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：功率测量及功率因数的提高

 实验报告

课程名称：___          指导老师：            成绩：______

实验名称：   实验类型：________________同组学生姓名：___

一、实验目的和要求（必填）                                       二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）                                          四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理                                              六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得                     

一、         实验目的和要求

1.了解用电系统中进行无功补偿的原因和意义;

2.熟悉荧光灯电路的组成、工作原理和连接，掌握并联电容进行无功补偿的原理；

3.通过实验了解功率因数提高的方法和意义；

4.探讨系统谐波对无功补偿的影响；

5.进一步学习测量数据的处理和曲线的绘制，了解有理经验公式的求取方法（多种方法都可）。

二、         实验内容和原理

1.  实验任务：

A.保持日光灯两端电压不变的条件下，测定线路总电流I、有功功率P与补偿电容C 的关系；

B.通过实验掌握功率表的使用；

C.了解功率因数提高的方法和意义；

D.进一步学习曲线的绘制，掌握有理经验公式的求取方法（多种方法都可）。

2.  实验原理：

A.、在正弦交流电路中，无源一端口网络吸收的有功功率并不等于UI，而是UICOSΨ，其中COSΨ称为负载的功率因数，Ψ是负载电压与电流的相位差，称为功率因数角。在电压相同的情况下，当线路传输一定的有功功率时，若功率因数角越小，则传输的电流越大，传输线路上的损耗也越大。负载功率因数越小，一方面不能充分利用电源容量，另一方面又在传输线路中增加了损耗，降低额传输效率。因此在工程上为了减少线路损耗，提高设备利用率，应尽量提高应用设备的功率因数。

B.、负载电压与电流的相位差的存在是因为负载中有电感或者电容元件的存在。日光灯中的镇流器是感性负载，功率因数较低，因此要提高负载的功率因数，可以采用在负载两端并联电容器的方法进行补偿，但补偿电容必须选择合理，不能太大，否则当负载呈现容性时，有可能功率因数反而降低。

C.、用以提高功率因数的并联电容数值较大时（如电解电容），其介质损耗将不能忽略，一般用于C并联的等效电导gC表示，其中g为电容器50HZ时单位电容的等效电导。

D.、本实验中所用的日光灯负载由日光灯管、镇流器（带铁心的电感线圈）和启辉器组成，是一个电阻与电感串联的电路。因此电源电压U、灯管电压UR、镇流器端电压UL之间应有U=√UR 2+ UL2   。

E、

 

 

三、   实验接线图

四、   主要仪器设备

        1、数字万用表

        2、电工综合实验台

        3、DG09荧光灯实验组件

五、   操作方法和实验步骤 

1.用万用表电阻档，检查日光灯管是否正常；

2.确认电源输出电压在0－220V可调，并调整为零;

3.连接线路，电容C暂时不接入电路，调节单相交流电源输出约180V，点亮日光灯后；

4.调节输出电压到220V，保持约10分钟，稳定后开始测量工作。记录电路中的相关电压、电流和有功功率；即无电容时, 电路相关数据；

5. 保持电压表两端电压不变, 并联补偿电容, 逐步增大电容C 的值, 记录接各电容时, 电路中的相关电压、2支路电流和有功功率;

6 . 切断电路时，需将电源电压调至零，然后再断开电源；

六、   实验结果与分析

（注意：步骤4中，笔者调节输出电压到218V，并未调到220V，数据和别组稍有不同，但数据结果无误。）

1、实验数据记录：

二、实验数据处理：

1、I-C曲线：

  

2、P-C曲线：

 

P-C经验公式为：

 

即是P=36.79429+0.3210398C；

  

3、COSΨ-C曲线：

  

COSΨ-C经验公式为：

 

即是COSΨ=0.40871543+0.20929709C-0.023092599C2 ；

4、I2-C曲线：

 

I2-C经验公式为：

 

即是I2=136396.17- 44457.765C+4914.3599C2；；

其中a=4914.3599；b=-44457.765；Ic02 = 136396.17；

5、上面已推出P=36.79429+0.3210398C（注意，其中C的单位为μF）；

   又因为P=gCxU2+Pc0 ；

   gU2 =0.3210398*106 =321039.8 ；

   求U的平均值：U=221.355V ；

   所以g=6.552（S）；

6、上面已推出COSΨ=0.40871543+0.20929709C-0.023092599C2 ；

根据公式可算出，当C=4.531μF时，COSΨ取最大值：COSΨ= 0.76；

所以拟合曲线求出的最佳补偿点为C=4.531μF ；

七、   讨论、心得

1、在日光灯启动及电容并联过程中，因暂态变换，故电流、电压比稳态时大，仪表量程要选择足够的余量；记录数据时，应改变合适的量程读取数据。

2、日光灯管是非线性器件，需要点亮数十分钟，在此期间可以观察电流、功率等数据会有缓慢变化，待数据显示趋于稳定后，再读取记录实验数据。

3.电容器C 并联接入电路，其数值从0 开始逐步增加，直到最大值8μF左右，增加的步长应根据功率因数的变化进行调整，最大不应超过1μF，实验过程中可根据电流表的示数变化来判断。在功率因数较高（即电流值小）的时候，需要多取测量数据点；

4.最佳补偿点的估算；无电容时

  P=UICOSΨ  C=PTANΨ/WU2

 无电容时，U=220.1V；I=366MA；P=36.49W；COSΨ=0.46；F=50HZ,W=314RAD/S;

所以最佳补偿点（无电容时），C=36.49*TAN(arcCOS0.46)/(314*220.12)=4.63μF；

5.因电容不连续可调，故最佳补偿点可能测不到；

6.电容实际值需测量;