实验四 日光灯电路及功率因数提高
一．实验目的
1．研究提高感性负载功率因数的方法和意义； 2．进一步熟悉、掌握使用交流仪表和自耦调压器； 3．进一步加深对相位差等概念的理解。

二. 实验原理概述及说明
供电系统由电源（发电机或变压器）通过输电线路向负载供电。

负载通常有电阻负载，如白炽灯、电阻加热器等，也有电感性负载，如电动机、变压器、线圈等，一般情况下，这两种负载会同时存在。

由于电感性负载有较大的感抗，因而功率因数较低。

若电源向负载传送的功率ϕcos UI P
=，当功率P 和供电电压U 一定时，功率因数ϕcos 越低，
线路电流I 就越大，从而增加了线路电压降和线路功率损耗,若线路总电阻为l R ，则线路电压降和线路功率损耗分别为l l
IR U =∆和l l R I P 2=∆；另外，负载的功率因数越低，表明无功功率就越大，电源就必
须用较大的容量和负载电感进行能量交换，电源向负载提供有功功率的能力就必然下降，从而降低了电源容量的利用率。

因而，从提高供电系统的经济效益和供电质量，必须采取措施提高电感性负载的功率因数。

通常提高电感性负载功率因数的方法是在负载两端并联适当数量的电容器，使负载的总无功功率Q ＝Q L －Q C 减小，在传送的有功率功率P 不变时，使得功率因数提高，线路电流减小。

当并联电容器的Q C ＝Q L 时，总无功功率Q ＝0，此时功率因数ϕcos ＝1，线路电流I 最小。

若继续并联电容器，将导致功率因数下降，线路电流增大，这种现象称为过补偿。

负载功率因数可以用三表法测量电源电压U 、负载电流I 和功率P ，用公式
UI
P
=
=ϕλcos 计算。

本实验的电感性负载用铁心线圈，（日光灯镇流器）电源用220V 交流电经自耦调压器调压供电。

三. 实验仪器设备
1．交流电压表、电流表、功率表（在主控制屏上） 2．自耦调压器（输出交流可调电压） 3. 实验元件箱二
图
8-1日光灯电路实验电路图
四. 实验内容与步骤
按图8-1组成实验电路经指导老师检查后，按下按钮开关，调节自耦变压器的输出电压为220V ，记录功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，接入电容，从小到大增加电容容值，记录不同电容值时的功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，并记入表8-2中。

表8-2提高感性负载功率因数实验数据
五．实验注意事项
1．功率表要正确接入电路，通电时要经指导教师检查。

2．注意输出电压为零(即调压器逆时针旋到底)
3．本实验用电流取样插头测量三个支路的电流。

4．在实验过程中，一直要保持负载电压U2等于220V，以便对实验数据进行比较。

六. 实验预习与思考
1．一般的负载为什么功率因数较低？负载较低的功率因数对供电系统有何影响？为什么？
2．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？此时感性负载上的电流和功率是否改变？
3．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？
4．自拟实验所需的所有表格。

5.了解日光灯工作原理
七. 实验报告要求及结果分析
1．根据实验1、2数据，计算出日光灯和并联不同电容器时的功率因数。

并说明并联电容器对功率因数的影响。

绘制出功率因数与所并电容的曲线,所并电容是否越大越好?
2．根据表8－1中的电流数据，说明I＝I C＋I RL吗？为什么？
3．画出所有电流和电源电压的相量图，说明改变并联电容的大小时，相量图有何变化？
4．根据实验2、3数据，从减小线路电压降、线路功率损耗和充分利用电源容量两个方面说明提高功率因数的经济意义。

5．回答思考题1、2、3。

八综合实验（大型作业）
功率因素提高这一实验项目与工程实际联系紧密。

在完成一套日光灯电路提高功率因数的基础上，要求同学查阅资料，了解工业中功率因数的意义以及提高功率因数的方法，利用几套日光灯设计出分组补偿，集中补偿方案。

设计方案经指导教师检查，学生修改完善之后，利用实验室现有设备，在实验室开放时间完成，并写出实验报告。

九电力系统提高功率因数的必要性及其补偿途径
1. 提高功率因数的意义
对于整个电力系统，除白炽灯、电阻电热器等设备负荷的功率因数接近于1外，而其他如三相交流异
步电动机、三相变压器、电焊机、电抗器、架空线等的功率因数均小于1，特别是在轻载情况下，功率因数更加降低，而用电设备功率因数的偏低，将对电网及工业企业、设备造成影响
提高功率因数，可挖掘发电设备的潜力。

发电机是通过额定电流与额定电压之积定额的，有功功率P=UI cosφ=S cosφ,视在功率S一定，如果功率因数提高，即功率因数角由φ1到φ2，（φ1＞φ2）则发电设备可以提供的有功功率P也随之增大。

可见在发电设备容量不变的条件下，功率因数提高可以少送无功功率，多送有功功率。

发电机容量达到充分利用，达到铭牌出力。

提高功率因数，可以减少发电机绕组和输电线上的功率损耗和电压损失。

I=P/ Ucosφ，在P、U一定时，cos φ提高，电流I下降，电压损失△U=IR下降，绕组与输电线功率损耗△P=I2R (R为内阻)下降。

2提高功率因数的方法
自然功率因数提高的方法。

正确选用电动机的型号，规格和容量，使其接近满载运行；使其额定容量与所带负载相配合。

在选型方面要注意选用节能型，淘汰高能耗的电动机。

根据负荷选用相匹配的变压器，改善变压器的运行方式。

为了充分利用设备提高功率因数,变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。

对负载率比较低的配电室，采取撤、换、并、停等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

工厂企业有时仅靠提高自然功率因数的方法，一般不能满足要求，需要安装补偿装置对功率因数进行人工补偿，其中最常用的方法是，在供电线路中加装并联的电力电容器，对电感性负载进行无功功率补偿。

集中补偿。

将电容器安装于变电所一次或二次侧的母线上，实际中会将电容器安装在变电所的高压母线上如图1或低压母线上如图2。

图1 高压集中补偿电路图
图 2 低压集中补偿电路图个别补偿。

在用电设备附近按其本身无功功率的需要量装设电容器组与用电设备共用一套控制系统，同时投入运行和断开。

采用这种方式的特点是不但可使高压线路上的电流减小，而且低压干线和分支线上的电流也同时减小，电压损失功率的损失相应降低，使无功功率得到彻底补偿，适用于低压网络。

如图3为感应电动机单独补偿
图3 单独补偿电路图
分组补偿。

将电容器组安装在车间配电室或变电室各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是在实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。

十日光灯工作原理
日光灯的工作原理是：当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。

220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。

辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两极接触。

电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。

灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。

这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。

在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两端。

灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。

在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。

氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。

在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。

日光灯正常发光后。

由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化，这时镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。

由于这个电压低于启辉器的电离电压，所以并联在两端的启辉器也就不再起作用了。