实验八   正弦稳态交流电路相量的研究

一、实验目的

1.掌握正弦交流电路中电压、电流相量之间的关系。

2.掌握功率的概念及感性负载电路提高功率因数的方法。

3.了解日光灯电路的工作原理，学会日光灯电路的连接。

4.学会使用功率表。

二、实验原理简述

1.在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系应满足相量形式的基尔霍夫定律，即

                     和

实验电路为ＲＣ串联电路，如图1—3—1所示，在正弦稳态信号的激励下，则有：

、与相量图为一个直角电压三角形。当阻值改变时，与始终保持着  90°的相位差，所以的相量轨迹是一个半圆。如图1—3—2所示。从图中我们可知，改变C或R值可改变φ角的大小，从而达到移相的目的。

                  图1—3—1                         图1—3—2

2、日光灯实验电路如图1—3—3（a）所示，（日光灯的工作原理参阅附录3）。日光灯点燃后的等效电路如图1—3—3（b）所示，其中灯管相当于纯电阻负载R，镇流器可用小电阻r和电感L串联来等效。

   若用低功率因数表测得镇流器所消耗的功率 ，也就是等效电阻r所消耗的功率，又用电流表测得通过镇流器的电流，则可求得镇流器的等效电阻r。

由于       则

用万用表的电压档测得镇流器的端电压ULr，则镇流器的等效电感为：

                      其中：

        日光灯灯管R所消耗的功率为，电路消耗的总功率为。只要测出电路的总功率P、总电流I和总电压U，就能求出电路的功率因数。

日光灯的功率因数较低，（电容C=0时）一般在0.6以下，且为感性电路，因此往往采用并联电容器来提高电路的功率因数，由于电容支路的电流ÌC超前于电压90°，抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路总电流减少，从而提高了电路的功率因数。当电容增加到一定值时，电容电流等于感性无功电流，总电流下降到最小值，此时，整个电路呈现纯电阻性。若再继续增加电容量，总电流I反而増大了，整个电路呈现电容性，功率因数反而降低。

图1—3—3（a）                                图1—3—3（b）   

三、实验仪器设备

表1-3-1

四、预习要求

1.复习“电阻、电感与电容元件串联的交流电路”和“功率因数的提高”两章节的内容

2.了解功率表的原理和使用，参阅第二篇有关内容

3.了解日光灯电路的组成和工作原理

4.实验电路的总电压、灯管电压、及镇流器电压之间存在着什么关系？

5.提高日光灯电路的功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并的电容值是否越大越好？

6.日光灯支路并联电容后，该支路的电流，和电路的总有功功率P是否改变？

五、实验步骤

1、   RC串联电路电压三角形的测量

（1）          用两只220V、15W的白炽灯泡和4.7µf/450V电容器组成如图1—3—1所示的实验电路，将自耦调压器的输出电压调至220V。测量U、UR、UC值，记入表1—3—2中。

（2）          改变R阻值（用一只灯泡）重复（1）内容，验证UR相量轨迹。

表1—3—2

2、   日光灯电路及其功率因数的提高

（1）          按图1—3—3接好实验电路，将电压调至220V，观察日光灯的点燃过程和启辉器的发光情况。

（2）          分别测量未接入电容和并入电容时的各种参数，完成表1—3—3的内容。

表1—3—3

六、实验总结

1.根据表1—3—2、表1—3—3中的实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。

2.根据实验数据，计算日光灯管的等效电阻值R、镇流器的电感L和电阻r。

3.讨论改善电路功率因数的意义和方法。

七、实验注意事项

1.在实验操作过程中，防止触电，注意安全。

2.在接通电源前，应先将自耦调压器手柄置于零位上。

3.为了保护仪表，日光灯启时不要将仪表接入电路，待日光灯正常工作后进行测量。

4.如电路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。