日光灯电路的安装与功率因数的提高

1．实验目的

    （1）了解荧光灯的工作原理，学习荧光灯的安装方法。

    （2）掌握提高功率因数的方法，理解提高功率因数的意义。

    （3）熟悉交流仪表的使用方法。

2．实验原理

    （1）日光灯电路的组成

     电路由日光灯管、镇流器、启辉器组成，原理电路图如图1所示。

    

             图1：日光灯电路图                                   图2 启辉器结构

    1）荧光灯管  荧光灯管是一支细长的玻璃管，其内壁涂有一层荧光粉薄膜，在荧光灯管的两端装有钨丝，钨丝上涂有受热后易发射电子的氧化物。荧光灯管内抽成真空后，充有一定量的惰性气体和少量的汞气（水银蒸汽）。惰性气体有利于荧光灯的启动，并延长灯管的使用寿命；水银蒸汽作为主要的导电材料，在放电时产生紫外线激发荧光灯管内壁的荧光粉转换为可见光。

    2）启辉器  启辉器主要由辉光放电管和电容器组成，其内部结构如图9.18所示。其中辉光放电管内部的倒U形双金属片（动触片）是由两种热膨胀系数不同的金属片组成；通常情况下，动触片和静触片是分开的；小容量的电容器，可以防止启辉器动、静触片断开时产生的火花烧坏触片。

    3）镇流器  镇流器是一个带有铁心的电感线圈。它与启辉器配合产生瞬间高电压使荧光灯管导通，激发荧光粉发光，还可以限制和稳定电路的工作电流。

（2）荧光灯的工作原理

    如图1和2所示，在荧光灯电路接通电源后，电源电压全部加在启辉器两端，从而使辉光放电管内部的动触片与静触片之间产生辉光放电，辉光放电产生的热量使动触片受热膨胀趋向伸直，与静触片接通。于是，荧光灯管两端的灯丝、辉光放电管内部的触片、镇流器构成一个回路。灯丝因通过电流而发热，从而使灯丝上的氧化物发射电子。与此同时，辉光放电管内部的动触片与静触片接通时，触片间电压为零，辉光放电立即停止，动触片冷却收缩而脱离静触片，导致镇流器中的电流突然减小为零。于是，镇流器产生的自感电动势与电源电压串联叠加于灯管两端，迫使灯管内惰性气体分子电离而产生弧光放电，荧光灯管内温度逐渐升高，水银蒸汽游离，并猛烈地撞击惰性气体分子而放电，同时辐射出不可见的紫外线激发灯管内壁的荧光粉而发出近似荧光的可见光。荧光灯管发光后，其两端的电压不足以使启辉器辉光放电，这时，交流电源、镇流器与荧光灯管串联构成一个电流通路，从而保证荧光灯的正常工作。

（3）并联电容提高功率因数

 如图3（1）所示, 用标有R 和L 的电感线圈来表示日光灯电路。并联电容器后，画出此电路的向量图，如图3（2）所示。

                   （1）                                  （2）                       

图3：日光灯功率因数提高的示意图和相量图

通过两个图, 我们发现：并联电容器以后，电感性负载的电流，而功率因数均没有发生变化，这是因为所加电压和负载参数没有改变，但是电压U和电路中总电流I之间的相位差φ₂变小了，既cosφ₂变大了。这里我们所说的提高功率因数，是指提高电源或电网的功率因数，而具体负载的功率因数未发生任何变化。并联电容器以后提高了电源的带负载能力, 充分发挥其供电能力。

同样，我们通过相量图可以发现，并联电容以后电路的电流减少了，因而减少了功率损耗。值得注意的是，并联电容以后，有功功率未变，即：。同时电容不消耗电能的，能量的互换主要体现在电感性负载和电容器之间。

    显然，荧光灯电路属于感性负载，其功率因数很低，为了提高荧光灯电路的功率因数，一般可在它的两端并联一定容量的电容器。

3．实验内容与步骤

    （1）整流器线圈参数的测量

    1．按图4所示的电路接线，用电压表、电流表、功率表三个表测量日光灯和镇流器线圈总的电阻R和镇流器电感L。

图4 镇流器参数内阻R和电感L的测量

2．经教师检查后，合上电源开关。调节调压器，使电压输出220V，读取电流表和功率表的读数，作记录，记入表1中。

表1：整流器线圈参数的测量

（2）日光灯电路的安装

    1）按图5所示的电路接线。经教师检查后，合上电源，调节调压器，使其输出电压从零开始慢慢增大，观察日光灯的启动过程。

图5 日光灯安装电路图

    2）将调压器的输出电压调至220V，使日光灯正常工作后，测量各电流、电压及功率值记入表2中。测量荧光灯电路的功率P；用交流电压表分别测量荧光灯电路电压U（电源电压）、灯管两端电压U_CD；镇流器电压U_BC，并计算灯管电阻R、镇流器电阻R_L、镇流器电感L。

表2：日光灯安装的数据记录表格

（3）荧光灯电路功率因数的提高

    1）按照图6所示电路连接实验电路。

图6 日光灯功率因素提高示意图

2）闭合电容开关S2，闭合电源开关S1，改变并联电容的数值，分别测量荧光灯电路总电流I、荧光灯电路I_L、电容电流I_C，并计算电路对应的功率因数。

4．注意事项

    （1）实验过程中必须注意人身安全和设备安全。

    （2）注意荧光灯电路的正确接线，镇流器必须与灯管串联。

    （3）镇流器的功率必须与灯管的功率一致。

    （4）荧光灯的启动电流较大，启动时用单刀开关将功率表的电流线圈和电流表短路，防止仪表损坏，操作时注意安全。

    （5）保证安装质量，注意安装工艺。

5．实验报告

    按规定要求完成实验报告，并回答以下问题：

    （1）荧光灯电路的基本原理。

    （2）实验中启辉器损坏时，如何点亮荧光灯？

    （3）若荧光灯电路在正常电压作用下不能起辉，如何用万用表找出故障部位？试写出简捷步骤。

   （4）本实验中并联电容器后是不是提高了荧光灯的功率因数？并联的电容器容量越大，是否功率因数越高？为什么？

第二篇：功率因数

功率因数: 在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S

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。

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

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。

　　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。

　　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。