实验1.6 日光灯电路与功率因数的提高

电路分析基础实验

实验1.6日光灯电路与功率因数的提高

1.熟悉日光灯的接线方法。学习功率表的使用方法。一、实验目的

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。

1. 完成日光灯电路的测量。(日光灯灯管额定电压为220V ，额定功率40W 或30W)。

二、实验任务

2.完成因补偿电容改变而引起的功率因数改变的曲线=f (C)的测试。根据装置上现有的电容，求出将日光灯功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值。

θ'cos

日光灯测试电路图

I RL

I 点亮电压

U ~220V 零线

相线

I c

W

U Lr

U R

不要带电接、拆线

三相自耦调压器、灯管、挂箱上的起辉器、镇流器、

电容器组及电流插座、交流

电流表、电流插头、

智能型数字功率表、

数字万用表、导线。

三、实验设备

四、实验原理

日光灯电路主要有灯管、起辉器和镇流器组成。镇流器是一个带铁芯的电感线圈，它相当于一个电阻与电感串联的元件。

L，r

交流电源～220V

灯管

起辉器

日光灯电路接线图

日光灯灯管

镇

流

器

启

辉

器

点动开关镇流器

启辉器

保险丝是为了避免过电流损坏灯管

接启辉器

点动

开关

灯管：内有灯丝、灯头。玻璃管被抽成真空后，充入少量惰性气体并注入微量的液态水银，其内壁涂有一层匀薄的荧光粉。两端灯丝上涂有可发射电子的物质(电子粉)称为阴极。灯头与管内灯丝相连。

镇流器是一个具有铁心的电感线圈，但它不是纯电感，它相当于一个电阻与电感相串联的元件。其作用是限制和平稳通过灯管的电流，并产生较高的自感电动势以点亮日光灯。

启辉器：在日光灯接通过程中起点动开关作用。启辉器内有一个充有氖气的氖泡，氖泡内有两个电极，一个是固定电极，另一个是由两片热膨胀系数相差较大的金属片辗压而成的可动电极。在两电极的引出端并联一个电容C，用以消除对无线电设备的干扰。

日光灯的工作原理：

当日光灯电路接通电源后，因灯管尚未导通，故电源电压全部加在启辉器两端，使氖泡的两电极之间发生辉光放电，使可动电极的双金属片因受热膨胀而与固定电极接触，于是电源、镇流器、灯丝和启辉器构成一个闭合回路，所通过的电流使灯丝得到预热而发射电子。在氖泡内，两电极接触后辉光放电熄灭，随之双金属片冷缩与固定电极断开，断开的瞬间使电

路的电流突然消失，瞬时在电感上产生一个比电源电压高得多的感应电动势，连同电源电压一起加在灯管的两端，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，日光灯就开始正常工作。在正常状态下，镇流器对灯管起分压和限流作用，使灯管电流不致太大。

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。灯管相当于一个电阻元件，前面已经提到镇流器相当于一个电阻、电感相串联的元件。这样，日光灯电路就可看成一个RL 串联的感性负载，电流为，

设该负载两端电压相位超前于电流相位θ角，则电路的功率因数为cos θ。

RL

I

为了提高电源的利用率和电路的传输效率，须提高电路的功率因数。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，负载两端的电压与总电流的相位差为，电路图、向量图如下图所示。

?

U ?I θ'R

日光灯电路

L

C

RL

I ?

?

I

C

I ?

?

U

θ'θ

C

I ?

?

U

?

I

RL

I ?

C

I ?

提高电路功率因数的原理图与向量图

)tan (tan 2

θθω'-=U

P C θ'cos 由图可见，并联电容器后，

＞cos θ，即功率因数得到了提高。补偿电容C 大小可按下式计算：

P 为有功功率ω 为2πf (f =50Hz)

为电源电压

L 为补偿前日光灯支路电流

为电容支路电流

为补偿后电路总电流

θ及为补偿前、后电压与电流的相位角

?

U R I ?

C I ?

?

I θ'

过补偿现象。从图看出，随着并联电容不断地增加，也随之增大，使得||逐渐变小，过0后，又逐电容电流I

c

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。

电容组电流插座

挂箱

镇流器参数计算。我们把镇流器看作R L 与L 串联电路，其模型如图1.6.4a 虚线框所示。我们可根据实验测得的数据、相量图或解析式，求出其等效参数R L 、L 的值。

-

~220V

＋1

R

灯管

A

R L

L

1

?

U 镇流器

θ

1

?

U L

U ?

?

U

R

U ?

RL

U ?

?

I

θ'

?

U

?

I

?

I

（1）相量图计算法

由余弦定理求得，再根据下式可求得R L 、L 。

U RL =U 1×cos ，则R L = （1.6.1）

I

U

R L

U L =U 1×sin ，则L

= （1.6.2）ω

I U L

或由余弦定理求得，再根据下式可求得R L 、L 。

U RL =U ×cos -U R ，则R L = （1.6.3）

I

U R L

U L =U ×sin ，则

L = （1.6.4）ω

I U L

（2）解析计算法

（1.6.5）

2

2)

()(L R R I

U Z L ω++==2

2

11)(L R U Z L ω+==（1.6.6）

电路的有功功率P=UIcos θ，它表明了二端网络实际吸收能量的大小，功率因数越接近1，吸收的有功功率就越大。有功功率是由电阻元件消耗的。

无功功率Q=UIsin θ，它是由电感或电容元件消耗的。

视在功率S=UI= ，功率因数cos θ

= 。2

2

Q P S

P

求式(1.6.5)和式(1.6.6)联立的方程解，即可求出等效参数R L 、L 的值。

功率表接线应按照同名端相连，电流线圈串联在回路中，电压线圈并联在回路中的原则接线。如上图所示。

功率表的说明(见动画)

R L

功率表测量的是有功功率。P

负载R L 功率表接线示意图

它有两个线圈，一个是电流线圈I *

一个是电压线圈,为了保证两个线圈的电流流入(或流出)方向一致,对于电流流进的接线端钮仪表面板上均已标注“*”或“+” ，即同名端。功率表在接线时，应使电流线圈和电压线圈的同名端接到电源同一极性的端子上。

U*

智能型数字功率表使用简介

打开电源，循环显示，表示测试系统已准备就绪，进入初始状态。功能确认复位

同名端相连

保险丝

电压线圈

电流线圈按“功能”键，出现固定，则测试有功功率，读取时只需按“确认”键即可；按“功能”键，出现，则测试功率因数，读取时只需按

“确认”键即可。若数字前显示代表感性负载，若显示代表容性负载。在任何状态下按“复位”键系统恢复到初始状态。

指针式交流电流表

数字式交流电流表0～5A

1A

C /μF

U /V

U R /V U L /V

I /A

I R /A I C /A

P /W cos

电路性质

0220

12.2

3.2

4.7

5.7

6.9

7.9

8.9

9.410.4

cos max= 时，C = μF

表1.6.1 提高感性负载电路的功率因数测试

记录功率因数提高到最大时所需补偿电容值C

五、实验步骤

1. 用万用表的档，判断功率表的电流线圈中

的熔断器与日光灯管的熔断器的导通情况。

2.将电流线圈与电压线圈同名端相联。按照先串联回路联接，后并联回路联接的原则，按前面实验电路图的动画步骤进行接线。经检查无误后方可通电。

3.将柜体左侧三相调压器同轴旋钮，调至日光灯额定工作电压220V，完成表中电压、电流、功率与功率因数记录。

4.改变电容，在1μF～10.4μF之间均匀取值，

通过观察智能型数字功率表中功率因数的感性、容性显示变化，完成日光灯电路的测量表格记录。