4.2 日光灯电路与功率因数提高

4.2.1 实验目的

1. 掌握日光灯电路的工作原理和电路连接方法。

2. 掌握功率因数补偿原理和电路测试方法。

4.2.2 实验预习要求

1. 预习日光灯电路的工作原理、功率因数补偿原理。

2. 熟悉电路的连接及测试方法。

4.2.3 日光灯电路的构成及其工作原理

1. 日光灯电路的组成（图4.2-1（a）所示）

日光灯电路是由日光灯管、启辉器（开关）、镇流器（电感器）及部分导线连接组成。

日光灯管是一根内壁均匀涂有荧光物质的细长玻璃管，管内充有稀薄的惰性气体（氩气）和水银蒸汽，在管的两端各有一段灯丝电极。

启辉器的构造如图4.2-2所示，在充满氖气的小玻璃泡里有两个电极，焊上了一对倒U字形的金属片。玻璃泡外并联一个纸质电容器，其作用是消除日光灯启辉时对周围通讯信号的干扰。

镇流器是一个带有铁心的电感线圈。

2. 日光灯电路的工作过程（大体可分为启辉前、启辉过程、启辉后共三个阶段）

启辉前：当日光灯电路加上220V交流电压后，由图4.2-1（a）可以看出电压全部加在灯管两端，同时也加在启辉器的两端电极上，此时日光灯管亦不发亮。

启辉过程：启辉器的电极加上电压以后，泡内氖气在

电场作用下发生电离形成气体导电的离子流，随着电压的

升高离子流也不断增大，电流的增大伴随着泡内温度上升。U字形的双金属片温度系数不同，当温度上升到一定程度（此时电压约170V），双金属片会弯曲接触短接，形成了

灯丝→启辉器→灯丝→镇流器一条电流回路。

灯丝短接后接触电阻很小，触点的热功率较快的下降

使得双金属片断开，也使得回路电流几乎为零。根据电感器（镇流器）的特点 ，电流的突变使电感器两端产

生的瞬时脉冲高压与220V电源叠加，共同加在灯管两端使灯管导通。

启辉后：两端灯管灯丝在启辉过程中所产生的热电子在强电场的作用下带动管内氩气运动并使其电离，形成了弧光放电过程。弧光放电过程使电流增大，温度上升，两端电压下降。温度上升使水银蒸汽游离并与氩气分子碰撞产生紫外线（人眼看不见），紫外线打在灯管内壁的荧光物质上使其激发产生可见光。

由于镇流器是一个电感器件，它的阻抗限制了电流的继续增长，使日光灯电路的电流和灯管两端的电压稳定到一定的范围内（约90V左右）。这时并联在灯管两端的启辉器上的电压值远远低于它的启辉电压值，因此完成其工作使命。

日光灯工作时气体导电的阻抗特性是纯阻性状态，此时日光工作电路（图4.2-1（b）所示）就相当于一个纯电阻器和电感器串联的形式。

3. 功率因数

直流电路的功率；交流电路的功率；式中称为功率因数，其值介于0与±1之间，日光灯电路的功率因数为0.5左右。

4. 功率因数降低的危害

（1）发电设备的容量不能充分利用

发电机发出的功率额定、发电机的输出的电压和电流不允许超过额定值，当时就使发电机发出的有功功率减小了。

（2）增加线路和发电机绕组的功率损耗

负载上消耗的有功功率，当P、U一定时，流过负载回路的电流      

如当与时相比较，。

4.2.4 功率因数的提高

提高功率因数，通常是根据负载性质在电路中接入适当的电抗元件，由于实际负载（电动机、变压器、日光灯）大多为感性，常用的方法就是在电感负载两端并联电容器（如图4.2-3所示）。并联电容器之后，负载的状态未发生改变；总电路的电压与电流之间的相位差减小了，即增大了，也就提高了电网的功率因数。由于并联电容器以后总线路电流减小了，因而也就减小了线路的损耗。

（分析过程参见图4.2-4）

   

 

4.2.5 实验任务

1. 按图4.2-5接线，掌握日光灯电路的连接和工作过程。要求接线完成后，注意在检查合格才允许通电。

 

2. 按表4.2-1给定的并联电容器要求完成实验，并把所测量的值填入表中。

表4.2-1

4.2.6 实验注意事项

1. 关断电源输出及调压器调零后再接线或拆线。

2. 电压表、电流表的正确连接及档位切换。

3. 接线完成后，要先经老师检查方可通电。

4.2.7 思考题

1. 镇流器在电路工作中有哪几种作用？

2. 启辉器的工作原理是什么？

3. 为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的总的电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？

