單相電路參數(shù)測量及功率因數(shù)的提高

5/5單相電路參數(shù)測量及功率因數(shù)的提高單相電路參數(shù)測量及功率因數(shù)的提高

一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．掌握單相功率表的使用。

2．了解日光燈電路的組成、工作原理和線路的連接。3．研究日光燈電路中電壓、電流相量之間的關(guān)系。4．理解改善電路功率因數(shù)的意義并掌握其應(yīng)用方法。

二實(shí)驗(yàn)原理

1．日光燈電路的組成

日光燈電路是一個(gè)RL串聯(lián)電路，由燈管、鎮(zhèn)流器、起輝器組成，如圖3－1所示。由于有感抗元件，功率因數(shù)較低，提高電路功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)可以用日光燈電路來驗(yàn)證。

日光燈管A

補(bǔ)償電容C

~220V

起輝器S

鎮(zhèn)流器L

IIC

圖3－1日光燈的組成電路

燈管：內(nèi)壁涂上一層熒光粉，燈管兩端各有一個(gè)燈絲（由鎢絲組成），用以發(fā)射電子，管內(nèi)抽真空后充有一定的氬氣與少量水銀，當(dāng)管內(nèi)產(chǎn)生輝光放電時(shí)，發(fā)出可見光。

鎮(zhèn)流器：是繞在硅鋼片鐵心上的電感線圈。它有兩個(gè)作用，一是在起動(dòng)過程中，起輝器突然斷開時(shí)，其兩端感應(yīng)出一個(gè)足以擊穿管中氣體的高電壓，使燈管中氣體電離而放電。二是正常工作時(shí)，它相當(dāng)于電感器，與日光燈管相串聯(lián)產(chǎn)生一定的電壓降，用以限制、穩(wěn)定燈管的電流，故稱為鎮(zhèn)流器。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以認(rèn)為鎮(zhèn)流器是由一個(gè)等效電阻RL和一個(gè)電感L串聯(lián)組成。

起輝器：是一個(gè)充有氖氣的玻璃泡，內(nèi)有一對(duì)觸片，一個(gè)是固定的靜觸片，一個(gè)是用雙金屬片制成的U形動(dòng)觸片。動(dòng)觸片由兩種熱膨脹系數(shù)不同的金屬制成，受熱后，雙金屬片伸張與靜觸片接觸，冷卻時(shí)又分開。所以起輝器的作用是使電路接通和自動(dòng)斷開，起一個(gè)自動(dòng)開關(guān)作用。

2．日光燈點(diǎn)亮過程

電源剛接通時(shí)，燈管內(nèi)尚未產(chǎn)生輝光放電，起輝器的觸片處在斷開位置，此

時(shí)電源電壓通過鎮(zhèn)流器和燈管兩端的燈絲全部加在起輝器的二個(gè)觸片上，起輝器的兩觸片之間的氣隙被擊穿，發(fā)生輝光放電，使動(dòng)觸片受熱伸張而與靜觸片構(gòu)成通路，于是電流流過鎮(zhèn)流器和燈管兩端的燈絲，使燈絲通電預(yù)熱而發(fā)射熱電子。與此同時(shí)，由于起輝器中動(dòng)、靜觸片接觸后放電熄滅，雙金屬片因冷卻復(fù)原而與靜觸片分離。在斷開瞬間鎮(zhèn)流器感應(yīng)出很高的自感電動(dòng)勢，它和電源電壓串聯(lián)加到燈管的兩端，使燈管內(nèi)水銀蒸氣電離產(chǎn)生弧光放電，并發(fā)射紫外線到燈管內(nèi)壁，激發(fā)熒光粉發(fā)光，日光燈就點(diǎn)亮了。

燈管點(diǎn)亮后，電路中的電流在鎮(zhèn)流器上產(chǎn)生較大的電壓降（有一半以上電壓），燈管兩端（也就是起輝器兩端）的電壓銳減，這個(gè)電壓不足以引起起輝器氖管的輝光放電，因此它的兩個(gè)觸片保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。即日光燈點(diǎn)亮正常工作后，起輝器不起作用。

3．日光燈的功率因數(shù)

日光燈點(diǎn)亮后的等效電路如圖2所示。燈管相當(dāng)于電阻負(fù)載RA，鎮(zhèn)流器用內(nèi)阻RL和電感L等效代之。由于鎮(zhèn)流器本身電感較大，故整個(gè)電路功率因數(shù)很低，整個(gè)電路所消耗的功率P包括日光燈管消耗功率PA和鎮(zhèn)流器消耗的功率PL。只要測出電路的功率P、電流I、總電壓U以及燈管電壓UR，就能算出燈管消耗的功率PA=I×UR，

鎮(zhèn)流器消耗的功率PL=P?PA，UI

P

=?cos

L

鎮(zhèn)流器RL

RA

~220V

L

圖3－2日光燈工作時(shí)的等效電路

2．功率因數(shù)的提高

日光燈電路的功率因數(shù)較低，一般在0.5以下，為了提高電路的功率因數(shù)，可以采用與電感性負(fù)載并聯(lián)電容器的方法。此時(shí)總電流I是日光燈電流IL和電容器電流IC的相量和：?

?

?

