实验5-2  感性电路功率因数的提高实验

周佳朝

201113050113

实验目的：1． 掌握正弦交流电路中电压、电流的相量关系。

2． 了解电感性负载并联电容器提高功率因数的原理，从而认识提高功率因数的意义。

3． 学习用实验方法求取线圈的参数。

4． 学习功率表的正确使用方法。

5. 了解日光灯电路及其工作原理。

6. 学习用相量法分析交流电路。

7. 掌握并联电容法改善感性电路功率因数的方法。

实验假设：假设随着并联电容C的增大功率因数也随之不断增大，但是小于1。

实验原理：（1）提高功率因数的意义。

电源设备的容量是视在功率S＝UI，而其输出的有功功率P为UIcos,为了充分利用电源设备的容量，就要求提高电路的功率因数；另外，当负载的有功功率P和电压U一定时，功率因数越高，输出电线路中的电流就越小，在输电线路电阻上消耗的功率也就越小，因此提高功率因数对电力系统的运行十分重要，有很大的经济意义。提高电网的功率因数，对于降低电能损耗、提高发电设备的利用率和供电质量有重要的经济意义。

（2）提高功率因数的方法。、

针对实际用电负载多为感性、功率因数较低的情况，点单而又易于是实现的提高功率因数的方法就是在负载两端并联电容器。

   负载电流中含有感性武功电流分量，并联电容的目的就是取其容性无功电流分量补偿负载感性无功电流分量。如图1 所示并联电容以后，电感性负载本身 电流和负载的功率因数均未改变，但是电源电压与线路电流之间的相位差减小了。这里所说的功率因数的提高，指的是提高电源或电网的功率因数，而负载本事的功率因数不变。改变电容器的电阻值可以实现不同程度的补偿，合理的选取电容值，便可以达到所要求的功率因数。

   实验中以荧光灯作为研究对象，荧光灯电路属于感性负载，但镇流器有铁心，它与线性电感线圈有一定的差别，严格地说，荧光灯电路为非线性负载。

（3）荧光灯电路结构和工作原理。

荧光灯电路由灯管、启动器和镇流器组成。如图2所示。

灯管。荧光灯灯管两端装有发射电子用的灯丝，管内充有惰性气体及少量的水银蒸气，管内壁涂有一层荧光粉。当灯管两端灯丝加热并在两端加上较高电压时，管内水银蒸气在电子的撞击下游离放电，产生弧光。弧光中的射线射到管壁的荧光粉上就会激励发光。灯管在放电后只需较低的电压就能维持其继续放电。因而是荧光灯管正常工作，则必须在启动时产生一个瞬时较高的电压，而在灯亮后又能限制其工作电流，维持灯管两端有较低电压。

启动器。它是一个小型辉光放电管，管内充有氖气。它有两个电极：一个是由膨胀系数不同的U型双金属片组成，称可动电极；另一个是固定电极。为了避免在断开时产生火花烧毁电极，通常并联一个小电容。启动器实际上起一个自动开关的作用。

镇流器。它是一个带铁心的电感线圈。它的作用是在荧光灯启动时产生一个较高的自感电动势去点燃灯管，灯管点燃后它有限制通过灯管的电流，是灯管两端维持较小的电压。如图2所示，在接通电源的瞬间，由于启动器 是断开的，荧光灯电路中并没有电流。电压全部加在启动器两级间，使两极间气体游离，产生辉光放电。此时两级发热，U形双金属片受热膨胀，与固定电极接触。这是电路构成闭合回路，于是电流通过灯丝使灯丝加热，为灯丝发射电子准备了条件。

    启动器两级接触时，两级电压就将为零，辉光放电立即停止。金属片冷却收缩，与固定电极断开。在断开的瞬间电路中电流忽然下降为零，于是在镇流器两端产生一个较高的自感电动势。它与电源电压一起加在灯管两端，是灯光内水银蒸气游离放电。放电发出的射线使管内壁的荧光粉发出可见光，此时启动器已经不再起作用了，电流直接通过灯管与镇流器构成闭合回路。镇流器起限流作用，是灯管两端电压能维持自身放电即可。

实验仪器：调压器一台，交流电压表、交流电流表和功率因数表各一台，灯光灯管、镇流器和启动器各一只。

实验内容及步骤：（1）按图3所示接线，检查无误后接通电源，调节调压器使其输出电压为220V，观察荧光灯启动过程。

（2）荧光灯正常工作后，开始测量数据。首先测出在不并联电容（C=0）的情况下感负载的电压U、电流I和功率P及，并记录在表格中。

（3）改变并联电容的值，测量功率P、电压U、电流I、Ic和的值，并记录在表格中。同时测量电源两端电压U=220V；荧光灯两端的电压Ur=100V‘镇流器两端的电压UL=45V。

实验图表：

数据分析：通过观察数据可以发现当没有并联电容和并联电容为C=1F时测量的与计算的相差较大。没并联电容时测量的为0.52而计算的值为0.49相差0.3,；并联电容1μF时测量的为0.6而计算的为0.58。

数据观察显示：随着电容C的不断增加功率因数不断增大，无功功率不断减小。

 

