荧光灯电路与功率因数的提高实验在Multisim10中的仿真分析

摘要本文以荧光灯电路与功率因数的提高实验为例，通过具体实验数据与仿真结果的比对，证明了仿真结果与实验结果基本符合。本文论述了在电路分析课程实验教学中引入Multisim仿真技术的可行性和必要性。

关键词荧光灯；镇流器；功率因数； Multisim软件；仿真分析

0引言

“电路分析基础”课程是大学电类专业重要的技术基础课。随着电子信息产业的飞速发展，计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用。电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计（CAD）逐步被EDA技术取代。由于其具有实现原理图的捕获、电路分析、交互式仿真、电路板设计、仿真仪器测试和单片机高级应用，又加上运行速度快，操作简便、入门容易、维护方便、兼容性好等诸多优点，非常适合电类专业课程的实验教学。

1荧光灯电路与功率因数提高的仿真分析

1.1荧光灯的组成

荧光灯电路主要由灯管、启辉器和镇流器（可视为具有铁心的电感线圈）组成，荧光灯工作电路图如图1所示。

1.2提高荧光灯电路的功率因数原理

为了提高感性负载的功率因数，常用的方法是感性负载两端并联补偿电容器，以供给感性负载所需的部分无功功率。荧光灯正常工作后，可看成由灯管和镇流器串联的电路。灯管相当于一个电阻元件（R），镇流器是一个带铁心的电感线圈（相当于一个电阻（r）、电感（L）串联的元件）。这样，荧光灯电路就看成一个（R+r）L串联电路。（R+r）L串联电路是感性电路，设电压相位超前于电流相位θ角，则电路的功率因数为cosθ。

cosθ为负载网络的功率因数；θ为负载网络的阻抗角，即负载网络端口电压与电流的相位差。为了提高荧光灯电路的功率因数，常用的方法就是与感性负载两端并联电容器，其电路图如图2（a）所示。相位的相量图如图2（b）所示，由相量图可见并联电容器后，负载网络端口电压与电流的相位差为θ’。由于θ>θ西瓜连’，故cosθ<cosθ’，即功率因数得到了提高。补偿电容C大小可按下式计算：智能语音控制系统

（a）（b）

对接接头

图2 提高电路功率因数的实验图与向量图

根据并联电容的容量不同，这种补偿有欠补偿（cosθ<1，负载网络呈感性）、全补偿（cosθ=1）和过补偿（cosθ<1，负载网络呈容性）3种情况。

1.3仿真电路的构建

图3 荧光灯电路与功率因数提高的仿真电路图

如图3所示。其中，U表示电源设备三相交流电源相线与零线电压（有效值为220V，频率为50Hz，初相位为0°），荧光灯灯管及整流器的线圈电阻（R+r≈300Ω）与镇流器电感（L≈1.65H）串联构成感性负载RL，即RL≈300+j518Ω；C为补偿电容，其值在仿真过程中可以根据需要调节获取；瓦特表XWM1用于观测负载网络的有功功率；虚拟示波器XSC1用于观测并联可调电容C后负载网络电压和电流的波形变化。

1.4仿真分析结果

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1）负载有功功率的测量

由于早期EWB版本无功率表，测量较繁琐，可Multisim10中提供了功率表，可直接测量显示负载网络的有功功率，如图3所示。从仿真结果可得出，改变电容值，功率表读数无变化；

2） C值与负载网络功率因数cosθ及输电线上电流I

C值与负载网络功率因数cosθ及输电线上电流I的关系如图4所示，示波器XSC1的A、B通道分别用于观测负载网络的电压和电流波形。当它们的相位差θ=0时的C值即为Cmax。改变电容C的值，经过多次测试，可以得到Cmax约为4.6uF。我们取C分别为0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF、4.6uF、5.7uF 、6.9uF、7.9uF 和9.87 uF。在每一个C值下观测负载网络的电压和电流的波形及它们的相位差θ。例如，当C=3.2uF时，示波器XSC1的测量结果如图4所示。相位差的确定采用线性扫描法：将垂直光标1和垂直光标2分别移动到正弦电压与电流相邻的零点上，通过光标垂直读数区可读出这两个零点间的时间差X为1.595ms。因此可计算出此时负载网络的电压和电流的相位差θ为：θ=（X/XT）×360°=（1.595/20）×360°=28.7°，同理可测得C分别取0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF 、4.6u

活动桌面F、5.7uF 、6.9uF、7.9uF 和9.87 uF时的仿真数据，结果见表1。

提高感性负载的功率因数仿真电路测试表

根据表1，可见，随着C值的增大，整个负载网络的功率因数cosθ越来越大，同时输电线中的总电流I越来越小。但当cosθ增大到一定程度后，继续增大C，cosθ增大和I减小的速率都放缓，再继续增大C值，cosθ又减小而I则增大。

2 荧光灯电路并联电容器提高功率因数的实验验证

拉丝模

正弦电压由三相交流电压给出、多功能功率表（实验室提供即可以测量有功功率同时也可以测量功率因数）、交流电流表、电压表由实验室“实验电工台”所提供，分别用于测量负载网络的有功功率、电流及电压和功率因数；改变补偿电容器的大小，其值分别为0uF、1uF、2.2uF、3.2uF、4.3uF、4.6uF、5.7uF 、6.9uF、7.9uF 和9.87 uF。经实验验证，实际电路所测数据与表1基本符合。

3结论

通过以上分析，显而易见利用Multisim10软件对“电路分析基础”课程的学习起到了良好的辅助教学效果。实践证明，在电路分析课程教学中引入Multisim10仿真技术与传统实验教学相结合，能够大大激发学生的学习兴趣及创新能力，充分发挥学生学习的主观能动性。同时为从事电子工程技术的设计人员提供帮助。

参考文献

[1]燕庆明.电路分析教程[M].2版，北京：高等教育出版社，2007.

[2]吴霞，李敏.电路与电子技术仿真与实践[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

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