《电路》课程教学资源（实验指导）实验6 日光灯电路及功率因数的提高

实验6日光灯电路及功率因数的提高 一、实验目的 1.理解提高功率因数的意义并掌握其方法。 2.掌握日光灯电路的联接 二、原理说明 1.输电线路工作情况分析 发电机或变压器经输电线把电能传送给负载，图2-6-1是输电线路图。在工程频率下，当 传输距离不长，电压不高时，线路阻抗乙可以看成是电阻和感抗X相串联的结果。若输 电线的始端（供电端）电压为山，终端（负载端）电压为？。 ZL-RL+jXL 图2-6-1输电线路图 当负载电流为1时，传输线上有压降 △U=IR=U1-U2 式中的仍是负载的端电压。对于电力线路不允许仍下降过多，否则将影响接在输出端的负 载的正常运行。例如，电压下降10%使得白炽灯发光只约为应有亮度的90%，或使得电动机 不能带负载启动。事实上仍下降过多是因为传输线上的功率损耗增大过多，从而使电路的输 电效率下降。所以对于电力线路来讲，必须先考虑效率问题。 若负载阻抗为Z=(R+jX),负载功率为P2,负载端功率因数为csp2,输电线始端功 率为P1,则 输电线路上的电流为 1=U,0s0: 输电线路上电压降为 △0=01-02 输电线路上的损耗功率为△P=PR, 输电效率为

34 实验 6 日光灯电路及功率因数的提高 一、实验目的 1．理解提高功率因数的意义并掌握其方法。 2．掌握日光灯电路的联接。 二、原理说明 1．输电线路工作情况分析 发电机或变压器经输电线把电能传送给负载，图 2-6-1 是输电线路图。在工程频率下，当 传输距离不长，电压不高时，线路阻抗 ZL 可以看成是电阻 RL 和感抗 XL 相串联的结果。若输 电线的始端(供电端)电压为 u1，终端(负载端)电压为 u2。 图 2-6-1 输电线路图 当负载电流为 I 时，传输线上有压降 ΔU=IR=U1-U2 式中的 U2 是负载的端电压。对于电力线路不允许 U2 下降过多，否则将影响接在输出端的负 载的正常运行。例如，电压下降 10%使得白炽灯发光只约为应有亮度的 90%，或使得电动机 不能带负载启动。事实上 U2 下降过多是因为传输线上的功率损耗增大过多，从而使电路的输 电效率下降。所以对于电力线路来讲，必须先考虑效率问题。 若负载阻抗为 Z2= (R2+jX2)，负载功率为 P2，负载端功率因数为 2 cos ，输电线始端功 率为 P1，则 输电线路上的电流为 2 2 2 U cos P I = ， 输电线路上电压降为 U U1 U2   =  −  ， 输电线路上的损耗功率为 △P=I 2RL ， 输电效率为 RL P I P P P P P P 2 2 2 2 2 1 2 + = +   = = ， ZL=RL+jXL Z2=R2+jX2

