实验六日光灯电路及功率因数的提高 实验目的 1.验证单相交流电路中的电流、电压和功率关系的理论 2.了解日光灯电路的组成,工作原理和安装方法 3.了解用电容器改善功率因数的方法和意义 4.学习功率表的使用方法 二、实验原理 电力系统中的负载大部分是感性负载,其功率因数较低,为提高电源的利用率和减少供电 线路的损耗,往往采用在感性负载两端并联电容器的方法,来进行无功补偿,以提高线路的功 率因数。日光灯电路为感性负载,其功率因数一般在0.3~0.4左右,在本实验中,利用日光灯 电路来模拟实际的感性负载观察交流电路的各种现象 +c kI a 器 URi S灯 启辉器 图6-1日光灯电路 图6-2日光灯等效电路 图6-3启辉器的结构 1.日光灯的工作原理 如图6-1所示,日光灯电路由荧光灯管、镇流器和启辉器三部分组成 (1)灯管:日光灯管是一根玻璃管,它的内壁均匀地涂有一层薄薄的荧光粉,灯管两端各有一个 阳极和一根灯丝。灯丝由钨丝制成,其作用是发射电子。阳极是两根镍丝,焊在灯丝上,与灯 丝具有相同的电位,其主要作用是当它具有正电位时吸收部分电子,以减少电子对灯丝的撞 击。此外,它还具有帮助灯管点燃的作用。 灯管内还充有惰性气体(如氮气)与水银蒸汽。由于有水银蒸汽,当管内产生辉光放电时 就会放射紫外线。这些紫外线照射到荧光粉上就会发出可见光。 (2)镇流器:它是绕在硅钢片铁芯上的电感线圈,在电路上与灯管相串联。其作用为:在日光灯 启动时,产生足够的自感电势,使灯管内的气体放电:在日光灯正常工作时,限制灯管电流 不同功率的灯管应配以相应的镇流器。 (3)启辉器:它是一个小型的辉光管,管内充有惰性气体,并装有两个电极:一个是固定电极, 个是倒“U”形的可动电极,如图6-3所示。两电极上都焊接有触头。倒“U”形可动电极由 热膨胀系数不同的两种金属片制成 点燃过程:日光灯管、镇流器和启辉器的联接电路如图6-1所示。刚接通电源时,灯管内 气体尚未放电,电源电压全部加在启辉器上,使它产生辉光放电并发热,倒"U”形的金属片受热 膨胀,由于内层金属的热膨胀系数大,双金属片受热后趋于伸直,使金属片上的触点闭合,将 电路接通。电流通过灯管两端的灯丝,灯丝受热后发射电子,而当启辉器的触点闭合后,两电 极间的电压降为零,辉光放电停止,双金属片经冷却后恢复原来位置,两触点重新分开。为了 避免启辉器断开时产生火花,将触点烧毁,通常在两电极间并联一只极小的电容器 在双金属片冷却后触点断开瞬间,镇流器两端产生相当高的自感电势,这个自感电势与电 源电压一起加到灯管两端,使灯管发生弧光放电,弧光放电所放射的紫外线照射到灯管的荧光 粉上,就发出可见光 灯管点亮后,较高的电压降落在镇流器上,灯管电压只有100V左右,这个较低的电压不足 以使启辉器放电,因此,它的触点不能闭合。这时,日光灯电路因有镇流器的存在形成一个功 率因数很低的感性电路。日光灯电路的等效电路如图6-2所示。 2.日光灯电路原理分析 日光灯电路可以看成R、L串联的感性电路(见图6-2)。以电流土为参考相量,则电 压、电流关系为 U=Ur+UL+UR=I(r+jXL+RF IZ
实验六 日光灯电路及功率因数的提高 一、实验目的 1.验证单相交流电路中的电流、电压和功率关系的理论； 2.了解日光灯电路的组成，工作原理和安装方法； 3.了解用电容器改善功率因数的方法和意义； 4.学习功率表的使用方法。 二、实验原理 电力系统中的负载大部分是感性负载，其功率因数较低，为提高电源的利用率和减少供电 线路的损耗，往往采用在感性负载两端并联电容器的方法，来进行无功补偿，以提高线路的功 率因数。日光灯电路为感性负载，其功率因数一般在 0.3～0.4 左右，在本实验中，利用日光灯 电路来模拟实际的感性负载观察交流电路的各种现象。 1.日光灯的工作原理 如图 6-1 所示，日光灯电路由荧光灯管、镇流器和启辉器三部分组成： (1)灯管：日光灯管是一根玻璃管，它的内壁均匀地涂有一层薄薄的荧光粉，灯管两端各有一个 阳极和一根灯丝。灯丝由钨丝制成，其作用是发射电子。阳极是两根镍丝，焊在灯丝上，与灯 丝具有相同的电位，其主要作用是当它具有正电位时吸收部分电子，以减少电子对灯丝的撞 击。此外，它还具有帮助灯管点燃的作用。 灯管内还充有惰性气体(如氮气)与水银蒸汽。由于有水银蒸汽，当管内产生辉光放电时， 就会放射紫外线。