《電路基礎(chǔ) 》課件第3章

3.1正弦交流電的基本概念

3.2單一元件的交流電路

3.3簡(jiǎn)單正弦交流電路的分析

3.4本章實(shí)訓(xùn)日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高第3章單相交流電路

3.1.1正弦量的三要素

大小和方向隨時(shí)間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的電流、電壓或電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為正弦交流電流、正弦交流電壓或正弦交流電動(dòng)勢(shì)，統(tǒng)稱(chēng)為正弦交流電或正弦量?，F(xiàn)以正弦電流為例來(lái)說(shuō)明正弦量的三要素。正弦電流的一般表達(dá)式為：i=Imsin(ωt+φi)，波形如圖3.1所示。Im、ω和φi一經(jīng)確定，此正弦電流就被完全確定了。其中Im為正弦電流變化的最大值，ω為角頻率，φi為初相位。上述三者為確定正弦量的三要素，分別反映了正弦量振幅的大小、變化的快慢和計(jì)時(shí)時(shí)刻的狀態(tài)。3.1正弦交流電的基本概念圖3.1正弦交流電流波形

1.瞬時(shí)值、最大值與有效值

瞬時(shí)值指正弦量在任意瞬時(shí)對(duì)應(yīng)的值。用小寫(xiě)字母表示，如i、u、e。最大值表示瞬時(shí)值中最大的值，又叫振幅值或峰值，用帶有下標(biāo)“m”的大寫(xiě)字母表示，如Im、Um、Em。工程上常采用有效值來(lái)衡量交流電能量轉(zhuǎn)換的實(shí)際效果。有效值是根據(jù)交流電流和直流電流的熱效應(yīng)相等的原則來(lái)定義的。

經(jīng)數(shù)學(xué)推算可以得出正弦交流電的有效值和最大值之間的關(guān)系為

(3-1)

2.周期、頻率與角頻率

正弦量變化一次所需要的時(shí)間稱(chēng)為周期，用T表示，單位是秒(s)。正弦量每秒內(nèi)變化的次數(shù)稱(chēng)為頻率，用f表示，單位是赫茲(Hz)。根據(jù)定義，頻率與周期互為倒數(shù)，即

或

(3-2)除了周期和頻率外，還常用角頻率來(lái)反映正弦量變化的快慢。角頻率表示正弦量每秒變化的弧度數(shù)，用ω表示，它的單位是弧度/秒(rad/s)。T、f、ω三者之間的關(guān)系為

(3-3)

3.相位和初相位

設(shè)兩個(gè)同頻率的正弦電壓和電流分別為

它們的相位差為

φ=(ωt+φu)－(ωt+φi)=φu－φi

(3-4)

即：同頻率的兩個(gè)正弦量，其相位差等于它們的初相位之差。

根據(jù)兩個(gè)同頻率正弦量的相位差，可以確定它們之間變化進(jìn)程的關(guān)系,如圖3.2所示。圖3.2同頻率正弦電量的相位關(guān)系3.1.2復(fù)數(shù)的相關(guān)知識(shí)

1.復(fù)數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)

正弦電量的相量表示法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是復(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)運(yùn)算，現(xiàn)在先對(duì)復(fù)數(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行必要的復(fù)習(xí)。

在數(shù)學(xué)中我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了復(fù)數(shù)的基本知識(shí)：由實(shí)數(shù)和虛數(shù)的代數(shù)和組成的數(shù)稱(chēng)為復(fù)數(shù)。復(fù)數(shù)的一般形式為

A=a+jb

(3-5)

復(fù)數(shù)可以用圖形來(lái)表示，如圖3.3所示。圖3.3復(fù)平面復(fù)數(shù)的表示法圖3.3中，矢量OA的長(zhǎng)度r稱(chēng)為復(fù)數(shù)A的模，它與實(shí)軸正向之間的夾角φ稱(chēng)為幅角。復(fù)數(shù)的實(shí)部a、虛部b和模r、幅角φ的關(guān)系為

(3-6)

工程上，復(fù)數(shù)A常寫(xiě)為

A=r∠φ(極坐標(biāo)形式)

或

A=rejφ(指數(shù)形式)

