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 =RU +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。

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。

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。

2. ⽇光灯线路接线与测量。

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

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。

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。