實(shí)驗(yàn)4.7 日光燈電路與功率因數(shù)的提高4.7.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉日光燈的接線方法。2掌握在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器以提高電路功率因數(shù)的原理。圖4-7-1 相線u1中性線RRL,L380V1電容器組I* IU*UW4.7.2實(shí)驗(yàn)任務(wù)4.7.2.1基本實(shí)驗(yàn)1完成因無補(bǔ)償電容和不同的補(bǔ)償電容時(shí)電路中相關(guān)支路的電壓、電流以及電路的功率、功率因數(shù)的測(cè)量和電路的總功率因數(shù)曲線cos=f(C)的測(cè)量。并測(cè)出將電路的總功率因數(shù)提高到最大值時(shí)所需補(bǔ)償電容器的電容值。(日光燈燈管額定電壓為220V，額定功率30W。)2完成圖4-7-1所示點(diǎn)亮日光燈時(shí)所需電壓U點(diǎn)亮和日光燈熄滅時(shí)電壓U熄滅的測(cè)量。3定量畫出電路的相量圖。完成鎮(zhèn)流器的等效參數(shù)RL、L的計(jì)算。4.7.2.2擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)保持U=220V不變，當(dāng)電路并聯(lián)最佳電容器后使得總功率因數(shù)達(dá)到最大時(shí)，在電容器組兩端并入20W燈泡，通過并入燈泡的個(gè)數(shù)，使得總電流I與無并聯(lián)電容時(shí)的I值大致相同，記錄此時(shí)I、IC、IL、P以及流入燈泡的電流值。4.7.3實(shí)驗(yàn)設(shè)備1三相自耦調(diào)壓器一套2. 燈管一套3鎮(zhèn)流器一只4. 起輝器一只5. 單相智能型數(shù)字功率表一只6. 電容器組/500V一套 7. 電流插座三付 8. 粗導(dǎo)線電流插頭一付9. 交流電壓表(0500V) 或數(shù)字萬用表一只10交流電流表(05A)一只11粗導(dǎo)線若干圖4-7-2 日光燈電路圖 220V燈管鎮(zhèn)流器RL、L啟輝器4.7.4 實(shí)驗(yàn)原理1日光燈電路組成日光燈電路主要有燈管、啟輝器和鎮(zhèn)流器組成。聯(lián)接關(guān)系如圖4-7-2所示。2日光燈工作原理接通電源后，啟輝器內(nèi)固定電極、可動(dòng)電極間的氖氣發(fā)生輝光放電，使可動(dòng)電極的雙金屬片因受熱膨脹而與固定電極接觸，內(nèi)壁涂有熒光粉的真空燈管里的燈絲預(yù)熱并發(fā)射電子。啟輝器接通后輝光放電停止，雙金屬片冷縮與固定電極斷開，此時(shí)鎮(zhèn)流器將感應(yīng)出瞬時(shí)高電壓加于燈管兩端，使燈管內(nèi)的惰性氣體電離而引起弧光放電，產(chǎn)生大量紫外線，燈管內(nèi)壁的熒光粉吸收紫外線后，輻射出可見光，發(fā)光后日光燈兩端電壓急劇下降，下降到一定值，如40W日光燈下降到110V左右開始穩(wěn)定工作。啟輝器因在110V電壓下無法接通工作而斷開。啟輝器在電路啟動(dòng)過程中相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)動(dòng)開關(guān)。電源電壓日光燈支路電流補(bǔ)償后電路總電流電容支路電流補(bǔ)償前電路的電壓與電流間相位角補(bǔ)償后電路的電壓與電流間相位角當(dāng)日光燈正常工作后，可看成由日光燈管和鎮(zhèn)流器串聯(lián)的電路，電源電壓按比例分配。鎮(zhèn)流器對(duì)燈管起分壓和限流作用。燈管相當(dāng)于一個(gè)電阻元件，而鎮(zhèn)流器是一個(gè)具有鐵心的電感線圈，但它不是純電感，我們可把它看成一個(gè)RL、L串聯(lián)的感性負(fù)載，電流為。設(shè)日光燈電路兩端電壓的相位超前于日光燈電路電流相位角，則日光燈電路的功率因數(shù)為cos。如圖4-7-3所示。圖4-7-3 提高電路功率因數(shù)的相量圖 3提高功率因數(shù)的目的為了減少電能浪費(fèi)，提高電路的傳輸效率和電源的利用率，須提高電源的功率因數(shù)。提高感性負(fù)載功率因數(shù)的方法之一，就是在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電容，以供給感性負(fù)載所需的部分無功功率。并聯(lián)電容器后，電路兩端的電壓與總電流()的相位差為，相應(yīng)的向量圖如圖4-7-3所示。由圖可見，補(bǔ)償后的coscos，即功率因數(shù)得到了提高。由圖4-7-3可得IC=ILsin-Isin=sin- sin=(tan-tan)又因 IC=UC所以 UC=(tan-tan)由此得出補(bǔ)償電容C的大小可按下式計(jì)算： （4-7-1）4-7-1式中 P有功功率（W）；電角度(rad/s)，=2f (f=50Hz)。