实验三日光灯电路及功率因数的提高

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

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0.3～0.4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。

. . +

. UL - + . 启 Ur 辉 - 器

图3-3 启辉器的结构

图3-1 日光灯电路图3-2 日光灯等效电路

1.日光灯的工作原理

如图3-1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3-3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3-1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3-2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3-2）。以电流?L为参考相量，则电压、电流关系为

U=Ur+UL+UR=?(r+jXL+R)= ?

Z

 

第二篇：实验3 日光灯电路及功率因数的提高

实验三 日光灯电路及功率因数的提高

一、实验目的

1、了解日光灯电路的工作原理与接线。

2、了解提高功率因数在工程上的意义。

3、掌握提高感性负载功率因数的方法。

4、熟悉功率表、功率因数表的使用方法。

二、实验内容

1、日光灯电路及其功率因数的改善。

2、感性负载功率因数的提高。

三、实验仪器与设备

四、实验原理

1、 日光灯电路原理

日光灯电路由灯管、镇流器及启辉器三部分组成。其原理如图3.1所示。灯管在工作时可认为是一个电阻负载R。镇流器是一个交流铁心线圈，可等效为一个电感很大的感性负载（r、L串联）。灯亮后，启辉器就不起作用了。故实际上是一个R、L串联电路，等效电路如图3.2所示。其工作原理如下：

当接通220V交流电源时，电源电压通过镇流器施加于启辉器两电极上，使极间气体导电，可动电极（双金属片）与固定电极接触。由于两电极接触不再产生热量，双金属片冷却复原使电路突然断开，此时镇流器产生一较高的自感电动势经回路施加于灯管两端，而使灯管迅速起燃，电流经镇流器、灯管而流通。灯管起燃后，两端压降较低，启辉器不工作，日光灯正常工作。

图3.1 日光灯原理电路 图3.2日光灯等效电路

2、 功率因数的提高

电力系统中的大多数负载，如异步电动机、日光灯等都是感性负载，功率因数较低，对电力系统的运行不利。一是使电源设备的利用率减低，二是降低了输电线路的输电功率。也就是说，负载的有功功率一定时，有关系式I=P/UCosφ，可见，功率因数低，线路电流就大，输电线路上的功率消耗I2r也就增大（r为线路等值电阻），使输电功率降低。因此提高负载的功率因数有着重要的经济意义。

提高功率因数即在不改变原负载工作状态的条件下，设法减小线路电流。常用的方法是感性负载并联电容补偿之，容性负载并联电感补偿之。

图3.3感性负载电路 图3.4相量图

在感性负载两端并联电容器后的相量图如图3.4所示。若忽略线路阻抗，并联电容后并不改变原负载的工作状况，但却通过容性电流对感性电流的补偿，提高了功率因数，降低了对电源输出电流的要求，可增加一定容量电源的带载能力。

根据图3.4所示的相量图，可确定将功率因数从λ0=cosφ0提高到λ=cosφ时所需并联的电容。参考以下公式计算：

P=UIλ=UI0λ0 I0= I= IC=I0sinφ0-Isinφ C=

负载消耗的电能是供电部门或用户的一个重要指标，电能用电度表测量。

五、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，通电之前一定要经老师检查。

2、每次换接线路，均要断开电源，不得在通电状态下换接线路，以免造成人身危险。

3、功率表要正确接入线路，读数时要注意量程和实际读数的折算关系。

4、线路接线正确，日光灯不能启辉时，注意检查启辉器及其接触是否良好。

六、实验内容与步骤

1、 日光灯电路及其功率因数的改善

（1）按图3.5实验电路接线，电源电压取自实验装置配电屏上的220V电源端，功率因数表接线方式同功率表，电流线圈串入电路，电压线圈并入电路，参考实验十五中功率表的接线说明。接线完毕经指导教师检查后，方可接通市电电源。

图3.5实验电路

实验用的日光灯管安装在实验装置的顶端，灯管两端引出的四根绝缘导线与实验装置的电源控制屏上的日光灯管线路图的四个蓝色护套插座相连。

（2）将S1、S2、S3断开，输入220V，用交流电压表测量电源电压U、灯管电压U1、镇流器电压U2，通过一只交流电流表和三只电流插座分别测量三条支路的电流，用单相功率表测量功率，并记入表3.1中。

表3.1

（3）分别并联电容C1、C1+C2、C1+C2+C3，每改变一次电容值，测一次有关参数，记入表3.2中。

（4）在同一坐标系作I=f(C)和cosφ=f（C）曲线，并分析曲线成因。

表3.2

七、实验思考题

1、在日常生活中，当日光灯上缺少启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？

2、提高感性负载的功率因数，为什么不采用给负载串联电容的方法？所并电容器是否越大越好？

3、并联电容后，总电流和功率因数有何变化？以此说明提高功率因数的实际意义。

4、怎样判断电路工作在λ=1的状态？