日光灯电路及其功率因数的提高,实验报告

日光灯电路及其功率因数的提高,实验报告 日光灯电路及其功率因数的提高,实验报 告 日光灯电路与功率因数的提高 实验4.7 日光灯电路与功率因数的提高 4.7.1实验目的 1(熟悉日光灯的接线。 2(掌握在感性负载上并联电容器以提高电路功率因数的原理。 4.7.2实验任务 4.7.2.1基本实验 1(完成因无补偿电容和不同的补偿电容时电路中相关支路的电压、电流以及电路的功率、功率因数的测量和电路的总 功率因数曲线cosθ′=f(C)的测量。并测出将电路的总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值。(日光灯灯管额定电压为220V，额定功率30W。) 2(完成图4-7-1所示点亮日光灯时 所需电压U点亮和日光灯熄灭时电压U熄灭 的测量。 3(定量画出电路的相量图。完成镇图4-7-1 流器的等效参数RL、L的计算。 4.7.2.2扩展实验 保持U=220V不变，当电路并联最佳电容器后使得总功率因数达到最大时，在电容器组两端并入20W灯泡，通过并入灯泡的个数，使得总电流I与无并联电容时的I值大致相同，此时I、IC、IL、P以及流入灯泡的电流值。 4.7.3实验设备 1(三相自耦调压器 一套 2. 灯管 一套 3(镇流器 一只 4. 起辉器 一只 5. 单相智能型数字功率表一只 6. 电容器组/500V 一套 7. 电流插座三付 8. 粗导线电流插头 一付 9. 交流电压表(0~500V) 或数字万用表一只 10(交流电流表(0~5A) 一只 11(粗导线 若干 4.7.4 实验原理 1(日光灯电路组成 日光灯电路主要有灯管、启辉器和镇流器U, 组成。联接关系如图4-7-2所示。 2(日光灯工作原理 接通电源后，启辉器内固定电极、可动电极间的氖气发生辉光放电，使可动电极的双金 图4-7-2 日光灯电路图 属片因受热膨胀而与固定电极接触，内壁涂有 荧光粉的真空灯管里的灯丝预热并发射电子。启辉器接通后辉光放电停止，双金属片冷缩与固定电极断开，此时镇流器将感应出瞬时高电压加于灯管两端，使灯管内的惰性气体电离而引起弧光放电，产生大量紫外线，灯管内壁的荧光粉吸收紫外线后，辐射出可见光，发光后日光灯两端电压急剧下降，下降到一定值，如40W日光灯下降到110V左右开始稳定工作。启辉器因在110V电压下无法接通工作而断开。启辉器在电路启动过程中相当于一个点动开关。 当日光灯正常工作后，可看成由日光灯管和镇流器串联的电路，电源电压按比例分配。镇流器对灯管起分压和限流作用。灯管相当于一个电阻元件，而镇流器是一个具有铁心的电感线圈，但它不是纯电感，我们可把它看成一个RL、L串 ? 联的感性负载，电流为IL。设日光灯电路两端电压U的相位超前于日光灯电路电流IL相位θ角，则日光灯电路的功率因数为cosθ。如图4-7-3所示。 电源电压 ?I? I?补偿后电路总电流 I?日光灯支路电流 U I?电容支路电流 θ?补偿前电路的电压与电流间相位角 ???补偿后电路的电压与电流间相位角 图4-7-3 提高电路功率因数的相量图 3(提高功率因数的目的 为了减少电能浪费，提高电路的传输效率和电源的利用率，须提高电源的功率因数。提高感性负载功率因数的方法之一，就是在感性负载两端并联适当的补 ? ? ? ? ? U ?? C ? L C 偿电容，以供给感性负载所需的部分无功功率。并联电容器后， 电路两端的电压U与总电流(I ? ? ? ? ?IL?IC )的相位差为??，相应的向量图如图4-7-3所示。由图可见，补 偿后的cos??,cosθ，即功率因数得到了提高。 由图4-7-3可得 IC=ILsinθ-Isin??=? P??? ?sin??-?? ?Ucos?Ucos?????? UX C P sinθ= PU (tanθ-tan??) 又因 IC= 所以 UωC= PU =UωC (tanθ-tan??) 由此得出补偿电容C的大小可按下式计算: C? P ?U 2 (tan??tan??)(4-7-1) 4-7-1式中 P?有功功率(W); ω?电角度(rad/s)，ω=2πf (f=50Hz)。 4(在日光灯实验中，由于灯管内的气体放电电流不是正弦波， 且在一周期内形成不连续的两次放电。