电工技术实验指导书.doc

电 工 技 术实验指导书李锶 编著机械设计制造及控制中心教材目 录一 基本定理实验（一）3（一）基尔霍夫定律4（二）叠加原理4二 基本定理实验（二）8三 RLC串联电路的幅频特性与谐振现象12四 三相电路实验18五 电机控制实验24实验一 基本定理实验（一）一、 实验目的1 验证基尔霍夫电流、电压定律，加深对基尔霍夫定律的理解。2 验证叠加定理3 加深对电流、电压参考方向的理解。4 正确使用直流稳压电源和万用电表。二、 实验原理1、基尔霍夫定律I3I1R1CE1R2DE2I2R3AB图1-1基尔霍夫定律是集总电路的基本定律。它包括电流定律和电压定律。基尔霍夫电流定律（KCL）：在集总电路中，任何时刻，对任一节点，有支路电流的代数和恒等于零。图1-1 节点A I=0I1+I2-I3=0（设I流入节点A取正 ）基尔霍夫电压定律（KVL）：在集总电路中，任何时刻，沿任一回路所有支路电压的代数和恒等于零。图1-1 回路A，R3，B，E1，C，R1 U=0 UR1+UR3-UE1=0（取顺时针为电压参考方向）2、叠加原理叠加原理不仅是适用于线性直流电路，也适用于线性交流电路，为了测量方便，我们用直流电流电路来验证它。叠加原理可简述如下：在线性电路中，任一支路中的电流（或电压）等于电路中各个独立源分别单独作用时在该支电路中产生的电流（或电压）的代数和，所谓一个电源单独作用是指除了该电源外其他所有电源的作用都去掉，即理想电压源所在处用短路代替，理想电流源所在处用开路代替，但保留它们的内阻，电路结构也不作改变。由于功率是电压或电流的二次函数，因此叠加定理不能用来直接计算功率。例如在图1-2中显然 +_E1R1R2R3I1I2+_E2I3+_E1R1R2R3I2I1I3=+_R1R2R3I1E2I3I2+图1-2三、 仪器设备1电路分析实验箱 一台2直流毫安表 二只3数字万用表 一台四、 实验内容与步骤（一）基尔霍夫定律1 实验前先任意设定三条支路的电流参考方向，可采用如图示1-1中的I1、I2、I3所示。2 按图1-1所示接线。3 按图1-1分别将E1、E2两路直流稳压电源接入电路，令E1=3V，E2=6V，R1=1K、R2= 1K、R3=1K。4 将直流毫安表串联在I1、I2、I3支路中（注意：直流毫安表的“+、”极与电流参考方向）5 确认连线正确后，再通电，将直流毫安表的值记录在表1-1内。6 用数字万用表别测量两路电源及电阻元件上的电压值，记录在表1-1内。 （二）叠加原理1. 将实验箱电源接通220V电源，调节输出电压，使第一路输出端电压E1=10V；第二路输出端电压E2=6V，(须用万用表重新测定)，断开电源开关待用。按图1-2接线，R4+R3调到1K，经教师检查线路后，再接通电源开关。2. 测量E1、E2同时作用和分别单独作用时的支路电流I3，并将数据记入表格1-2中出注意：一个电源单独作用时，另一个电源需电路中取出，并将空出的两点用导线连起来。还要注意电流（或电压）的正、负性。（注意：用指针表时，凡指针反偏的表示此量的实际上方向与参考方向相反，应将表针反过来测量，数值取为负值！）3.任选一个回路，测定各元件上的电压，将数据记入表格1-2中。五、预习思考题1、根据图1-1的电路及实验内容中的参数，计算表1-1，1-2中的计算值，以便实验测量时，正确地选定毫安表及电压表的量程。2、实验中，用指针式直流毫安表（电压表）测各支路电流（电压），在什么情况下可能出现反偏，应如何处理？在记录数据时应注意什么？用数字式直流毫安表（电压表）测各支路电流（电压），则会有什么样的显示。3、在叠加原理实验中，要令E1、E2单独作用，应如何操作？可否直接将不作用的电源（E1或E2）短接置零？六、 实验报告要求1选定实验电路中的任一个节点，将测量数据代入基尔霍夫电流定律加以验证。2选定实验电路中的任一闭合电路，将测量数据代入基尔霍夫电压定律，加以验证 。 3将计算值与测量值比较，分析误差原因。