2.復(fù)數(shù)的四則運(yùn)算

復(fù)數(shù)與復(fù)數(shù)之間可以實(shí)現(xiàn)加法、減法、乘法、除法的運(yùn)算，設(shè)A=a1+jb1=r1∠φ1，B=a2+jb2=r2∠φ2，則復(fù)數(shù)的代數(shù)運(yùn)算如下:

(1)加、減法運(yùn)算：

A±B=(a1±a2)+j(b1±b2)

復(fù)數(shù)加減法也可在復(fù)平面內(nèi)用平行四邊形法則進(jìn)行：如圖3.4所示，在復(fù)平面內(nèi)，分別以A、B為鄰邊做平行四邊形，平行四邊形的對(duì)角線(xiàn)為A+B。圖3.4復(fù)平面復(fù)數(shù)加減

(2)乘法運(yùn)算：

A×B=AB=r1r2∠(φ1+φ2)

(3)除法運(yùn)算：

3.1.3正弦量的相量表示法

如前所述，表示一個(gè)正弦量可以用解析式和波形圖。在分析和計(jì)算正弦交流電路時(shí)，常會(huì)遇到對(duì)同頻率正弦量進(jìn)行加、減運(yùn)算，直接采用解析法和波形合成的方法都較為繁瑣。為此，引入正弦交流電的相量表示法。

數(shù)學(xué)分析表明，正弦量和復(fù)數(shù)之間存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，用復(fù)數(shù)表示正弦量這一方法稱(chēng)為相量法。前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了一個(gè)正弦量有三要素，即最大值、角頻率和初相位。正弦交流電路中的電壓、電流的頻率與電源相同，一般情況下，可不必考慮，計(jì)算時(shí)只要考慮最大值和初相這兩個(gè)要素即可。而復(fù)數(shù)正好有兩個(gè)要素，即模與幅角(指極坐標(biāo)式)。若用復(fù)數(shù)的模代表正弦量的最大值或有效值，用幅角代表正弦量的初相，那么就可以用一個(gè)復(fù)數(shù)表示正弦量了。為了與一般的復(fù)數(shù)有所區(qū)別，我們把這樣一個(gè)能表示正弦信號(hào)的復(fù)數(shù)稱(chēng)為相量，并用大寫(xiě)字母上方加“·”來(lái)表示。相量可以用復(fù)平面上的有向線(xiàn)段來(lái)表示，稱(chēng)為正弦量的相量圖，如圖3.5所示。圖3.5交流電流i的相量圖

例3-1

設(shè)兩個(gè)正弦交流電流，

試用相量式來(lái)表示。

解

(1)

最大值

有效值

初相位

φ1=0°

則相量式為

(2)i2=50sin(ωt+60°)A

最大值

I2m=50A

有效值

初相位

φ2=60°

則相量式為

例3-2

已知，，試用相量法求i1+i2，并畫(huà)相量圖。

解電流i1,i2的相量式分別為

即

相量圖如圖3.6所示。圖3.6例3-2圖3.2.1電阻元件的交流電路

交流電路中如果只有線(xiàn)性電阻，這種電路叫做純電阻電路。我們?nèi)粘Ｉ钪薪佑|到的白熾燈、電爐、電熨斗等都屬于電阻性負(fù)載，在這類(lèi)電路中影響電流大小的主要是負(fù)載電阻R。純電阻交流電路如圖3.7(a)所示。3.2單一元件的交流電路圖3.7純電阻交流電路

1.電壓與電流的關(guān)系

電壓與電流參考方向如圖3.7(a)所示，兩者的關(guān)系由歐姆定律確定，即

u=Ri

設(shè)i=Imsinωt，則

u=Ri=RImsinωt

(3-7)

由式(3-7)可得出如下結(jié)論：

(1)電阻元件上的電壓u和電流i是同頻率的正弦電量。

(2)電壓和電流的相位相同。

(3)電壓和電流的最大值、有效值的關(guān)系為

Um=RIm

U=RI

(3-8)

(4)電壓相量和電流相量之間的關(guān)系為

(3-9)

