《電工電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程》 課件 9 日光燈電路的安裝和功率因數(shù)的提高

任務(wù)9日光燈電路的安裝和功率因數(shù)的提高1、掌握有功功率、無(wú)功功率、視在功率的計(jì)算。2、理解功率因數(shù)提高的意義和方法。3、學(xué)會(huì)安裝與測(cè)試熒光燈照明電路。返回主目錄知識(shí)要點(diǎn)一、交流電路的功率及功率因數(shù)實(shí)際電路一般是由電阻、電感、電容元件組成的二端網(wǎng)絡(luò)。1．瞬時(shí)功率圖9-1所示為任一線性無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)，以電流為參考正弦量，設(shè)端口電流為則端口電壓為（為電壓與電流的相位差）當(dāng)電壓、電流參考方向相關(guān)聯(lián)時(shí)，此二端網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)功率為可見(jiàn)，二端網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)功率瞬時(shí)功率由兩項(xiàng)組成，一項(xiàng)為恒定分量，另一項(xiàng)為頻率為的余弦分量，曲線如圖9-2所示。在u或i為零時(shí)，；在和同方向時(shí)，網(wǎng)絡(luò)吸收功率；在和反方向時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)出功率，從圖上看一般在一個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)吸收的功率和發(fā)出的功率不相等，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)有能量的消耗。圖9-1二端網(wǎng)絡(luò)圖9-2二端網(wǎng)絡(luò)電壓、電流和功率波形2．有功功率（平均功率）有功功率的計(jì)算公式為

式中，、為端口電壓和電流的有效值，為端口電壓和電流的相位差，為二端網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)。有功功率就是電路中消耗的功率，由于電感、電容元件的有功功率為零，因而電路中的有功功率等于各電阻元件消耗的功率之和，即3．無(wú)功功率將二端網(wǎng)絡(luò)的瞬時(shí)功率表達(dá)式展開(kāi)后得到第一項(xiàng)在一周期內(nèi)的平均值為；第二項(xiàng)是最大值為角頻率為的正弦量，在一周期內(nèi)的平均值為零，它反映了二端網(wǎng)絡(luò)與外界能量交換的情況。定義：該項(xiàng)的最大值為網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功功率。用字母表示為

因?yàn)殡娮柙o(wú)功功率為零，所以二端網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功功率等于電感元件與電容元件無(wú)功功率的代數(shù)和，即4．視在功率在正弦交流電路中，將電壓有效值和電流有效值的乘積稱為網(wǎng)絡(luò)的視在功率。用字母S表示，單位為伏安（V·A）或千伏安（kV·A），即因?yàn)?/p>

所以

圖9-3功率三角形可見(jiàn)，、、三者也構(gòu)成了直角三角形的關(guān)系，稱為功率三角形。它與網(wǎng)絡(luò)的阻抗三角形、電壓三角形為相似三角形，如圖13-5所示。視在功率通常用來(lái)表示電氣設(shè)備的容量。各種電氣設(shè)備的額定電壓與額定電流的乘積為額定視在功率，通常稱為容量，SN=UNIN。電氣設(shè)備的容量表明了該電源提供的最大有功功率，而并不等于實(shí)際輸出的有功功率，有功功率還與功率因數(shù)有關(guān)。三、功率因數(shù)的提高由可知，電路的功率因數(shù)越高，電源設(shè)備發(fā)出的功率越接近于電氣設(shè)備的容量，電源設(shè)備就能得到充分利用。由上式還可知道，當(dāng)負(fù)載的功率和電壓一定時(shí)，功率因數(shù)越高，線路中的電流越小，所以輸電線上的能量損耗越小，壓降也越小，從而提高了輸電的效率。提高功率因數(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

1．提高功率因數(shù)的方法實(shí)際電路中的負(fù)載多數(shù)為感性負(fù)載，如熒光燈電路、各種使用電動(dòng)機(jī)的電路。在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)容量的電容器，就可以對(duì)電路的功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。如圖9-4（a）所示，對(duì)一個(gè)感性負(fù)載，未并電容器時(shí)，線路中的電流等于，電路的功率因數(shù)為；并聯(lián)電容器后，線路中的電流，功率因數(shù)為，由相量圖139-64（b）可以看出，所以，即并上電容器以后，功率因數(shù)提高了。圖139-64感性負(fù)載并聯(lián)電容器特別要注意，所謂提高功率因數(shù)是感性負(fù)載并聯(lián)電容后提高了整個(gè)電路的功率因數(shù)，從而使供電總電流減小，從而獲得經(jīng)濟(jì)效益。但感性負(fù)載本身的功率因數(shù)并未改變，它本身的電壓、電流和工作狀態(tài)均未改變。在未并聯(lián)電容器時(shí)負(fù)載所需的無(wú)功功率全部由電源提供，而并聯(lián)電容器后，負(fù)載所需的無(wú)功功率一部分由電容器提供（補(bǔ)償），從而減小了電源供給的無(wú)功功率，使電源設(shè)備的容量得到充分利用。2．并聯(lián)電容的選取

未并聯(lián)電容器時(shí)電源提供的無(wú)功功率為

并聯(lián)電容器后電源提供的無(wú)功功率為因此電容器補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率為

