实验四改善功率因数实验

一﹑实验目的

1.掌握日光灯电路的工作原理机电路连接方法。

2.通过测量电路功率，进一步掌握功率表的使用方法。

3.掌握改善日光灯电路功率因数的方法。

二﹑原理说明

1.日光灯电路机工作原理

日光灯电路主要有日光灯管、镇流器、启辉器等元件组成，电路如图3-1所示。

文本框: 图3-1

灯管两端有灯丝，管内充有惰性气体（氩气或氪气）及少量水银，管壁涂有荧光粉。当管内产生弧光放电时，水银蒸汽受激发，辐射大量紫外线，管壁上的荧光粉在紫外线的激发下，辐射出接近日光的光线，日光灯的发光效率较白炽灯高一倍多，是目前应用最普遍的光源之一，日光灯产生弧光放电的条件，一是灯丝要预热并发射电子，二是灯管两端需要加一个较高的电压使管内气体击穿放电，通常的日光灯管本身不能直接接在220伏电源上使用。

启辉器有两个电极，一个是双金属片，另一个是固定片，二极之间并有一个小容量电容器。一定数值的电压加在启辉器两端时，启辉器产生辉光放电，双金属片因受热伸直，并与静片接触，而启辉器因动片与静片接触，放电停止，冷却且自动分开。

镇流器是一个带铁芯的电感线圈。

电源接通时，电压同时加到灯管两端和启辉器的两个电极上，对于灯管来说，因电压低不能放电；但对于启辉器，此电压则可以起辉、发热，并使双金属片伸直与静片接触。于是有电流流过镇流器、灯丝、和启辉器，这样灯丝得到预热并发射电子，经1-3秒后启辉器因双金属片冷却，使动片与静片分开。由于电路中的电流突然中断，便在镇流器两端产生一个瞬时高电压，此电压与电源叠加后加在灯管两端，将管内气体击穿而产生弧光放电。灯管点燃后，由于镇流器的作用，灯管两端的电压比电源电压低很多，一般在50~100V。此电压已不足以使启辉器放电，故双金属片不会再与静片闭合。启辉器在电路中的作用相当于一个自动开关。镇流器在灯管启动时产生的高压，有启动前预热灯丝及启动后灯管工作时的限流作用。

日光灯电路实质上是一个电阻与电感串联电路。当然，镇流器本身并不是一个纯电感，二是一个电感和等效电阻相串联的元件。

2.功率因数的提高

在正弦交流电路中，只有春电阻电路，平均功率P和视在功率S是相等的。只有电路中含有电抗元件并在非谐振状态。平均功率总是小于视在功率。平均功率与视在功率之比称为功率因数，即

可见功率因数是电路阻抗角φ的余弦值，并且电路中的阻抗角越大，功率因数越低；反之，电路阻抗角越小，功率因数越高。

功率因数的高低反映了电源容量被充分利用的情况。负载的功率因数低，会使电源容量不能充分利用；同时，无功电流在输电线路中造成损耗，影响整个输电网的效率。因此，提高功率因数成为电力系统需要解决的重要课题。

实际应用电路中，负载多为感性负载，所以提高功率因数通常用电容补偿法，即在负载两端并联补偿电容。当电容器的电容量选择合适时，可将功率因数提高到1.

日光灯电路中，灯管与一个带有铁芯的电感串联，由于电感量较大，整个电路的功率因数是比较低的，为了提高功率因数，我们可以在灯管与镇流器串联后的两端并联电容器实现。

三、实验内容及步骤

1.在实验台中选择镇流器与开关、启辉器与熔断器、电流测量插口，并联电容器组（或动态电路板中的4μF电容器）等单元板及实验台顶部的日光灯管连接成图3-2所示电路。

文本框: 图3-2 2.闭合开关S，此时日光灯应亮，如用并联电容器组完成本实验，则从0起逐步增大电容量，分别测量总电流I，灯管电流I_D,电容器电流I_C,功率P。将数值填入表3-1

四、实验设备

1.日光灯管、座一套40W（实验台顶部）；

2.镇流器、开关单元板（TS-B-19）一块；

3.熔断器、启辉器单元板（TS-B-20）一块；

4.电容器组板（TS-B-21）一块

5.交流电流表（TS-B-04）一块

6.交流电压表（TS-B-06）一块

7.功率表一块

8.导线若干

五、实验报告

1.根据表3-1中的数据，在坐标纸上绘出I_D = f ( C )。I_C = f ( C )。I= f ( C )。

COSφ = f ( C ) 等曲线。

2.从测量数据中，求出日光灯等效电阻。镇流器等效电阻，镇流器电感。

3.回答以下问题：

（1）U_L 和U_D 的代数和为什么大于U?

