實驗三 日光燈電路及功率因數的提高
一、實驗目的
1.驗證單相交流電路中的電流、電壓和功率關系的理論；
2.了解日光燈電路的組成，工作原理和安裝方法；
3.了解用電容器改善功率因數的方法和意義；
4.學習功率表的使用方法。
二、實驗原理
電力系統(tǒng)中的負載大部分是感性負載，其功率因數較低，為提高電源的利用率和減少供電線路的損耗，往往
采用在感性負載兩端并聯電容器的方法，來進行無功補償，以提高線路的功率因數。日光燈電路為感性負載，其
功率因數一般在0.3～0.4左右，在本實驗中，利用日光燈電路來模擬實際的感性負載觀察交流電路的各種現象。
圖3-1 日光燈電路 圖3-2 日光燈等效電路
1.日光燈的工作原理
如圖3-1所示，日光燈電路由熒光燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器三部分組成：
(1)燈管：日光燈管是一根玻璃管，它的內壁均勻地涂有一層薄薄的熒光粉，燈管兩端各有一個陽極和一根燈絲。
燈絲由鎢絲制成，其作用是發(fā)射電子。陽極是兩根鎳絲，焊在燈絲上，與燈絲具有相同的電位，其主要作用是當
它具有正電位時吸收部分電子，以減少電子對燈絲的撞擊。此外，它還具有幫助燈管點燃的作用。
燈管內還充有惰性氣體(如氮氣)與水銀蒸汽。由于有水銀蒸汽，當管內產生輝光放電時，就會放射紫外線。
這些紫外線照射到熒光粉上就會發(fā)出可見光。
(2)鎮(zhèn)流器：它是繞在硅鋼片鐵芯上的電感線圈，在電路上與燈管相串聯。其作用為：在日光燈啟動時，產生足夠
的自感電勢，使燈管內的氣體放電；在日光燈正常工作時，限制燈管電流。不同功率的燈管應配以相應的鎮(zhèn)流
器。
(3)啟輝器：它是一個小型的輝光管，管內充有惰性氣體，并裝有兩個電極：一個是固定電極，一個是倒“U”形
的可動電極，如圖3-3所示。兩電極上都焊接有觸頭。倒“U”形可動電極由熱膨脹系數不同的兩種金屬片制成。
點燃過程：日光燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器的聯接電路如圖3-1所示。剛接通電源時，燈管內氣體尚未放電，電
源電壓全部加在啟輝器上，使它產生輝光放電并發(fā)熱，倒“U”形的金屬片受熱膨脹，由于內層金屬的熱膨脹系數
大，雙金屬片受熱后趨于伸直，使金屬片上的觸點閉合，將電路接通。電流通過燈管兩端的燈絲，燈絲受熱后發(fā)
射電子，而當啟輝器的觸點閉合后，兩電極間的電壓降為零，輝光放電停止，雙金屬片經冷卻后恢復原來位置，
兩觸點重新分開。為了避免啟輝器斷開時產生火花，將觸點燒毀，通常在兩電極間并聯一只極小的電容器。
在雙金屬片冷卻后觸點斷開瞬間，鎮(zhèn)流器兩端產生相當高的自感電勢，這個自感電勢與電源電壓一起加到燈
管兩端，使燈管發(fā)生弧光放電，弧光放電所放射的紫外線照射到燈管的熒光粉上，就發(fā)出可見光。
燈管點亮后，較高的電壓降落在鎮(zhèn)流器上，燈管電壓只有100V左右，這個較低的電壓不足以使啟輝器放電，
因此，它的觸點不能閉合。這時，日光燈電路因有鎮(zhèn)流器的存在形成一個功率因數很低的感性電路。日光燈電路
的等效電路如圖3-2所示。
2.日光燈電路原理分析
日光燈電路可以看成R、L串聯的感性電路（見圖3-2）。以電流?L為參考相量，則電壓、電流關系為
其相量圖如圖3-4所示。
圖3-4 日光燈電路相量圖 圖3-5 提高功率因數相量圖
3.功率因數的提高
如果負載功率因數低（日光燈電路的功率因數在0.3~0.4），一是電源利用率不高，二是供電線路損耗加
大，因此供電部門規(guī)定，當負載（或單位供電）的功率因數低于0.85時，必須對其進行改善和提高。
提高功率因數的方法，除改善負載本身的工作狀態(tài)、設計合理外，由于工業(yè)負載基本都是感性負載，因此常
用的方法是在負載兩端并聯電容器組（接線方法如圖3-1），補償無功功率，以提高線路的功率因數。功率因數提
高的原理如圖3-5所示。
三、實驗內容與要求
根據實驗室提供的實驗設備完成以下實驗內容的設計：
1.設計一個日光燈的照明電路,測試電路中的各參量的數據，并記錄在表3-1中。根據測量數據了解交流電路中，
各部分電壓和電流之間的相量關系。要求有電流表的地方，全用電流插孔盒聯接。
表3-1
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物理量 |
U |
UR |
ULr |
I |
ILr |
IC |
P |
PLr |
PC |
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測 值 |
