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。                                   

第二篇：功率因数

功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 编辑本段要求

(1) 最基本分析

拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。(使用了70个单位的有功功率，你付的就是70个单位的消耗)在这个例子中，功率因数是0.7 (如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。

(2) 基本分析

每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫kw)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。

(3) 高级分析

在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。 编辑本段对于功率因数改善

电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见，例如：变频器就是容性的，在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数。 编辑本段三者关系

也就是因为这个电感性的存在，造成了系统里的一个KVAR值，三者之间是一个三角函数的关系：

〖K_va〗^2=〖K_w〗^2+〖K_var〗^2 一种有源功率因数校正电路

简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。目前就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9时需要接受处罚。 编辑本段好处

供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端 1

有什么好处呢？

① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。

② 藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。

③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。 举例而言，将1000KVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：

补偿前：1000×0.8=800KW

补偿后：1000×0.98=980KW

同样一台1000KVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180KW的负载。 ④ 减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。 此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。

并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。

谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。 谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。

因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除了电容器端需要串联适宜的调谐（detuned）电抗外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。 编辑本段改善电能质量的理由

为什么说提高用户的功率因数可以改善电压质量？

电力系统向用户供电的电压，是随着线路所输送的有功功率和无功功率变化而变化的。当线路输送一定数量的有功功率时，如输送的无功功率越多，线路的电压损失越大。即送至用户端的电压就越低。如果110KV以下的线路，其电压损失可近似为：△U=(PR+QX)/Ue 其中：△U－线路的电压损失，KV

Ue－－线路的额定电压，KV

P－－线路输送的有功功率，KW

Q－－线路输送的无功功率，KVAR

R—线路电阻，欧姆

X－－线路电抗，欧姆

由上式可见，当用户功率因数提高以后，它向电力系统吸取的无功功率就要减少，因此电压损失也要减少，从而改善了用户的电压质量。

在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COSΦ表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。

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