单相交流电路及功率因数提高实验报告

实验二 单相交流电路及功率因数的提高

一、 实验目的

研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。

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

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

U = U R + U c，相位角 0= 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。

URUc

UR

Uc

何RC串联电路

图1 RC串联交流电路及电压相量

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 0= 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 0< 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 0= 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ic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 COS0得到提高。

图2交流电路的功率因数及改善

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

序号

名称

型号与规格

数量

备注

1

自耦调压器

0 ?220V

1

RTDG01

2

交流电流表

0?5A

1

RTT03-1

3

交流电压表

0 ?300V

1

RTT03-1

4

单相瓦特表

D34-W或其它

1

RTT04

5

白炽灯泡

40W/220V

3

RTDG07

6

镇流器

与40W灯管配用

1

RTDG08

7

启辉器

与40W灯管配用

1

RTDG08

8

电容器

1 卩 F,2.2y F 4.7 卩 F/400V

RTDG08

9

日光灯灯管

40W

1

RTDG-1

10

电流插座

3

RTDG08

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、Ur、UC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。

表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 卩 F

40WR2

4.7 M F

40WR1

2.2 卩 F

2.日光灯线路接线与测量。

图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Pr，电流I，电压U , Ul，Ur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

日光灯

测 量 值

计 算 值

工作状态

U(V)

I(A)

P(W)

"(V)

UrL(V)

Pr(W)

r( Q)

L(H)

启辉状态

正常工作

并联电路一一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。

电容值

测量数值

计算值

P(w)

U(v)

I(A)

Il(A)

Ic(A)

cos①

I ' A

Cos'①

0尸

1尸

2.2疔

3.2疔

4.7疔

5.7疔

6.9疔

五、 实验注意事项

本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。

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。

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

参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。

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？

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？

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？

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

完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。

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。

讨论改善电路功率因数的意义和方法。

装接日光灯线路的心得体会及其他。