要在负载正常运行（即P不变）时，使电路的输电效率提高，则必须使输电线路上的 损耗的功率△P=PR.尽量减小，即尽量减小输电线路上的电流I。 2.提高功率因数的意义 在用户中，一般感性负载很多，如日光灯，电动机，变压器等。其功率因数较低。当负 载的端电压一定时，功率因数越低，输电线路上的电流越大，导线上的压降也越大，使输电 线路电能损耗增加，传输效率降低，由此导致发电设备（电源）容量得不到充分的利用。因 此，提高负载端功率因数，对降低电能损耗，提高电源设备容量的利用率和传输效率有着重 要作用。 3.提高功率因数的方法 图2-6-2所示电路，当电容C未并入前，负载为感性，负载电流中含有感性无功电流， 从电源中“吸收”无功功率。并联电容就是用电容中的容性无功电流来补偿负载中的感性无 功电流，即感性负载中所需要的一部分无功功率改由电容“发出”了。此时负载端电压不变， 感性负载的工作状态不变。但整个线路的无功功率变小，有功功率不变，因而对电源而言功 率因数提高了，使输电线路上的总电流减小，线路压降减小，线路损耗降低，因此提高了电 源设备的利用率和传输效率。 当并联电容C后，图2-6-2所示电路的复导纳为 Y= R+joL+joC R -R+(oLY-R+(oLY+joC Us L 当兆虚都-RO心+C=0时为我能全补临： OL 图2-6-2 负载的功率因数可以用三表法测出从、人P后，由公式0s计算得到、也可直接 P 用功率因数表测出。 4.日光灯电路结构及工作原理 日光灯电路如图2-6-3所示，日光灯由灯管、镇流器和启辉器三部分组成。 (1)灯管。灯管是一根内壁涂有荧光物质的玻璃管，在管的两端各装一组灯丝电极，电 极上涂有受热后易发射电子的氧化物，管内抽真空后注入微量惰性气体和汞。 灯管可近似认为是一个电阻元件。 (2)镇流器。镇流器是一个带有铁心的电感线圈。电路接通过程产生高压点燃灯管，启 动后可限制灯管电流。 (3)启辉器。启辉器俗称跳泡，在充气的玻璃泡内装有两个电极，一个为固定电极，一 个为双金属片制成的可动电极。启动过程中，通过可动电极的变形与复位，使两电极接通然 后分离，相当于一个自动开关 (4)日光灯工作过程。当接通电源时，日光灯尚未工作，电源电压全部加在启辉器上 使启辉器内气体放电，导致双金属可动电极变形从而两电极接通。此时，镇流器、灯管两组 灯丝、启辉器通有电流，此电流加热灯丝为日光灯启辉创造条件。两电极接通后，启辉器内 35

35 要在负载正常运行（即 P2 不变）时，使电路的输电效率提高，则必须使输电线路上的 损耗的功率△P=I 2RL 尽量减小，即尽量减小输电线路上的电流 I。 2．提高功率因数的意义 在用户中，一般感性负载很多，如日光灯，电动机，变压器等。其功率因数较低。当负 载的端电压一定时，功率因数越低，输电线路上的电流越大，导线上的压降也越大，使输电 线路电能损耗增加，传输效率降低，由此导致发电设备（电源）容量得不到充分的利用。因 此，提高负载端功率因数，对降低电能损耗，提高电源设备容量的利用率和传输效率有着重 要作用。 3．提高功率因数的方法 图 2-6-2 所示电路，当电容 C 未并入前，负载为感性，负载电流中含有感性无功电流， 从电源中“吸收”无功功率。并联电容就是用电容中的容性无功电流来补偿负载中的感性无 功电流，即感性负载中所需要的一部分无功功率改由电容“发出”了。此时负载端电压不变， 感性负载的工作状态不变。但整个线路的无功功率变小，有功功率不变，因而对电源而言功 率因数提高了，使输电线路上的总电流减小，线路压降减小，线路损耗降低，因此提高了电 源设备的利用率和传输效率。 当并联电容 C 后，图 2-6-2 所示电路的复导纳为 2 2 2 2 1 ( ) ( ) Y j C R j L R L j j C R L R L       = + + = − + + + 当其虚部 2 2 0 ( ) L j j C R L    − + = + 时，为我能全补偿。 图 2-6-2 负载的功率因数可以用三表法测出 U、I、P 后，由公式 UI P cos = 计算得到，也可直接 用功率因数表测出。 4. 日光灯电路结构及工作原理 日光灯电路如图 2-6-3 所示，日光灯由灯管、镇流器和启辉器三部分组成。 （1）灯管。灯管是一根内壁涂有荧光物质的玻璃管，在管的两端各装一组灯丝电极，电 极上涂有受热后易发射电子的氧化物，管内抽真空后注入微量惰性气体和汞。 灯管可近似认为是一个电阻元件。 （2）镇流器。镇流器是一个带有铁心的电感线圈。电路接通过程产生高压点燃灯管，启 动后可限制灯管电流。 （3）启辉器。启辉器俗称跳泡，在充气的玻璃泡内装有两个电极，一个为固定电极，一 个为双金属片制成的可动电极。启动过程中，通过可动电极的变形与复位，使两电极接通然 后分离，相当于一个自动开关。 （4）日光灯工作过程。当接通电源时，日光灯尚未工作，电源电压全部加在启辉器上， 使启辉器内气体放电，导致双金属可动电极变形从而两电极接通。此时，镇流器、灯管两组 灯丝、启辉器通有电流，此电流加热灯丝为日光灯启辉创造条件。两电极接通后，启辉器内 L R US C  I  L I  C I  + － S

