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单相交流电路及功率因数的提高实验报告

实验二 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:ΣI =0和ΣU

=0 图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R U 与电路中的电流I 同相位,当R 的阻值改变时,R U 和C U 的大小会随之改变,但相位差总是保持90°,R U 的相量轨迹是一个半圆,电压U 、C U 与R U 三者之间形成一个直角三角形。即U =R

U +C U ,相位角φ=acr tg (Uc / U R ) 改变电阻R 时,可改变φ角的大小,故RC 串联电路具有移相的作用。

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图1 RC 串联交流电路及电压相量

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 φ=P / S 其中φ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 φ<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 φ=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c I

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φ减小,即功率因数cos φ得到提高。

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2 交流电路的功率因数及改善

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

1μF,2.2μF 4.7μF/400V

四、实验内容

1. 用一只220V,40W的白炽灯泡和4.7μF/450V电容器组成如图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1中。

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2. 日光灯线路接线与测量。

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3 日光灯电路及功率因数的提高

按图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。

表2日光灯电路的测量

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3. 并联电路──电路功率因数的改善。

按图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。

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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?

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。