(5)相量圖和波形圖如圖3.7(b)、(c)所示。

2.功率

1)瞬時(shí)功率

在交流電路中，電路元件上的瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流之積為該元件的瞬時(shí)功率，用小寫(xiě)字母p表示，單位為瓦［特］(W)。電阻元件上的瞬時(shí)功率為

(3-10)

2)平均功率(有功功率)

電阻是耗能元件，為了反映電阻所消耗功率的大小，在工程上常用平均功率(也叫有功功率)來(lái)表示。所謂平均功率就是瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，用大寫(xiě)字母P表示，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為

(3-11)

例3-3

把一個(gè)100Ω的電阻接到u=311sin(314t+30°)V的電源上，求：i，P。

解因?yàn)榧冸娮桦娐返碾娏髋c電壓同相位，并且瞬時(shí)值、最大值、有效值都符合歐姆定律，則

所以

3.2.2電感元件的交流電路

在電子技術(shù)和電氣工程中，常常用到由導(dǎo)線(xiàn)繞制而成的線(xiàn)圈，如日光燈整流器線(xiàn)圈、變壓器線(xiàn)圈等，稱(chēng)為電感線(xiàn)圈。一個(gè)線(xiàn)圈當(dāng)它的電阻和分布電容小到可以忽略不計(jì)時(shí)，可以看成是一個(gè)純電感，將它接在交流電源上就構(gòu)成了純電感電路，如圖3.8(a)所示。圖3.8電感元件交流電路

1.電壓與電流關(guān)系

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)線(xiàn)圈中電流i發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因而在電感兩端形成感應(yīng)電壓u，當(dāng)感應(yīng)電壓u與電流i的參考方向與圖3.8(a)所示一致時(shí)，其伏安關(guān)系為

(3-12)

當(dāng)通過(guò)電感的電流為i=Imsinωt時(shí)，電感兩端的電壓為

(3-13)由式(3-13)可得出如下結(jié)論：

(1)電感元件上的電壓u和電流i是同頻率的正弦電量。

(2)電壓和電流的相位差φ=90°，即u超前i90°。

(3)電壓和電流的最大值、有效值的關(guān)系為

Um=ωLIm=XLIm

U=ωLI=XLI

(3-14)

式中

XL=ωL=2πfL

(3-15)

(4)電壓相量和電流相量之間的關(guān)系為

(3-16)

(5)相量圖和波形圖如圖3.8(b)、(c)所示。

2.功率

1)瞬時(shí)功率

根據(jù)瞬時(shí)功率的定義，電感元件上的瞬時(shí)功率為

(3-17)

2)平均功率(有功功率)

瞬時(shí)功率表明，在電流的一個(gè)周期內(nèi)，電感與電源進(jìn)行兩次能量交換，交換功率的平均值為零，即純電感電路的平均功率為零。純電感線(xiàn)圈在電路中不消耗有功功率，它是一種儲(chǔ)存電能的元件。

3)無(wú)功功率

電感與電源之間只進(jìn)行能量的交換而不消耗功率，平均功率不能反應(yīng)能量交換的情況，因而常用瞬時(shí)功率的最大值來(lái)衡量這種能量交換的情況，并把它稱(chēng)為無(wú)功功率。無(wú)功功率用Q表示，單位為乏(var)。

無(wú)功功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(3-18)

例3-4

一個(gè)電感量L=25.4mH的線(xiàn)圈，接到u=311sin(314t

－60°)V的電源上，求：XL，i，Q。

解3.2.3電容元件的交流電路

在電子技術(shù)中，常用電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧、濾波、耦合、隔直等作用，在電力系統(tǒng)中，利用它來(lái)改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，以減少電能的損失和提高電氣設(shè)備的利用率。介質(zhì)損耗很小、絕緣電阻很大的電容器可以近似看成是純電容，將它接在交流電源上就構(gòu)成了純電容電路，如圖3.9(a)所示。圖3.9電容元件交流電路

1.電壓與電流關(guān)系

當(dāng)電容兩端的電壓發(fā)生變化時(shí)，極板上的電荷也相應(yīng)地變化，這時(shí)電容器所在的電路就有電荷作定向運(yùn)動(dòng)，形成電流。如圖3.9(a)中，選定電容上電壓與電流的參考方向?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，電容的伏安關(guān)系為