4在日光燈實(shí)驗(yàn)中，由于燈管內(nèi)的氣體放電電流不是正弦波，且在一周期內(nèi)形成不連續(xù)的兩次放電。所測(cè)量的有功功率應(yīng)是50Hz基波電流與同頻率的電源電壓的乘積。所以在正弦波的電壓與非正弦波的電流的電路中，因高次諧波電流的存在，功率因數(shù)只能小于1，而不能達(dá)到1。所以我們可利用式4-7-1來計(jì)算理論上cos=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電容值。4過補(bǔ)償現(xiàn)象。從圖4-7-3看出，隨著并聯(lián)電容不斷地增加，電容電流IC也隨之增大，使得|逐漸變小，過0后，又逐漸變大，此后電容越大，功率因數(shù)反而下降，此現(xiàn)象就稱為過補(bǔ)償。在過補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)中由感性轉(zhuǎn)變?yōu)槿菪?。出現(xiàn)容性的無功電流，不僅達(dá)不到補(bǔ)償?shù)念A(yù)期效果，反而會(huì)使配電線路各項(xiàng)損耗增加，在工程應(yīng)用中，應(yīng)避免過補(bǔ)償。4.7.5 預(yù)習(xí)提示1日光燈電路的工作原理是怎樣的？2日光燈電路的性質(zhì)是阻性、感性還是容性？3為什么要提高電路的功率因數(shù)？4怎樣根據(jù)實(shí)測(cè)值來計(jì)算當(dāng)cos=1時(shí)，補(bǔ)償電容C的值？5忽略電網(wǎng)電壓波動(dòng)，當(dāng)改變電容時(shí)，功率表的讀數(shù)和日光燈支路的電流IL是否變化？請(qǐng)分別說明原因。4.7.6 實(shí)驗(yàn)步驟1檢測(cè)功率表和日光燈熔斷器的通斷情況。用萬用表的二極管檔，判斷單相交流功率表（以下簡(jiǎn)稱功率表）的電流線圈中的熔斷器以及燈管的熔斷器導(dǎo)通情況。2按圖4-7-1所示電路聯(lián)接線路。將功率表標(biāo)有“I*”的電流線圈與標(biāo)有“U*”電壓線圈同名端短接，并與三相自耦調(diào)壓器的輸出端某個(gè)相線相聯(lián)。按照先串聯(lián)回路聯(lián)接，后并聯(lián)回路聯(lián)接的原則接線, 將標(biāo)有“U”電壓線圈與中性線N相聯(lián)。（有功功率的概念及功率表的使用說明參見實(shí)驗(yàn)4.6電感線圈參數(shù)測(cè)量）。并將燈管、啟輝器、鎮(zhèn)流器和電容器組按圖接入電路。將各電容器組的開關(guān)斷開。3完成因無補(bǔ)償電容和不同的補(bǔ)償電容時(shí)電路的電壓、電流以及電路的功率、功率因數(shù)的測(cè)量和電路的總功率因數(shù)曲線cos=f(C)的測(cè)量。并測(cè)出將電路的總功率因數(shù)提高到最大值時(shí)所需補(bǔ)償電容器的電容值。(日光燈額定電壓為220V，額定功率30W)（1）按“開機(jī)操作”程序進(jìn)行操作。檢查線路無誤后，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三相自耦調(diào)壓器同軸旋鈕，將三相自耦調(diào)壓器的輸出電壓調(diào)高至交流電壓表有效值示數(shù)為日光燈額定電壓220V。保持三相自耦調(diào)壓器輸出電壓220V不變，通過開關(guān)控制接入不同的電容，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)并記錄于表4-7-1中。注意：在接入不同的電容時(shí)，隨著總功率因數(shù)變化，不要遺漏電路的總功率因數(shù)提高到最大值時(shí)所需補(bǔ)償電容器的電容值的測(cè)量。（2）將三相自耦調(diào)壓器調(diào)至零。表4-7-1提高感性負(fù)載電路的功率因數(shù)測(cè)試C/FU/VUR/VUL/VI/AIL/AIC/AP/Wcos電路性質(zhì)022012.23.24.75.76.97.98.99.410.4U點(diǎn)亮= VU熄滅= V4完成圖4-7-1所示點(diǎn)亮日光燈時(shí)所需電壓U點(diǎn)亮和日光燈熄滅時(shí)電壓U熄滅的測(cè)量。（1）斷開所有的電容開關(guān)。緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三相自耦調(diào)壓器，當(dāng)調(diào)至日光燈管剛剛點(diǎn)亮?xí)r，停止調(diào)壓。用交流電壓表測(cè)量此時(shí)調(diào)壓器輸出電壓有效值，該電壓即為日光燈的最低啟輝電壓U點(diǎn)亮。將該數(shù)據(jù)記錄于表4-7-1中。（2）繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)三相自耦調(diào)壓器同軸旋鈕，將其輸出電壓調(diào)高至交流電壓表有效值示數(shù)為220V。