单相电路参数测量及功率因数的提高
一 实验目的
1． 掌握单相功率表的使用。
2． 了解日光灯电路的组成、工作原理和线路的连接。 3． 研究日光灯电路中电压、电流相量之间的关系。 4． 理解改善电路功率因数的意义并掌握其应用方法。
二 实验原理
1．日光灯电路的组成
日光灯电路是一个RL 串联电路，由灯管、镇流器、起辉器组成，如图3－1所示。由于有感抗元件，功率因数较低，提高电路功率因数实验可以用日光灯电路来验证。
图3－1日光灯的组成电路
灯管：内壁涂上一层荧光粉，灯管两端各有一个灯丝（由钨丝组成），用以发射电子，管内抽真空后充有一定的氩气与少量水银，当管内产生辉光放电时，发出可见光。
镇流器：是绕在硅钢片铁心上的电感线圈。它有两个作用，一是在起动过程中，起辉器突然断开时，其两端感应出一个足以击穿管中气体的高电压，使灯管中气体电离而放电。二是正常工作时，它相当于电感器，与日光灯管相串联产生一定的电压降，用以限制、稳定灯管的电流，故称为镇流器。实验时，可以认为镇流器是由一个等效电阻R L 和一个电感L 串联组成。
起辉器：是一个充有氖气的玻璃泡，内有一对触片，一个是固定的静触片，一个是用双金属片制成的U 形动触片。动触片由两种热膨胀系数不同的金属制成，受热后，双金属片伸张与静触片接触，冷却时又分开。所以起辉器的作用是使电路接通和自动断开，起一个自动开关作用。
2．日光灯点亮过程
电源刚接通时，灯管内尚未产生辉光放电，起辉器的触片处在断开位置，此
时电源电压通过镇流器和灯管两端的灯丝全部加在起辉器的二个触片上，起辉器的两触片之间的气隙被击穿，发生辉光放电，使动触片受热伸张而与静触片构成通路，于是电流流过镇流器和灯管两端的灯丝，使灯丝通电预热而发射热电子。与此同时，由于起辉器中动、静触片接触后放电熄灭，双金属片因冷却复原而与静触片分离。在断开瞬间镇流器感应出很高的自感电动势，它和电源电压串联加到灯管的两端，使灯管内水银蒸气电离产生弧光放电，并发射紫外线到灯管内壁，激发荧光粉发光，日光灯就点亮了。
灯管点亮后，电路中的电流在镇流器上产生较大的电压降（有一半以上电压），灯管两端（也就是起辉器两端）的电压锐减，这个电压不足以引起起辉器氖管的辉光放电，因此它的两个触片保持断开状态。即日光灯点亮正常工作后，起辉器不起作用。
3．日光灯的功率因数
日光灯点亮后的等效电路如图2 所示。灯管相当于电阻负载R A ，镇流器用内阻R L 和电感L 等效代之。由于镇流器本身电感较大，故整个电路功率因数很低，整个电路所消耗的功率P 包括日光灯管消耗功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。只要测出电路的功率P 、电流I 、总电压U 以及灯管电压U R ，就能算出灯管消耗的功率P A =I ×U R ，
镇流器消耗的功率P L =P −P A ，cos ϕ=
P
UI
R A
图3－2日光灯工作时的等效电路
2．功率因数的提高
日光灯电路的功率因数较低，一般在0.5 以下，为了提高电路的功率因数，可以采用与电感性负载并联电容器的方法。此时总电流I 是日光灯电流 I L 和电容器电流 I C 的相量和：I =I L +I C ，日光灯电路并联电容器后的相量图如图3 所示。由于电容支路的电流I C 超前于电压U 90°角。抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路的总电流I 减小，从而提高了电路的功率因数。电压与电流的相位差角由原来的 ϕ1减小为ϕ，故cos ϕ＞cos ϕ1。
当电容量增加到一定值时，电容电流I C 等于日光灯电流中的无功分量，ϕ= 0。cos ϕ=1，此时总电流下降到最小值，整个电路呈电阻性。若继续增加电容量，
∙
∙
∙
总电流I 反而增大，整个电路变为容性负载，功率因数反而下降。
I C I C I C L
图3－3 日光灯并联电容器后的相量图
三 实验预习要求
1． 预习日光灯工作原理，并联电容器对提高感性负载功率因数的原理、意
义及其计算公式。
2． 如图3－1所示电路中，日光灯管（R A ）与镇流器（R L 、L ）串联后，接