又因?yàn)?/p>

所以在式（13-12）中的值，就是當(dāng)電源提供有功功率為P、供電電壓為、電源頻率為、將功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ所需并聯(lián)的電容器的電容量二、相關(guān)知識(shí)1．熒光燈電路的組成及其工作原理簡(jiǎn)介圖9-5熒光燈電路（1）熒光燈電路的組成傳統(tǒng)的熒光燈電路由燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器三部分組成，其中的鎮(zhèn)流器就是一個(gè)大電感線圈，使整個(gè)電路呈現(xiàn)感性。現(xiàn)在有許多日光燈電路已經(jīng)采用了電子鎮(zhèn)流器，沒(méi)有了大電感線圈，大大減小了電路的感性，既沒(méi)有鎮(zhèn)流器工作時(shí)發(fā)出的嗡嗡聲，又沒(méi)有日光燈管在剛點(diǎn)亮?xí)r的閃爍，還節(jié)約了電能，是個(gè)值得推廣的節(jié)能產(chǎn)品。傳統(tǒng)的熒光燈電路組成見(jiàn)圖9-5所示。（2）熒光燈電路的工作原理熒光燈管是一根細(xì)長(zhǎng)玻璃管，管內(nèi)充有少量水銀蒸氣，管內(nèi)壁涂有一層熒光粉，兩端各有一組燈絲，燈絲上涂有易使電子發(fā)射的金屬氧化物。鎮(zhèn)流器是一個(gè)具有鐵心的電感線圈，其作用是由它產(chǎn)生很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，擊穿燈管內(nèi)的水銀蒸汽，使燈管點(diǎn)燃，在燈管正常工作時(shí)，則起到限制電流的作用，這也是鎮(zhèn)流器名稱的由來(lái)。鎮(zhèn)流器的規(guī)格應(yīng)與燈管的額定功率配套使用。啟輝器在熒光燈電路中起著自動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用。啟輝器的玻璃泡內(nèi)充有氖氣，并裝有兩個(gè)電極，其中一個(gè)由雙金屬片制成，雙金屬片在熱脹冷縮時(shí)具有自動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用，玻璃泡內(nèi)溫度高時(shí)兩電極接通，玻璃泡內(nèi)低溫時(shí)兩電極斷開(kāi)。在接通電源開(kāi)關(guān)時(shí)，啟輝器兩極間承受著電源電壓（此時(shí)日光燈管尚未點(diǎn)亮，在電路中相當(dāng)于開(kāi)路），啟輝器的兩電極間產(chǎn)生輝光放電，使雙金屬片受熱膨脹而與靜觸點(diǎn)接觸，電源經(jīng)鎮(zhèn)流器、燈絲、啟輝器構(gòu)成電流通路使燈絲加熱。由于啟輝器的兩個(gè)電極接觸使輝光放電停止，雙金屬片冷卻導(dǎo)致兩個(gè)電極分離，使電路突然斷開(kāi)，瞬間在鎮(zhèn)流器的兩端會(huì)產(chǎn)生較高的自感電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)與電源電壓共同加在已加熱的燈管兩端的燈絲間，擊穿了管內(nèi)的水銀氣體，使之電離從而形成導(dǎo)電通路。已經(jīng)電離的水銀離子打到管內(nèi)壁的熒光粉上，使熒光粉發(fā)出光亮。當(dāng)燈管點(diǎn)亮正常工作以后，電路中的電壓大約有一半加在鎮(zhèn)流器兩端，使燈管兩端的電壓降低，不會(huì)使啟輝器再次動(dòng)作點(diǎn)亮了的燈管近似為一個(gè)純電阻，由于鎮(zhèn)流器與熒光燈管串聯(lián)，熒光燈電路可以用圖9-6的等效電路來(lái)表示。鎮(zhèn)流器具有較大的感抗，所以能限制電路中的電流，維持熒光燈管的正常工作。熒光燈點(diǎn)亮以后，通過(guò)測(cè)量鎮(zhèn)流器和燈管兩端的電壓，可以觀察電路中電壓的分配情況。2.提高日光燈電路功率因數(shù)的方法鎮(zhèn)流器的感抗較大，熒光燈電路的功率因數(shù)是比較低的，通常在0.5左右。過(guò)低的功率因數(shù)對(duì)供電單位和用戶來(lái)說(shuō)都是不利的，一般采用并聯(lián)合適容量的電容器來(lái)提高電路的功率因數(shù)。三、操作步驟1．熒光燈電路的裝配與測(cè)量①按照表9-1中所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，首先畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路。②將調(diào)壓器手柄置于零位，按正確的實(shí)驗(yàn)電路圖接線。③仔細(xì)檢查電路無(wú)誤后接通電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓為220V（熒光燈額定電壓），點(diǎn)亮熒光燈。根據(jù)表9-1所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，逐項(xiàng)測(cè)量表中所要求的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并計(jì)算此時(shí)的功率因數(shù)，填入表9-1中。表中ISt為熒光燈啟動(dòng)電流。2．熒光燈功率因數(shù)的提高①在圖9-5所畫(huà)實(shí)驗(yàn)電路中的相應(yīng)位置上加畫(huà)電容。②分別計(jì)算功率因數(shù)cosφ=0.8，cosφ=0.9時(shí)所應(yīng)并聯(lián)的電容值，并將計(jì)算結(jié)果填入表9-1中。③將調(diào)壓器手柄置于零位，按正確的實(shí)驗(yàn)電路圖在相應(yīng)位置接入不同電容。④仔細(xì)檢查電路無(wú)誤后接通電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出電壓為220V，點(diǎn)亮熒光燈。根據(jù)表9-1所要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，逐項(xiàng)測(cè)量表中所要求的不同功率因數(shù)時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。⑤檢查實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)誤后，斷開(kāi)電源，電容器經(jīng)短接放電后，拆除線路，測(cè)量并記下鎮(zhèn)流器線圈的電阻值。項(xiàng)