感性电路的测量及功率因数的提高

实验3 感性电路的测量及功率因数的提高
一、实验目的
1．进—步熟悉日光灯电路的工作原理。

2.进—步理解交流电路中电压、电流的相量关系。

3.学习感性负载电路提高功率因数的方法。

4. 学习交流电压表、电流表、功率表的使用。

二、实验任务（建议学时：2学时）
基本实验任务
1. 正确连接日光灯电路并学习测量日光灯电路中的各项参数。

2. 选择合适的实验电路，采取正确的实验方法，提高感性负载电路的功率因数。

扩展实验任务
1.采用正确的实验方法排除日光灯电路的简单故障。

三、实验器材
（一）仪器仪表
1.交流电压表 1台
2.交流电流表 1台
3.单相功率表 1台
（或多功能电参数测试仪1台）
（二）器材器件
1.日光灯电路板 1套
2.电流插孔若干
3.电容器若干
四、实验原理
（一）基本实验任务
1. 日光灯电路的组成及工作原理
日光灯电路由日光灯管、镇流器、启动器及开关组成，如图3.1所示。

图3.1 日光灯电路
（1）日光灯管
灯管是内壁涂有荧光粉的玻璃管，两端有钨丝，钨丝上涂有易发射电子的氧化物。

玻璃管抽成真空后充入一定量的氩气和少量水银，氩气具有使灯管易发光和保护电极延长灯管寿命的作用。

工作时灯管可认为是电阻性负载。

（2）镇流器
镇流器是一个具有铁心的线圈。

在日光灯启动时，它和启辉器配合产生瞬间高压促使灯管导通，管壁荧光粉发光。

灯管发光后在电路中起限流作用。

工作时镇流器是电感性负载。

（3）启动器
启动器的外壳是用铝或塑料制成，壳内有一个充有氖气的小玻璃泡和一个纸质电容器，玻璃泡内有两个电极，其中弯曲的触片是由热膨胀系数不同的双金属片（冷态常开触头）制成。

电容器作用是避免启动器触片断开时产生的火花将触片烧坏，也防止管内气体放电时产生的电磁波辐射对收音机、电视机的干扰。

（4）日光灯发光原理及启动过程
在图2.7.1中当接通电源后，电源电压（220V ）全部加在启动器静触片和双金属片两级间，高压产生强电场使氖气放电（红色辉光），热量使双金属片伸直与静触片连接。

电流经镇流器、灯管两端灯丝及启辉器构成通路。

灯丝流过电流被加热（温度可达800～1000o C ）后产生热电子发射，释放大量电子，致使管内氩气电离，水银蒸发为水银蒸气，为灯管导通创造了条件。

由于启动器玻璃泡内两电极的接触，电场消失，使氖气停止放电。

从而玻璃泡内温度下降, 双金属片因冷却而恢复原来状态,致使启辉电路断开。

此时, 由于镇流器中的电流突变,在镇流器两端产生一个很
高的自感电动势, 这个自感电动势和电源电压串联叠加
后，加在灯管两端形成一个很强的电场，使管内水银蒸气
产生弧光放电，工作电路在弧光放电时产生的紫外线激发
了灯管壁上的荧光粉使灯管发光。

由于发出的光近似日光故称为日光灯。

在日光灯进入正常工作状态后，由于镇流器的作用加在启动器两级间的电压远小于电源电压， 启动器不再产生辉光放电, 既处于冷态常开状态, 而日光灯处于正常工作状态。

2. 感性负载并联电容器改善电路的功率因数
日光灯工作时，灯管可以认为是一电阻负载，镇流器可以认为是一个电感量较大的感性负载，两者串联构成一个R 、L 串联电路。

日光灯工作时的整个电路可用图3.2等效串联电路来表示。

因电路中所消耗的功率：cos P UI =j
，故测出P 、U 、I 后，即可求出电路的
U R U RL R L X L
图3.2 日光灯等效电路 U
功率因数cos j
的数值。

功率因数的高低反映了电源容量利用率的大小。

电路功率因数低，说明电源容量没有被充分利用。

同时，无功电流在输电线路上造成无为的损耗。

因此，提高电路的功率因数是电力系统的重要课题。

功率因数较低时，可并联适当容量的电容器来提高电路的功率因数，并联了补偿电容器C 以后，原来的感性负载取用的无功功率中的一部分，将由补偿电容提供，这样由电源提供的无功功率就减少了，电路的总电流Ỉ 也会减小，从而使得感性电路的功率因数cos φ得到提高。

