过程中相当于一个点动开关。当日光灯
4、正常工作后，可看成由日光灯管和镇流器串联的电路，电源电压按 比例分配。镇流器对灯管起分压和限流作用。灯管相当于一个电阻元件，而镇流 器是一个具有铁心的电感线圈，但它不是纯电感，我们可把它看成一个R、L用联的感性负载，电流为Il。设日光灯电路两端电压U的相位超前于日光灯电路电流Il相位8角，则日光灯电路的功率因数为cOs!?为雄f 4-7-3所示。?一补偿后电路总电流?L 日光灯支路电流1c 电容支路电流9 补偿前电路的电压与电流间相位角 一补偿后电路的电压与电流间相位角图4-7-3提高电路功率因数的相量图3 .提高功率因数的目的为了减少电能浪费，提高电路的传输效率和电源的利用率，须提高电源的功
5、率因数。提高感性负载功率因数的方法之一，就是在感性负载两端并联适当的补?偿电容，以供给感性负载所需的部分无功功率。并联电容器后，电路两端的电压U ?与总电流(I Il Ic)的相位差为，相应的向量图如图4-7-3所示。由图可见，补偿后的cos cos9 ,即功率因数得到了提高。由图4-7-3可得I c=I Lsin 0 -1 sin = -P sin P sin 0 = (tan 0 -tan )U cosU cosU又因I C=-U- =Ucl) CXc所以Ucd C=-P (tan 0 -tan )由此得出补偿电容C的大小可按下式计算：P.、C u 2 (tan tan )(4-7-1 )
6、4-7-1式中 P一有功功率(W；一电角度(rad/s),=2兀 f (f=50Hz)。4 .在日光灯实验中，由于灯管内的气体放电电流不是正弦波，且在一周期内 形成不连续的两次放电。所测量的有功功率应是50Hz基波电流与同频率的电源电 压的乘积。所以在正弦波的电压与非正弦波的电流的电路中，因高次谐波电流的 存在，功率因数只能小于1,而不能达到1。所以我们可利用式4-7-1来计算理论 上cos =1时所对应的补偿电容值。5 .过补偿现象。从图4-7-3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。
7、在过补偿的情况下，系统中 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。4.7.5预习提示1 .日光灯电路的工作原理是怎样的2 .日光灯电路的性质是阻性、感性还是容性3 .为什么要提高电路的功率因数4 .怎样根据实测值来计算当cos 9 =1时，补偿电容C的值5 .忽略电网电压波动，当改变电容时，功率表的读数和日光灯支路的电流Il是否变化请分别说明原因。4.7.6实验步骤1 .检测功率表和日光灯熔断器的通断情况。 用万用表的二极管档，判断单相 交流功率表（以下简称功率表）的电流线圈中的熔断器以及灯管的熔断器导通情 况
8、。2 .按图4-7-1所示电路联接线路。将功率表标有“I*”的电流线圈与标有“U*” 电压线圈同名端短接，并与三相自耦调压器的输出端某个相线相联。按照先用联 回路联接，后并联回路联接的原则接线，将标有“U电压线圈与中性线 N相联。 （有功功率的概念及功率表的使用说明参见实验电感线圈参数测量）。并将灯管、启辉器、镇流器和电容器组按图接入电路。将各电容器组的开关断开。3 .完成因无补偿电容和不同的补偿电容时电路的电压、电流以及电路的功率、功率因数的测量和电路的总功率因数曲线 cos 8 二f（C）的测量。并测出将电路的 总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值。（日光灯额定电压为220V,额
9、定功率30W）（1）按“开机操作”程序进行操作。检查线路无误后，缓慢装动三相自耦调 压器同轴旋钮，将三相自耦调压器的输出电压调高至交流电压表有效值示数为日 光灯额定电压220V。保持三相自耦调压器输出电压 220V不变，通过开关控制接 入不同的电容，测量相关数据并记录于表 4-7-1中。注意：在接入不同的电容时，随着总功率因数变化，不要遗漏电路的总功率 因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值的测量。(2)将三相自耦调压器调至零表4-7-1提高感性负载电路的功率因数测试C/ FU/VU/VUL/VI/AIl/AI C/AP/Wcos电路性质02201U点亮二VU熄灭二V4 .完成图4-7-1所