所测量的有功功率应是50Hz基波电流与同频率的电源电压的乘积。所以在正弦波的电压与非正弦波的电流的电路中，因高次谐波电流的存在，功率因数只能小于1，而不能达到1。所以我们可利用式4-7-1来计算理论上cos??=1时所对应的补偿电容值。 4(过补偿现象。从图4-7-3看出，随着并联电容不断地增加，电容电流IC也随之增大，使得|??|逐渐变小，过0后，??又逐渐变大，此后电容越大，功率因数反而下降，此现象就称为过补偿。在过补偿的情况下，系统中由感性转变为容性。出现容性的无功电流，不仅达不到补偿的预期效果，反而会使配电线路各项损耗增加，在工程应用中，应避免过补偿。 4.7.5 预习提示 1(日光灯电路的工作原理是怎样的, 2(日光灯电路的性质是阻性、感性还是容性, 3(为什么要提高电路的功率因数, 4(怎样根据实测值来计算当cosθ′=1时，补偿电容C的值, 5(忽略电网电压波动，当改变电容时，功率表的读数和日光灯支路的电流IL是否变化,请分别原因。 4.7.6 实验步骤 1(功率表和日光灯熔断器的通断情况。用万用表的二极管档，判断单相交流功率表(以下简称功率表)的电流线圈中的熔断器以及灯管的熔断器导通情况。 2(按图4-7-1所示电路联接线路。将功率表标有“I*”的电流线圈与标有“U*” 电压线圈同名端短接，并与三相自耦调压器的输出端某个相线相联。按照先串联回路联接，后并联回路联接的原则接线, 将标有“U”电压线圈与中性线N相联。(有功功率的概念及功率表的使用说明参见《实验4.6电感线圈参数测量》)。并将灯管、启辉器、镇流器和电容器组按图接入电路。将各电容器组的开关断开。 3(完成因无补偿电容和不同的补偿电容时电路的电压、电流以及电路的功率、功率因数的测量和电路的总功率因数曲线cosθ′=f(C)的测量。并测出将电路的总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值。(日光灯额定电压为220V，额定功率30W) (1压器同轴旋钮，将三相自耦调压器的输出电压调高至交流电压表有效值示数为日光灯额定电压220V。保持三相自耦调压器输出电压220V不变，通过开关控制接入不同的电容，测量相关数据并记录于表4-7-1中。 注意:在接入不同的电容时，随着总功率因数变化，不要遗漏电路的总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值的测量。 (2)将三相自耦调压器调至零。 表4-7-1提高感性负载电路的功率因数测试 点亮熄灭 的测量。 (1)当调至日光灯管刚刚点亮时，停止调压。用交流电压表测量此时调压器输出电压有效值，该电压即为日光灯的最低启辉电 压U点亮。将该数据记录于表4-7-1中。 (2)继续转动三相自耦调压器同轴旋钮，将其输出电压调高至交流电压表有效值示数为220V调至日光灯管刚刚熄灭时，停止调压，用交流电压表测量此时三相自耦调压器的输出电压有效值，记录于表4-7-1中。 (3)将三相自耦调压器调至零，并按下红色“停止”按钮，红灯亮，绿灯灭。拆除线路。将钥匙式总开关置于“关”位置,此时红色按钮灭。实验结束。画出cos??=f(C)曲线。(注意绘制cos??=f(C)曲线时，由于受装置的限制，实验时调不到cos??=1，但仍需将cos??=1的这点虚拟画出。) (4)参考《实验4.5简单交流电路》等效参数R1、L1的计算法，完成镇流器的等效参数RL、L值的计算。 5. 实验的注意事项: (1)线路接线正确，但日光灯不能启辉时，应检查启辉器接触是否良好。 (2)在接入不同的电容时，不要遗漏电路的总功率因数提高到最大值时所需补偿电容器的电容值的测量。 (3)本实验是强电实验，务必注意用电和人身安全。供电电源从相线和零线引出。每一次实验电路测试完毕后，在三相自耦调压器调至零的前提下方可断开电源开关，然后进行拆线或接线。 4.7.7 报告要求 1. 画出实验电路与表格，简要写出电路原理和实验步骤。 2(完成任务1中日光灯在额定电压下，电容从0,10.4μF之间 变化时表4-7-1实测记录和总功率因数提高到最大值(cos??max)时所需补偿电容器的电容值的实测记录。 3(完成任务2的日光灯的最低启辉电压U点亮和熄灭时电压U熄灭的记录。 