日光灯电路参数测量实验中电路参数计算问题

日光灯电路参数测量实验中电路参数计算问题
作者：张志雄张静之赵春锋
来源：《中国教育技术装备》2017年第20期
摘要典型的日光灯电路参数测量实验中，根据实验数据，用两种不同的方法计算电路参数，算出的电路参数值相差较大。

用Multisim仿真日光灯实验电路，理论数据与实验数据的对比表明，电路参数值之所以有很大差异，主要原因是把日光灯当成一个纯电阻所致。

将日光灯近似为一个电阻和一个电感的串联，将能更好地模拟日光灯实际工作状态。

关键词日光灯电路实验；Multisim仿真；电路参数；日光灯电路模型
中图分类号：G642.423 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2017）20-0134-05
Discussion on Curcuit Parameters Calculation in Electrical Engineering Experiment of Fluorescent Lamp Circuit//ZHANG Zhixiong， ZHANG Jingzhi， ZHAO Chunfeng
Abstract Based on the measurement data in the traditional electrical engineering experiment of fluorescent lamp circuit， the values of the
circuit parameters calculated in two methods have a significant diffe-
rence. After simulating the experimental circuit by Multisim， and
comparing the experimental data with the simulation data， this difference was investigated and induced to the unreasonable circuit
assumption that fluorescent lamp was a pure resistor. If the fluore-scent lamp was assumed to be a series induction and resistance cir-
cuit， the simulation circuit would be a better approximation to the
actual fluorescent lamp circuit with respect to the traditional assump-
tion.
Key words fluorescent lamp circuit experiment； Multisim simula-tion； circuit parameter；fluorescent lamp circuit model
1 前言
电工技术类课程教学中，正弦交流电路分析一直是学生学习上的一个难点。

日光灯电路参数测量与功率因数的提高实验则是推动学生理解和掌握正弦交流电路分析理论的一个经典实验。

而且该实验与实际照明系统紧密结合，具有非常强的实践性和趣味性，深受学生喜欢。

日光灯电路参数测量与功率因数的提高实验，一般分两步进行：先是不并联电容，在日光灯正常工作的情况下，测量一些实验数据，以计算出日光灯电阻、镇流器电阻和镇流器感性系数等电路参数；然后并联不同电容，测量电路总的有功功率和功率因数，体会提高电路功率因数的方法和理论。

在进行第一步实验，即日光灯电路参数测量实验时，对实验数据，可以从不同途径、用不同计算方法得到电路参数值。

计算结果表明，不同方法计算出的电路参数，其值竟然不相同，而且某些参数的值相差很大。

为什么同一个电路的电路参数值有如此大的差异呢？究竟选择哪种方法计算出的电路参数更为合理呢？这个困惑成为做完日光灯电路参数测量实验后，仔细进行数据处理时不能绕过的难题。

本文用Multisim仿真软件对日光灯电路进行模拟仿真，从仿真数据与实验数据对比的角度，探讨电路参数值在不同计算方法下为什么有差异的问题，并提出解决这个差异的方法。

2 日光灯电路参数测量
日光灯电路参数测量实验（简称日光灯实验），在电工实验室采用传统的硬件实验模式，实验平台见图1。

该平台接入工频三相四线制供电系统，具有调压功能，配备有熔断器、空气开关等保护装置。

由于日光灯实验属于强电实验，具有一定的危险性，除了向学生强调实验纪律，须在专门的电工实验平台上进行实验，以尽量避免危险。

实验中的各参数直接采用电工实验台上的两台功率表进行测量。

日光灯实验的目的是了解日光灯电路的组成，工作原理和实际的线路连接，测量电路中的电压、电流和功率因素，并掌握改善感性电路功率因数的一般方法。

日光灯实验电路见图2。

在日光灯电路中，在日光灯正常工作状态下，镇流器相当于一个电阻和电感的串联元件，日光灯则相当于一个电阻。

在通过并联电容提高日光灯电路功率因数之前，需要先通过实验数据计算出镇流器的电阻RL、电感系数L和日光灯的电阻RA，即日光灯电路的电路参数。

在电工实验台上连接好日光灯实验电路后，在不并联电容和日光灯正常工作的情况下，通过功率表测量线路上总的有功功率P和功率因数cosφ，电源两端的电压有效值U，电路上的电流I，镇流器两端电压有效值UL，和日光灯两端的电压UA。

