实验六 日光灯电路的接线及功率因数提高
一、目的要求
1．练习使用功率表。
2．学习日光灯电路的接线，并了解各元件的作用。
3．了解提高功率因数的意义和方法。
二、实验原理与方法
1．日光灯电路及各元件作用
日光灯电路见图1所示。它是由日光灯管、镇流器、启辉器和开关组成。
图1 日光灯电路
（1）日光灯管 灯管两端引脚插入灯头的金属插孔，灯管引脚在灯管两端各有一对，对外连接交流电源，对内安装有灯丝，灯丝在交流电源作用下发射电子。灯管内抽真空后充入少量的汞蒸汽和少量的惰性气体，例如氩、氪、氖等。惰性气体的作用是减少阴极的蒸发和帮助灯管启动。
（2）镇流器 镇流器是电感量较大的铁心线圈，它串联在灯管和电源之间，有单绕组的，也有双绕组的。不论哪种结构的镇流器，都是配合启辉器产生瞬间高压使灯管发光。在灯管正常发光后又能起到限制灯管电流的作用。
（3）启辉器 启辉器底座上固定有两个螺帽形电极，使用时将其插钮在启辉器座上。启辉器内有电容器（约0.005~0.02μF）并联在玻璃泡两极，玻璃泡内装膨胀系数不同的U形双金属片，其内部充入惰性气体。并联电容器可减弱日光灯启动时产生的无线电辐射，减小对邻近无线电音频、视频设备的干扰。
2．日光灯工作原理
合上电源开关后，电压先加在启辉器的两个电极上，启辉器在进行辉光放电时产生大量的热。U形双金属片受热膨胀变形，将启辉器的两电极接通，此时电流通路见图2（a）所示。在此电流作用下，一方面灯丝被加热，发射大量电子。另一方面，启辉器两个电极闭合后，辉光放电消失，电极很快冷却，双金属片恢复原始状态而导致电极断开，这段时间实际是灯丝预热过程，一般日光灯约需0.5秒~2秒。
当启辉器中电极突然切断灯丝预热回路时，镇流器上产生很高的感应电压（约800~1500V），叠加在电源电压上，使得灯管两端获得很高的电压，迫使日光灯进入发光工作状态。如果启辉器经过一次闭合、断开，日光灯管仍然不能点亮，启辉器又二次、三次重复上述动作，直至点亮日光灯为止。
灯管点亮后，电路中的电流在镇流器上产生很大电压降，使灯管两端电压迅速降低，当其小于启辉器的启动电压，启辉器不再动作，灯管正常发光，此时电路电流通路如图2（b）所示。
（a）灯丝预热时 （b）灯丝点燃后
图2 日光灯的电流通路
3．并联电容提高功率因数
对于一般的感性负载，可以通过并联合适电容的方法来提高整个电路的功率因数。日光灯电路由于其具有镇流器的原因，因而是一个功率因数较低的电感性负载，一般情况下cos约为0.5。并联不同容量的电容器，可以改善日光灯电路的功率因数，并联电容器提高功率因数的电路图和相量图如图3所示。图中L、R等效为镇流器，R等效为灯管。
（a）电路图 （b）相量图
图3 日光灯并联电容前后电路图和相量图
由相量图可见并联电容器前，日光灯电路功率因数为
cos
式中 P 为日光灯支路有功功率；
IR L 为日光灯支路电流；
U 为电路总电压。
并联电容器以后，整个电路功率因数为
cos
式中 P 为整个电路有功功率；
I 为整个电路总电流；
U 为电路总电压。
并联电容器功率因数提高后，其功率因数角减少（〈 R L ），整个电路所需的一部分无功电流分量由电容器提供，从而提高了整个电路的功率因数。
三、实验仪器表与设备
1．单相功率表 1只
2．单相功率因数表 1只
3．交流电流表 1只
4．交流电压表 1只
5．电容箱 1只
6．日光灯实验板 1块
7．开关 2只
