日光燈電路連接及其功率因數(shù)的研究

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院數(shù)控技術(shù)專業(yè)電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)二、日光燈電路連接及其功率因數(shù)的研究地點(diǎn)電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)室姓名班級(jí)學(xué)號(hào)時(shí)間一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?1.掌握日光燈電路的工作原理和接線方法。2.理解掌握如何提高電感性電路功率因數(shù)的方法。3.加深對(duì)交流電路中電壓、電流相位關(guān)系的理解。4.熟悉用電安全知識(shí)和操作方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備器材:1．TKDG-2型高級(jí)電工技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置2．交流數(shù)字電壓表 0～500V分4檔 1 (試驗(yàn)臺(tái)上)3．交流數(shù)字電流表 ０～5A分4檔 1 (試驗(yàn)臺(tái)上)4．單相功率表 另配 1臺(tái) (本次實(shí)驗(yàn)未用)5．鎮(zhèn)流器、啟輝器 與40W燈管配用 各1 (試驗(yàn)臺(tái)上)6．日光燈燈管 40W （試驗(yàn)臺(tái)頂部）7．電容器 1μF,2.2μF,4.7μF/500V 各1 只(試驗(yàn)臺(tái)上)三、實(shí)驗(yàn)原理:日光燈電路由燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器三部分組成。燈管為一根均勻涂有熒光物質(zhì)的玻璃管，管內(nèi)充有少量水銀蒸氣和惰性氣體，燈管兩端裝有燈絲電極。鎮(zhèn)流器為一個(gè)鐵心線圈，其作用是日光燈啟輝時(shí)，產(chǎn)生高壓將燈管點(diǎn)亮；在日光燈管工作時(shí)，限制電流。啟輝器是一個(gè)充有氖氣的玻璃泡，內(nèi)裝有雙金屬片和定片兩個(gè)電極。燈管在工作時(shí)可以認(rèn)為是一個(gè)電阻負(fù)載。鎮(zhèn)流器是一個(gè)鐵心線圈，可以認(rèn)為是一個(gè)電感很大的感性負(fù)載。二者串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)RL串聯(lián)電路。當(dāng)接通電源后，啟輝器內(nèi)雙金屬片與定片之間的氖氣隙被擊穿導(dǎo)電發(fā)熱并產(chǎn)生輝光，雙金屬片受熱伸張而與定片接觸連通，于是燈管的燈絲接通而流過(guò)較大電流。燈絲被加熱后發(fā)射電子，這時(shí)雙金屬片逐漸冷卻而與定片分開(kāi)。鎮(zhèn)流器線圈因燈絲電路突然斷開(kāi)而產(chǎn)生很高的自感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它和電源電壓串聯(lián)加到燈管的兩端，使管內(nèi)氣體電離產(chǎn)生輝光放電。這時(shí)，啟輝器停止工作。電源電壓大部分降在鎮(zhèn)流器上，鎮(zhèn)流器起降壓限流作用，30W或40W的燈管點(diǎn)燃后的管壓降僅100V左右。鎮(zhèn)流器是一個(gè)鐵心線圈，可用一個(gè)無(wú)鐵心的電感和電阻串聯(lián)成的電路來(lái)等效，如圖2-2中虛線框所示。鎮(zhèn)流器工作時(shí)有兩部分的功率損耗。一部分是線圈電阻rCu的損耗(銅耗)PCu=I2rCu；另一部分是鐵心損耗PFe(鐵耗)。為了簡(jiǎn)化分析，用一個(gè)等效電阻r的代替這兩部分功率損耗，即I2r＝PFe＋PCu，則鎮(zhèn)流器的等效感抗為。式中，L為等效電感，，f＝50Hz；ω＝2πf；UrL為鎮(zhèn)流器的端電壓。所以，正常工作中的日光燈電路，可以用圖2-2所示的等效RL串聯(lián)電路來(lái)表示，其中R為燈管的等效電阻。電路所消耗的功率為P＝UIcosφ1cosΦ1為電路的功率因數(shù)。因此，測(cè)出電路的電壓、電流和功率的數(shù)值后，即可求得電路的功率因數(shù)cosφ，的值。功率因數(shù)較低的感性負(fù)載，并聯(lián)適量的電容器可以提高電路的功率因數(shù)。