第二篇：实验3 日光灯电路与功率因数的提高研究

实验1.4  日光灯电路与功率因数的提高研究

一、实验目的

（1）了解日光灯的工作原理，学会安装日光灯电路。

（2）学习提高功率因数的方法，理解提高功率因数的实际意义。

（3）掌握交流电压表、电流表和功率表的使用方法。

二、实验设备及材料

通用电学实验台，单相交流调压器，交流电压表、交流电流表，功率表、日光灯套件（光管、镇流器、启辉器）、电容器若干和导线一批。

三、实验原理

1、日光灯工作原理

日光灯电路主要由灯管、镇流器、启辉器等三部分组成。

灯管是一根两端各装有灯丝和电极的密封园形玻璃管，内壁涂有一层均匀的荧光粉（卤磷酸钙）。管内抽成真空之后，注入少量惰性气体（如氩、氖气等）和少量水银，涂在灯丝上的金属氧化物（如氧化钡、氧化锶等）形成电极。当灯管预热后再在两极间加上一定电压，灯管就会点燃。镇流器实质上就是一个铁心线圈，用以限制通过灯管的电流，以及启动时与启辉器配合产生足够的瞬时高压（自感电动势），使灯管点燃。启辉器又称启动器，是一个小型辉光放电氖泡，内部装有的两个电极触片，一个是固定的静触片，一个是倒“U”形的可动触片，可动触片由两种膨胀系数相差较大的双金属片粘合一起制成。两触片之间并联有一小电容器，以避免启辉器两触头断开时产生火花烧坏触头，同时可防止灯管内部气体放电时产生的电磁波对无线电设备的干扰。

日光灯接线电路如图1.4.1所示。当接通电源时，灯管未被点亮而不导电，电源电压（220V）全部加在启辉器两端，此电压高于起辉电压（135V左右），启辉器的双金属片与静触片之间发生辉光放电。辉光放电产生的热量使双金属片伸展，动触片与静触片相碰，使触点闭合，接通由镇流器和灯管的两组灯丝构成的电路，灯丝预热并发射电子，发射出的电子促使灯管内的氩气分子游离，灯丝预热产生的热量使管子里的水银蒸发变成水银蒸气。

启辉器双金属片与静触片相碰使触点闭合的同时，氖泡内两电极间电压下降为零，辉光放电停止，双金属片开始冷却，渐向原位收缩，触点断开。在触点断开的一瞬间，原来接通的镇流器、灯丝回路变成断开状态，使镇流器线圈两端产生一个相当高的自感电动势。此电动势与电源电压共同加在灯管的两端，促使灯管里的水银蒸汽和氩气离子发生弧光放电。放电产生的紫外线散射到荧光粉上，发出一种近似日光的可见光。

灯管点燃后，镇流器起限制灯管电流的镇流作用，灯管两端电压只有120V左右(或更低,具体视实际情况而定)，此电压低于启辉器的起辉电压，因此启辉器不会发生辉光放电而再次启动，而是一直处于开路状态。

2、提高功率因数方法及其意义

在正弦交流电路中，无源二端网络吸收的有功功率：

                                                        (1-4-1)

式中：cosφ称为功率因数，φ是功率因数角，即负载的阻抗角。φ越大，功率因数越小。

实际电路中，作为动力的异步电动机是感性负载，功率因数一般为0.70~0.85。使用电感镇流器的日光灯电路的功率因数为0.3~0.5，感应加热装置的功率因数也小于1。

当电源电压、负载功率一定时，功率因数低，电源提供给功率除一部份是负载所需要的有功功率外，能量的另一部份作为无功功率贮存在负载中，这部份能量在电源与负载之间来回吞吐，不但会使输电线路的电流增大，引起线路损耗的增加，降低了输电效率，而且使发电设备的容量不能被充分利用。因此，提高用电负载的功率因数，对于降低电能损耗、提高电源设备的利用率和供电质量，具有重要的经济意义。

提高功率因数的常用方法就是与感性负载并联电容器。在保证感性负载获得的有功功率不变的情况下，减小与电源相接电路的阻抗角（即功率因数角），从而提高了功率因数。例如：电路初始感性负载（R与L串联）的功率因数角为φ₁，并联电容器C后的功率因数角为φ，并联到负载两端的电容器的值为：

                   。                        (1-4-2)

四、实验内容

1、日光灯电路的测量（验证性实验）

按如图1.4.2所示连接实验电路，开关K断开，不接入电容器。调节自耦变压器，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚刚起辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P、总电流I、总电压U、镇流器两端电压U_L及灯管两端电压U_A，将测量数据记入表1-4-1中，并根据测量数据完成相关计算（计算方法参考实验1.3交流参数测定）。

 

表1-4-1 日光灯电路工作参数测量数据记录

2、功率因数提高研究（研究性实验）

（1）调节自耦变压器，保持输出电压为220V。在日光灯电路并联接入不同容量的电容器（至少3~5个，有条件时适当增加），分别测量功率P、总电流I、通过镇流器电流I_L及电容器电流I_C，将测量数据记入表1-4-2中，并根据测量数据完成计算。

（2）根据实验测量数据分析，试验探索并联最佳补偿电容值。

表1-4-2 功率因数提高研究测量数据记录                              U=220V

实验注意事项：

①自耦变压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高。每次改接电路或实验完毕，都必须将其旋柄慢慢调回零位后再切断电源。

②日光灯启动电流较大，测量时应注意选择仪表的合适量程，以防止损坏仪表。

③日光灯电路要根据灯管功率选择与之相应规格的镇流器配套使用。

④安装日光灯线路时，不能将交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端。应注意把电源开关要安装在相线（即火线）上。

五、预习要求

1、学习交流电压表、电流表和功率表的使用方法。

2、了解日光灯工作原理，学习安装日光灯线路。

3、熟悉实验原理，了解实验内容，明确实验内容中相关计算的原理及方法。

六、实验报告与思考题

1、按实验内容整理记录数据，完成数据记录表格中的有关计算。

2、绘出日光灯电路的测量实验数据表1-4-1中日光灯正常工作时各电压、电流的相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。

3、根据功率因数提高研究实验测量数据分析，总结提高电路功率因数的方法。并联电容器是否越大越好？能否采用串联电容器的方法提高电路功率因数？

4、目前日光灯电路正逐步推广使用电子镇流器。查阅资料，了解电子镇流器结构。