4.根据测试数据，画出cos??=f(C)曲线。由于受装置的限制，实验时调不到cos??=1，在根据实验数据绘制cos??=f(C)曲线时，仍需将cos??=1的这点虚拟画出。将相关的实测数据代入公式4-7-1，计算cos??=1时补偿电容的理论值。并将cos??=1时补偿电容的理论值与cos??=f(C)曲线cos??=1的虚拟点对应的补偿电容值进行误差计算。 5(定量画出电路的相量图。 6(完成任务3镇流器的等效参数RL、L的计算。 7(根据测试结果，得出日光灯电路并联电容前后，功率因数变化的特点。 8(根据4.7.2.2的扩展实验，测出总功率因数达到最大时，且总电流I与无并联电容时的I值大致相同时的I、IC、IL、P以及流入灯泡的电流值。根据测试结果，总结提高功率因数，从而提高电源利用率的结论。 9(完成思考题。 4.7.8 思考题 篇二:实验3 日光灯电路及功率因数的提高 实验三 日光灯电路及功率因数的提高 一、实验目的 1、了解日光灯电路的工作原理与接线。 2、了解提高功率因数在工程上的意义。 3、掌握提高感性负载功率因数的方法。 4、 熟悉功率表、功率因数表的使用方法。 二、实验内容 1、日光灯电路及其功率因数的改善。 2、感性负载功率因数的提高。 四、实验原理 1、 日光灯电路原理 日光灯电路由灯管、镇流器及启辉器三部分组成。其原理如图3.1所示。灯管在工作时可认为是一个电阻负载R。镇流器是一个交流铁心线圈，可等效为一个电感很大的感性负载(r、L串联)。灯亮后，启辉器就不起作用了。故实际上是一个R、L串联电路，等效电路如图3.2所示。其工作原理如下: 当接通220V交流电源时，电源电压通过镇流器施加于启辉器两电极上，使极间气体导电，可动电极(双金属片)与固定电极接触。由于两电极接触不再产生热量，双金属片冷却复原使电路突然断开，此时镇流器产生一较高的自感电动势经回路施加于灯管两端，而使灯管迅速起燃，电流经镇流器、灯管而流通。灯管起燃后，两端压降较低，启辉器不工(转载于:www.xiElw.coM 写 网:日光灯电路及其功率因数的提高,实验报告)作，日光灯正常工作。 I U1 启辉器 U U2 图3.1 日光灯原理电路 图3.2日光灯等效电路 2、 功率因数的提高 电力系统中的大多数负载，如异步电动机、日光灯等都是感性负载，功率因数较低，对电力系统的运行不利。一是使电源设备的利用率减低，二是降低了输电线路的输电功率。也就是说，负载的有功功率一定时，有关系式I=P/UCosφ，可见，功率因数低，线路电流就大，输电线路上的功率消耗I2r也就增大(r为线路等值电阻)，使输电功率降低。因此提高负载的功率因数有着重要的经济意义。 提高功率因数即在不改变原负载工作状态的条件下，设法减小线路电流。常用的方法是感性负载并联电容补偿之，容性负载并联电感补偿之。 I IC IB0 图3.3(a)感性负载电路 图3.4相量图电路图(b)相量图 在感性负载两端并联电容器后的相量图如图3.4所示。若忽略线路阻抗，并联电容后并不改变原负载的工作状况，但却通过容性电流对感性电流的补偿，提高了功率因数，降低了对电源输出电流的要求，可增加一定容量电源的带载能力。 根据图3.4所示的相量图，可确定将功率因数从λ0=cosφ0提高到λ=cosφ时所需并联的电容。参考以下公式计算: P=UIλ=UI0λ0I0= PU?0 I= I0?0 ? IC=I0sinφ0-Isinφ C= IC ?U 负载消耗的电能是供电部门或用户的一个重要指标，电能用电度表测量。 五、实验注意事项 1、本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全，通电之前一定要经老师检查。 2、每次换接线路，均要断开电源，不得在通电状态下换接线路，以免造成人身危险。 3、功率表要正确接入线路，读数时要注意量程和实际读数的折算关系。 4、线路接线正确，日光灯不能启辉时，注意检查启辉器及其接触是否良好。 六、实验内容与步骤 1、 日光灯电路及其功率因数的改善 (1)按图3.5实验电路接线，电源电压取自实验装置配电屏上 的220V电源端，功率因数表接线方式同功率表，电流线圈串入电路，电压线圈并入电路，参考实验十五中功率表的接线说明。