于220V 、50Hz 的交流电源上，点亮后，测得其电流I =0.35A，功率P =40W，灯管两端电压U A =100V。要求写出下列各待求量的计算式。 ①求cos φ1=？、φ1=？、R A =？、R L =？、L =？、灯管消耗的功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。
②并联C =3μF 后，求I C =？、I =？、cos φ=？。
③按比例画出并联电容器后的相量图。（如图3－3，计算出电压与总电流的相位差角φ）
3．熟悉交流电压表、电流表和单相自耦调压器的主要技术特性，并掌握其正确的使用方法。
四 实验设备与器件
1． 交流电压表 2． 交流电流表 3． 功率表 4． 自耦调压器 5． 镇流器 6． 电容器
7． 起辉器 8． 日光灯管 9． 电流表插座
五 实验内容与步骤
日光灯实验线路如图3－4所示。
1．日光灯电路研究和参数测量
按图3－4接线，注意功率表的接法，断开所有的电容器，经指导教师检查后接通市电交流220V 电源，调节自耦调压器的输出电压至110V 左右，测量功率P ，电流I ，电压U 、U L 与U A ，将数据记录在表1起辉值栏目中，再调节自耦调压器的输出电压至220V 正常值，测量功率P ，电流I ，电压U 、U L 与U A ，将数据记入表3－1正常工作值栏中，并计算出R A 、R L 、L 填入下表
表3－1 日光灯电路等效参数测量 2．提高感性负载功率因数实验
如图3－4所示的实验线路中，按2.2μF 、4.7μF 、6. μF 、依次并上电容器C 1、C 2、C 3。当电容变化时，分别记录功率表及电压表读数，测得三条支路电流
图3－4日光灯交流电路
I 、I L 、I C 的值。测量数据记入表2。
表3－2日光灯功率因数提高实验参数测量
'
∙
∙
∙
注：表中I 为I 的计算值，I =I L +I C ，其中I L 和I C 为上表中测量值。
六 实验思考题
1．给出实验内容（1）中计算R A 、R L 、L 的计算过程及公式，将结果填入表1中。
2．计算出本实验中灯管消耗的功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。
3．画出实验内容（2）当电容为0、2.2μF、4. 7μF、6.9μF时类似图3的电压电流相量图，要求计算出各总电流I 与总电压U 的相位差角，给出公式及计算过程。
4．若要使本实验中日光灯电路完全补偿（也就是功率因数提高到1），需要并联多大容值的电容？请给出计算式并计算出最后结果。
5．是否并联电容越大，功率因数越高？为什么？
6．当电容量改变时，功率表有功功率的读数、日光灯的电流、功率因数是否改变？为什么？
∙
∙
七 实验注意事项
1．本实验用交流市电220V ，用单相自耦调压器来实现电压调节，当供电电源电压为220V 时，调压器的输出可在0~250V之间连续调节，务必注意人身和设备的安全。注意电源的火线和地线，在实际安装日光灯时，开关应接在火线上。
2．在使用自耦调压器过程中，接通电源前，都必须将电压调至零电压处（即逆时针旋转到头，然后再合上电源，逐渐增大电压至需要值。
3．不能将220 V 的交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端，否则将损
坏灯管。
4．功率表、电压表、电流表要正确接入电路，电流表应串入电路中测量电流。
5．电路接线正确，日光灯不能起辉时，应检查起辉器及其接触是否良好。 6．每次改接线路，一定要在断开电源的情况下进行，以免发生意外。
八 实验报告要求
1．结合实验思考题，完成表3－1和表3－2的数据计算。
2．根据实验数据说明日光灯电路并联电容器后总电流变化与电容量的关系，电容量过大对电路性质有什么影响。
3．以电容C 的值为自变量绘制cos 曲线。 4．小结本实验得到的结论和心得体会。
*5. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。
单相电路参数测量及功率因数的提高
一 实验目的
1． 掌握单相功率表的使用。
