电工学论文,有关于正弦稳态交流电路相量的实验中r值的研究

1正弦稳态交流电路相量的实验中r值的研究[摘要]本文是关于“正弦稳态交流电路相量的研究”的实验中r值的研究，讨论一下在该实验中有关于r值误差的原因。[关键词]r值；正弦稳态交流电路；日光灯；功率因数、误差、原因；1.研究目的1.1掌握关于日光灯的基础知识。1.2理解改善电路功率因数的意义及方法1.3研究正弦交流电路中r的含义和功率因数。2.研究正文2.1掌握关于日光灯的基础知识日光灯电路由灯管、镇流器、启辉器以及电容器等部件组成（见图1），各部件的结构和工作原理如下。1、灯管日光灯管是一根玻璃管，内壁涂有一层荧光粉（钨酸镁、钨酸钙、硅酸锌等），不同的荧光粉可发出不同颜色的光。灯管内充有稀薄的惰性气体（如氩气）和水银蒸汽，灯管两端有由钨制成的灯丝，灯丝涂有受热后易于发射电子的氧化物。当灯丝有电流通过时，使灯管内灯丝发射电子，还可使管内温度升高，水银蒸发。这时，若在灯管的两端加上足够的电压，就会使管内氩气电离，从而使灯管由氩气放电过渡到水银蒸气放电。放电时发出不可见的紫外光线照射在管壁内的荧光粉上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。2、镇流器镇流器是与日光灯管相串联的一个元件，实际上是绕在硅钢片铁心上的电感线圈，其感抗值很大。镇流器的作用是：①限制灯管的电流；②产生足够的自感电动势，使灯管容易放电起燃。镇流器一般有两个出头，但有些镇流器为了在电压不足时容易起燃，就多绕了一个线圈，因此也有四个出头的镇流器。3、启辉器图1日光灯组成电路镇流器启辉器灯管电容器2启辉器是一个小型的辉光管，在小玻璃管内充有氖气，并装有两个电极。其中一个电极是用线膨胀系数不同的两种金属组成（通常称双金属片），冷态时两电极分离，受热时双金属片会因受热而变弯曲，使两电极自动闭合。4、电容器日光灯电路由于镇流器的电感量大，功率因数很低，在0.5~0.6左右。为了改善线路的功率因数，故要求用户在电源处并联一个适当大小的电容器。5、实际电路图：镇流器的作用是：升压和稳压起辉器的作用是：启动灯管图2实际电路图2.2改善电路功率因数的意义及方法2.2.1提高功率因数的实际意义a.对于电力系统中的供电部分，提供电能的发电机是按要求的额定电压和额定电流设计的，发电机长期运行中，电压和电流都不能超过额定值，否则会缩短其使用寿命，甚至损坏发电机。由于发电机是通过额定电流与额定电压之积定额的，这意味着当其接入负载为电阻时，理论上发电机得到完全的利用，因为P=U*I*cosØ中的cosØ=1；但是当负载为干性或容性时，cosØ1,发电机就得不到充分利用。为了最大程度利用发电机的容量，就必须提高其功率因数。b．对于电力系统中的输电部分，输电线上的损耗：Pl=RI*I，负载吸收的平均功率：P.=V*I*cosØ，因为I=P./V/cosØ，所以Pl=R*P./V/cosØ（V是负载端电压的有效值）。3由以上式可以看出，在V和P都不变的情况下，提高功率因数cosØ会降低输电线上的功率损耗！在实际中，提高功率因数意味着：1)提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这就有利于安全生产。2)可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例如：当cosØ=0.5时的损耗是cosØ=1时的4倍。3)能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。4)可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。5)因发电机的发电容量的限定，故提高cosØ也就使发电机能多出有功功率。c.在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。在现今可用资源接近匮乏的情况下，除了尽快开发新能源外，更好利用现有资源是我们解决燃眉之急的唯一办法。而对于目前人类所大量使用和无比依赖的电能使用，功率因数将是重中之重。2.2.2．提高功率因数的几种方法可分为提高自然功率因数和采用人工补尝两种方法：A、提高自然因数的方法：1).恰当选择电动机容量，减少电动机无功消耗，防止“大马拉小车”。2).对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。3).避免电机或设备空载运行。4).合理配置变压器，恰当地选择其容量。5).调整生产班次，均衡用电负荷，提高用电负荷率。6).