实验五日光灯电路及功率因数的提高

实验五 日光灯电路与功率因数的提高
一、 实验目的
1． 了解日光灯电路的结构、工作原理和线路的联接。

2． 把握提高功率因数的方式，熟悉提高功率因数的意义。

3． 进一步熟练交流电压表、电流表和功率表的利用。

二、 实验仪器
交流电流表 交流电压表 功率表 日光灯电路组件 可变电容器 自耦变压器 三、 预习要求
1． 温习有关正弦交流电路功率和谐振电路的内容。

2． 温习功率表的利用方式。

3． 了解日光灯电路的组成和工作原理。

四、 实验原理
1． 提高功率因数的意义。

在正弦电路中，一端口上有功功率与视在功率之间的关系为：
φφcos cos S UI P == 式中：φcos 为功率因数，φ是电压与电流的相位差，也是无独立源一端口的阻抗角。

当功率因数较低时，一方面会使设备的容量无法被充分利用；另一方面，当电源电压和负载功率一按时端线电流较大，功率损耗增加。

因此，提高负载的功率因数，关于降低电能损耗，提高输电效率具有重要的经济意义。

2． 提高功率因数的方式
提高功率因数，能够依照负载的性质在电路中接入适当的电抗元件。

在实际电路中，用电负载多为感性，如电动机、电器、日光灯等，它们的等效电路相当于电阻与电感元件的串联。

在不改变负载的结构和工作状态的前提下，简单易行的方式是在这种感性负载两头并联补偿电容器，如图1-32所示。

图1-32 提高功率因数实验电路 图1-33 相量图
U I ..
由于感性负载中的感性无功电流，与并联电容中的容性无功电流，二者彼此补偿，相当于提高了功率因数。

由图1-33所示相量图分析可知，并联电容后，使电路的总电压与总电流之间的相位差减小，即提高了并联电路的功率因数，而负载本身仍能够正常工作。

固然，所并联的电容值应该有一个适当的范围，若是太大可能会使整个并联电路呈现容性，达不到提高功率因数的目的。

通过对相量图的分析，还能够看出，功率因数增大时，电路中的总电流减小，功率因数减小时，总电流增大。

若是测量时没有功率因数表，也能够通过电流表显示总电流的增大或减小，来判定功率因数的提高与否。

本次实验以日光灯电路（近似等效为线性感性负载）作为研究对象。

3．日光灯电路的结构和工作原理
镇流器
图1-34 日光灯电路
（1）结构：
日光灯电路由灯管、启动器(启辉器或跳泡)和镇流器组成，如图1-34所示。

①．灯管：内壁涂有荧光粉，管内充有少量惰性气体和水银，管的两头各有一个灯丝
和电极。

可近似等效为电阻。

②．镇流器：是一个铁芯线圈，与灯管串联，可近似等效为电阻与电感的串联。

③．启动器：是一个辉光放电管，由一个充气二极管和一个并联的小电容组成。

充气
管内有两个电极，一个是固定电极，一个是可动电极（U型双金属片），两电极之间有必然间隙，通过U型双金属片电极的变形和复位，可使两个电极接通和分离。

启动器与灯管并联，相当于一个自动开关。

（2）日光灯电路的工作原理：
①当电源接通时，电源电压（220V）全数加在启动器（与灯管并联）上，由于启动器
的起辉电压（约140V）低于灯管的起辉电压（约500V），启动器两极间发生辉光放电，U型双金属片电极发烧变形（伸直），两电极接通。

②启动器触点闭合刹时：一方面，启动器、镇流器、灯管两头灯丝中流过启动电流，
该电流加热了灯管灯丝，使其有利于发射电子，为日光灯起辉制造了条件；另一方面，启动器两电极间电压下降为零，启动器停止放电，U型电极冷却并收缩复位，触点断开。

③启动器触点断开刹时，镇流器两头产生很高的自感电压，该自感电压和电源电压相
叠加作用于灯管，使灯管放电导通并伴随放出射线，射线激发管壁荧光物质发出近似于日光的灯光。

④镇流器在灯管正常工作时起限流作用（在灯管启动是用来产生高电压），并维持灯
管稳固工作（正常工作时，镇流器上约180V，灯管电压约110V，不足以使启动器再次启动）。

五、实验内容
按图1-33联接好线路，其中虚线框内电路用日光灯电路（如图1-34所示）代替。

1．将可调电容C调为0法拉（即断开C）。

接通电源，观看日光灯启动进程。

2．测量正常工作时灯管两头和镇流器两头的电压。

3．用电压表、电流表、功率表测量日光灯电路在额定电压时电路的功率、各支路电压、电流，并计算功率因数。

将实验数据记入表格1-13。

4．接通可调电容，并调剂电容值从小容量到大容量转变，测量各支路电流、电压、功率随电容转变的规律，将测量数据记入表格1-13。

专门要找出使功率因数为最大值时的电容值。

表格 1-13 功率因数的提高
六、实验注意事项
1. 因电压高、电流大，线路经检查无误后方可接通电源。

切勿带电接、拆线。

2. 由于灯管的启动电流较大，因此要注意电流表量程的选择，避免损坏电流表。

3. 注意镇流器与灯管串联，防止损坏灯管及仪表。

4. 注意电流随可变电容器变化的规律，同时要尽量测出功率因数最大时的数据。

七、实验报告要求
1. 将实验数据记入表格，并绘制电流、功率、功率因数随电容转变的关系曲线。

2. 判断能够提高负载功率因数的电容C的取值范围，并确信最正确电容值。

3. 回答思考题。

八、试探题
1. 通过相量图说明感性负载并联电容器后能够提高功率因数的缘故。

2. 为什么要用并联电容器的方法提高功率因数？串联电容器行不行？为什么？
3. 并联电容器后，日光灯支路的电流、功率以及功率因数是否改变？
4. 以日光灯为研究对象时，如何判断功率因数提高到最佳状态？
5. 是否电容值越大，电路的功率因数越高？随着电容的改变，各物理量会怎样改变？。