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2.在1內容基礎上設計一個利用并聯電容來提高功率因數的電路，記錄各部分電流、電壓和功率測量結果的實驗數
據于表3-2中。電容變化范圍為1～15μF，要求選擇至少七個不同的電容值來觀察電路中各個物理量的變化，并與
實驗內容1的數據進行比較與分析，了解并聯交流電路中，電壓和電流及各部分電壓之間的相量關系。
表3-2
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U |
UR |
ULr |
I |
ILr |
IC |
P |
PLr |
PC |
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并C前 |
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C=1mF |
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C=2mF |
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C=4mF |
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C= |
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C= |
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3.在內容2基礎上測量日光燈管、鎮(zhèn)流器、電容器及整個電路的功率，設計實驗方案，測試電路中的各參量的數
據，并記錄在表3-3中。
表3-3
四、實驗設備
實驗室提供實驗用單相交流電源電壓為220V。
實驗室可提供的設備見表3-4。
表3-4
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設備與儀表名稱 |
規(guī)格與型號 |
數量 |
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日光燈管 |
220V，40W |
1支 |
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鎮(zhèn)流器 |
40W |
1個 |
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啟輝器 |
40W |
1個 |
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電容器 |
1μF，2μF，4μF，8μF |
4個 |
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交流電流表 |
T51,0-500mA-1000mA |
1塊 |
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交流電壓表 |
T51,0-600V |
1塊 |
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功率表 |
D51,600V,1A |
1塊 |
五、實驗報告要求
1.實驗題目、目的、內容(包括設計的實驗電路和實驗數據表格)；
2.整理測試數據，填入各個表格中；
3.回答思考題。
六、注意事項
1.燈管一定要與鎮(zhèn)流器串聯后接到電源上，切勿將燈管直接接到220V電源上；
2.日光燈啟動時，起動電流很大，為防止過大起動電流損壞電流表，電流表不能直接聯接在電路中。實驗時，用
電流插孔盒替代電流表接入電路；日光燈亮后，再接入電壓表與電流表進行測量。
3.測功率時分清功率表的電壓線圈和電流線圈。電壓線圈要并聯在被測電路兩端，而電流線圈要接電流插頭，測
量時把插頭插在被測功率的線路中串接的電流插孔盒中。功率表的具體使用方法詳見第二章第三節(jié)；
4.電工技術實驗臺控制面板最右側的旋鈕要放于“實驗”位置上，切勿放在“照明”位置上，否則會發(fā)生事故；
5.在做功率因數提高實驗時，仔細觀察電路總電流的變化規(guī)律，作好記錄。
七、思考題
1.把電容器與R-L電路并聯可改善負載的功率因數，如果把電容器與R-L電路串聯起來能否改善負載功率因數?為
什么?實際中能否采用?為什么?
2.在做功率因數提高實驗時，隨著電容器容量的不斷增加，電路總電流的變化規(guī)律為由大變小再變大，分析原
因。
3.由實驗說明提高功率因數的意義。
4.分析電路的功率平衡關系。
