实验17正弦稳态交流电路相量的研究

实验十七　正弦稳态交流电路相量的研究

一、实验目的

　　1. 研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。

2. 掌握日光灯线路的接线。

3. 理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。

二、原理说明

　　1. 在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值， 用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即

　　　　ΣI＝0和ΣU＝0

2. 图17-1所示的RC串联电路，在正弦

稳态信号U的激励下，UR与UC保持有90O

的相位差，即当R阻值改变时，UR的相量

轨迹是一个半园。U、UC与UR三者形成一

个直角形的电压三角形，如图17-2所示。

R值改变时，可改变φ角的大小，从而                    图  17-1

达到移相的目的。                                   

3. 光灯线路如图17-3所示，图中 A 是日光灯管，L 是镇流器， S是启辉器，C 是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（cosφ值）。

有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。

 

                                                                      

 

           图 17-2                                 

三、实验设备 

                                                                       

四、实验内容

1. 按图17-1 接线。R为220V、15W的白炽灯泡，电容器为4.7μF/450V。                         经指导教师检查后，接通实验台电源， 将自耦调压器输出( 即U)调至220V。记录U、UR、UC值，验证电压三角形关系。

2. 日光灯线路接线与测量。

 

                                  

                                图17-4

利用HE-16实验箱中“30W日光灯实验器件”、屏上与30W日光灯管连通的插孔及相关器件，按图17-4接线。经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P， 电流I， 电压U，UL，UA等值，验证电压、电流相量关系。

3. 并联电路──电路功率因数的改善。

利用主屏上的电流插座，按图17-5组成实验线路。

 

                                     

                              图   17-5

经指导老师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表，电压表读数。通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行三次重复测量。

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。

    2. 功率表要正确接入电路， 读数时要注意量程和实际读数的折算关系。

    3. 线路接线正确，日光灯不能启辉时， 应检查启辉器及其接触是否良好。

六、预习思考题

　　1. 参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。

    2. 在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时， 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？（HE-16实验箱上有短接按钮，可用它代替启辉器做一下试验。）

　　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采用并联电容器法， 而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？

七、实验报告

　　1. 完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。

    2. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图， 验证相量形式的基尔霍夫定律。

    3. 讨论改善电路功率因数的意义和方法。

    4. 装接日光灯线路的心得体会及其他。

 

第二篇：实验三 正弦稳态交流电路相量研究

实验三    正弦稳态交流电路相量研究

一、   实验目的

1．研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。

2．掌握日光灯线路的接线。

3．理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。

二、        原理说明

1．在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即SI=0和SU=0  。

文本框: 图3-1     2．图3-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，UR与UC保持有900的相位差，即当R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半园。U、UC与UR三者形成一个直角的电压三角形，如图3-2所示。R值改变时，可改变j角的大小，从而达到移相的目的。

文本框: 图3-3

文本框: 图3-2

3．日光灯线路如图3-3所示，图中A是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（COSj值）。有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。

三、    实验设备

四、   实验内容

1．按图3-1接线。R为220V﹑15W的白炽灯泡，电容器为4.7UF/450V。经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器输出（即U）调至220V。记录U﹑UR﹑UC值，验证电压三角形关系。


2.日光灯线路接线与测量

按图3-4接线。经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电最压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U，UL，UA等值，验证电压﹑电流相量关系。


3.并联电路——电路功率因数的改善。按图3-5组成实验线路。

经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表﹑电压表读数。通过一只电流珍和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行四三次重复测量。数据记入下页表中。

六、预习思考题

1. 参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。。

工作原理是：当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两极接触。电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。

2. 在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时， 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？

根据启辉器的工作原理，将启辉器的两端短接一下,电流通过镇流器和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热。然后迅速断开,电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两端。灯管两端高电压击穿灯管内气体放电。在气体放电过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。日光灯正常发光后，由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化，这时镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。由于这个电压低于启辉器的电离电压，所以并联在两端的启辉器也就不再起作用了日光灯是一种启动时需要瞬时高压、启动后正常工作时只要低电压工作的器件。为此可通过镇流器和启辉器的配合来实现。

3. 为了改善电路的功率因数，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？　　

感性元件上的电流和功率不变，因为对感性负荷并联电容器的目的就是减少原来供电回路上的工作电流，从而达到减少线损、减少对变压器功率的占用、提高工作电压的目的。并联上电容器后，有一部分电流在感性负荷与电容器之间来回流动，所以感性负荷上的电流没有任何减小，它的功率也不受任何影响。电路的总电流有变化，在欠补偿条件下是使电流减小的，在严重过补偿时电流是增加的。负载的功率不会变化，只是总的输入电流会降低。提高了电路的功率因数，用得比不并电容更少的电能。

4. 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法， 而不用串联法？并联的电容器是否越大越好？

     在并联电容之前，电感单独于电源进行能量交换，它所消耗的无功功率全部由电源供给。并联电容后，电感与电容也进行着能量交换，或者说电容“产生”的无功功率部分的补偿了电感所“消耗”的无功功率。从而减少了电源提供的无功功率，这样就提高了功率因数。而串联电容会改变日光灯的工作电压可能使日光灯无法点亮.

      电容器也是无功元件，如果补偿过头，造成过补偿，线路中的容性无功功率过大，线路的功率因数一样会降低。所以补偿要恰到好处（适量），不是越大越好。

   

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