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？
第二篇：20xx 实验3 日光灯电路及功率因数的提高
日光灯电路及功率因数的提高
实验三 交流电路的研究
一、实验目的
1、学会使用交流数字仪表（电压表、电流表、功率表）和自耦调压器；
2、学习用交流数字仪表测量交流电路的电压、电流和功率；
3、学会用交流数字仪表测定交流电路参数的方法；
4、加深对阻抗、阻抗角及相位差等概念的理解。
5、研究提高感性负载功率因数的方法和意义；
二、实验原理
1、交流电路的电压、电流和功率的测量
正弦交流电路中各个元件的参数值，可以用交流电压表、交流电流表及功率表，分别测量出元件两端的电压U，流过该元件的电流I和它所消耗的功率P，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用来测量50Hz交流电路参数的基本方法。计算的基本公式为：
电阻元件的电阻：
或
电感元件的感抗
，电感
电容元件的容抗
，电容
串联电路复阻抗的模
，阻抗角
其中：等效电阻 
，等效电抗
在R、L、C串联电路中，各元件电压之间存在相位差，电源电压应等于各元件电压的相量和，而不能用它们的有效值直接相加。
电路功率用功率表测量，功率表（又称为瓦特表）是一种电动式仪表，其中电流线圈与负载串联，（具有两个电流线圈，可串联或并联，以便得到两个电流量程），而电压线圈与电源并联，电流线圈和电压线圈的同名端（标有*号端）必须连在一起，如图3-1所示。本实验使用数字式功率表，连接方法与电动式功率表相同，电压、电流量程分别选500V和3A。
2、提高感性负载功率因数的研究
供电系统由电源（发电机或变压器）通过输电线路向负载供电。负载通常有电阻负载，如白炽灯、电阻加热器等，也有电感性负载，如电动机、变压器、线圈等，一般情况下，这两种负载会同时存在。由于电感性负载有较大的感抗，因而功率因数较低。
若电源向负载传送的功率
，当功率P和供电电压U一定时，功率因数
越低，线路电流I就越大，从而增加了线路电压降和线路功率损耗,若线路总电阻为
，则线路电压降和线路功率损耗分别为
和
；另外，负载的功率因数越低，表明无功功率就越大，电源就必须用较大的容量和负载电感进行能量交换，电源向负载提供有功功率的能力就必然下降，从而降低了电源容量的利用率。因而，从提高供电系统的经济效益和供电质量，必须采取措施提高电感性负载的功率因数。
通常提高电感性负载功率因数的方法是在负载两端并联适当数量的电容器，使负载的总无功功率Q＝QL－QC减小，在传送的有功率功率P不变时，使得功率因数提高，线路电流减小。当并联电容器的QC＝QL时，总无功功率Q＝0，此时功率因数
＝1，线路电流I最小。若继续并联电容器，将导致功率因数下降，线路电流增大，这种现象称为过补偿。
负载功率因数可以用三表法测量电源电压U、负载电流I和功率P，用公式
计算。
本实验的电感性负载用铁心线圈，（日光灯镇流器）电源用220V交流电经自耦调压器调压供电。
三．实验设备
1．交流电压表、电流表、功率表（在控制屏）
2．自耦调压器（输出可调的交流电压）
3．NEEL—17（或EEL—52、EEL—55或MEEL—001、MEEL—02）—30W镇流器，630V/4.3μF电容器，电流插头，40W/220V白炽灯，30W日光灯
四．实验内容
1．测量日光灯电路
日光灯电路如图3-2所示，功率表的连接方法见图3-1，交流电源经自耦调压器调压后向负载日光灯供电。将电压U调到220V，测量日光灯管两端电压UR、镇流器电压URL和总电压U以及电流和功率，并记入自拟的数据表格中。
2．提高感性负载功率因数实验
按图3-2组成实验电路经指导老师检查后，按下按钮开关，调节自耦变压器的输出电压为220V，记录功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，接入电容，从小到大增加电容值，记录不同电容值时的功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，并记入表3-1中。实验中用电流取样插头测量三个支路的电流。在实验过程中，一直要保持负载电压U2等于210V，以便对实验数据进行比较。
注意：日光灯启动时电流较大（约0.6A），工作时电流约为0.37A，注意仪表量程选择。
表3-1提高感性负载功率因数实验数据
温馨提示：
电容电流IC与电容成正比 应改接用另一条线路测量电容电流；
总电流I从大到小然后从小到大变化；
功率因数cos
从小到大然后从大到小变化,,最大的功率因数对应最小的总电流。
特别强调：
交流电源应先接功率表、功率因数表,再接总电流表,然后到整流器和灯光。
自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上；调节时，应缓慢调节，使其输出电压从零开始逐渐升高，直至220V，；不能调得太快，导致电压超过日光灯额定电压，烧毁灯管。
换接电路前，应先将自耦调压器应缓慢调节到零，保证人身及设备安全。
做完实验后，应先将自耦调压器应缓慢调节到零，再折线，保持良好的用电道德。
五．实验注意事项
1．通常，功率表不单独使用，要有电压表和电流表监测，使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量程；
2．注意功率表的正确接线，上电前必须经指导教师检查；
3．自耦调压器在接通电源前，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。每次改接实验负载或实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。必须严格遵守这一安全操作规程。
六．预习与思考题
1．自拟实验所需的表格；
2．参阅课外资料，了解日光灯的电路连接和工作原理；
3．当日光灯上缺少启辉器时，人们常用一根导线将启辉器插座的两端短接一下，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？
4．了解功率表的连接方法；
5．了解自耦调压器的操作方法。
6．电感性的负载为什么功率因数较低？负载较低的功率因数对供电系统有何影响？为什么？
7．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？此时感性负载上的电流和功率是否改变？
8．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？
七．实验报告要求
1．根据实验1的数据，计算镇流器的参数（电阻R和电感L）；
2．根据实验2的数据，画出各个电压和电流的相量图，说明各个电压之间的关系。
3．根据实验2数据，计算出日光灯和并联不同电容器时的功率因数，并说明并联电容器对功率因数的影响。绘制出功率因数与所并电容的曲线，所并电容是否越大越好?
4．根据表3-1中的电流数据，说明 I＝IC＋IRL吗？为什么？
7．画出所有电流和电源电压的相量图，说明改变并联电容的大小时，相量图有何变化？
8．根据实验2数据，从减小线路电压降、线路功率损耗和充分利用电源容量两个方面说明提高功率因数的经济意义。
9．回答思考题6、7、8。