日光灯功率因数的提高实验报告

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。


图3-1 日光灯电路 图3-2 日光灯等效电路
1.日光灯的工作原理
如图3-1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3-3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3-1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3-2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3-2）。以电流?L为参考相量，则电压、电流关系为

其相量图如图3-4所示。


图3-4 日光灯电路相量图 图3-5 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3-1），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3-5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。

物理量

  U

  U_R

  U_Lr

   I

  I_Lr

  I_C

  P

  P_Lr

  P_C

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3-2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3-2

 

  U

  U_R

  U_Lr

   I

  I_Lr

  I_C

  P

  P_Lr

  P_C

并C前

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C=1mF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C=2mF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C=4mF

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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3-3

物理量

P

P_Lr

P_C

P_R

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3-4。
表3-4

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

  启辉器

40W

 1个

  电容器

1μF，2μF，4μF，8μF

 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。功率表的具体使用方法详见第二章第三节；
4.电工技术实验台控制面板最右侧的旋钮要放于“实验”位置上，切勿放在“照明”位置上，否则会发生事故；
5.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。