实验三----正弦稳态交流电路相量研究

实验三正弦稳态交流电路相量研究一、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．掌握日光灯线路的接线。3．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．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，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即I=0和U=0。2．图3-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，UR与UC保持有900的相位差，即当R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半园。U、UC与UR三者形成一个直角的电压三角形，如图3-2所示。R值改变时，可改变角的大小，从而达到移相的目的。3．日光灯线路如图3-3所示，图中A是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（COS值）。有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。三、实验设备序号名称信号与规格数量备注1交流电压表0~450V1D33SC220VLU图3-1图3-2图3-32交流电流表0~5A1D323功率表1D344自耦调压器1DG015镇流器、启辉器与40W灯管配用各1DG096日光灯灯管40W17电容器1F,2.2F,4.7F/500V各1DG098白炽灯及灯座220V，15W1~3DG089电流插座3DG09四、实验内容1．按图3-1接线。R为220V﹑15W的白炽灯泡，电容器为4.7UF/450V。经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器输出（即U）调至220V。记录U﹑UR﹑UC值，验证电压三角形关系。测量值计算值U（V）UR（V）UC（V）U（与UR+UC组成）U=22RCUUU=U-U（V）U/U（%）220214.247.03219.3-0.7-0.322.日光灯线路接线与测量按图3-4接线。经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电最压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U，UL，UA等值，验证电压﹑电流相量关系。测量数据计算值P(W)COSI(A)U(V)UL(v)UA(v)R()C0S启辉值18.90.640.18168.199.1116.9649.40.695正常工作值36.10.460.367220.0176.996.8263.80.443.并联电路——电路功率因数的改善。按图3-5组成实验线路。经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表﹑电压表读数。通过一只电流珍和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行四三次重复测量。数据记入下页表中。电容值测量数据（μf）P(W)U(V)I(A)IL(A)IC（A）COSΦ02.24.76.9六、预习思考题1.参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。。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。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？根据启辉器的工作原理，将启辉器的两端短接一下,电流通过镇流器和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热。然后迅速断开,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。灯管两端高电压击穿灯管内气体放电。在气体放电过程中，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日光灯是一种启动时需要瞬时高压、启动后正常工作时只要低电压工作的器件。为此可通过镇流器和启辉器的配合来实现。3.为了改善电路的功率因数，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？感性元件上的电流和功率不变，因为对感性负荷并联电容器的目的就是减少原来供电回路上的工作电流，从而达到减少线损、减少对变压器功率的占用、提高工作电压的目的。并联上电容器后，有一部分电流在感性负荷与电容器之间来回流动，所以感性负荷上的电流没有任何减小，它的功率也不受任何影响。电路的总电流有变化，在欠补偿条件下是使电流减小的，在严重过补偿时电流是增加的。负载的功率不会变化，只是总的输入电流会降低。提高了电路的功率因数，用得比不并电容更少的电能。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？并联的电容器是否越大越好？在并联电容之前，电感单独于电源进行能量交换，它所消耗的无功功率全部由电源供给。并联电容后，电感与电容也进行着能量交换，或者说电容“产生”的无功功率部分的补偿了电感所“消耗”的无功功率。从而减少了电源提供的无功功率，这样就提高了功率因数。而串联电容会改变日光灯的工作电压可能使日光灯无法点亮.电容器也是无功元件，如果补偿过头，造成过补偿，线路中的容性无功功率过大，线路的功率因数一样会降低。所以补偿要恰到好处（适量），不是越大越好。