4用实验数据验数据验证支路的电流是否符合叠加原理，并对实验误差进行适当分析。5用实测电流值、电阻值计算电阻R3所消耗的功率为多少？能否直接用叠加原理计算？试用具体数值说明之附：实验面板布置图：R2E1510R4R11KR31KE21K注：1、实线为实验箱内部接通，不用再连线。2、虚线表示要从外部引入器件。3、断点用于连接电路或用于串、并入测量仪表附： 原始数据记录表表1-1 E1= V E2= V R1= R2= R3= 被测量I1（mA）I2（mA）I3（mA）VR1 (v)VE1(v)VR3 (v)计算量测量值相对误差 表1-2E1= V E2= V R1= R2= R3= 实验值计算值I1I2I3UR1UR2UR3UE1I3R1(v)E1(v)R3(v)E1、E2同时作用E1单独作用E2单独作用预习：1、实验原理、实验内容及实验方法，2、实验电路面板布置，3、数据记录表中的理论值（计算值）要进行计算实验二 基本定理实验（二）一、 实验目的1 验证戴维南定理2 测定线性有源一端口网络的外特性和戴维南等效电路的外特性。二、 实验原理戴维南定理指出：任何一个线性有源一端网络，对于外电路而言，总可以用一个理想电压源和电阻的串联形式来代替，理想电压源的电压等于原一端口的开路电压Uoc，其电阻(又称等效内阻)等于网络中所有独立源置零时的入端等效电阻 Req，见图2-1被测电路GabcdR1R2+-R线性有源二端网络+-UOCReqab 图2-1 图2-2 1. 开路电压的测量方法方法一：直接测量法。当有源二端网络的等效内阻Req与电压表的内阻Rv相比可以忽略不计时，可以直接用电压表测量开路电压。方法二：补偿法.其测量电路如图2-2所示，E为高精度的标准电压源，R为标准分压电阻箱，G为高灵敏度的检流计。调节电阻箱的分压比，c、d两端的电压随之改变，当Ucd=Uab时，流过检流计G的电流为零，因此式中为电阻箱的分压比。根据标准电压E和分压比K就可求得开路电压Uab，因为电路平衡时IG=0，不消耗电能，所以此法测量精度高。 2等效电阻Req的测量方法对于已知的线性有源一端口网络，其入端等效电阻Req可以从原网络计算得出，也可以通过实验测出，下面介绍几种测量方法：方法一：将有源二端网络中的独立源都去掉，在ab端外加一已知电压U，测量一端口的总电流I总，则等效电阻。 方法二：测量ab端的开路电压Uoc及短路电流Isc则等效电阻这种方法适用于ab端等效电阻 Req较大，而短路电流不超过额定值的情形，否则有损坏电源的危险。被测电路VRLababUocReq+- UocRL图2-3 图2-4 方法三：两次电压测量法:测量电路如图2-3所示，第一次测ab端的开路Uoc，第二次在ab端接一已知电阻RL为：第三种方法克服了第一种和第二种方法的缺点和局限性，在实际测量中常驻被采用。3如果用电压等于开路电压Uoc，的理想电压源与等效电阻Req相串联的电路（称为戴维南等效电路，参见图2-4）来代替原有源二端网络，则它的外特性U=（I）应有源二端网络的外特性完全相同。实验原理电路见图2-5b。R11KE110V+-R21KE26V+-mAR3R4RL5101KCVABNM1KUocmAR3R4RL5101KVABQQR5R6+-ReqR4 (a) 图2-5 (b)三、仪器设备 1电路分析实验箱 一台 2直流毫安表 一只 3数字万用表 一台四、实验内容与步骤1 用戴维南定理求支路电流I3测定有源二端网络的开路电压UOC，和等效电阻Req。按图2-5（a）接线，经检查无误后，采用直接测量法测定有源二端网络的开路电压UOC。电压表内阻应远大于二端网络的等效电阻Req。用两种方法测定有源二端网络等效电阻Req。A采用原理中介绍的方法二测量：首先利用上面测得的开路电压UOC和预习中计算出的Req估算网络的适中短路电流ISC大小，在ISC之值不超过直流稳压电源电流的额定值和毫安表的最大量限的条件下，呆直接测出短路电流，并将此短路电流ISC数据记入表格2-1中。 