(3-19)

即電容電流與電壓的變化率成正比。當(dāng)電容兩端的電壓為u=Umsinωt時(shí)，通過(guò)電容的電流為

(3-20)

由式(3-20)可得出如下結(jié)論：

(1)電容元件上的電壓u和電流i也是同頻率的正弦電量。

(2)電壓和電流的相位差φ=－90°，即u滯后i90°。

(3)電壓和電流的最大值、有效值的關(guān)系為

Im=ωCUm

(3-21)

式中

(3-22)

(4)電壓相量和電流相量之間的關(guān)系為

(3-23)

(5)波形圖和相量圖如圖3.9(b)、(c)所示。

2.功率

1)瞬時(shí)功率

根據(jù)瞬時(shí)功率定義，電容元件上的瞬時(shí)功率為

(3-24)

2)平均功率(有功功率)

瞬時(shí)功率表明，在電流的一個(gè)周期內(nèi)，電容與電源進(jìn)行兩次能量交換，交換功率的平均值為零，即純電容電路的平均功率也為零。這說(shuō)明電容元件也是一個(gè)儲(chǔ)能元件，不消耗能量，它只是進(jìn)行電容電場(chǎng)能和電源的電能之間的能量交換。

3)無(wú)功功率

電容與電源之間只進(jìn)行能量的交換而不消耗功率，其能量的交換也用無(wú)功功率來(lái)衡量。無(wú)功功率用Q表示，單位為乏(var)。

(3-25)

例3-5

一個(gè)電容量C=20μF的電容器，接到的電源上，求：XC，i，Q。

解

3.3.1RLC串聯(lián)交流電路和串聯(lián)諧振

1.RLC串聯(lián)交流電路電壓和電流的關(guān)系

在電阻、電感與電容串聯(lián)的交流電路中，各元件通過(guò)同一電流，電流與各電壓的參考方向如圖3.10所示。分析這種電路可以應(yīng)用上一節(jié)所得的結(jié)論。3.3簡(jiǎn)單正弦交流電路的分析圖3.10電阻、電感與電容串聯(lián)的交流電路令電流為參考正弦量

i=Imsinωt

由KVL，可得

u=uR+uL+uC

(3-26)

用相量表示，即為

(3-27)

為了直觀(guān)起見(jiàn)，我們通過(guò)畫(huà)相量圖來(lái)分析，如圖3.11(a)所示。圖3.11RLC串聯(lián)電路由相量圖可知，電壓相量，，組成了一個(gè)直角三角形，稱(chēng)為電壓三角形,如圖3.11(b)所示。利用這個(gè)電壓三角形，可得到各部分電壓有效值間的關(guān)系為

(3-28)

用相量表示電壓與電流的關(guān)系，則式(3-27)可寫(xiě)為

將上式寫(xiě)成

(3-29)

式(3-29)中的R+j(XL－XC)稱(chēng)為電路的阻抗，用大寫(xiě)字母Z表示，單位為Ω，即

(3-30)

式中的|Z|是阻抗的模，稱(chēng)為阻抗模，φ是阻抗的幅角。轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(3-31)

式(3-30)就是歐姆定律的相量式。可見(jiàn)，阻抗的實(shí)部為“電阻”，虛部為“電抗”，它表示了電路的電流相量與電壓相量之間的關(guān)系，既表示了它們之間的大小關(guān)系(反映在阻抗的模|Z|上)，又表示了它們之間的相位關(guān)系(反應(yīng)在幅角φ上)。注意：阻抗Z是一個(gè)復(fù)數(shù)，并不是正弦交流量對(duì)應(yīng)的相量，所以上面不能加點(diǎn)，Z在方程式中只是一個(gè)運(yùn)算的工具。

由式(3-31)可以看出|Z|、R、(XL－XC)也組成了一個(gè)直角三角形，叫做阻抗三角形，如圖3.12所示。阻抗三角形和電壓三角形是相似三角形。

圖3.12阻抗三角形阻抗模|Z|、阻抗角φ與相量之間的關(guān)系如下:

