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实验二 荧光灯电路及功率因数的提高

一、实验目的
1.了解荧光灯电路的工作原理，掌握荧光灯电路的安装方法;
2.学习电路中电压、电流、功率的测量方法;
3.观察电感性负载并联电容器对提高电路功率因数的作用。
二、实验说明
1.荧光灯电路简介
大多数荧光灯电路包括灯管、镇流器和启辉器三个器件，如图2.2.3所示。灯管内壁涂有荧光粉,管内抽真空后充有惰性气体氩和少量汞蒸气,灯管两端各有一根灯丝。
镇流器是一个具有铁芯的电感线圈,它的作用是帮助灯管启动并在灯管启燃后起降压、限流作用。电感线圈具有一定的电阻,铁芯也有一定的铁耗, 故镇流器要消耗一部分有功功率。
启辉器是一个小型氖气泡,有一个固定电极和一双层金属片构成的可动电极。两电极与一个小电容并联。
电路启动之初,220V交流电压全部加在启辉器两个电极之上,使其产生辉光放电,可动电极受热膨涨,与固定电极接触,从而接通灯丝电路,使灯丝通过较大电流, 迅速加热并发射大量热电子。启辉器两电极接通后电压降为零,辉光放电停止,双金属片因温度下降而复原,电路断开。此时,加到灯管两端的电压使灯管内的电子形成高速电子流,撞击气体分子,使之电离而产生弧光放电并射出紫外线,管壁内所涂荧光粉因受紫外线激发而发出荧光灯特有的可见光。灯管启燃后,灯管上的电压降低于启辉器辉光放电电压,启辉器不能再发生辉光放电,因而失去作用。
研究证明,产生气体放电时的荧光灯是一个非线性电阻,其电流、电压基本同相电流波形近似为正弦波,电压波形近似为矩形波，它含有50Hz基波和3、5、7等高次谐波, 故用电压表(在50Hz正弦波下校准)测量荧光灯电路的电压时,有一定误差。
2.功率因数的提高
由于镇流器具有较大电感,故荧光灯电路是一个感性负载电路。对于这样的感性负载电路,常采用并联电容器的方法来提高电路的功率因数。以流过电容器的容性电流，补偿负载中的感性电流，提高负载电路的功率因数。此时虽然负载消耗的有功功率不变，但输电线路上的总电流减小，线路损耗减小，因此提高了电源设备的利用率和减少了线路的能量损耗。由于荧光灯电路的非线性，其电流中含有高次谐波，并联电容器不能对其感性无功电流进行全补偿，即功率因数不能提高到1。
3.电压测量方法
按估计的电压值选好电压表量程,接上测试针,将电压表跨接在待测电压两点之间,电压表即显示出被测电压值。
4.电流测量方法
按估计的电流值选好电流表量程,接上电流插板,再将电流表串入待测电流之电路中(插板插入电流插孔中),电流表即显示被测电流值。
5.功率测量方法
功率表具有电流线圈和电压线圈，有两个电流量程和三个电压量程(如图2.2.1所示)，应分别根据被测电流和被测电压的最大有效值来选择其各自的量程,否则, 有时功率表指针还没有到达满刻度,而电流线圈或电压线圈就已超过它们的规定值而造成仪表的损坏。
功率表所测得的功率P=UIcos，U为功率表电压所跨接电压的有效值；I为流过功率表电流线圈的电流有效值；为此电压和电流之间的相位差。
功率表接入电路的方法如图2.2.2所示，图中RV为电压线圈支路的分压电阻。功率表的电流线圈必须串入线路中，且电流线圈的非“*”号端应接至负载端。电压线圈必须并联接入电路，其“*”端必须与该功率表电流线圈所在的相线相接，而非“*”号端应接至负载的另一端(否则电网的全电压基本上作用在这两个线圈之间，会引起线圈相互作用而产生较大的静电误差，并且可能导致线圈间绝缘击穿) 。如果接线方式正确，而指针反偏，说明实际功率输送的方向与预测的相反。这时，只要把电流线圈两端位置交换即可。为了减少测量误差，必须正确选择功率表的联接方法。图2.2.2(a)所示的联接，功率读数中包括了电流线圈的功率损耗，适用于负载阻抗远大于电流线圈阻抗的情况，这种接法称为电压线圈前接法；图2.2.2(b)所示的连接，功率读数中包括了电压线圈支路的功率损耗，适用于负载阻抗远小于功率表电压线圈支路阻抗的情况，这种接法称为电压线圈后接法。

图 2.2.1 功率表面板图

（a） (b)
图2.2.2 功率表的接线方式
三、实验仪器及设备
1.荧光灯实验板 1块
2.电流表 1只
3.电压表 1只
4.功率表 1只
5.电容箱 1个

四、预习要求
1.熟悉荧光灯电路的工作原理,明确电路中各电流、电压的情况。
2.复习有关交流并联电路及提高功率因数的内容。

五、注意事项
1.镇流器必须与灯管串联接入电路,以免烧坏灯管。
2.功率表通常有两个电流量程,三个电压量程, 应分别根据待测负载的电流和电压的大
小来选择。
功率量程＝电压量程×电流量程 (2.2.1)
功率读数＝ (2.2.2)
若为低功率因数表,则(2.2.1)式及(2.2.2)式分子中还应乘以该表的额定功率因数cosфH。
3. 为了保护仪表,在电路接通与断开瞬间,测量仪表不要接入电路。
4. 在测量电压、电流时要注意量程的选择。

图 2.2.3 荧光灯电路原理图
六、实验内容及步骤
1. 按原理图2.2.3组成实验电路,电容箱的全部开关置于“断”，经老师检查后才能合上交流220V开关Q，测出U、Ｕ灯、Ｕ镇、Ｉ、Ｉ灯、ＩC、电路总功率Ｐ、镇流器消耗的功率Ｐ镇,记入表2.2.1中。
2.将并联电容由零逐渐增大,测出相应的电流值,记入表2.2.2中。
3.测出电流Ｉ最小时的 Ｕ、Ｕ灯、Ｕ镇、Ｉ、Ｉ灯、ＩC、Ｐ、Ｐ镇, 记入表2.2.1中。
表 2.2.1

U(V)
U镇(V)
U灯(V)
I(A)
I灯(A)
IC(A)
P(w)
P镇(W)
COSф
未并电容

并入电容
电流最小时

表 2.1.2
C/μF
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I/A

IC/A

七、实验报告要求
1.完成表2.2.1中各项数据,并说明改善功率因数的意义。
2.荧光灯并联电容器后电路总电流减小,但电容超过某一数值后,总电流为什么又会增大?
3.为什么启动器两电极熔在一起时，灯丝发红而不能点燃荧光灯？
八、思考题
1.为什么可用并联电容的方法提高功率因数,串联电容行不行?试分析之。
2.在实验中,并入电容之后, 灯管中流过的电流和消耗的功率变不变?总功率因数变不变?为什么?

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