然后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三相自耦調(diào)壓器同軸旋鈕，降低其輸出電壓，當(dāng)調(diào)至日光燈管剛剛熄滅時(shí)，停止調(diào)壓，用交流電壓表測(cè)量此時(shí)三相自耦調(diào)壓器的輸出電壓有效值，記錄于表4-7-1中。（3）將三相自耦調(diào)壓器調(diào)至零，并按下紅色“停止”按鈕，紅燈亮，綠燈滅。拆除線路。將鑰匙式總開關(guān)置于“關(guān)”位置,此時(shí)紅色按鈕滅。實(shí)驗(yàn)結(jié)束。畫出cos=f(C)曲線。（注意繪制cos=f(C)曲線時(shí)，由于受裝置的限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)不到cos=1，但仍需將cos=1的這點(diǎn)虛擬畫出。）（4）參考實(shí)驗(yàn)4.5簡(jiǎn)單交流電路等效參數(shù)R1、L1的計(jì)算法，完成鎮(zhèn)流器的等效參數(shù)RL、L值的計(jì)算。5. 實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)：（1）線路接線正確，但日光燈不能啟輝時(shí)，應(yīng)檢查啟輝器接觸是否良好。（2）在接入不同的電容時(shí)，不要遺漏電路的總功率因數(shù)提高到最大值時(shí)所需補(bǔ)償電容器的電容值的測(cè)量。（3）本實(shí)驗(yàn)是強(qiáng)電實(shí)驗(yàn)，務(wù)必注意用電和人身安全。供電電源從相線和零線引出。每一次實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試完畢后，在三相自耦調(diào)壓器調(diào)至零的前提下方可斷開電源開關(guān)，然后進(jìn)行拆線或接線。4.7.7 報(bào)告要求1. 畫出實(shí)驗(yàn)電路與表格，簡(jiǎn)要寫出電路原理和實(shí)驗(yàn)步驟。2完成任務(wù)1中日光燈在額定電壓下，電容從010.4F之間變化時(shí)表4-7-1實(shí)測(cè)記錄和總功率因數(shù)提高到最大值(cosmax)時(shí)所需補(bǔ)償電容器的電容值的實(shí)測(cè)記錄。3完成任務(wù)2的日光燈的最低啟輝電壓U點(diǎn)亮和熄滅時(shí)電壓U熄滅的記錄。4. 根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，畫出cos=f(C)曲線。由于受裝置的限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)不到cos=1，在根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制cos=f(C)曲線時(shí)，仍需將cos=1的這點(diǎn)虛擬畫出。將相關(guān)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入公式4-7-1，計(jì)算cos=1時(shí)補(bǔ)償電容的理論值。并將cos=1時(shí)補(bǔ)償電容的理論值與cos=f(C)曲線cos=1的虛擬點(diǎn)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電容值進(jìn)行誤差計(jì)算。5定量畫出電路的相量圖。6完成任務(wù)3鎮(zhèn)流器的等效參數(shù)RL、L的計(jì)算。7根據(jù)測(cè)試結(jié)果，得出日光燈電路并聯(lián)電容前后，功率因數(shù)變化的特點(diǎn)。8根據(jù)4.7.2.2的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，測(cè)出總功率因數(shù)達(dá)到最大時(shí)，且總電流I與無并聯(lián)電容時(shí)的I值大致相同時(shí)的I、IC、IL、P以及流入燈泡的電流值。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，總結(jié)提高功率因數(shù)，從而提高電源利用率的結(jié)論。9完成思考題。4.7.8 思考題1并聯(lián)電容器后，提高了電路的總功率因數(shù)，而日光燈本身的功率因數(shù)是否也改變？為什么？2. 給感性負(fù)載串聯(lián)適當(dāng)容量的電容值也能改變總電壓與電流的相位差，從而提高電路的功率因數(shù)，但一般不采用這種方法，為什么？3如果電路不接鎮(zhèn)流器，直接將220V電壓接在日光燈燈管上，試說出實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，并分析原