即

(3-32)由于阻抗三角形和電壓三角形是相似三角形，所以φ角可用式(3-32)來(lái)求解

(3-33)

φ角既表示電壓相量與電流相量的夾角，還等于阻抗Z的阻抗角。由式(3-30)可知，阻抗角φ即為電壓與電流之間的相位差。φ角的正負(fù)直接影響電路的性質(zhì)。

(1)若XL>XC，則0°<φ<90°，電壓超前電流φ角，電路呈電感性。當(dāng)φ=90°時(shí)，為純電感電路。

(2)若XL<XC，則－90°<φ<0°，電壓滯后電流φ角，電路呈電容性。當(dāng)φ=－90°時(shí)，為純電容電路。

(3)若XL=XC，則φ=0°，電壓與電流同相位，電路呈電阻性，此時(shí)電路發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。

2.功率關(guān)系

1)瞬時(shí)功率

電路中電壓的瞬時(shí)值與電流的瞬時(shí)值的乘積稱(chēng)為瞬時(shí)功率，即

p=ui=pR+pL+pC

2)有功功率(平均功率)

有功功率是電路所消耗的功率。在RLC串聯(lián)電路中，只有電阻消耗功率。所以，電路的有功功率為

P=PR=URI=I2R

(3-34)

由圖3.11的電壓三角形可得出

UR=Ucosφ

故

P=UIcosφ

(3-35)

3)無(wú)功功率

電感元件和電容元件均為儲(chǔ)能元件，與電源進(jìn)行能量交換，其交換的無(wú)功功率為

Q=QL+QC=(UL－UC)I=UIsinφ

(3-36)

4)視在功率

視在功率表示電源提供總功率(包括P和Q)的能力，即電源的容量。在交流電路中，總電壓與總電流有效值的乘積定義為視在功率，用字母S表示，單位為伏·安(V·A)或千伏·安(kV·A)，即

S=UI

(3-37)

由于平均功率P、無(wú)功功率Q和視在功率S三者所代表的意義不同，為區(qū)別起見(jiàn)，各采用不同的單位。這三個(gè)功率之間有一定的關(guān)系，即

(3-38)

功率、電壓和阻抗三角形都是相似的，現(xiàn)在把它們同時(shí)表示在圖3.13中。引出這三個(gè)三角形的目的，主要是為了幫助我們分析和記憶。圖3.13功率、電壓、阻抗三角形

例3-6

電路如圖3.14所示，已知：，

，求Z和φ并說(shuō)明電路的性質(zhì)。

解

阻抗角φ<0°,所以電路呈電容性。圖3.14例3-6圖

例3-7

RLC串聯(lián)電路中，已知：，R=40Ω，XL=60Ω，XC=30Ω，求：i、P、Q、S。

解

3.阻抗的串聯(lián)

圖3.15是兩個(gè)阻抗串聯(lián)的電路。

根據(jù)KVL可得出它的相量表達(dá)式為

(3-39)

兩個(gè)串聯(lián)的阻抗可用一個(gè)等效阻抗Z來(lái)代替，在同樣電壓的作用下，電路中電流的有效值和相位保持不變。根據(jù)圖3.15可寫(xiě)出

(3-40)圖3.15阻抗串聯(lián)電路比較上列兩式，則得

Z=Z1+Z2

(3-41)

如果有n個(gè)阻抗串聯(lián)，其等效阻抗為Z=Z1+Z2+…+Zn。

因?yàn)橐话?/p>

U≠U1+U2

所以

|Z|≠|(zhì)Z1|+|Z2|

4.串聯(lián)諧振

在具有電感和電容元件的電路中，電路兩端的電壓與其中的電流一般是不同相的。如果我們調(diào)節(jié)電路的參數(shù)或電源的頻率而使它們同相，這時(shí)電路中就發(fā)生諧振現(xiàn)象。研究諧振的目的在于認(rèn)識(shí)這一客觀(guān)現(xiàn)象，并在生產(chǎn)實(shí)踐中充分利用諧振特性，同時(shí)也要預(yù)防它可能產(chǎn)生的危害。