B采用原理中介绍的方法三测量：接通负载电阻RL，调节电位器的R4，使RL=1K，使毫安表短接，测出此时的负载电压U，并记入表格2-1中。取A、B两次测量的平均值作为Req（I3的计算在实验报告中完成）2 测定有源二端网络的外特性调节电位器R4即改变负载电阻RL之值，在不同负载的情况下，测量相应的负载电压和流过负载的电流，共取6个点将数据记入表格2-2中。测量时注意，为了避免电表内阻的影响，测量电压U时，应将接在AC间的毫安表短路，测量电流I时，将电压表A、B端拆除。若采用万用表时行测量，要特别注意换档。3 测定戴维南等效电路的外特性。将另一路直流稳压电源输出电压调节到等于实测的开路电压Uoc值，以此作为理想电压源，调节电位器R6，使R5+R6=Req，并保持不变，以此作为等效内阻，将两者串联起来组成戴维南等效电路。按图2-5（b）接线，经检查无误后，重复上述步骤出负载电压和负载电流，并将数据记入表格2-3中。五、 预习内容1. 在图2-5（a）中设E1=10V，E2=6V，R1=R2=1K，根据戴维南定理将AB以左的电路化简为戴维南等效电路。即计算图示虚线部分的开路电压UOC，等效内阻Req及A、B真线短路时的短路电流ISC之值，填入自拟的表格中。2. 在求戴维南等效电路时，作短路试验，测ISC的条件是什么？在本实验中可否直接作负载短路实验？请实验前对线路上2-5（a）预先作好计算，以便调整实验线路驻测量时可准确地选取电表的量程。3. 说明测有源二端网络开路电压及等效内阻的几种方法，并比较其优缺点。六、 实验报告要求1. 应用戴维南定理，根据实验数据计算R3支路的电流I3，并与计算值进行比较。2. 在同一坐标纸上作出两种情况下的外特曲线，并作适当分析。判断戴维南定理的正确性。并分析产生误差的原因。 表2-1项目Uoc(V)UR3(V)Isc(V)U外IReq()数值表2-2123456电压URL（v）电流IRL(mA)123456电压URL（v）电流IRL(mA)表2-3实验二 RLC串联电路的幅频特性与谐振现象一、 实验目的1 测定R、L、C串联谐谐振电路的频率特性曲线。2 观察串联谐振现象，了解电路参数对谐振特性的影响。二、 实验原理1R、L、C串联电路（图4-1）的阻抗是电源频率的函数，即：当0或0US+ICRL上式表明谐振频率仅与元件参数L、C有关，而与电阻R无关。 图4-12电路处于谐振状态时的特征：复阻抗Z达最小，电路呈现电阻性，电流与输入电压同相。电感电压与电容电压数值相等，相位相反。此时电感电压（或电容电压）为电源电压的Q倍，Q称为品质因数，即UL在L和C为定值时，Q值仅由回路电阻R的大小来决定。在激励电压互感器有效值不变时，回路中的电流达最大值，即： 3串联谐振电路的频率特性：回路的电流与电源角频率的关系称为电流的幅频特性，表明其关系的图形称为串联谐振曲线。电流与角频率的关系为：I0Q1Q20Q1Q2图4-2 当L、C一定时，改变回路的电阻R值，即可得到不同Q值下的电流的幅频特性曲线（图4-2）。显然Q值越大，曲线越尖锐。有时为了方便，常以为横坐标，为纵坐标画电流的幅频特性曲线（这称为通用幅频特性），图4-3画出了不同Q值下的通用幅频我特性曲线。回路的品质因数Q越大，在一定的频率偏移下，下降越厉害，电路的选择性就越好。为了衡量谐振电路对不同频率的选择能力引进通频带概念，把通用幅频特性的幅值从峰值1下降到0.707时所对应的上、下频率之间的宽度称为通频带（以BW表示）即：由图8-3看出Q值越大，通频带越窄，电路的选择性越好。激励电压与响应电流的相位差角和激励电源角频率的关系称为相频特性，即： 显然，当电源频率从现在0变到0时，电抗X由-变到0时，角从变到0，电路为容性。当从0增大到时，电抗X由0增到，角从现在起增到，电路为感性。相角与的关系称为通用相频特性，如图4-4所示。1Q1Q2Q1Q201Q1Q2Q1Q21122000007072 图4-3 图4-4三、 仪器设备1电路分析实验箱 一台2信号发生器 一台3交流毫伏表 一台4（双踪示波器） 一台四、 实验内容及步骤 按图4-5连接线路，电源为低频信号发生器。