在三个电工实验台上，分别搭建日光灯实验电路，共测了三组实验数据（见表1）。

3 电路参数的计算
在日光灯电路实验中，一般认为，镇流器为一个电阻和一个电感的串联，日光灯为一个纯电阻。

设镇流器的电阻为RL，电感感抗为XL，电感系数为L，日光灯电阻为RA。

于是，这里的日光灯实验电路就有三个电路参数，分别为RA、RL和L。

用实验数据计算三个电路参数：RA、RL和L。

大体上有两种方法：一种是通过电压电流的有效值来计算电路参数，这里简称为有效值法；另一种是通过功率因数来计算电路参数，这里简称为功率因数法。

理论上，这两种方法计算得到的电路参数值应该相等。

下面分别介绍这两种计算方法，以及对应的计算结果。

根据方程（6）和（9），可以计算出实验数据（见表1）对应的日光灯电路参数RA、RL 和L，见表2。

由表2可见，分别采用有效值法和功率因数法计算电路参数，对同一组数据，日光灯的电阻值RA没有差异，因为计算方法相同，但是镇流器的电阻RL和电感系数L相差甚远。

尤其是镇流器的电阻RL，方法一得出的数值结果几乎是方法二的两倍。

这两种计算方法，在理论上是等价的，求解同样的电路参数，其值应该相等才对。

然而从实验数据推导出的电路参数值课件可知，方法一和方法二的计算结果相差甚远。

那么是否是实验数据的测量误差太大，或者部分实验数据的测量误差较大所致呢？为此，采用Multisim软件对日光灯实验电路进行模拟仿真，比较仿真数据与实验数据的差异。

4 日光灯实验电路的Multisim模拟仿真
搭建日光灯实验的Multisim模拟仿真电路，并选择第1组实验数据（见表1）进行对比仿真。

Multisim仿真电路中的输入电压为硬件实验中电源两端的电压U，正弦交流电频率为50 Hz，仿真电路参数分别为用实验数据使用方法一和方法二计算出来的电路参数，然后测量出仿真电路中P、cosφ、I、UL和UA的值。

Multisim仿真电路图见图3。

第1组实验数据以及仿真电路得到的仿真数据见表3。

为了计算的准确性，特意对某些测量对象的仿真值多保留几位小数。

由表3可见，仿真电路分别采用方法一和方法二计算出的电路参数，仿真数据和实验数据有显著的差异，差异主要体现在有功功率P、功率因数cosφ和镇流器两端电压有效值UL这三项上。

当Multisim电路采用有效值法（方法一）计算得到的电路参数时，所有电压有效值和电流有效值的仿真数据，与对应实验数据都非常接近，但功率因数和有功功率的仿真值和实验值则相差较大；当Multisim电路采用功率因数法（方法二）计算得到的电路参数时，功率因数、有功功率的仿真值与实验数据非常接近，但电感两端电压有效值的仿真值和实验值则相差较大。

这表明，对实验数据不管采用哪种方法，计算出来的电路参数值，都使得部分测量对象的仿真值和实验值有较大的差异。

同样地，对仿真数据1和仿真数据2，也采用方法一和方法二，从测量数据去推导仿真电路的电路参数（见表4）。

由表4可见，从仿真数据推导仿真电路的电路参数，不管采用方法一还是方法二，计算出来的电路参数，与仿真电路的电路参数设定值完全相等。

而且对同一组仿真数据，不管是采用方法一，还是采用方法二，计算出来的电路参数值也是几乎相等；之所以没有完全相等，只是因为计算中数值保留有限位小数产生的截断误差所致。

