实验四 单相交流电路

实验四单相交流电路的研究

一、实验目的

1. 通过实验加深对交流电电压三角形的理解。2. 掌握提高功率因素的方法。3. 熟悉日光灯电路接线。二、实验设备

1．EEL －Ⅶ实验台1台2万用表1块3．EEL －52、EEL －55A 组件三、实验原理

（一）RLC 串联电路

如图1所示，总电压与各元件的电压相量关系为：

=U +U +U =RI +j X I U R L C L -j X C I

如图2所示，各个电压的相量构成“电压三角形”

，各电压和有效值关系为：

U =本实验需验证电压三角形。

图1RLC 串联电路

图2电压相量图

（二）日光灯电路

日光灯电路如图3，在日光灯正常发光后可等效为一个电阻和一个电感的串联电路，如图4。

图3日光灯电路

电路由日光灯管、镇流器、启辉器及开关组成。1．日光灯管

灯管是内壁涂有荧光粉的玻璃管，两端有钨丝，钨丝上涂有易发射电子的氧化物。

玻璃管抽成真空后充入一定量的氩气和少量水银，氩气具有使灯管易发光和保护电极延长灯管寿命的作用。日光灯需高电压启动，灯管发光后需低电压维持工作。2．镇流器

镇流器是一个具有铁心的线圈。在日光灯启动时，它和启辉器配合产生瞬间高压（500V 以上电压）促使灯管导通（高电压启动），管壁荧光粉发光。灯管发光后镇流器在电路中起降压作用，使灯管电压降为约130V （低电压工作）。3．启辉器

启辉器的外壳是用铝或塑料制成，壳内有一个充有氖气的小玻璃泡和一个纸质电容器，玻璃泡内有两个电极，其中弯曲的触片是由热膨胀系数不同的双金属片（冷态常开触头）制成。电容器作用是避免启辉器触片断开时产生的火花将触片烧坏，也防止管内气体放电时产生的电磁波辐射对收音机、电视机的干扰。启辉器相当于一个自动开关，启动瞬时开关闭合后断开。应急时可用导线短接启辉器，当时光灯灯管两端发光时及时断开，也能使日光灯正常工作。(三) 并联电容器提高功率因素

日光灯属于电感性负载，由于有电感L 的存在, 功率因素cos φ都较低，一般为0.5左右，因此必须设法提高其功率因素。常用的方法是在电感性负载的两端并联电容器, 如图5所示的电路图。若电容取值适当，功率因素可大为提高(cos φ可提高到0.9左右) 。

（四）有功功率表（功率因素表）简介

有功功率表是测量有功功率（P =UI cos ϕ）的仪表，其需要输入电压U 和电流I 两

个参数（cos φ在表内部对U 和I 的相位进行比较自动得出）。所以功率表可有1、2、3、4四个接线柱，如图6。接线柱1和2为内部电压线圈，与负载并联；接线柱3和4为内部电

流线圈，与负载串联。

250V ～5A ～

※

※

C

1234

图6功率表接线柱示意图四、实验内容与步骤

（一）验证RC 串联交流电路的电压三角形

按图7接线，R 为40W 白炽灯，C 为耐压400V 以上的电容器，按表1测量数据，取第一行数据验证RC 电压三角形。表1，RC 串联交流电路数据表电容器C 4.3μF 5.3μF

U 100V 100V

U R

U C

预习时画出U 、U R 和U C 相量关系示意图。

（二）RL 串联交流电路的研究1. 日光灯电路的安装

按图8连接电路（暂不接电容器），检查接线无误后，通电点亮日光灯，并注意观察起动过程。

2. 电流、电压和功率的测量

在日光灯正常发光情况下，测量以下数据并填入表2的第一行。

（1）电压测量：用交流电压表分别测量端电压.U 、灯管两端的电压U 1和镇流器两端的电压U 2。

（2）电流测量：用交流电流表测量电流I （此时I 1＝I ，Ic ＝0）。（3）功率测量：用功率表W 测功率P 。

（4）功率因素的测量：读取功率表（功率因素表）的读数。

220V

*

S

图8

I C

1

C

U 1U 2

日光灯实验电路

3. 并联电容器后的测量

并联电容，第2步的基础上，并联不同的电容, 用功率表测功率P, 用交流电流表表测量电路电流I 、流过灯管及整流器的电流I 1及流过电容器的电流I c ，用交流电压表分别测量端电压U 、灯管两端的电压U 1和镇流器两端的电压U 2。将测量的数据填入表2。并用计算功率因素cos ϕ。表2：RL 串联交流电路数据表并联电容(μF) 00.4712.22.674.35.36.57.5