将电源的输出电压接示波器的YA插座，输出电流从R两端取出，接到示波器的YB插座以观察信号波形，取L=0.1H，C=0.5F，R=10，电源的输出电压US=3V。 +-RCLYBYA示波器图4-51 计算测试电路的谐振频率用L、C之值代入式中计算出。测试：用交流毫伏表接在R两端，观察UR的大小，然后调整输入电源的频率，使电路达到串联谐振，当观察到UR最在时电路即发生谐振，此时的频率即为（最好用数字频率计测试一下）。2 测定电路的幅频特性以 为中心，调整输入电源的频率从100Hz2000Hz，在附近，应多取些测试点。用交流毫伏表测试每个测试点的UR值，然后计算出电流I的值，记入表格4-1中。保持US=3V，L=0.1H，C=0.5F，R=100，即改变了回路Q值，重复步骤。3测定电路的相频特性。仍保持US=3V，L=0.1H，C=0.5F，R=100。以为中心，调整输入电源的频率从100Hz2000Hz。在的两旁各选择几个测试点，从示波器上显示的电压、电流波形上测量出每个测试点电压与电流之间的相位差，数据表格自拟。五、 思考题1 用哪些实验方法可以判断电路处于谐振状态？2 实验中，当R、L、C串联电路发生谐振时，是否有UC=UL及UR=US？若关系不成立，试分析其原因。六、 实验报告要求1根据实验数据，在坐标纸上绘出两条不同Q值下的幅频特性曲线和相频特性曲线，并作扼要分析。（计算电流I0注意：L不是理想电感，本身含有电阻，而且当信号的频率较高时电感线圈有肌肤效应，电阻值会有增加，可先测量出的UC、US求出Q值，然后根据已知的L、C算出总电阻。）2通过实验总结R、串联谐振电路的主要特点。3回答思考题2。实验原始数据(Hz)0UR（V）I（mA）(Hz)0UR（V）I（mA）实验三 三相电路实验一、 实验目的1. 学习将负载作星形和三角形的正确连接方法；2. 掌握三相电路中电压和电流的线值，即线电压、线电流与相电压、相电流在星形与三角形接法时的关系；3. 了解三相四线制接线时中线的作用；4. 了解三相电路功率的测量方法。二、实验原理1. 负载作星形联接在有中线（三相四线制的）情况下，不论负载对称与否，相线电量之间的关系是：UL =UP ，中线中带不对称负载时起了重要作用：若没有中线，而且负载又不对称时，将引起中点飘移，负载各相之间的相电压也不平衡，使负载不能正常工作：若负载对称，由中线中电流为零，中线可以不要，成为三相三线制电路。2. 负载作三角形联接不管负载对称与否，UL =UP ；负载对称时，各相电流对称，且IL=IP ，负载不对称时，各相电流不对称。3. 三相电路中负载所吸收的有功功率用功率表进行测量，其测量方法随三相电路联接方式和负载是否对称而有所不同。（1）、三相四线制有功功率的测量：三相负载不对称时，一般用三个单相功率表的接图6-1所示的接线方式进行测量，称之为三表法。负载P=PA+PB+PCW2W1W3AOIAIBICABCO图6-1 若负载对称，只需用一个单相功率即可，因为对称负载各相有功功率相同，这种方法称为一表法： P=3Pa=3Pb=3Pc（2）、三相三线制电路不论其对称与否，均可用两只单相功率表进行测量，称之为两表法，其接线方式如图6-2所示W1W2IAIBICABCABC负载图6-2其原理如下:(为便于计算将负载化为Y开联接)三相瞬时功率为：P=PA+PB+PC=UA IA+UBIB+UCIC出KCL：IA +IB +IC=0所以：P = UA IA+UBIB +Uc (-IA -IB)=(ua-uc)ia+(ub-uc)ib=uacia+ubcib而有功功率P =1/tpdt=1/t (uacia+ubcib)dt=1/tuaciadt+1/tubcibdt=uaciacos(uacia)+ubcibcos(ubcib)=p1+p2显然： p1为功率表W1的读数p2为功率表W2的读数在实际测量中，按上述规定接线，有时功率表之一的指针可能反向偏转，为了取得读数，需将该表的电流线圈的两个接头互换，使指针正偏转，但该表的读数应记为负值。