当功率因数等于l 时，电路产生并联谐振，此时电路的总电流最小。

若并联电容容量过大，则产生过补偿。

（二） 扩展实验任务 1.日光灯的简单故障及排除
（1）灯管连续闪烁，周期性地时暗时亮。

这种故障一般是启动器中氖管使用日久老化的结果，只要更换一只相同规格的启动器即可排除。

（2）灯管两端发红而不能跳亮，一拿下启动器就能正常发光。

这是启动器中小电容器被击穿造成，也可能是启动器中双金属片与静触片粘在一起不能复原，更换新启动器即可。

（3）接通电源后，启动器氖灯和灯管两端均不发红，若各元件都是好的，这种故障可能是断路或者接触不良（特别是灯管两端灯脚与灯座）造成的。

轻轻旋动灯管、启动器，仔细检查接线是否断开或者接错，再检查电源，一般情况下故障可排除。

（4）如果在日光灯点亮前启辉器损坏，可采取下面的应急措施点亮日光灯。

把启辉器的两个线头互相短接一下，见到灯管两端见红时迅速断离，如果没有启辉，则再次短接，一般在三五次内会启辉器。

此方法适用于启辉器损坏的临时应急，或电压不足，或灯管老化等情况。

五、实验预习
（一） 基本实验任务
1．预习日光灯的工作原理，启动过程。

2．如图5.1.7..2所示电路。

写出电路电流I 与U ，R U ，RL U 之间的关系式，并定性画出相量图。

3.为了改善电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，若电容器大小合适（处于欠补偿）。

回答下列各量的是否改变？增大还是减小？
（1）总电流（ ）；总功率（ ）；总功率因数（ ）； 镇流器电流（ ）；日光灯电路功率（ ）；日光灯电路功率因数（ ）； 电容支路电流（ ）；灯管电压（ ）。

4. 提高功率因数并联电容，并联的电容是否越大越好？为什么？
（ ）。

5．在R 、L 串联与C 并联的电路中，你准备如何求cos ϕ值？ cos ϕ =
（二） 扩展实验任务
1. 电源开关合上，日光灯没有点亮，如何检查故障？
2. 日光灯点亮后，启辉器还会有作用吗？
3. 如果在日光灯点亮前启辉器损坏，此时有何应急措施可以点亮日光灯？
六、实验内容与步骤
（一）基本实验任务
1． 日光灯电路并联电容前的测量
（l ）按图3.3接好线路，断开S 2，合上电源开关S 1，接通电源，观察日光灯的启动过程。

（2）测量日光灯电路的端电压U 、灯管两端电压U R 、镇流器两端电压U RL 、电路电流I 即日光灯电流I RL 和电路总功率P 、日光灯功率P R 和镇流器功率P RL ，并计算功率因数cos ϕ，将数据填入表3.1。

表3.1 日光灯电路数据记录
U
U R
U RL
I
P
P R
P RL
计算COS ϕ
2．日光灯电路并联电容后的测量
（1）合上开关S 2，将日光灯电路两端并联电容C 。

逐渐加大电容量，每改变一次电容
量，都要测量端电压U 、电路电流I 、日光灯电流I RL 电容器电流I C 和电路总功率P 。

将测量数据填入表3.2。

~220V
日光灯灯管 启动器
镇流器
FU
S 1
U
I I C
I RL
U RL
U R * * *
图3.3 日光灯并联电容电路
S 2
表3.2 感性负载并联电容数据记录
电容测量数据计算
μF U(V) I(A) I RL(A) I C(A) P(W) COSϕ
1
2
3
3.7
4.7
5.7
6.7
（2）在逐渐加大电容的过程中，总电流的变化规律是什么？
（二）扩展实验内容及步骤
实验时，不安装启动器，取两根导线分别接在图3.3启动器位置的两端，互相短接一下两根导线，见到灯管两端见红时迅速断离，如果没有启辉，则再次短接，点亮日光灯。

切勿同时触摸到导线的两端，日光灯点亮后取下两根导线。

七、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。

2.功率表要正确接入电路。

3.线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查灯管及启辉器接触是否良好。

4.灯管一定要与镇流器串联后接到电源上，切勿将灯管直接接到220V电源上。

5.操作中要严格遵守先接线，后通电；先断电，后拆线的原则。

八、实验报告要求
1.简述实验方案和步骤。

2.记录原始实验数据和理论计算数据。

3.由表3.2中计算出的功率因数cosϕ值分析，使日光灯电路功率因数改善效果最佳的
电容器容量值为多少？
4．画出并联电容C（欠补偿）后cosϕ值最大的一组数据的电流相量图，分析在感性负载并联适当电容后为何可以提高功率因数。

5．并联电容前后测得P的大小不变，为什么？
6.由实验说明提高功率因数有什么经济意义？
7.总结本次实验情况，写出此次实验的心得体会。

包括实验中遇到的问题的处理方法和结果。