4. 提高线路功率因数为什么只用并联电容而不用串联法？所并电容值是否越大越好？

4.2.8 实验报告要求

1. 根据所测的U、I、P值，完成当C=0及C=4.7时总负载值的计算。

2. 根据所测参数，画出C=0及C=4.7时的矢量图。

3. 说明改善电路功率因数的意义和方法。

4. 谈谈连接日光灯电路的体会。

4.2.9 实验仪器设备

1. DG09元件挂件

2. D32 数/模交流电流表挂件

3. D33交流电压表挂件

4. D34-3智能型功率、功率因数表挂件

 

第二篇：电路与电子技术实验日光灯

实验1.6  日光灯电路与功率因数的提高

1.6.1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。

3．学习单相交流功率表的使用方法。

1.6.2实验任务

1.6.2.1基本实验

1．完成无补偿电容和不同的补偿电容时图1.6.1所示电路中电压、电流以及电路的功率、总功率因数的测量。并画出电路的总功率因数与电容的关系cosθ′=f(C)曲线。(日光灯灯管额定电压为220V，额定功率40W或30W)

2．完成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。

3．完成电路中点亮日光灯所需电压U_点亮和日光灯熄灭时电压U_熄灭的测量。

4．分别定量画出电路的电压及电流的相量图。完成镇流器的等效参数R_L、L的计算。

1.6.2.2扩展实验

保持U=220V不变，在电路并联最佳电容器后使得总功率因数达到最大的状况下，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与无并联电容时的总电流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。

1.6.3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. 数字万用表                                                                                      一只

10．交流电流表(0~5A)                                                                        一只

11．导线                                                                                                若干

1.6.4 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1.6.2所示。

2．日光灯工作原理

接通电源后，启辉器内固定电极、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，内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。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。设日光灯电路两端电压的相位超前于日光灯电路电流相位θ角，则日光灯电路的功率因数为cosθ。相量图如图1.6.3所示。

    

3．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。

 

a)                                b)

图1.6.4 日光灯电路模型

a) 电路图      b) 向量图

（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=U₁×cos ，则 R_L=            （1.6.1）

                 U_L=U₁×sin，则 L=               （1.6.2）

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）

                   U_L =U×sin，则 L=                （1.6.4）

（2）解析计算法

                                （1.6.5）

                                    （1.6.6）

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。

4．电路的有功功率P=UIcosθ，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=UIsinθ，表示电感或电容元件与电源进行能量互换的规模。

视在功率S=UI=，表示用电器的容量。

功率因数cosθ=P/S，表示用电器的容量利用的程度。

5．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，电路两端的电压与总电流()的相位差为，相应的相量图如图1.6.3所示。由图可见，补偿后的cos＞cosθ，即功率因数得到了提高。

由图1.6.3可得

I_c=I_Lsinθ－Isin=sinθ－sin=(tanθ－tan)

又因                 

I_c==UωC

所以

  UωC=(tanθ－tan)

由此得出补偿电容C的大小的计算公式

           （1.6.7）

式中，P为有功功率，单位是瓦〔特〕（W）；ω为电角度，单位是弧度/秒(rad/s)，ω=2πf (f=50Hz)。

6．功率因数小于1。在日光灯实验中，由于灯管内的气体放电电流不是正弦波，且在一周期内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。所以我们只能利用式（1.6.7）来计算理论上cos=1时所对应的补偿电容值。

7．过补偿现象。从图1.6.3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||逐渐变小，过0后，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。

8．单相交流功率表的说明（以下简称功率表）

电路中的功率与电压和电流的乘积有关，因此功率表必须有两个线圈，一个是电流线圈用于获取电流，另一个是电压线圈用于获取电压，它们分别通过四个接线端子引出，如图1.6.5所示。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，功率表面板上均已标注“U⁺”、“I⁺”或“U^*”、“I^*”，称为同名端。测有功功率时，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，并且按电流线圈串联在待测回路中，电压线圈并联在待测回路上的原则接线，如图1.6.5所示。

1.6.5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。

1.6.6实验步骤

1．单相智能型数字功率表操作

打开电源，单相交流功率表（以下简称功率表）循环显示 ，表示测试系统已准备就绪，进入初始状态。按“功能”键，出现固定的 ，则表示测试有功功率，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。