λ=cos I（A）I 1（A）I C （A）U(V)

U 1(V)

U 2(V)

P(W)

计算值

测量值

――――――――――――――

――――――――――――――

――――――――――――――

――――――――――――――

预习时画出图4日光灯等效电路的U 、U R 和U L 相量关系示意图

日光灯实验电路图8中，总电流I 、日光灯电流I 1和电容器电流I C 的相量关系如图9。在并联电容时，总电压U 与日光灯电流I 1的相位差ϕ1不变，且日光灯电流I 1也不变。（参见教材第151页）。

预习时分析：（1）说明为什么在并联电容时总电压U 与日光灯电流I 1的相位差ϕ1不变，且日光灯电流I 1也不变？（2）当并联电容从0逐渐变大（I C 从0逐渐变大）时，总电流如何变化？

图9电流相量关系

五、实验注意事项

1. 日光灯起动电流较大，起动时要小心电流表的量程，以防损坏电流表。

2. 不能将220V 的交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端，否则将损坏灯管。3. 在拆除实验线路时，应先切断电源，然后再拆线。

4. 线路接好后，必须经敉师检查允许后方可接通电源，在操作过程中要注意人身及设备安全。

六、数据处理

1. 利用表1第一行数据验证RC 串联交流电路的电压三角形是否成立。2. 利用表2第一行数据验证RL 串联交流电路的电压三角形是否成立。

3. 根据表2实验数据，绘制I=f(c), I1=f(c) ,IC =f(c) ,cosϕ=f(c)的曲线。并对曲线进行理论说明。

4. 确定功率因素最大时的最佳电容值。七、思考题:

1．日光灯点亮后，启辉器还会有作用吗？为什么？如果在日光灯点亮前启辉器损坏，

此时有何应急措施可以点亮日光灯？

2．为什么用并联电容的方法可以提高感性负载的功率因数？串联电容行不行？为什么？

3．增加电容C 可以提高cos ϕ，是否C 越大cos ϕ

越高？为什么？

实验四单相交流电路的研究

一、实验目的

1. 通过实验加深对交流电电压三角形的理解。2. 掌握提高功率因素的方法。3. 熟悉日光灯电路接线。二、实验设备

1．EEL －Ⅶ实验台1台2万用表1块3．EEL －52、EEL －55A 组件三、实验原理

（一）RLC 串联电路

如图1所示，总电压与各元件的电压相量关系为：

=U +U +U =RI +j X I U R L C L -j X C I

如图2所示，各个电压的相量构成“电压三角形”

，各电压和有效值关系为：

U =本实验需验证电压三角形。

图1RLC 串联电路

图2电压相量图

（二）日光灯电路

日光灯电路如图3，在日光灯正常发光后可等效为一个电阻和一个电感的串联电路，如图4。

图3日光灯电路

电路由日光灯管、镇流器、启辉器及开关组成。1．日光灯管

灯管是内壁涂有荧光粉的玻璃管，两端有钨丝，钨丝上涂有易发射电子的氧化物。

玻璃管抽成真空后充入一定量的氩气和少量水银，氩气具有使灯管易发光和保护电极延长灯管寿命的作用。日光灯需高电压启动，灯管发光后需低电压维持工作。2．镇流器

镇流器是一个具有铁心的线圈。在日光灯启动时，它和启辉器配合产生瞬间高压（500V 以上电压）促使灯管导通（高电压启动），管壁荧光粉发光。灯管发光后镇流器在电路中起降压作用，使灯管电压降为约130V （低电压工作）。3．启辉器

启辉器的外壳是用铝或塑料制成，壳内有一个充有氖气的小玻璃泡和一个纸质电容器，玻璃泡内有两个电极，其中弯曲的触片是由热膨胀系数不同的双金属片（冷态常开触头）制成。电容器作用是避免启辉器触片断开时产生的火花将触片烧坏，也防止管内气体放电时产生的电磁波辐射对收音机、电视机的干扰。启辉器相当于一个自动开关，启动瞬时开关闭合后断开。应急时可用导线短接启辉器，当时光灯灯管两端发光时及时断开，也能使日光灯正常工作。(三) 并联电容器提高功率因素