停止放电，可动电极冷却到一定程度后收缩复位，把刚才接通的电路突然切断。电路切断的 一瞬间，镇流器两端产生一个较大的自感电压，此自感电压与电源电压叠加作用于灯管，使 灯管放电导通。灯管导通后，镇流器起限流作用，维持灯管两端一稳定的电压，此电压低于 启辉器的启辉电压，启辉器不再动作，日光灯正常工作。 日光灯属电感性负载。日光灯工作时，不仅从电源吸收有功，还要吸收无功，且电路的 功率因数较低。为提高功率因数，可并联电容器C,当并联的电容C值合适时，可使电路的 总功率因数提高到1，如果并联电容C值过大，将引起过补偿而使整个电路成为电容性电路。 风启辉器 220w1 (Ag)vic 行坐 灯管 灯丝 镇克器 m 图2-6-3日光灯电路 三、实验设备 表2-6-1 型巧规格数型备注 自梯调压器 c01 日光灯管 插片的表笔 8 实验电路箱 四、实验内容 1.在三相自耦调压器空载的情况下，将其输出电压从0开始逐渐上升，最后调节到相电 压为220V,然后关断电源。 2.日光灯电路的联接及其测量 (1)检查日光灯管、镇流器和启动器的结构、规格。 (2)在电源关断的情况下，按图2-6-3所示联接日光灯电路（注意：在需串联电流表的 位置，接线时以电流插口代替)。 (3)经指导教师检查线路无误后合上电源，使日光灯起辉工作。 (4)断开电容，测量电源电压、镇流器两端电压U、灯管两端电压U、总电流I及 总功率P。根据测量结果计算线路总阻抗☑、总电阻R、总功率因数c5Q等有关参数。将测 量与计算结果一并记录于表2-6-2中。 少

36 停止放电，可动电极冷却到一定程度后收缩复位，把刚才接通的电路突然切断。电路切断的 一瞬间，镇流器两端产生一个较大的自感电压，此自感电压与电源电压叠加作用于灯管，使 灯管放电导通。灯管导通后，镇流器起限流作用，维持灯管两端一稳定的电压，此电压低于 启辉器的启辉电压，启辉器不再动作，日光灯正常工作。 日光灯属电感性负载。日光灯工作时，不仅从电源吸收有功，还要吸收无功，且电路的 功率因数较低。为提高功率因数，可并联电容器 C，当并联的电容 C 值合适时，可使电路的 总功率因数提高到 1，如果并联电容 C 值过大，将引起过补偿而使整个电路成为电容性电路。 图 2-6-3 日光灯电路 三、实验设备 表 2-6-1 序号 名称 型号与规格 数量 备注 1 GYS-Ⅰ组合仪表 1 2 自耦调压器 1 DG01 3 镇流器 1 4 启辉器 1 5 日光灯管 1 6 电容器 7 带插片的表笔 2 8 实验电路箱 1 DG21 四、实验内容 1．在三相自耦调压器空载的情况下，将其输出电压从 0 开始逐渐上升，最后调节到相电 压为 220V，然后关断电源。 2．日光灯电路的联接及其测量 （1）检查日光灯管、镇流器和启动器的结构、规格。 （2）在电源关断的情况下，按图 2-6-3 所示联接日光灯电路（注意：在需串联电流表的 位置，接线时以电流插口代替）。 （3）经指导教师检查线路无误后合上电源，使日光灯起辉工作。 （4）断开电容，测量电源电压 U、镇流器两端电压 UL、灯管两端电压 UD、总电流 I 及 总功率 P。根据测量结果计算线路总阻抗|Z|、总电阻 R、总功率因数 cos 等有关参数。将测 量与计算结果一并记录于表 2-6-2 中

