日光灯电路及功率因数提高

实验4.7 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

1．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cosθ′=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数R L 、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

图4-7-1

容时的I值大致相同，记录此时I、I C、I L、P以及流入灯泡的电流值。

4.7.3实验设备

1．三相自耦调压器一套

2. 灯管一套

3．镇流器一只

4. 起辉器一只

5. 单相智能型数字功率表一只

6. 电容器组/500V 一套

7. 电流插座三付

8. 粗导线电流插头一付

9. 交流电压表(0~500V) 或数字万用表一只

10．交流电流表(0~5A)一只11．粗导线若干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4-7-2所示。

2．日光灯工作原理

图4-7-2 日光灯电路图•

U～

接通电源后，启辉器固定电极、可动电极间的氖气发生辉光放电，使可动电极的双金属片因受热膨胀而与固定电极接触，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，使灯管的惰性气体电离而引起弧光放电，产生大量紫外线，灯管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 、L 串联的感性负载，电流为L I •

。设日光灯电路两端电压•

U 的相位超前于日光灯电路电流L I •

相位θ角，则日光灯电路的功率因数为cosθ。如图4-7-3所示。

•

U ─

电源电压 ─日光灯支路电流 L I •

─补偿后电路总电流 •

I C I •

─电容支路电流 θ─补偿前电路的电压与电流间相位角

θ'─补偿后电路的电压与电流间相位角

•

U

I •

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(C L I I I •

•

•

+=)的相位差为θ'，相应的向量图如图4-7-3所示。由图可见，补偿后的cos θ'＞cosθ，即功率因数得到了提高。

由图4-7-3可得

I C =I L sin θ-I sin θ'=⎪⎭⎫

⎝⎛θcos U P sin θ'-⎪⎭

⎫ ⎝⎛

'θcos U P sin θ=U P (tan θ-tan θ')

又因

I C =

C

X U

=U ωC 所以

U ωC =

U

P

(tan θ-tan θ') 由此得出补偿电容C 的大小可按下式计算：

)tan (tan 2

θθω'-=

U

P

C （4-7-1） 4-7-1式中 P ─有功功率（W ）；

ω─电角度(rad/s)，ω=2πf (f =50Hz)。

4．在日光灯实验中，由于灯管的气体放电电流不是正弦波，且在一周期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cosθ'=1时所对应的补偿电容值。

4．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I C也随之增大，使得|θ'|逐渐变小，过0后，θ'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。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cosθ′=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I L 是否变化？请分别说明原因。

4.7.6 实验步骤