这既表明了方法一和方法二计算电路参数的正确性，也进一步验证了方法一和方法二在计算同一组测量数据的电路参数方面是等价的。

在计算电路参数时，方法一和方法二是正确的，也是等价的。

然而，对同一组实验数据，采用方法一和采用方法二，计算出来的电路参数值却相差甚远。

而且不管采用哪一组计算出来的电路参数值，进行Multisim电路仿真，仿真数据总是和实验数据不吻合，尤其是有功功率P、功率因数cosφ和镇流器两端电压UL。

功率表对功率因数的测量误差确实较大，比三表法测量得到的功率因数约高30%[1]，但目前实验数据和仿真数据的这种巨大差异，将其归结为实验数据的测量误差，显然不足以说明问题。

5 日光灯电路模型的修正
既然日光灯电路参数值采用不同方法计算时的差异，已经不能用实验数据的误差来解释，那么就有理由怀疑计算日光灯电路参数时所使用的电路模型不准确。

对日光灯实验电路，在前面的计算中把镇流器等价成一个电阻和一个电感的串联，把日光灯等价为一个纯电阻。

对于这种假设，早有研究指出理论值和实验数据的不符合，并提出日光灯为非线性元件的说法，可以将日光灯近似处理为一个电阻和一个电感的串联[2-5]。

作为近似，本文假设日光灯在正常工作情况下不再为一个纯电阻，其阻抗为：
也即是只需要通过方程（16）求解出电路参数XA，剩下的三个电路参数都可以通过XA 求解出来。

用表1中的第1组实验数据计算这四个电路参数，符合条件的结果见表5。

由表5可见，XA>0，表示日光灯可以近似为感性负载。

如果用LA表示日光灯的电感系数，用LL表示镇流器的电感系数，则LA=99.1 mH，LL=1981.7 mH。

可见，镇流器是一个小电阻大电感的感性电路，而日光灯是一个大电阻小电感的感性电路。

对这个新的电路模型，在计算四个电路参数时，测量得到的实验数据没有冗余，全部需要用到，所以也不存在用不同方法计算和相互吻合的问题。

对这个新的电路模型，用Multisim软件进行仿真验证，仿真电源为硬件实验时电源两端的电压U，仿真电路的电路参数为表5中通过实验数据计算出来的电路参数。

仿真数据和实验数据的对比见表6。

由表6可见，采用新的电路模型及其电路参数值后，仿真数据与实验数据虽然仍然有差异，但都比较接近。

而原来的电路模型和其电路参数只能使得部分物理量的仿真值与实验值比较接近，其他物理量的仿真值和实验值则相差甚大（见表3）。

由此可见，新的电路模型能够更好地近似实验中的日光灯电路。

6 结束语
本文研究了在日光灯电路参数测量实验中，对同一组实验数据采用不同方法计算电路参数值，结果相差很大的问题。

通过Multisim仿真和实验数据的对比研究，计算出的电路参数值不符合的主要原因，不在于实验数据的测量误差，而在于日光灯的电路模型不准确，即不能把日光灯当成一个纯电阻来处理。

在日光灯电路实验中，一般的假设是把镇流器当成一个电阻和一个电感的串联，把日光灯当作一个纯电阻。

正是这个假设的不准确，导致电路参数值的不符合。

于是，本文提出将日光灯表达成复阻抗形式的电路模型，并通过Multisim搭建仿真电路进行模拟。

结果表明，新的电路模型下，理论值和实验值比较吻合；仿真结果也表明，镇流器是一个小电阻大电感的串联，而日光灯是一个大电阻小电感的串联。

这表明，新的电路模型比之前的电路模型假设更加接近实际的日光灯电路。

对实验数据的处理，应该通过多个途径进行校验计算，客观地对待理论值和实验值不符的情况，并仔细分析不符合的原因，而不是简单地按照理论和传统的方式处理。

参考文献
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