日光灯属于电感性负载，由于有电感L 的存在, 功率因素cos φ都较低，一般为0.5左右，因此必须设法提高其功率因素。常用的方法是在电感性负载的两端并联电容器, 如图5所示的电路图。若电容取值适当，功率因素可大为提高(cos φ可提高到0.9左右) 。

（四）有功功率表（功率因素表）简介

有功功率表是测量有功功率（P =UI cos ϕ）的仪表，其需要输入电压U 和电流I 两

个参数（cos φ在表内部对U 和I 的相位进行比较自动得出）。所以功率表可有1、2、3、4四个接线柱，如图6。接线柱1和2为内部电压线圈，与负载并联；接线柱3和4为内部电

流线圈，与负载串联。

250V ～5A ～

※

※

C

1234

图6功率表接线柱示意图四、实验内容与步骤

（一）验证RC 串联交流电路的电压三角形

按图7接线，R 为40W 白炽灯，C 为耐压400V 以上的电容器，按表1测量数据，取第一行数据验证RC 电压三角形。表1，RC 串联交流电路数据表电容器C 4.3μF 5.3μF

U 100V 100V

U R

U C

预习时画出U 、U R 和U C 相量关系示意图。

（二）RL 串联交流电路的研究1. 日光灯电路的安装

按图8连接电路（暂不接电容器），检查接线无误后，通电点亮日光灯，并注意观察起动过程。

2. 电流、电压和功率的测量

在日光灯正常发光情况下，测量以下数据并填入表2的第一行。

（1）电压测量：用交流电压表分别测量端电压.U 、灯管两端的电压U 1和镇流器两端的电压U 2。

（2）电流测量：用交流电流表测量电流I （此时I 1＝I ，Ic ＝0）。（3）功率测量：用功率表W 测功率P 。

（4）功率因素的测量：读取功率表（功率因素表）的读数。

220V

*

S

图8

I C

1

C

U 1U 2

日光灯实验电路

3. 并联电容器后的测量

并联电容，第2步的基础上，并联不同的电容, 用功率表测功率P, 用交流电流表表测量电路电流I 、流过灯管及整流器的电流I 1及流过电容器的电流I c ，用交流电压表分别测量端电压U 、灯管两端的电压U 1和镇流器两端的电压U 2。将测量的数据填入表2。并用计算功率因素cos ϕ。表2：RL 串联交流电路数据表并联电容(μF) 00.4712.22.674.35.36.57.5

λ=cos I（A）I 1（A）I C （A）U(V)

U 1(V)

U 2(V)

P(W)

计算值

测量值

――――――――――――――

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预习时画出图4日光灯等效电路的U 、U R 和U L 相量关系示意图

日光灯实验电路图8中，总电流I 、日光灯电流I 1和电容器电流I C 的相量关系如图9。在并联电容时，总电压U 与日光灯电流I 1的相位差ϕ1不变，且日光灯电流I 1也不变。（参见教材第151页）。

预习时分析：（1）说明为什么在并联电容时总电压U 与日光灯电流I 1的相位差ϕ1不变，且日光灯电流I 1也不变？（2）当并联电容从0逐渐变大（I C 从0逐渐变大）时，总电流如何变化？

图9电流相量关系

五、实验注意事项

1. 日光灯起动电流较大，起动时要小心电流表的量程，以防损坏电流表。

2. 不能将220V 的交流电源不经过镇流器而直接接在灯管两端，否则将损坏灯管。3. 在拆除实验线路时，应先切断电源，然后再拆线。

4. 线路接好后，必须经敉师检查允许后方可接通电源，在操作过程中要注意人身及设备安全。

六、数据处理

1. 利用表1第一行数据验证RC 串联交流电路的电压三角形是否成立。2. 利用表2第一行数据验证RL 串联交流电路的电压三角形是否成立。

3. 根据表2实验数据，绘制I=f(c), I1=f(c) ,IC =f(c) ,cosϕ=f(c)的曲线。并对曲线进行理论说明。

4. 确定功率因素最大时的最佳电容值。七、思考题:

1．日光灯点亮后，启辉器还会有作用吗？为什么？如果在日光灯点亮前启辉器损坏，

此时有何应急措施可以点亮日光灯？

2．为什么用并联电容的方法可以提高感性负载的功率因数？串联电容行不行？为什么？

3．增加电容C 可以提高cos ϕ，是否C 越大cos ϕ

越高？为什么？