在圖3.10所示的RLC串聯(lián)交流電路中，電路的復(fù)阻抗為

Z=R+j(XL－XC)

當(dāng)XL=XC,或

(3-42)時(shí)，則

即電源電壓u與電路中的電流i同相，這時(shí)電路中發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。式(3-42)是發(fā)生串聯(lián)諧振的條件，并由此得出諧振頻率為

(3-43)串聯(lián)諧振具有下列特征：

(1)電路的阻抗模，發(fā)生諧振時(shí)其值最小。因此，在電源電壓U不變的情況下，電路中的電流將在諧振時(shí)達(dá)到最大值，即I=I0=U/R。

(2)由于電源電壓與電流同相(φ＝0)，因此電路對(duì)電源呈電阻性。電源供給電路的能量全被電阻所消耗，電源與電路之間不發(fā)生能量的互換。能量的互換只發(fā)生在電感線(xiàn)圈與電容器之間。

(3)電感與電容兩端的電壓相等，但相位相反。其數(shù)值分別為總電壓的Q倍，即

(3-44)

式中Q稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù),其表達(dá)式為

(3-45)

由于發(fā)生諧振時(shí)，與大小相等、相位相反，互相抵消，對(duì)整個(gè)電路不起作用，因此電源電壓。但是，UL與UC的單獨(dú)作用不容忽視，因?yàn)?/p>

(3-46)3.3.2RLC并聯(lián)交流電路和并聯(lián)諧振

1.阻抗的并聯(lián)

圖3.16為兩個(gè)阻抗并聯(lián)的電路。

根據(jù)KCL可寫(xiě)出它的相量表示式

(3-47)

圖3.16阻抗并聯(lián)電路兩個(gè)并聯(lián)的阻抗也可用一個(gè)等效阻抗Z來(lái)代替。根據(jù)圖3.16可寫(xiě)出

比較上列兩式，則得

(3-48)

或

(3-49)如果有n個(gè)阻抗并聯(lián)，其等效阻抗為Z,則有

一般

I≠I(mǎi)1+I2

所以

2.并聯(lián)諧振

圖3.17所示為電容器與線(xiàn)圈并聯(lián)的電路，其中線(xiàn)圈可用等效參數(shù)R、L表示。電路的等效阻抗為

(3-50)

通常要求線(xiàn)圈的電阻很小，所以一般在諧振時(shí)，ωL≥R，則上式可寫(xiě)成

(3-51)圖3.17并聯(lián)電路

由此可得并聯(lián)諧振頻率，即將電源頻率ω調(diào)到ω0時(shí)，發(fā)生諧振，這時(shí)

或

并聯(lián)諧振具有下列特征：

(1)由式(3-50)可知，諧振時(shí)電路的阻抗模為

(3-52)

其值最大。因此在電源電壓U一定的情況下，電路中的電流I將在諧振時(shí)達(dá)到最小值，即

(2)由于電源電壓與電流同相(φ=0)，因此電路對(duì)電源呈電阻性。諧振時(shí)電路的阻抗模|Z0|相當(dāng)于一個(gè)電阻。

(3)諧振時(shí)并聯(lián)各支路的電流近似相等，且為總電流的Q倍，即

IC≈IL=QI0

IC或IL與總電流I0的比值為電路的品質(zhì)因數(shù)，其表達(dá)式為

(3-53)

3.3.3功率因數(shù)及其提高的方法

1.提高功率因數(shù)的意義

(1)提高電源設(shè)備的利用率。交流電源的容量是用其視在功率來(lái)衡量的，當(dāng)容量一定的電源設(shè)備向外供電時(shí)，負(fù)載能夠得到多少有功功率P，除了與電源設(shè)備的視在功率有關(guān)外，還與負(fù)載的功率因數(shù)有密切關(guān)系，功率因數(shù)cosφ越大，P=UIcosφ越大。無(wú)功功率就越小。提高功率因數(shù)，可以使同等容量的供電設(shè)備向用戶(hù)提供更多的有功功率，提高供電能力。