表2-6-2 量值 十算值 /(A)P(W)I()R()cose (5)在并联电容C的情况下，通过改变电容C值的大小，观察并测量总电流1、电容电 流1c、灯管支路电流，将测量数据记录于表2-63中。测量时，先观察一下总电流的变化 规律，找到其中最小的一点（谐振点），作为中间点，再在中间点两侧进行测量。 表2-6-3 C (uF) 振点 (A) k (A) 3.在图2-63所示日光灯电路的基础上，用一个具有较小阻抗值的感性元件（取电阻： 100Q25W与由成：1H串联)缆拟输由线路阻抗（为了简化申路及计算，给由线路阻抗地可 以只用一100225W的电阻来模拟)，用日光灯电路作为常见的感性负载阻抗，自己设计实 验电路，实验内容和测量数据表格，研究在负载端（日光灯电路）功率因数不同时，输电线 路上电压降和功率损耗情况及对输电线路传输效率的影响。 五、实验注意事项 1.本实验用交流电220V,务必注意用电安全。 2.日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。 3.测量功率时，要注意正确读数和换算。 六、预习思考题 1.在日常生活中，当日光灯上缺少启辉器时，人们应急时可用一根短导线将接启辉器的 两点短接，当启辉之后，迅速拿开短导线，这时日光灯工作：或用一只启辉器同时去点亮多 个同类型的灯，这都是为什么？ 2.预习感性负载提高功率因数的有关理论知识，明确欠补偿、完全补偿和过补偿的概念。 七、实验报告要求 1.根据表2-6-2测量数据，画各电压、电流相量图。 2.根据表2-6-3测量数据，画(C曲线。 3.说明电容C改变时，对灯管支路的电流和灯管支路的功率因数有无影响？ 4.用相量图说明，并联电容C过多时，将产生什么后果？ 5.说明负载端（日光灯电路）并联电容器改变其功率因数时，输电线路上电压降和功 率损耗情况及对输电线路传输效率的影响。 31

37 表 2-6-2 测量值 计算值 U(V) UL(V) UD(V) I(A) P(W) |Z|() R() cos （5）在并联电容 C 的情况下，通过改变电容 C 值的大小，观察并测量总电流 I、电容电 流 IC、灯管支路电流 ID，将测量数据记录于表 2-6-3 中。测量时，先观察一下总电流的变化 规律，找到其中最小的一点（谐振点），作为中间点，再在中间点两侧进行测量。 表 2-6-3 C (F) 谐振点 I (A) IC (A) ID (A) 3．在图 2-6-3 所示日光灯电路的基础上，用一个具有较小阻抗值的感性元件（取电阻： 100  /25W 与电感：1H 串联）模拟输电线路阻抗（为了简化电路及计算，输电线路阻抗也可 以只用一 100  /25W 的电阻来模拟），用日光灯电路作为常见的感性负载阻抗，自己设计实 验电路，实验内容和测量数据表格，研究在负载端（日光灯电路）功率因数不同时，输电线 路上电压降和功率损耗情况及对输电线路传输效率的影响。 五、实验注意事项 1．本实验用交流电 220V，务必注意用电安全。 2．日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。 3．测量功率时，要注意正确读数和换算。 六、预习思考题 1．在日常生活中，当日光灯上缺少启辉器时，人们应急时可用一根短导线将接启辉器的 两点短接，当启辉之后，迅速拿开短导线，这时日光灯工作；或用一只启辉器同时去点亮多 个同类型的灯，这都是为什么？ 2．预习感性负载提高功率因数的有关理论知识，明确欠补偿、完全补偿和过补偿的概念。 七、实验报告要求 1．根据表 2-6-2 测量数据，画各电压、电流相量图。 2．根据表 2-6-3 测量数据，画 I=f (C) 曲线。 3．说明电容 C 改变时，对灯管支路的电流和灯管支路的功率因数有无影响？ 4．用相量图说明，并联电容 C 过多时，将产生什么后果？ 5．说明负载端（日光灯电路）并联电容器改变其功率因数时，输电线路上电压降和功 率损耗情况及对输电线路传输效率的影响