三、实验仪器与器件:1. 三相灯板： 1块2. 交流电压表： 1只3. 交流电流表： 1只4. 单相功率表： 2只四. 实验内容:1. 负载作星形接法：为防止负载不对称，而中线双数年开，某相偏压过大而烧毁灯泡(220v)，应按图6-3接入负载。B380VIAAAACK1K2K3K4IBIcI0OBCO图6-3AAA测量负载对称(k3.k4闭合)，有中线(k2闭合)和无中线(k2断开)，以及负载(k3、k4断开)，有中线和无中线时名电量，记入表6-1中。2. 负载作三角形接法：灯泡(220v)接入380v三相电源时，为防止灯泡过压烧毁，应注意按图6-4进行接线。IA三相电源（380V）BCAACBIBICICAK3IBCIAB图6-4A测量负载对称(k5闭合)和不对称(k5断开)时各电量，记入表6-2中。3. 测量三相电路的功率：(1) 用三相表法测量负载星形联接(三相四线制)三相电路的功率.按图6-1和图6-3进行接线，分别测量负载对称(k3k4闭合)和负载不对称(k3k4断开)时的三相电路功率，将数据记入表6-3中。五、实验注意事项与实验报告要求1. 接续完成后，应请老师检查正确后，方可接通电源进行实验，因采用380发三相电源，实验时应切实注意操作安全；2. 功率表的正确使用；3. 实验报告中分析三相电路中相电压.线电压及相电流、线电流的关系；4. 实验报告中分析负载对称与否对三相电路中电压、电流的影响 ；5. 实验报告中分析负载或不对称时三相四线制电路可否用两表法测功率？实验数据：负载对称负载不对称有中线无中线有中线无中线线电压（V）UABUBCUCA相电压（V）UAUBUC电流（A）IAIBICIO表6-1UABUBCUCAIAIBICIABIBCICA对称负载不对称负载表6-2P1P2P对称负载不对称负载表6-3实验四 电机控制实验一、 实验目的：1. 了解交流接触器、热继电器、按钮等控制电器的结构及使用方法；2. 明确熔断器的短路保护作用以及热继电器的过载保护作用；3. 完成电动的点动、单向启停及正反转控制电路，并实际操作。二、 实验原理：M3FRSBKMQFUKMFRABC图7-11. 电动机点动控制：分主电路和控制电路。主电路从三相电源经刀开关、熔断器、交流接触器的主触头到电动机三相绕组；控制电路由电源A相经控制按钮，接触器的线圈到电源C相。图中，Q为三相闸刀开关，KM为接触器，SB为启动按钮，M为电动机。按下SB，电动机运转，松开SB，电动机停止。原理接线图如7-1所示。 2. 电动单向启停控制：原理接线如图7-2所示，主电路同图7-1，控制电路中，SB1为停止按钮，别外，还多了一个并在启动按钮SB2两端的接触器常开辅助触头KM，按下SB2电动机运转，松开SB2，电动机继续转，只有按下SB1时，电动机才得以停止。3. 电动机正、反转控制：原理接线如图7-3所示，KMF为正转接触器，KMR为反转接触器，SBF、SBR分别为正转、反转启动按钮，SB1为停止按钮。控制电路中，分别并联于SBF、SBR启动按钮两端的是正转接触器KMF和反转接触器KMR的常天辅助触头，它们的作用是在电动机启动后，松开启动按钮，保持电动机继续运转，称为“自锁”；两分别串联开KMF和KMR两个接触器线圈中的KMR和KMF常闭辅助触头，则起“互锁”（或“联锁”）作用，当电动机正转运行时，其常闭辅助触头KMF断开，即使不慎按下了反转启动按钮SBR，反转接触器KMR线圈也不能得电，避免了电源短路事故的发生。ABCM3FRSB2KMQFUKMFR图7-2SB1KMABC图7-3M3FRSB1QFUKMFRSBFSBRKMFKMRKMFKMRKMRKMF这种控制电路若在正转过程中要求反转，必须抚按停止按钮SB1，让联锁触头KMF闭合后，才能按反转启动按钮使电动机反转。生产