實(shí)驗(yàn)3 日光燈電路與功率因數(shù)的提高研究

實(shí)驗(yàn)1.4日光燈電路與功率因數(shù)的提高研究第1章電工（電路）實(shí)驗(yàn)PAGE12PAGE135實(shí)驗(yàn)1.4日光燈電路與功率因數(shù)的提高研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解日光燈的工作原理，學(xué)會(huì)安裝日光燈電路。（2）學(xué)習(xí)提高功率因數(shù)的方法，理解提高功率因數(shù)的實(shí)際意義。（3）掌握交流電壓表、電流表和功率表的使用方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料通用電學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，單相交流調(diào)壓器，交流電壓表、交流電流表，功率表、日光燈套件（光管、鎮(zhèn)流器、啟輝器）、電容器若干和導(dǎo)線一批。三、實(shí)驗(yàn)原理1、日光燈工作原理日光燈電路主要由燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器等三部分組成。燈管是一根兩端各裝有燈絲和電極的密封園形玻璃管，內(nèi)壁涂有一層均勻的熒光粉（鹵磷酸鈣）。管內(nèi)抽成真空之后，注入少量惰性氣體（如氬、氖氣等）和少量水銀，涂在燈絲上的金屬氧化物（如氧化鋇、氧化鍶等）形成電極。當(dāng)燈管預(yù)熱后再在兩極間加上一定電壓，燈管就會(huì)點(diǎn)燃。鎮(zhèn)流器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)鐵心線圈，用以限制通過(guò)燈管的電流，以及啟動(dòng)時(shí)與啟輝器配合產(chǎn)生足夠的瞬時(shí)高壓（自感電動(dòng)勢(shì)），使燈管點(diǎn)燃。啟輝器又稱啟動(dòng)器，是一個(gè)小型輝光放電氖泡，內(nèi)部裝有的兩個(gè)電極觸片，一個(gè)是固定的靜觸片，一個(gè)是倒“U”形的可動(dòng)觸片，可動(dòng)觸片由兩種膨脹系數(shù)相差較大的雙金屬片粘合一起制成。兩觸片之間并聯(lián)有一小電容器，以避免啟輝器兩觸頭斷開(kāi)時(shí)產(chǎn)生火花燒壞觸頭，同時(shí)可防止燈管內(nèi)部氣體放電時(shí)產(chǎn)生的電磁波對(duì)無(wú)線電設(shè)備的干擾。圖1.4.1日光燈接線電路日光燈接線電路如圖1.4.1所示。當(dāng)接通電源時(shí)，燈管未被點(diǎn)亮而不導(dǎo)電，電源電壓（220V）全部加在啟輝器兩端，此電壓高于起輝電壓（135V左右），啟輝器的雙金屬片與靜觸片之間發(fā)生輝光放電。輝光放電產(chǎn)生的熱量使雙金屬片伸展，動(dòng)觸片與靜觸片相碰，圖1.4.1日光燈接線電路啟輝器雙金屬片與靜觸片相碰使觸點(diǎn)閉合的同時(shí)，氖泡內(nèi)兩電極間電壓下降為零，輝光放電停止，雙金屬片開(kāi)始冷卻，漸向原位收縮，觸點(diǎn)斷開(kāi)。在觸點(diǎn)斷開(kāi)的一瞬間，原來(lái)接通的鎮(zhèn)流器、燈絲回路變成斷開(kāi)狀態(tài)，使鎮(zhèn)流器線圈兩端產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)高的自感電動(dòng)勢(shì)。此電動(dòng)勢(shì)與電源電壓共同加在燈管的兩端，促使燈管里的水銀蒸汽和氬氣離子發(fā)生弧光放電。放電產(chǎn)生的紫外線散射到熒光粉上，發(fā)出一種近似日光的可見(jiàn)光。燈管點(diǎn)燃后，鎮(zhèn)流器起限制燈管電流的鎮(zhèn)流作用，燈管兩端電壓只有120V左右(或更低,具體視實(shí)際情況而定)，此電壓低于啟輝器的起輝電壓，因此啟輝器不會(huì)發(fā)生輝光放電而再次啟動(dòng)，而是一直處于開(kāi)路狀態(tài)。2、提高功率因數(shù)方法及其意義在正弦交流電路中，無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)吸收的有功功率：(1-4-式中：cosφ稱為功率因數(shù)，φ是功率因數(shù)角，即負(fù)載的阻抗角。φ越大，功率因數(shù)越小。實(shí)際電路中，作為動(dòng)力的異步電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，功率因數(shù)一般為0.70~0.85。使用電感鎮(zhèn)流器的日光燈電路的功率因數(shù)為0.3~0.5，感應(yīng)加熱裝置的功率因數(shù)也小于1。