+=CLIII，日光燈電路并聯(lián)電容器后的相量圖如圖3所示。由于電容支路的電流IC超前于電壓U90°角。抵消了一部分日光燈支路電流中的無功分量，使電路的總電流I減小，從而提高了電路的功率因數(shù)。電壓與電流的相位差角由原來的1?減小為?，故cos?＞cos1?。

當(dāng)電容量增加到一定值時(shí)，電容電流CI等于日光燈電流中的無功分量，?=0。cos?=1，此時(shí)總電流下降到最小值，整個(gè)電路呈電阻性。若繼續(xù)增加電容量，

總電流I反而增大，整個(gè)電路變?yōu)槿菪载?fù)載，功率因數(shù)反而下降。

L

I1I2

I3I1

CI2CI3CIU

φ1

φ

C1

φ

C2

φC3

圖3－3日光燈并聯(lián)電容器后的相量圖

三實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求

1．預(yù)習(xí)日光燈工作原理，并聯(lián)電容器對(duì)提高感性負(fù)載功率因數(shù)的原理、意

義及其計(jì)算公式。

2．如圖3－1所示電路中，日光燈管（RA）與鎮(zhèn)流器（RL、L）串聯(lián)后，接

于220V、50Hz的交流電源上，點(diǎn)亮后，測得其電流I=0.35A，功率P=40W，燈管兩端電壓UA=100V。要求寫出下列各待求量的計(jì)算式。①求cosφ1=？、φ1=？、RA=？、RL=？、L=？、燈管消耗的功率AP和鎮(zhèn)流器消耗的功率LP。

②并聯(lián)C=3μF后，求IC=？、I=？、cosφ=？。

③按比例畫出并聯(lián)電容器后的相量圖。（如圖3－3，計(jì)算出電壓與總電流的相位差角φ）

3．熟悉交流電壓表、電流表和單相自耦調(diào)壓器的主要技術(shù)特性，并掌握其正確的使用方法。

四實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器件

1．交流電壓表2．交流電流表3．功率表4．自耦調(diào)壓器5．鎮(zhèn)流器6．電容器

7．起輝器8．日光燈管9．電流表插座

五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟

日光燈實(shí)驗(yàn)線路如圖3－4所示。

V

**

W

A

鎮(zhèn)流器

?

I

?

C

I?

L

IU

P

日

光燈管

A起輝器S

C1C2C3

QS~220VLN

自耦調(diào)壓器

cosf

電流表插孔

RLLRA

圖3－4日光燈交流電路

1．日光燈電路研究和參數(shù)測量

按圖3－4接線，注意功率表的接法，斷開所有的電容器，經(jīng)指導(dǎo)教師檢查后接通市電交流220V電源，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出電壓至110V左右，測量功率P，電流I，電壓U、LU與AU，將數(shù)據(jù)記錄在表1起輝值欄目中，再調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出電壓至220V正常值，測量功率P，電流I，電壓U、LU與AU，將數(shù)據(jù)記入表3－1正常工作值欄中，并計(jì)算出RA、RL、L填入下表

表3－1日光燈電路等效參數(shù)測量測量數(shù)據(jù)

計(jì)算數(shù)據(jù)

P(W)U(V)I(mA)UL(V)UA(V)cosφφRL(Ω)RA(Ω)L(mH)正常工作值

2．提高感性負(fù)載功率因數(shù)實(shí)驗(yàn)

如圖3－4所示的實(shí)驗(yàn)線路中，按2.2μF、4.7μF、6.μF、依次并上電容器C1、C2、C3。當(dāng)電容變化時(shí)，分別記錄功率表及電壓表讀數(shù)，測得三條支路電流

I、IL、IC的值。測量數(shù)據(jù)記入表2。

表3－2日光燈功率因數(shù)提高實(shí)驗(yàn)參數(shù)測量

電容值

（μF）

測量數(shù)據(jù)計(jì)算值

P（W）U(V)I（mA）IL（mA）IC（mA）cosφφ'I（mA）0

2.2

4.7

6.9

注：表中'I為I的計(jì)算值，

?

?

?

+

=

C

L

I

I

I，其中IL和IC為上表中測量值。

六實(shí)驗(yàn)思考題

1．給出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）中計(jì)算RA、RL、L的計(jì)算過程及公式，將結(jié)果填入表1中。

2．計(jì)算出本實(shí)驗(yàn)中燈管消耗的功率PA和鎮(zhèn)流器消耗的功率PL。

3．畫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（2）當(dāng)電容為0、2.2μF、4.7μF、6.9μF時(shí)類似圖3的電

壓電流相量圖，要求計(jì)算出各總電流?

I與總電壓

?

U的相位差角，給出公式及計(jì)算

過程。

4．若要使本實(shí)驗(yàn)中日光燈電路完全補(bǔ)償（也就是功率因數(shù)提高到1），需要并聯(lián)多大容值的電容？請(qǐng)給出計(jì)算式并計(jì)算出最后結(jié)果。

5．是否并聯(lián)電容越大，功率因數(shù)越高？為什么？

6．當(dāng)電容量改變時(shí)，功率表有功功率的讀數(shù)、日光燈的電流、功率因數(shù)是否改變？為什么？

七實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1．本實(shí)驗(yàn)用交流市電220V，用單相自耦調(diào)壓器來實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，當(dāng)供電電源電壓為220V時(shí)，調(diào)壓器的輸出可在0~250V之間連續(xù)調(diào)節(jié)，務(wù)必注意人身和設(shè)備的安全。注意電源的火線和地線，在實(shí)際安裝日光燈時(shí)，開關(guān)應(yīng)接在火線上。

2．在使用自耦調(diào)壓器過程中，接通電源前，都必須將電壓調(diào)至零電壓處（即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到頭，然后再合上電源，逐漸增大電壓至需要值。

3．不能將220V的交流電源不經(jīng)過鎮(zhèn)流器而直接接在燈管兩端，否則將損

壞燈管。

4．功率表、電壓表、電流表要正確接入電路，電流表應(yīng)串入電路中測量電流。

5．電路接線正確，日光燈不能起輝時(shí)，應(yīng)檢查起輝器及其接觸是否良好。

6．每次改接線路，一定要在斷開電源