实验八-单相交流电路及功率因数的提高
实验八单相交流电路及功率因数的提高
一、实验目的
1. 研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2. 了解日光灯电路的特点，理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明
1. 交流电路中电压、电流相量之间的关系在单相正弦交流电路中，各支路电流和回路中各元件两端
的电压满足相量形式的基尔霍夫定律，即
/ 工?= 0和》U = 0 、、图8-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，电阻上的端电压U与电路中的电流I同
相位，当R的阻值改变时，U R和U c的大小会随之改变，但相位差总是保持90°, U R的相量轨迹是
一个半圆，电压U、U c与U R三者之间形成一个直角三角形。
即U=U R +U C
相位角acr tg (Uc / U R)
改变电阻R时，可改变$角的大小，故RC串联电路具有移相的作用。
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fl 3-1 电压加受
2. 交流电路的功率因数
交流电路的功率因数定义为有功功率与视在功率之比，即
cos $= P / S
其中0为电路的总电压与总电流之间的相位差。
交流电路的负载多为感性(如日光灯、电动机、变压器等) ，电感与外界交换能量本身需要一定的
无功功率，因此功率因数比较低(cos^v 0.5)。从供电方面来看，在同一电压下输送给负载一定的有功功
率时，所需电流就较大；若将功率因数提高(如cos$= 1 )，所需电流就可小些。这样即可提高供电设备
的利用率，又可减少线路的能量损失。所以，功率因数的大小关系到电源设备及输电线路能否得到充分利用。
为了提高交流电路的功率因数，可在感性负载两端并联适当的电容C,如图8-2所示。并联电容C
以后，对于原电路所加的电压和负载参数均未改变，但由于I C的出现，电路的总电流I减小了，总电压
与总电流之间的相位差0减小，即功率因数cos?得到提高。
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3. 日光灯电路及功率因数的提高
日光灯电路由灯管R、镇流器L和启辉器S组成，C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数，如图8-3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，起辉器不再动作，日光灯正常工作。
三、实验设备
序号名称型号与规格数量备注
1:自耦调压器「0 ?220V1RTDG01
2交流电流表0?5A1RTT03-1
3交流电压表0 ?300V1RTT03-1
4:单相瓦特表「D34-W或其它1RTT04
5白炽灯泡40W/220V3RTDG07
6:镇流器:与40W灯管配用1RTDG08
7启辉器与40W灯管配用1RTDG08
8电容器1F,2.2F 4.7F/400V RTDG08
9 \日光灯灯管40W1RTDG-1
10K.电流插座
3RTDG08
四、实验内容
1. 用一只220V , 40W的白炽灯泡和4.7卩F/450V电容器组成如图8-1所示的实验电路，经指导教师检查后，接通市电，将自耦调压器输出调至220V。记录U、U R、U C值，验证电压三角形关系。改变
亮灯盏数（即改变R）成并联电容C之值，重复测量，数据记入表8-1中。
表8-1验证电压△关系
负载情况测\量值计算值
R C U(v)UR(v)Uc(v)U' (UR,UC组成Rt △)△ U?
40WR3 4.7 i F
40WR2 4.7 M f
40WR1 2.2 i F
2.日光灯线路接线与测量。
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按图8-3组成线路，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，使其输
出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为至，
按表8-2记录各表数据。然后将电压调至220V ，测量功
率P 和P R ,电流I ，电压U , U L , U R 等值，计算镇流器等值电阻
r 和等效电感L 。
日光灯 测 量值
计 算 值
工作状态
U(V)
I(A)
P(W)
U R (V)
UrL(V) Pr(W)
r( Q )
L(H)
启辉状态
正常工作
3. 并联电路一一电路功率因数的改善。 按图8-3组成实验线路。
经指导老师检查后，接通市电，将自耦调压器的输出调至
220V ，记录功率表，电压表读数，通过
一只电流表和三个电流插孔分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行重复测量。
电容值 测量数值
计算值
0 \ P(W )
U(v)
I(A)
I L (A)
I C (A)
cos ①
I 'A
cos '①
1尸
2.2疔
3.2疔
4.7疔
5.7疔
6.9疔
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。
2. 功率表要正确接入电路，读数时要注意量程和实际读数的折算关系。
3. 线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。 六、 预习思考题
1. 参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。
2. 在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，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？
3. 为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器， 此时增加了一条电流支路，试问电路的
总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？ 4. 提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，
而不用串联法？所并的电容器是否越大越好？
I?—
2
2
4
5. 若日光灯在正常电压下不能启动点燃，如何用电压表测出故障发生的位置？试简述排除故障的过程？
七、实验报告
1. 完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。
2. 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。
3. 讨论改善电路功率因数的意义和方法。
4. 装接日光灯线路的心得体会及其他。