实验二 单相交流电路及功率因数的提高
一、 实验目的
研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
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
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：工I = 0和》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 Ur与电路中的 电流I同相位，当R的阻值改变时，Ur和Uc的大小会随之改变，但相位差总是保持 90°, 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 = U R + U c，相位角 0= acr tg (Uc / U r)
改变电阻R时，可改变$角的大小，故RC串联电路具有移相的作用。
URUc
UR
Uc
何RC串联电路
图1 RC串联交流电路及电压相量
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： cos 0= P / S
其中0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) ，电感与外界交换能量本身
需要一定的无功功率，因此功率因数比较低 (cos 0< 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cos 0= 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 0减小，即功率因数 COS0得到提高。
图2交流电路的功率因数及改善
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
1 卩 F,2.2y F 4.7 卩 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4.7卩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)
U'(UR,UC组成 Rt △)
△ U
?
40WR3
4.7 卩 F
40WR2
4.7 M F
40WR1
2.2 卩 F
2.日光灯线路接线与测量。
图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)
"(V)
UrL(V)
Pr(W)
r( Q)
L(H)
启辉状态
正常工作
并联电路一一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。
电容值
测量数值
计算值
P(w)
U(v)
I(A)
Il(A)
Ic(A)
cos①
I ' A
Cos'①
0尸
1尸
2.2疔
3.2疔
4.7疔
5.7疔
6.9疔
五、 实验注意事项
本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。
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。
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
参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。
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？
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？
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？
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
完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。
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。
讨论改善电路功率因数的意义和方法。
装接日光灯线路的心得体会及其他。