(2)并联电容器后，总功率P是否变化？为什么？

（3）为什么并联电容器后总电流会减少？绘相量图说明。

附：功率的测量与功率表的使用

测量电路功率的功率表一般是电动式仪表。

电动式功率表即可测量直流功率，也可以用来测量交流功率（有用功率）。直流电路中的规律可以用测量的直流电流和直流电压的乘积求得，而交流电路的功率一般要用功率表进行测量。

使用功率表应根据功率表上所标明的电压、电流限量，将电流线圈（固定线圈）串联在被测电路中，电压线圈（可动线圈）并联在被测电路的两端。为了减少测量误差，对于高阻抗负载，应按图1接线，功率表的电压线圈所反映的电压值包括了负载的电压和功率表电流线圈的电压。功率的读数中除了负载功率之外，还包含有仪器本身电流的功率损耗。对于低阻抗负载，应按图2接线，功率表电流线圈中的电流，包括了负载之外，还包含仪表本身电压线圈的功率损耗。

一般有功率表本身损耗引起的测量误差是跟小的，但在测量小功率和要求精确测量时，选择合适的接线方式是很重要的。

功率表本身有两个电流限量，两个或多个电压限量，以适应测量不同负载功率的需要。表内有两个完全相同的电流线圈（定圈）。其接线端分别引出带表面上，可通过金属片将两个电流线圈串联过并联（如图3所示），并联时允许通过的电流是串联的两倍。电压线圈通过串联不同的附加电阻以扩大电压量程，（如图4所示）其中有“*”号为公共端。

图5为具有三个电压量限，两个电流量限的瓦特表的接线图。在图中，两个电流线圈互相串联，所使用的电压量限为300伏。应注意的是，电压和电流线圈的起端（标有*号）要接在同一条电源线上。

图5

瓦特表的满刻度值是根据仪表的额定电压Um额定电流Im额定功率因数COSφ这三个常数计算出来的。如果使用瓦特表时，电压选为300伏，电流限量为2.5安，则Um= 300伏。Im=2.5安。设瓦特表的额定功率因数（标在刻度盘下方）COSφ=0.2,于是，满刻度所代表的电功率=UmImCOSφ=3002.50.2=150瓦特。

瓦特表中部靠右边开关2，在正常情况下应位于“+”处，如遇瓦特表反向偏转（在用二瓦特表法测三相电路功率时会遇到此现象）时，就将开关转到“-”处，瓦特表就会向正偏转了。

第二篇：改善功率因数的实验(华电版)

华北电力大学

实验报告

实验名称： 改善功率因数的实验

课程名称： 电路实验

专业班级：

学生姓名：

学号：

成绩：

指导教师：

实验日期：2012.11.12

一、实验目的

1. 了解负载性质及变化对功率因数的影响。

2. 研究感性负载两端并联电容对改善功率因数的作用，理解改善功率因数的意义。

二、预习思考题

1. 在电感电路中，如何用实验方法寻找电路的最大功率因数？

答：并联电容，当线电流最大时功率因数最大。

2. 并联电容后，电路中哪些参数不变？哪些参数发生变化、如何变化？

答：并接电容后有功功率是不会变化的，变化的是无功功率和视在功率。

3. 为什么采用并联电容的方法提高功率因数，而不是串联法？所并电容是不是越大越好？

答：我们所用的电源都是定电压电源，而用电设备也是定电压设备，采用并联补偿并不影响原负载电压，而采用串联补偿不能保证任何时候负载两端电压为其额定电压！其次，若采用串联补偿，可能会引起电路谐振，而造成用电设备过电压导致烧毁设备。所以，只能采用并联补偿。

不是,补偿电容量选用适中，功率因数接近1时，线路输送(无功)电流降低，线损耗减小，若补偿电容量过大时，无功电流倒供电网，线路(无功)电流增大，线损耗增大。

三、所用仪器、设备

四、实验原理

1. 感性负载及功率因数

一般在电力系统中，总希望负载能够尽可能运行在较高的功率因数下。实际中，往往通过在感性负载两端并联电容的方法来适当提高功率因数。本实验呢以灯管、镇流器和启辉器组成的日光灯电路作为负载，由于镇流器是一带铁心的绕组，因此整个电路时感性负载，其功率因数较低，一般在0.5一下。

2. 日光灯工作原理

日光灯的镇流器在启动时产生高电压以电离灯管内气体使日光灯导通，而在正常工作时又能限制灯管的电流。启辉器相当于一个自动开关，其内部有两个电极，两电极间并联一个小容量电容器。启动过程中较低的电压加在启辉器两端，产生辉光放电，双金属片因放电而受热伸直，与固定片接触，之后停止放电，双金属片冷却复位，两电极分离。

日光灯电路开关接通或升高电压时，电压加在镇流器、灯丝电阻和启辉器上，灯管两端的电压不足以使其产生弧光放电。启辉器两电极间产生辉光放电，随后动片受热变形与固定片接触，辉光放电停止，动片冷却收缩复位，断开所接电路。由于此时回路突然断开，镇流器上产生较高的自感电压，高电压加在灯管两端，使管内产生弧光放电、激发荧光粉辐射出可见光。日光灯正常工作时，灯管两端的电压低于启辉器的动作电压，启辉器不再动作。

实际上，日光灯电路时电阻与电感的串联电路。

3. 在感性负载两端并联适当的电容可以提高整个电路的功率因数，如下图：