2． 了解日光灯电路的组成、工作原理和线路的连接。 3． 研究日光灯电路中电压、电流相量之间的关系。 4． 理解改善电路功率因数的意义并掌握其应用方法。
二 实验原理
1．日光灯电路的组成
日光灯电路是一个RL 串联电路，由灯管、镇流器、起辉器组成，如图3－1所示。由于有感抗元件，功率因数较低，提高电路功率因数实验可以用日光灯电路来验证。
图3－1日光灯的组成电路
灯管：内壁涂上一层荧光粉，灯管两端各有一个灯丝（由钨丝组成），用以发射电子，管内抽真空后充有一定的氩气与少量水银，当管内产生辉光放电时，发出可见光。
镇流器：是绕在硅钢片铁心上的电感线圈。它有两个作用，一是在起动过程中，起辉器突然断开时，其两端感应出一个足以击穿管中气体的高电压，使灯管中气体电离而放电。二是正常工作时，它相当于电感器，与日光灯管相串联产生一定的电压降，用以限制、稳定灯管的电流，故称为镇流器。实验时，可以认为镇流器是由一个等效电阻R L 和一个电感L 串联组成。
起辉器：是一个充有氖气的玻璃泡，内有一对触片，一个是固定的静触片，一个是用双金属片制成的U 形动触片。动触片由两种热膨胀系数不同的金属制成，受热后，双金属片伸张与静触片接触，冷却时又分开。所以起辉器的作用是使电路接通和自动断开，起一个自动开关作用。
2．日光灯点亮过程
电源刚接通时，灯管内尚未产生辉光放电，起辉器的触片处在断开位置，此
时电源电压通过镇流器和灯管两端的灯丝全部加在起辉器的二个触片上，起辉器的两触片之间的气隙被击穿，发生辉光放电，使动触片受热伸张而与静触片构成通路，于是电流流过镇流器和灯管两端的灯丝，使灯丝通电预热而发射热电子。与此同时，由于起辉器中动、静触片接触后放电熄灭，双金属片因冷却复原而与静触片分离。在断开瞬间镇流器感应出很高的自感电动势，它和电源电压串联加到灯管的两端，使灯管内水银蒸气电离产生弧光放电，并发射紫外线到灯管内壁，激发荧光粉发光，日光灯就点亮了。
灯管点亮后，电路中的电流在镇流器上产生较大的电压降（有一半以上电压），灯管两端（也就是起辉器两端）的电压锐减，这个电压不足以引起起辉器氖管的辉光放电，因此它的两个触片保持断开状态。即日光灯点亮正常工作后，起辉器不起作用。
3．日光灯的功率因数
日光灯点亮后的等效电路如图2 所示。灯管相当于电阻负载R A ，镇流器用内阻R L 和电感L 等效代之。由于镇流器本身电感较大，故整个电路功率因数很低，整个电路所消耗的功率P 包括日光灯管消耗功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。只要测出电路的功率P 、电流I 、总电压U 以及灯管电压U R ，就能算出灯管消耗的功率P A =I ×U R ，
镇流器消耗的功率P L =P −P A ，cos ϕ=
P
UI
R A
图3－2日光灯工作时的等效电路
2．功率因数的提高
日光灯电路的功率因数较低，一般在0.5 以下，为了提高电路的功率因数，可以采用与电感性负载并联电容器的方法。此时总电流I 是日光灯电流 I L 和电容器电流 I C 的相量和：I =I L +I C ，日光灯电路并联电容器后的相量图如图3 所示。由于电容支路的电流I C 超前于电压U 90°角。抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路的总电流I 减小，从而提高了电路的功率因数。电压与电流的相位差角由原来的 ϕ1减小为ϕ，故cos ϕ＞cos ϕ1。
当电容量增加到一定值时，电容电流I C 等于日光灯电流中的无功分量，ϕ= 0。cos ϕ=1，此时总电流下降到最小值，整个电路呈电阻性。若继续增加电容量，
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总电流I 反而增大，整个电路变为容性负载，功率因数反而下降。
I C I C I C L
图3－3 日光灯并联电容器后的相量图
三 实验预习要求
1． 预习日光灯工作原理，并联电容器对提高感性负载功率因数的原理、意
义及其计算公式。
2． 如图3－1所示电路中，日光灯管（R A ）与镇流器（R L 、L ）串联后，接
