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1、日光灯电路功率因数的提高实验一、实验目的一、实验目的1.验证单相交流电路中的电流、电压和功率关系的理论；2.了解日光灯电路的组成，工作原理和安装方法；3.了解用电容器改善功率因数的方法和意义；4.学习功率表的使用方法。二、实验原理二、实验原理电力系统中的负载大部分是感性负载，其功率因数较低，为提高电源的利用率和减少供电线路的损耗，往往采用在感性负载两端并联电容器的方法，来进行无功补偿，以提高线路的功率因数。日光灯电路为感性负载，其功率因数一般在 0.30.4 左右，在本实验中，利用日光灯电路来模拟实际的感性负载观察交流电路的各种现象。.IIL镇+.C+流+器LUL.-C.ULr+.IC.r.启
2、UUrU灯S-辉-220V+管S器.-URR-图 6-3启辉器的结构图 6-1 日光灯电路图 6-2 日光灯等效电路1.日光灯的工作原理如图 6-1 所示，日光灯电路由荧光灯管、镇流器和启辉器三部分组成：(1)灯管：日光灯管是一根玻璃管，它的内壁均匀地涂有一层薄薄的荧光粉，灯管两端各有一个阳极和一根灯丝。灯丝由钨丝制成，其作用是发射电子。阳极是两根镍丝，焊在灯丝上，与灯丝具有相同的电位，其主要作用是当它具有正电位时吸收部分电子，以减少电子对灯丝的撞击。此外，它还具有帮助灯管点燃的作用。灯管内还充有惰性气体(如氮气)与水银蒸汽。由于有水银蒸汽，当管内产生辉光放电时，就会放射紫外线。这些紫外线照射
3、到荧光粉上就会发出可见光。(2)镇流器：它是绕在硅钢片铁芯上的电感线圈，在电路上与灯管相串联。其作用为：在日光灯启动时，产生足够的自感电势，使灯管内的气体放电；在日光灯正常工作时，限制灯管电流。不同功率的灯管应配以相应的镇流器。(3)启辉器：它是一个小型的辉光管，管内充有惰性气体，并装有两个电极：一个是固定电极，一个是倒“U”形的可动电极，如图 6-3 所示。两电极上都焊接有触头。倒“U”形可动电极由热膨胀系数不同的两种金属片制成。点燃过程：日光灯管、镇流器和启辉器的联接电路如图 6-1 所示。刚接通电源时，灯管内气体尚未放电，电源电压全部加在启辉器上，使它产生辉光放电并发热，倒“U”形的金属
4、片受热膨胀，由于内层金属的热膨胀系数大，双金属片受热后趋于伸直，使金属片上的触点闭合，将电路接通。电流通过灯管两端的灯丝，灯丝受热后发射电子，而当启辉器的触点闭合后，两电极间的电压降为零，辉光放电停止，双金属片经冷却后恢复原来位置，两触点重新分开。为了避免启辉器断开时产生火花，将触点烧毁，通常在两电极间并联一只极小的电容器。在双金属片冷却后触点断开瞬间，镇流器两端产生相当高的自感电势，这个自感电势与电源电压一起加到灯管两端，使灯管发生弧光放电，弧光放电所放射的紫外线照射到灯管的荧光粉上，就发出可见光。灯管点亮后，较高的电压降落在镇流器上，灯管电压只有 100V 左右，这个较低的电压不足以使启辉
5、器放电，因此，它的触点不能闭合。这时，日光灯电路因有镇流器的存在形成一个功率因数很低的感性电路。日光灯电路的等效电路如图 6-2 所示。2.日光灯电路原理分析日光灯电路可以看成 R、L 串联的感性电路（见图 6-2）。以电流İL为参考相量，则电压、电流关系为U=Ur+UL+UR=İ(r+jXL+R)=İZ其相量图如图 6-4 所示。.UIC.ULrUL.UI.UR.IL.UrILr图 6-5 提高功率因数相量图图 6-4 日光灯电路相量图3.功率因数的提高如果负载功率因数低（日光灯电路的功率因数在 0.30.4），一是电源利用率不高，二是供电线路损耗加大，因此供电部门规定，当负载（或单位供电）
6、的功率因数低于 0.85 时，必须对其进行改善和提高。提高功率因数的方法，除改善负载本身的工作状态、设计合理外，由于工业负载基本都是感性负载，因此常用的方法是在负载两端并联电容器组（接线方法如图 6-1），补偿无功功率，以提高线路的功率因数。功率因数提高的原理如图 6-5 所示。三、实验内容与要求三、实验内容与要求根据实验室提供的实验设备完成以下实验内容的设计：1.设计一个日光灯的照明电路,测试电路中的各参量的数据，并记录在表 3-1 中。根据测量数据了解交流电路中，各部分电压和电流之间的相量关系。要求有电流表的地方，全用电流插孔盒联接。表 6-1URULrIILrICPPLrPC物理量U测值
7、2.在 1 内容基础上设计一个利用并联电容来提高功率因数的电路，记录各部分电流、电压和功率测量结果的实验数据于表 6-2 中。电容变化范围为 115F，要求选择至少七个不同的电容值来观察电路中各个物理量的变化，并与实验内容 1 的数据进行比较与分析，了解并联交流电路中，电压和电流及各部分电压之间的相量关系。表 6-2UURULrIILrICPPLrPC并 C 前C=1FC=2FC=4FC=C=3.在内容 2 基础上测量日光灯管、镇流器、电容器及整个电路的功率，设计实验方案，测试电路中的各参量的数据，并记录在表 3-3 中。表 6-3PPLrPCPR物理量测值四、实验设备四、实验设备实验室提供实
8、验用单相交流电源电压为 220V。实验室可提供的设备见表 6-4。表 6-4设备与仪表名称日光灯管镇流器启辉器电容器规格与型号220V，40W40W40W1F，2F，数量 1 支 1 个 1 个 4 个交流电流表交流电压表功率表T51,0-500mA-1000mAT51,0-600VD51,600V,1A 1 块 1 块 1 块五、实验报告要求五、实验报告要求1.实验题目、目的、内容(包括设计的实验电路和实验数据表格)；2.整理测试数据，填入各个表格中；3.回答思考题。六、注意事项六、注意事项1.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；2.日光灯启动时，起动电
9、流很大，为防止过大起动电流损坏电流表，电流表不能直接联接在电路中。实验时，用电流插孔盒替代电流表接入电路；日光灯亮后，再接入电压表与电流表进行测量。3.测功率时分清功率表的电压线圈和电流线圈。电压线圈要并联在被测电路两端，而电流线圈要接电流插头，测量时把插头插在被测功率的线路中串接的电流插孔盒中。4.在做功率因数提高实验时，仔细观察电路总电流的变化规律，作好记录。七、思考题七、思考题1.把电容器与 R-L 电路并联可改善负载的功率因数，如果把电容器与 R-L 电路串联起来能否改善负载功率因数?为什么?实际中能否采用?为什么?2.在做功率因数提高实验时，随着电容器容量的不断增加，电路总电流的变化规律为由大变小再变大，分析原因。3.由实验说明提高功率因数的意义。4.分析电路的功率平衡关系。