當(dāng)功率因數(shù)等于l時(shí)，電路處于并聯(lián)諧振狀態(tài)，這時(shí)，電路的總電流最小。如果欲將功率因數(shù)從cosφ1，提高到cosφ，所需并聯(lián)電容器的電容值可按下式計(jì)算：式中，P為電路所消耗的功率(W)。②在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用日光燈電路模擬RL串聯(lián)電路，用并聯(lián)電容的方法可以提高電路的功率因數(shù)。但因?qū)嶋H日光燈的電壓波形不是正弦波，按正弦交流電路的估算結(jié)果，會(huì)存在較大誤差。另外，用萬(wàn)用表的交流電壓擋測(cè)量非正弦電壓，亦會(huì)引入一定誤差。圖3-11.在單相正弦交流電路中，用交流電流表測(cè)得各支路的電流值，用交流電壓表測(cè)得回路各元件兩端的電壓值，它們之間的關(guān)系滿足相量形式的基爾霍夫定律，即＝0和＝0。圖3-1 2.日光燈線路如圖3-1所示，圖中A是日光燈管，L是鎮(zhèn)流器，S是啟輝器，C是補(bǔ)償電容器，用以改善電路的功率因數(shù)(cosφ)。詳細(xì)工作原理見(jiàn)教材。四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1.本實(shí)驗(yàn)使用交流市電220V，務(wù)必注意用電和人身安全。通電后，手切勿接觸金屬裸露部分！2.線路接線正確，日光燈不能啟輝時(shí)，應(yīng)檢查啟輝器及其接觸是否良好。3.鎮(zhèn)流器不能短路，否則將導(dǎo)致燈管損壞。4.注意儀表的量程，正確使用儀表，。5.實(shí)驗(yàn)線路連接完成后，需經(jīng)老師檢查同意，才能加電實(shí)驗(yàn)。6功率表的同名端按標(biāo)準(zhǔn)接法聯(lián)結(jié)在一起，否則功率表中模擬指針表反向偏轉(zhuǎn)，數(shù)字表則無(wú)顯示。7.使用功率表測(cè)量必須按下相應(yīng)電壓、電流量限開(kāi)關(guān)，否則可能會(huì)有不適當(dāng)顯示。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：圖3-21.最低工作電壓測(cè)試：圖3-2按圖3-2所示日光燈線路連接好電路，圖中A是日光燈管，L是鎮(zhèn)流器，S是啟輝器，電路連接檢查無(wú)誤后接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出，使其輸出電壓緩慢增大，直到日光燈剛啟輝點(diǎn)亮為止，記下三表的指示值。2.正常工作電壓下的工作狀態(tài)測(cè)試：將自耦調(diào)壓器的輸出電壓調(diào)節(jié)為220V，記錄功率表讀數(shù)P、電壓表讀數(shù)U，UL，UA。通過(guò)一只電流表和三個(gè)電流插座分別測(cè)得三條支路的電流，記入表3-1，驗(yàn)證電壓、電流相量關(guān)系。3.并聯(lián)電容器改善功率因數(shù)的研究：在以上電路中分別并聯(lián)C1、C2或C3功率補(bǔ)償電容器（如圖3-3所示）。研究電路的功率因數(shù)(cosφ)的改善情況。電源電壓為220V，測(cè)量功率P，電流I，電壓U，UL，UA等值，測(cè)試值記入表，驗(yàn)證電壓、電流相量關(guān)系。圖3-3按圖3-3組成實(shí)驗(yàn)線路。經(jīng)檢查無(wú)誤后，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出電壓為220V，記錄功率表、電壓表讀數(shù)。通過(guò)一只電流表和三個(gè)電流插座分別測(cè)得三條支路的電流，改變電容值，進(jìn)行三次重復(fù)測(cè)量并記錄圖3-3六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：表2-1不加補(bǔ)償電容時(shí)的工作狀態(tài)測(cè)量值電源供電情況I(A)U(V)UL(V)UA(V)最低工作電壓條件下13.3A36V2.71V16V220V電壓正常供電時(shí)39A230V5.90V45V表2-2并聯(lián)補(bǔ)償電容后的測(cè)量值補(bǔ)償電容值(μF)測(cè)量值U(V)I(A)IL(A)IC(A)I’(A)136131810122.238182530184.74520181254.7+2.2561625