當(dāng)電源電壓、負(fù)載功率一定時(shí)，功率因數(shù)低，電源提供給功率除一部份是負(fù)載所需要的有功功率外，能量的另一部份作為無(wú)功功率貯存在負(fù)載中，這部份能量在電源與負(fù)載之間來(lái)回吞吐，不但會(huì)使輸電線路的電流增大，引起線路損耗的增加，降低了輸電效率，而且使發(fā)電設(shè)備的容量不能被充分利用。因此，提高用電負(fù)載的功率因數(shù)，對(duì)于降低電能損耗、提高電源設(shè)備的利用率和供電質(zhì)量，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。提高功率因數(shù)的常用方法就是與感性負(fù)載并聯(lián)電容器。在保證感性負(fù)載獲得的有功功率不變的情況下，減小與電源相接電路的阻抗角（即功率因數(shù)角），從而提高了功率因數(shù)。例如：電路初始感性負(fù)載（R與L串聯(lián)）的功率因數(shù)角為φ1，并聯(lián)電容器C后的功率因數(shù)角為φ，并聯(lián)到負(fù)載兩端的電容器的值為：。(1-4-四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、日光燈電路的測(cè)量（驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)）按如圖1.4.2所示連接實(shí)驗(yàn)電路，開(kāi)關(guān)K斷開(kāi)，不接入電容器。調(diào)節(jié)自耦變壓器，使其輸出電壓緩慢增大，直到日光燈剛剛起輝點(diǎn)亮為止，記下三表的指示值。然后將電壓調(diào)至220V，測(cè)量功率P、總電流I、總電壓U、鎮(zhèn)流器兩端電壓UL及燈管兩端電壓UA，將測(cè)量數(shù)據(jù)記入表1-4-1中，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)完成相關(guān)計(jì)算圖圖1.4.2日光燈實(shí)驗(yàn)測(cè)量表1-4-1日光燈電路工作2、功率因數(shù)提高研究（研究性實(shí)驗(yàn)）（1）調(diào)節(jié)自耦變壓器，保持輸出電壓為220V。在日光燈電路并聯(lián)接入不同容量的電容器（至少3~5個(gè)，有條件時(shí)適當(dāng)增加），分別測(cè)量功率P、總電流I、通過(guò)鎮(zhèn)流器電流IL及電容器電流IC，將測(cè)量數(shù)據(jù)記入表1-4-2中，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)完成計(jì)算（2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，試驗(yàn)探索并聯(lián)最佳補(bǔ)償電容值。表1-4-2功率因數(shù)提高研究測(cè)量數(shù)據(jù)記錄并聯(lián)電容值μF測(cè)量值計(jì)算值P/WI/AIL/AIC/Acosφ12實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：①自耦變壓器在接通電源前，應(yīng)將其手柄置在零位上，調(diào)節(jié)時(shí)，使其輸出電壓從零開(kāi)始逐漸升高。每次改接電路或?qū)嶒?yàn)完畢，都必須將其旋柄慢慢調(diào)回零位后再切斷電源。②日光燈啟動(dòng)電流較大，測(cè)量時(shí)應(yīng)注意選擇儀表的合適量程，以防止損壞儀表。③日光燈電路要根據(jù)燈管功率選擇與之相應(yīng)規(guī)格的鎮(zhèn)流器配套使用。④安裝日光燈線路時(shí)，不能將交流電源不經(jīng)過(guò)鎮(zhèn)流器而直接接在燈管兩端。應(yīng)注意把電源開(kāi)關(guān)要安裝在相線（即火線）上。五、預(yù)習(xí)要求1、學(xué)習(xí)交流電壓表、電流表和功率表的使用方法。2、了解日光燈工作原理，學(xué)習(xí)安裝日光燈線路。3、熟悉實(shí)驗(yàn)原理，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中相關(guān)計(jì)算的原理及方法。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告與思考題1、按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整理記錄數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)記錄表格中的有關(guān)計(jì)算。2、繪出日光燈電路的測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表1-4-1中日光燈正常工作時(shí)各電壓、電流的相量圖，驗(yàn)證相量形式的基爾霍夫定律。3、根據(jù)功率因數(shù)提高研