这些紫外线照射到荧光粉上就会发出可见光。 (2)镇流器：它是绕在硅钢片铁芯上的电感线圈，在电路上与灯管相串联。其作用为：在日光灯 启动时，产生足够的自感电势，使灯管内的气体放电；在日光灯正常工作时，限制灯管电流。 不同功率的灯管应配以相应的镇流器。 (3)启辉器：它是一个小型的辉光管，管内充有惰性气体，并装有两个电极：一个是固定电极， 一个是倒“U”形的可动电极，如图 6-3 所示。两电极上都焊接有触头。倒“U”形可动电极由 热膨胀系数不同的两种金属片制成。 点燃过程：日光灯管、镇流器和启辉器的联接电路如图 6-1 所示。刚接通电源时，灯管内 气体尚未放电，电源电压全部加在启辉器上，使它产生辉光放电并发热，倒“U”形的金属片受热 膨胀，由于内层金属的热膨胀系数大，双金属片受热后趋于伸直，使金属片上的触点闭合，将 电路接通。电流通过灯管两端的灯丝，灯丝受热后发射电子，而当启辉器的触点闭合后，两电 极间的电压降为零，辉光放电停止，双金属片经冷却后恢复原来位置，两触点重新分开。为了 避免启辉器断开时产生火花，将触点烧毁，通常在两电极间并联一只极小的电容器。 在双金属片冷却后触点断开瞬间，镇流器两端产生相当高的自感电势，这个自感电势与电 源电压一起加到灯管两端，使灯管发生弧光放电，弧光放电所放射的紫外线照射到灯管的荧光 粉上，就发出可见光。 灯管点亮后，较高的电压降落在镇流器上，灯管电压只有 100V 左右，这个较低的电压不足 以使启辉器放电，因此，它的触点不能闭合。这时，日光灯电路因有镇流器的存在形成一个功 率因数很低的感性电路。日光灯电路的等效电路如图 6-2 所示。 2.日光灯电路原理分析 日光灯电路可以看成 R、L 串联的感性电路（见图 6-2）。以电流 İL 为参考相量，则电 压、电流关系为 U=Ur+UL+UR=İ(r+jXL+R)= İZ 图 6-3 启辉器的结构 U S - . 220V 灯 管 镇 流 器 启 辉 器 图 6-1 日光灯电路 + C U S - . 图 6-2 日光灯等效电路 C + I . . + - - + ULr UR . . + - - + r L Ur UL . R . . IL IC
其相量图如图6-4所示。 ULd: UL 图6-4日光灯电路相量图 图6-5提高功率因数相量图 3.功率因数的提高 如果负载功率因数低(日光灯电路的功率因数在03-04),一是电源利用率不高,二是供 电线路损耗加大,因此供电部门规定,当负载(或单位供电)的功率因数低于0.85时,必须对 其进行改善和提高。 提高功率因数的方法,除改善负载本身的工作状态、设计合理外,由于工业负载基本都是 感性负载,因此常用的方法是在负载两端并联电容器组(接线方法如图6-1),补偿无功功 率,以提高线路的功率因数。功率因数提高的原理如图6-5所示 三、实验内容与要求 根据实验室提供的实验设备完成以下实验内容的设计 1.设计一个日光灯的照明电路,测试电路中的各参量的数据,并记录在表3-1中。根据测量数 据了解交流电路中,各部分电压和电流之间的相量关系。要求有电流表的地方,全用电流 插孔盒联接 2在1内容基础上设计一个利用并联电容来提高功率因数的电路,记录各部分电流、电压和功 率测量结果的实验数据于表6-2中。电容变化范围为1~15μF,要求选择至少七个不同的电容 值来观察电路中各个物理量的变化,并与实验内容1的数据进行比较与分析,了解并联交流电 路中,电压和电流及各部分电压之间的相量关系 C=luF 3.在内容2基础上测量日光灯管、镇流器、电容器及整个电路的功率,设计实验方案,测试电 路中的各参量的数据,并记录在表3-3中 物理量 P 四、实验设备 实验室提供实验用单相交流电源电压为220V。 实验室可提供的设备见表6-4 设备与仪表名称规格与型号 日光灯管 220V,40W 1支 40W