四、实验内容与步骤
1．组装日光灯电路
按图4接线（也可先连接电流表、电压表、功率表、功率因数表、电容器和开关S2，待需测量电路数据时再插入）。在合上电源开关S1前，检查开关S2应闭合，防止日光灯较大的启动电流冲击功率表和电流表。电容器箱开关全部打开，不要并联电容器在电路上。
图4 日光灯并联电容器电路
开关S1闭合，日光灯应能正常发光，如果不能正常发光，应仔细检查电路连接是否正确，也可参照本实验附表3进行故障排除。
2．并联电容器提高功率因数
在日光灯能正常发光的基础上，对日光灯（没有并联电容器）电路功率因数进行测量和计算。断开S2，读取功率因数表、电流表、功率表、电压表数值记录于表1中。
接入电容器，逐次增加电容量，读取功率因数表、电流表、功率表、电压表的数值，记录于表1中。
改变不同电容器值，重复测量记录功率因数、电流、功率和电压数值记录于表1中。
表1 并联电容器提高功率因数实验数据
电容量
测 量 值
计算值
U
IRL/I
P
cosRL/cos
cosRL/cos
0
五、注意事项
普通功率表是按cos=1来刻度的，如果负载的cos很低，普通功率表指针偏转角太小无法读数，而且误差也大，因此要用低功率因数功率（cos=0.1或0.2）表进行测量，它可以测量小功率，接线和普通功率表一样。
1．功率因数表
功率因数表也称为相位表，它可以测出负载的功率因数，也可以测量交流电路中电压和电流的相位差。功率因数表的接线方法与功率表一样。使用时要注意它的电压、电流额定值。
2．电容箱
电容器在实验前应处于断开状态，根据实验情况逐步增大并联电容值。电容箱中电容器的耐压要符合要求。
3．日光灯线路连接要正确，防止损坏灯管。
六、实验报告要求
1．在按照图4所示线路安装时，若发现问题，填入表2中。
表2 组装日光灯电路故障原因及排除方法
序 号
故障现象
原 因
排 除 方 法
1
2
3
4
2．根据实验数据进行计算与分析
3．回答下列思考题：
（1）日光灯正常发光后，能否拆除启辉器？为什么？
（2）感性负载并联电容器为什么能提高功率因数？并联电阻能否提高功率因数？
（3）日光灯并联电容器后其自身的功率因数是否得到提高？
附：
表3 日光灯的常见故障及其排除方法
序 号
故 障
原 因
排 除 方 法
1
灯管和启辉器都不亮
电源电压过低
检查线路
镇流器不合格
换合格的镇流器
接线错误、断线或接触不良
纠正接线、修理断线处，矫正接触簧片
灯丝断
换灯管
启辉器不良或不合格
换启辉器
2
灯管不亮，
启辉器亮
电压低或有超负荷
使电源正常或配线正规
接线错误
纠正接线
灯管已坏
换灯管
3
灯管两端发红，启辉器亮
接线错误
纠正接线
灯管寿命终结
换灯管
4
启辉器不亮而灯管两端亮
启辉器或与其并联的电容器短路
换启辉器
5
灯一半亮
电源电压低
使配线正规
接线错误
纠正接线
灯管与灯座接触不良
纠正安装状态
灯管寿命终结
换灯管
6
光线呈蛇
形状起伏
好灯暂时有起伏，若始终有起伏，则电压偏高或灯管不好
开、关数次或隔数分钟再开灯，即消除异常。如无改进，应调整电压或换灯管
7
灯具过热，
有沥青味
电压错误
检查电源
电源频率错误（低于48Hz）
检查频率
散热不充分
调整镇流器安装位置
8
在较短的时
间内灯管
两端变黑
电压太高、电流过大
镇流器不合格或有局部短路
换合格的镇流器
接线错误
纠正接线
接线接触不良
纠正安装状态
灯管不良
换灯管