改善配电线路布局，避免曲折迂回等。B、人工补偿法：实际中可使用电路电容器或调相机，一般多采用电力电容器补尝无功，即：在感性负载上并联电容器。一下为理论解：在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。4在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90º，而纯电容的电流则超前于电压90º，电容中的电流与电感中的电流相差180º，能相互抵消。电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如图1所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数将提高。C、并联电容器的补偿方法又可分为：1）个别补偿。即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，与用电设备同时投入运行和断开，也就是再实际中将电容器直接接在用电设备附近。适合用于低压网络，优点是补尝效果好，缺点是电容器利用率低。2）分组补偿。即将电容器组分组安装在车间配电室或变电所各分路出线上，它可与工厂部分负荷的变动同时投入或切除，也就是再实际中将电容器分别安装在各车间配电盘的母线上。优点是电容器利用率较高且补尝效果也较理想（比较折中）。3）集中补偿。即把电容器组集中安装在变电所的一次或二次侧的母线上。在实际中会将电容器接在变电所的高压或低压母线上，电容器组的容量按配电所的总无功负荷来选择。优点:是电容器利用率高，能减少电网和用户变压器及供电线路的无功负荷。缺点:不能减少用户内部配电网络的无功负荷。实际中上述方法可同时使用。对较大容量机组进行就地无功补偿2.3、研究正弦交流电路中r的含义和功率因数2.3.1、研究原理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ΣI=0和ΣU=0、图（3）5图（3）所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U激励下，UR与UC保持有90°的相位差，即当R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半圆。U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三角形，如图（4）所示。R值改变时，可改变φ角的大小，从而达到移相的目的。图（4）2.3.2、研究设备（1）交流电压表（0～500V）（2）交流电流表（0～5A）（3）功率表（4）自耦调压器（5）镇流器、启辉、日光灯灯管（40W）、电容器（1μF、2.2μF、4.7μF/500V）、白炽灯及灯座、电流插座2.3.3、研究内容根据图示（5）进行实验图（5）日光灯灯管的等效的理想电源R两端的有功功率为：cosPUIPA=IUAIr2=P-PA所以cos=P/UIr=(P-IUA)/I2（1）根据公式（1）可以得出cos和r计算值，填入表中6r值和cos值的计算：测量数值计算值P(W)cosI(A)U(V)UL(V)UA(V)r(Ω)cos启辉值21.60.610.62183.2116115.0187.090.19正常工作值36.70.560.59220164.2109.5278.300.282功率因数：电容值测量数值(μF)P(W)cosU(V)I（A）IL(A)IC(A)0390.462200.370.3701380.542200.310.370.062.2390.702200.250.370.154.7390.892200.190.370.346.9390.682200.240.370.52.2.4、研究小结a.在计算r的值时，实际元件日光灯灯管是如何转化为理想元件的？这种转化是否合理？答：在计算r的值，正弦交流电路处于稳态，所以日光灯灯管可以看做是个理想原件，相当于是一个线性电阻，这种转化在这种情况下是合理的，因为这里其他因数对实验的探究没有很大的影响，所以这是合理的。b.误差分析：1.仪表精确度2.实验时测量误差及读数误差3线路损耗参考文献[1]百度文库.《日光灯原理》，《日光灯实验设计和功率因数的提高》.[2]戴伟华.《电工与电工学实践教程》北京邮电大学出版社，2008年6月1日第1版.[3]秦曾煌.《电工学》(第七版).高等教育出版社，2009年6月第7版.[4]秦宗锋,董泽民,谢霈.《正弦稳态交流电路相量实验问题研究》,《现代商贸工业》2011年第2期[5]方小兵.《日光灯管模型实验研究》TM923.3