实验四荧光灯电路与功率因数提高的仿真研究

实验四荧光灯电路与功率因数提高的仿真研究班级：14011502 姓名：贺晶华学号：2015214352 座号：6F
一、实验原理：
1、荧光灯的组成
荧光灯电路主要由灯管、启辉器和镇流器（可视为具有铁心的电感线圈）组成，荧光灯工作电路图如图1所示。

2、提高荧光灯电路的功率因数原理
为了提高感性负载的功率因数，常用的方法是感性负载两端并联补偿电容器，以供给感性负载所需的部分无功功率。

荧光灯正常工作后，可看成由灯管和镇流器串联的电路。

灯管相当于一个电阻元件（R），镇流器是一个带铁心的电感线圈（相当于一个电阻（r）、电感（L）串联的元件）。

这样，荧光灯电路就看成一个
（R+r）L串联电路。

（R+r）L串联电路是感性电路，设电压相位超前于电流相位θ角，则电路的功率因数为cosθ。

cosθ为负载网络的功率因数；θ为负载网络的阻抗角，即负载网络端口电压与电流的相位差。

为了提高荧光灯电路的功率因数，常用的方法就是与感性负载两端并联电容器，其电路图如图2（a）所示。

图2 提高电路功率因数的实验图与向量图
相位的相量图如图2（b）所示，由相量图可见并联电容器后，负载网络端口电压与电流的相位差为θ’。

由于θ>θ’，故cosθ<cosθ’，补偿电容大小可用下式进行计算：
根据并联电容的容量不同，这种补偿有欠补偿（cosθ<1，负载网络呈感性）、全补偿（cosθ=1）和过补偿（cosθ<1，负载网络呈容性）3种情况。

二、实验内容：
1、仿真电路的构建
图3 荧光灯电路与功率因数提高的仿真电路图、
如图3所示。

其中，U表示电源设备三相交流电源相线与零线电压（有效值为220V，频率为50Hz，初相位为0°），荧光灯灯管及整流器的线圈电阻
（R+r≈300Ω）与镇流器电感（L≈1.65H）调电容C后负载网络电压和电流的波形变化。

2、仿真分析结果
1）负载有功功率的测量
由于早期EWB版本无功率表，测量较繁琐，可Multisim10中提供了功率表，可直接测量显示负载网络的有功功率，如图3所示。

从仿真结果可得出，改变电容值，功率表读数无变化；
2） C值与负载网络功率因数cosθ及输电线上电流I
C值与负载网络功率因数cosθ及输电线上电流I的关系如图4所示，示波器XSC1的A、B通道分别用于观测负载网络的电压和电流波形。

当它们的相位差θ=0时的C值即为Cmax。

改变电容C的值，经过多次测试，可以得到Cmax约为4.6uF。

我们取C分别为0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF、4.6uF、5.7uF 、6.9uF、7.9uF 和9.87 uF。

在每一个C值下观测负载网络的电压和电流的波形及它们的相位差θ。

例如，当C=3.2uF时，示波器XSC1的测量结果如图4所示。

相位差的确定采用线性扫描法：将垂直光标1和垂直光标2分别移动到正弦电压与电流相邻的零点上，通过光标垂直读数区可读出这两个零点间的时间差X为1.595ms。

因此可计算出此时负载网络的电压和电流的相位差θ为：θ=（X/XT）×360°=（1.595/20）×360°=28.7°，同理可测得C分别取0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF 、
4.6uF、
5.7uF 、
6.9uF、
7.9uF 和9.87 uF时的仿真数据，结果见表1。

提高感性负载的功率因数仿真电路测试表
3.2 219.632 202.154 39.568 1.398 26.965 0.8912
4.5 219.631 180.150 39.568 0 0 0.9999
5.6 219.629 195.544 39.568 -1.284 22.903 0.9211
6.7 219.629 236.356 39.568 -2.222 40.342 0.7621
8.2 219.639 314.565 39.568 -3.03 55.061 0.5727
9.5 219.637 392.512 39.568 -3.327 62.680 0.4589
根据表1，可见，随着C值的增大，整个负载网络的功率因数cosθ越来越大，同时输电线中的总电流I越来越小。

但当cosθ增大到一定程度后，继续增大C，cosθ增大和I减小的速率都放缓，再继续增大C值，cosθ又减小而I则增大。

2 荧光灯电路并联电容器提高功率因数的实验验证
正弦电压由三相交流电压给出、多功能功率表（实验室提供即可以测量有功功率同时也可以测量功率因数）、交流电流表、电压表由实验室“实验电工台”所提供，分别用于测量负载网络的有功功率、电流及电压和功率因数；改变补偿电容器的大小，其值分别为0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF、4.6uF、5.7uF 、6.9uF、
7.9uF 和9.87 uF。

经实验验证，实际电路所测数据与表1基本符合。

3结论
通过以上分析，显而易见利用Multisim10软件对“电路分析基础”课程的学习起到了良好的辅助教学效果。

实践证明，在电路分析课程教学中引入Multisim10仿真技术与传统实验教学相结合，能够大大激发学生的学习兴趣及创新能力，充分发挥学生学习的主观能动性。

同时为从事电子工程技术的设计人员提供帮助。