于220V 、50Hz 的交流电源上，点亮后，测得其电流I =0.35A，功率P =40W，灯管两端电压U A =100V。要求写出下列各待求量的计算式。 ①求cos φ1=？、φ1=？、R A =？、R L =？、L =？、灯管消耗的功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。
②并联C =3μF 后，求I C =？、I =？、cos φ=？。
③按比例画出并联电容器后的相量图。（如图3－3，计算出电压与总电流的相位差角φ）
3．熟悉交流电压表、电流表和单相自耦调压器的主要技术特性，并掌握其正确的使用方法。
四 实验设备与器件
1． 交流电压表 2． 交流电流表 3． 功率表 4． 自耦调压器 5． 镇流器 6． 电容器
7． 起辉器 8． 日光灯管 9． 电流表插座
五 实验内容与步骤
日光灯实验线路如图3－4所示。
1．日光灯电路研究和参数测量
按图3－4接线，注意功率表的接法，断开所有的电容器，经指导教师检查后接通市电交流220V 电源，调节自耦调压器的输出电压至110V 左右，测量功率P ，电流I ，电压U 、U L 与U A ，将数据记录在表1起辉值栏目中，再调节自耦调压器的输出电压至220V 正常值，测量功率P ，电流I ，电压U 、U L 与U A ，将数据记入表3－1正常工作值栏中，并计算出R A 、R L 、L 填入下表
表3－1 日光灯电路等效参数测量 2．提高感性负载功率因数实验
如图3－4所示的实验线路中，按2.2μF 、4.7μF 、6. μF 、依次并上电容器C 1、C 2、C 3。当电容变化时，分别记录功率表及电压表读数，测得三条支路电流
图3－4日光灯交流电路
I 、I L 、I C 的值。测量数据记入表2。
表3－2日光灯功率因数提高实验参数测量
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注：表中I 为I 的计算值，I =I L +I C ，其中I L 和I C 为上表中测量值。
六 实验思考题
1．给出实验内容（1）中计算R A 、R L 、L 的计算过程及公式，将结果填入表1中。
2．计算出本实验中灯管消耗的功率P A 和镇流器消耗的功率P L 。
3．画出实验内容（2）当电容为0、2.2μF、4. 7μF、6.9μF时类似图3的电压电流相量图，要求计算出各总电流I 与总电压U 的相位差角，给出公式及计算过程。
4．若要使本实验中日光灯电路完全补偿（也就是功率因数提高到1），需要并联多大容值的电容？请给出计算式并计算出最后结果。
5．是否并联电容越大，功率因数越高？为什么？
6．当电容量改变时，功率表有功功率的读数、日光灯的电流、功率因数是否改变？为什么？
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七 实验注意事项
1．本实验用交流市电220V ，用单相自耦调压器来实现电压调节，当供电电源电压为220V 时，调压器的输出可在0~250V之间连续调节，务必注意人身和设备的安全。注意电源的火线和地线，在实际安装日光灯时，开关应接在火线上。
2．在使用自耦调压器过程中，接通电源前，都必须将电压调至零电压处（即逆时针旋转到头，然后再合上电源，逐渐增大电压至需要值。
3．不能将220 V 的交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端，否则将损
坏灯管。
4．功率表、电压表、电流表要正确接入电路，电流表应串入电路中测量电流。
5．电路接线正确，日光灯不能起辉时，应检查起辉器及其接触是否良好。 6．每次改接线路，一定要在断开电源的情况下进行，以免发生意外。
八 实验报告要求
1．结合实验思考题，完成表3－1和表3－2的数据计算。
2．根据实验数据说明日光灯电路并联电容器后总电流变化与电容量的关系，电容量过大对电路性质有什么影响。
3．以电容C 的值为自变量绘制cos 曲线。 4．小结本实验得到的结论和心得体会。
*5. 根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。