10、示点亮日光灯时所需电压 U点亮和日光灯熄灭时电压 U熄灭 的测量。(1)断开所有的电容开关。缰慢转动三相自耦调压器，当调至日光灯管刚刚 点亮时，停止调压。用交流电压表测量此时调压器输出电压有效值，该电压即为 日光灯的最低启辉电压U点亮。将该数据记录于表4-7-1中。(2)继续转动三相自耦调压器同轴旋钮，将其输出电压调高至交流电压表有 效值示数为220M然后缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮,降低其输出电压，当 调至日光灯管刚刚熄灭时，停止调压，用交流电压表测量此时三相自耦调压器的 输出电压有效值，记录于表4-7-1中。(3)将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯 灭。拆除线路
11、。将钥匙式总开关置于“关”位置，此时红色按钮灭。实验结束。画 出cos =f(C)曲线。(注意绘制cos =f(C)曲线时，由于受装置的限制，实验时 调不到cos =1,但仍需将cos =1的这点虚拟画出。)(4)参考实验简单交流电路等效参数 R、Li的计算法，完成镇流器的 等效参数R、L值的计算。5.实验的注意事项：(1)线路接线正确，但日光灯不能启辉时，应检查启辉器接触是否良好。(2)在接入不同的电容时，不要遗漏电路的总功率因数提高到最大值时所需 补偿电容器的电容值的测量。(3)本实验是强电实验，务必注意用电和人身安全。供电电源从相线和零线 引出。每一次实验电路测试完毕后，在三相自耦调压器
12、调至零的前提下方可断开 电源开关，然后进行拆线或接线。4.7.7报告要求1 .画出实验电路与表格，简要写出电路原理和实验步骤。2 .完成任务1中日光灯在额定电压下，电容从 0pF之间变化时表4-7-1 实测记录和总功率因数提高到最大值(cos max)时所需补偿电容器的电容值的实 测记录。3完成任务2 的日光灯的最低启辉电压U 点亮 和熄灭时电压U 熄灭 的记录。4. 根据测试数据，画出 cos =f(C) 曲线。由于受装置的限制，实验时调不到 cos =1，在根据实验数据绘制 cos =f(C) 曲线时，仍需将cos =1 的这点虚拟画出。将相关的实测数据代入公式 4-7-1 ，计算 cos
13、 =1 时补偿电容的理论值。并将 cos =1 时补偿电容的理论值与 cos =f(C) 曲线 cos =1 的虚拟点对应的补偿电容值进行误差计算。5定量画出电路的相量图。6完成任务3 镇流器的等效参数RL 、 L 的计算。7根据测试结果，得出日光灯电路并联电容前后，功率因数变化的特点。8根据 4.7.2.2 的扩展实验，测出总功率因数达到最大时，且总电流I 与无并联电容时的 I 值大致相同时的 I 、 I C、 I L、 P 以及流入灯泡的电流值。根据测试结果，总结提高功率因数，从而提高电源利用率的结论。9完成思考题。4.7.8 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
14、率因数是否也改变为什么2. 给感性负载串联适当容量的电容值也能改变总电压与电流的相位差，从而提高电路的功率因数，但一般不采用这种方法，为什么3如果电路不接镇流器，直接将220V 电压接在日光灯灯管上， 试说出实验的现象，并分析原因。4. 补偿电容值是否越大越好为什么请说出 过补偿的危害。 补偿电容除有容量 的要求外，还有什么其它要求5. 某同学直接将补偿电容并联在灯管R两端来提高电路的功率因数。试说出实验的现象，并分析原因。6. 如果智能型数字功率表坏了，如何得到负载功率因数最大时的并联电容7. 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8. 计算镇流器的感抗XL=UL/ I 对否为什么
