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：S I ＝0 和S 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 U R 与电路中的
? ?
电流 ? 同相位，当 R 的阻值改变时，U R 和 UC 的大小会随之改变，但相位差总是保持 90?，
I
?
?
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 = UR + UC ，相位角 f＝acr tg (Uc / UR)
?? ?
改变电阻 R 时，可改变 f 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：cosf＝P / S
其中 f 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） 感与外界交换能量本身 ，电
需要一定的无功功率，因此功率因数比较低(cosf＜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 cosf＝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 f 减小，即功率因数 cosf 得到提高。 ?
1
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
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 1m F,2.2m F 4.7m 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 4.7m 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)(UR,UC D )
U'' 组成 Rt DU ?
40WR3 m F 4.7
40WR2 M F 4.7
40WR1 m F 2.2
2
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 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)U(V) UrL(V) Pr(W)r() Ω L(H)
R
启辉状态
正常工作
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。
测 量数值 计算值
电容值
P(w)U(v) I(A) I(A) I(A) cos Ф IA '' Cos ''Ф
L C
0F ?
1F ?
2.2 ?F
3.2 ?F
4.7 ?F
5.7 ?F
6.9 ?F
3
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。
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