接线完毕经指导教师检查后，方可接通市电电源。 启辉器 U2 图3.5实验电路 实验用的日光灯管安装在实验装置的顶端，灯管两端引出的四根绝缘导线与实验装置的电源控制屏上的日光灯管线路图的四个蓝色护套插座相连。 (2)将S1、S2、S3断开，输入220V，用交流电压表测量电源电压U、灯管电压U1、镇流器电压U2，通过一只交流电流表和三只电流插座分别测量三条支路的电流，用单相功率表测量功率，并记入表3.1中。 入表3.2中。 (4)在同一坐标系作I=f(C)和cosφ=f(C)曲线，并分析曲线成因。 七、实验思考题 1、在日常生活中，当日光灯上缺少启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接 一下，然后迅速断开，使日光灯点亮;或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么, 2、提高感性负载的功率因数，为什么不采用给负载串联电容的 方法,所并电容器是否越大越好, 3、并联电容后，总电流和功率因数有何变化,以此说明提高功率因数的实际意义。 4、怎样判断电路工作在λ=1的状态, 篇三:电路基础实验报告 日光灯功率因素改善实验 实验题目: 日光灯电路改善功率因数实验 一、实验目的 1、了解日光灯电路的工作原理及提高功率因数的方法; 2、通过测量日光灯电路所消耗的功率，学会电工电子电力拖动实验装置; 3、学会日光灯的接线方法。 二、实验原理 用P、S、I、V分别表示电路的有功功率、视在功率、总电流和电源电压。 按定义电路的功率因数cos?? PP?。由此可见，在电源电压且电路的有功功SIU 率一定时，电路的功率因数越高，它占用电源(或供电设备)的容量S就越少。 日光灯电路中，镇流器是一个感性元件(相当于电感与电阻的串联)，因此它是一个感性电路，且功率因数很低，约0.5—0.6。 提高日光灯电路(其它感性电路也是一样)功率因数的方法是在电路的输入端并联一定容量的电容器。如图7-1所示: 图7-1 图7-2 图7-1 并联电容提高功率因数电路 图7-2 并联电容后的相量图 图7-1中L为镇流器的电感，R为日光灯和镇流器的等效电阻，C为并联的 ?，电容支路电流I?(等?，灯管支路电流I电容器，设并联电容后电路总电流IRLC 于未并电容前电路中的总电流)，则三者关系可用相量图如图7-2所示。由图7-2 ?的相位差为?，功率因数为?，I?与总电压U知，并联电容C前总电流为ILRLRL?，I?与总电压U?的相位差为?，功率因数为cos?L;并联电容C后的总电流为I cos?;显然cos?,cos?L，功率被提高了。并联电容C前后的有功功率 ?减小，P?IRLUcos?L?IUcos?，即有功功率不变。并联电容C后的总电流I 视在功率S?IU则减小了，从而减轻了电源的负担，提高了电源的利用率。 三、实验设备 电工电子电力拖动实验装置一台，型号:TH-DT、导线若干 四、实验内容 1、功率因数测试 按照图7-3的电路 实验电路如图7-3所示，将三表测得的数据记录于表7-1中。 图7-3 日光灯实验电路 W为功率表,C用可调电容箱。 五、实验数据与分析 实验分析: S=UI(保留三位有效数据) 220*0.410=90.2 WCosф=0.420 220*0.365=80.3 WCosф=0.480220*0.395=86.9 W Cosф=0.500220*0.280=61.6 W Cosф=0.610220*0.230=50.6 W Cosф=0.730220*0.265=58.3 W Cosф=0.720220*0.200=44.0 W Cosф=0.860220*0.210=46.2 W Cosф=0.900220*0.230=50.6 W Cosф=0.770220*0.270=59.4 W Cosф=0.730220*0.770=169W Cosф=0.310 根据S=UI，由表7-1可知，在一定范围内，有功功率P一定时，功率因素Cosф越大，视在功率S越少 表7-2 六、结论 在日光灯电路中，在一定范围内，电容值越大，视在功率越 少，有电源电压且电路的有功功率一定时，随电路的功率因素提高，它占用电源的容量S就降低，负载电流明显降低。