若测试功率因数时，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。

2．用万用表的二极管档判断功率表电流线圈中的熔断器以及灯管的熔断器导通情况。

3．按图1.6.1所示电路联接线路。将功率表上标有“I^*”的电流线圈与标有“U^*” 的电压线圈同名端短接，并与三相自耦调压器的输出端某根相线相联。按照先串联回路联接，后并联回路联接的原则接线。将灯管、镇流器、启辉器和电容器组按图接入电路，并将标有“U”电压线圈与中性线N相联。将各电容器组的开关处于断开位置。

4．完成无补偿电容和不同的补偿电容时电路中电压、电流以及电路的功率、总功率因数的测量。

检查三相自耦调压器是否调至零，在检查线路无误后，按“开机操作”程序进行操作。并缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮，将其输出电压调高至交流电压表有效值示数为日光灯额定电压220V。保持其输出电压220V不变，通过开关控制分别接入不同的电容，测量相应的数据记录于表1.6.1中。

表1.6.1  提高感性负载电路的功率因数测试

5．完成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，将测量数据记录于表1.6.1中。将三相自耦调压器调至零。

6．完成电路中点亮日光灯所需电压U_点亮和日光灯熄灭时电压U_熄灭的测量。

（1）将各电容器组的开关处于断开位置。检查三相自耦调压器是否调至零。缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮，当调至日光灯管刚刚点亮时，停止调压。用交流电压表测量此时调压器输出电压有效值，该电压即为日光灯的最低启辉电压U_点亮。将该数据记录于表1.6.1中。 

（2）继续转动三相自耦调压器同轴旋钮，将其输出电压调高至交流电压表有效值示数为220V。然后缓慢转动三相自耦调压器同轴旋钮，降低其输出电压，当调至日光灯管刚刚熄灭时，停止调压，用交流电压表测量此时三相自耦调压器的输出电压有效值，该电压即为日光灯熄灭时的电压U_熄灭。将该数据记录于表1.6.1中。

（3）将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。拆除线路。将钥匙式总开关置于“关”位置,此时红色按钮灭，实验结束。画出cos=f(C)曲线。

7. 实验的注意事项

（1）本实验是强电实验，应严格遵守电器操作规则，并做到先接线、后通电；先断电、后拆线的操作顺序，务必注意用电和人身安全。每一次实验电路测试完毕后，在三相自耦调压器调至零的前提下方可断开电源开关，然后进行拆线或接线。

（2）供电电源从相线和零线引出。

（3）线路接线正确，但日光灯不能启辉时，应检查启辉器接触是否良好。

（4）在接入不同的电容时，不要遗漏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的测量。

1.6.7 报告要求

1. 画出实验电路与表格，简要写出电路原理和实验步骤。

2．完成任务1中日光灯在额定电压下，电容从0～9.87μF之间变化时表1.6.1实测记录。

3．完成任务2中电路的总功率因数提高到最大值(cos_max)时所需补偿电容器的电容值的实测记录。

4．完成任务3中日光灯的最低启辉电压U_点亮和熄灭时电压U_熄灭的记录。

5. 根据测试数据，画出cos=f(C)曲线。

6．分别定量画出电路的电压及电流的相量图。

7．完成任务4镇流器的等效参数R_L、L的计算。

8．根据测试结果，得出日光灯电路并联电容前后，功率因数变化的特点。

9．根据1.6.2.2的扩展实验。根据测试结果，总结提高功率因数，从而提高电源利用率的结论。

10．完成思考题。

4.7.8 思考题

1．并联电容器后，提高了电路的总功率因数，而日光灯本身的功率因数是否也改变？为什么？

2. 给感性负载串联适当容量的电容值也能改变总电压与电流的相位差，从而提高电路的功率因数，但一般不采用这种方法，为什么？

3. 如果智能型数字功率表坏了，如何得到电路总功率因数最大时所并联的电容值？

4．某同学直接将补偿电容并联在灯管R两端用来提高电路的功率因数。试说出实验的现象，并分析原因。

5．补偿电容值是否越大越好？为什么？补偿电容除有容量的要求外，还有什么其它要求？

6．如果电路不接镇流器，直接将220V电压接在日光灯灯管上，试说出实验的现象，并分析原因。

7. 当启辉器坏了，手头暂时没有好的启辉器，可以用一个什么样的开关来代替？应如何联接和操作？

8. 某同学用式子X_L=U_L/I来计算镇流器的感抗对否？为什么？

9.当改变电容时，功率表的读数和日光灯支路的电流是否变化？为什么？