(2)降低線(xiàn)路損耗，提高供電質(zhì)量，節(jié)約用銅。當(dāng)負(fù)載的有功功率P和電壓U一定時(shí)，cosφ越大，輸電線(xiàn)上的電流越小，線(xiàn)路上能耗就越少。線(xiàn)路損耗減少，可以使負(fù)載電壓與電源電壓更接近，電壓調(diào)整率更高。此外，在線(xiàn)路損耗一定時(shí)，提高功率因數(shù)可以使輸電線(xiàn)上的電流減小，從而可以減小導(dǎo)線(xiàn)的截面，節(jié)約銅材。

2.提高功率因數(shù)的方法

功率因數(shù)低的根本原因主要是由于感性負(fù)載的大量存在。工廠(chǎng)中廣泛使用的三相異步電動(dòng)機(jī)就相當(dāng)于感性負(fù)載。為了提高功率因數(shù)，可以從兩個(gè)方面來(lái)著手：一方面是改進(jìn)用電設(shè)備的功率因數(shù)，但這主要涉及更換或改進(jìn)設(shè)備；另一方面是在感性負(fù)載的兩端并聯(lián)適當(dāng)大小的電容器。

并聯(lián)電容器前后，電路所消耗的有功功率不變。因?yàn)殡娙莶幌挠泄β?，僅僅是用電容性無(wú)功功率去補(bǔ)償電感性無(wú)功功率。同時(shí)也未改變感性負(fù)載本身的功率因數(shù)和工作狀態(tài)，因?yàn)楦行载?fù)載的端電壓不變，而是提高了整個(gè)電路的功率因數(shù)。原理如圖3.18所示。圖3.18功率因數(shù)的提高

1.實(shí)訓(xùn)目的

(1)掌握日光燈電路的組成及連接方法。

(2)了解日光燈的工作原理，加深理解交流電路中電壓與電流的相量關(guān)系。

(3)理解功率因數(shù)的意義，掌握提高功率因數(shù)的方法。

2.實(shí)訓(xùn)設(shè)備

實(shí)訓(xùn)設(shè)備如表3.1所示。3.4本章實(shí)訓(xùn)日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高表3.1實(shí)訓(xùn)設(shè)備

3.實(shí)訓(xùn)原理

1)日光燈電路的組成

日光燈電路由日光燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器及開(kāi)關(guān)組成，如圖3.19所示。

(1)日光燈管。日光燈管是一個(gè)在真空情況下充有一定數(shù)量的氬氣和少量水銀的玻璃管，管的內(nèi)壁涂有熒光材料，兩個(gè)電極用鎢絲繞成，上面涂有一層加熱后能發(fā)射電子的物質(zhì)。管內(nèi)氬氣既可幫助燈管點(diǎn)燃，又可延長(zhǎng)燈管壽命。

(2)鎮(zhèn)流器。鎮(zhèn)流器又稱(chēng)限流器，是一個(gè)帶有鐵芯的電感線(xiàn)圈，其作用是：①在燈管啟輝瞬間產(chǎn)生一個(gè)比電源電壓高得多的自感電壓幫助燈管啟輝。②燈管發(fā)光后限制通過(guò)燈管的電流，使其不致過(guò)大而燒毀燈絲。圖3.19日光燈電路的組成

(3)啟輝器。啟輝器由一個(gè)啟輝管(氖泡)和一個(gè)小容量的電容組成。

氖泡內(nèi)充有氖氣，并裝有兩個(gè)電極，一個(gè)是固定電極，另一個(gè)是用膨脹系數(shù)不同的雙金屬片制成的倒“U”形可動(dòng)電極，兩電極上都焊有觸頭?！癠”形可動(dòng)電極內(nèi)層金屬片熱膨脹系數(shù)大，在兩電極間加上電源電壓時(shí)管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生輝光放電而發(fā)熱，“U”形可動(dòng)電極因受熱而伸直，使觸頭閉合，這時(shí)兩電極間的電壓降為零，輝光放電停止，幾秒鐘內(nèi)雙金屬片冷卻后回到原來(lái)位置，兩觸頭分開(kāi)，啟輝器在電路中起自動(dòng)開(kāi)關(guān)作用。電容用于防止觸頭斷開(kāi)而產(chǎn)生火花將觸頭燒壞以及燈管啟輝