其相量图如图 6-4 所示。 3.功率因数的提高 如果负载功率因数低（日光灯电路的功率因数在 0.3~0.4），一是电源利用率不高，二是供 电线路损耗加大，因此供电部门规定，当负载（或单位供电）的功率因数低于 0.85 时，必须对 其进行改善和提高。 提高功率因数的方法，除改善负载本身的工作状态、设计合理外，由于工业负载基本都是 感性负载，因此常用的方法是在负载两端并联电容器组（接线方法如图 6-1），补偿无功功 率，以提高线路的功率因数。功率因数提高的原理如图 6-5 所示。 三、实验内容与要求 根据实验室提供的实验设备完成以下实验内容的设计： 1. 设计一个日光灯的照明电路,测试电路中的各参量的数据，并记录在表 3-1 中。根据测量数 据了解交流电路中，各部分电压和电流之间的相量关系。要求有电流表的地方，全用电流 插孔盒联接。 表 6-1 物理量 U UR ULr I ILr IC P PLr PC 测 值 2.在 1 内容基础上设计一个利用并联电容来提高功率因数的电路，记录各部分电流、电压和功 率测量结果的实验数据于表 6-2 中。电容变化范围为 1～15μF，要求选择至少七个不同的电容 值来观察电路中各个物理量的变化，并与实验内容 1 的数据进行比较与分析，了解并联交流电 路中，电压和电流及各部分电压之间的相量关系。 表 6-2 U UR ULr I ILr IC P PLr PC 并 C 前 C=1F C=2F C=4F C= C= 3.在内容 2 基础上测量日光灯管、镇流器、电容器及整个电路的功率，设计实验方案，测试电 路中的各参量的数据，并记录在表 3-3 中。 表 6-3 物理量 P PLr PC PR 测 值 四、实验设备 实验室提供实验用单相交流电源电压为 220V。 实验室可提供的设备见表 6-4。 表 6-4 设备与仪表名称 规格与型号 数量 日光灯管 220V，40W 1 支 镇流器 40W 1 个 U . 图 6-4 日光灯电路相量图 . . UR . Ur ULr . . IL UL U 图 6-5 提高功率因数相量图 . . ILr . . IC I
匚启辉器 交流电流表 T51,0-500mA-1000mA 块 交流电压表 T51,0-600V D51,600V,1A 五、实验报告要求 实验题目、目的、内容(包括设计的实验电路和实验数据表格) 2.整理测试数据,填入各个表格中 3.回答思考题 六、注意事项 1.灯管一定要与镇流器串联后接到电源上,切勿将灯管直接接到220V电源上; 2.日光灯启动时,起动电流很大,为防止过大起动电流损坏电流表,电流表不能直接联接在电 路中。实验时,用电流插孔盒替代电流表接入电路:日光灯亮后,再接入电压表与电流表进行 测量。 3.测功率时分清功率表的电压线圈和电流线圈。电压线圈要并联在被测电路两端,而电流线圈 要接电流插头,测量时把插头插在被测功率的线路中串接的电流插孔盒中。 4.在做功率因数提高实验时,仔细观察电路总电流的变化规律,作好记录 七、思考题 把电容器与R-L电路并联可改善负载的功率因数,如果把电容器与R-L电路串联起来能否改 善负载功率因数?为什么?实际中能否采用?为什么? 2.在做功率因数提高实验时,随着电容器容量的不断增加,电路总电流的变化规律为由大变小 再变大,分析原因 3.由实验说明提高功率因数的意义 4.分析电路的功率平衡关系
启辉器 40W 1 个 电容器 1μF，2μF， 4 个 交流电流表 T51,0-500mA-1000mA 1 块 交流电压表 T51,0-600V 1 块 功率表 D51,600V,1A 1 块 五、实验报告要求 1.实验题目、目的、内容(包括设计的实验电路和实验数据表格)； 2.整理测试数据，填入各个表格中； 3.回答思考题。 六、注意事项 1.灯管一定要与镇流器串联后接到电源上，切勿将灯管直接接到 220V 电源上； 2.日光灯启动时，起动电流很大，为防止过大起动电流损坏电流表，电流表不能直接联接在电 路中。实验时，用电流插孔盒替代电流表接入电路；日光灯亮后，再接入电压表与电流表进行 测量。 3.测功率时分清功率表的电压线圈和电流线圈。电压线圈要并联在被测电路两端，而电流线圈 要接电流插头，测量时把插头插在被测功率的线路中串接的电流插孔盒中。 4.在做功率因数提高实验时，仔细观察电路总电流的变化规律，作好记录。 七、思考题 1.把电容器与 R-L 电路并联可改善负载的功率因数，如果把电容器与 R-L 电路串联起来能否改 善负载功率因数?为什么?实际中能否采用?为什么? 2.在做功率因数提高实验时，随着电容器容量的不断增加，电路总电流的变化规律为由大变小 再变大，分析原因。 3.由实验说明提高功率因数的意义。 4.分析电路的功率平衡关系