电路分析实验讲义2010年11月修订（a4装订)1.doc

实验1 戴维南定理的验证一 实验目的（1） 验证戴维南定理或诺顿定理，加深对戴维南定理或诺顿定理的理解。（2） 进一步学习常用直流仪器仪表的使用方法。二 实验原理任何一个线性网络，如果只研究其中的一个支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作一个含源一端口网络。而任何一个线性含源一端口网络对外部电路的作用，可用一个等效电压源来代替，该电压源的电动势es等于这个含源一端口网络的开路电压uoc，其等效内阻rs等于这个含源一端口网络中各电源均为零时（电压源短接，电流源断开）无源一端口网络入端电阻。这个结论是戴维南定理。26图1-1 原电路图1-2 戴维南等效电路如果用等效电流源来替代上述线性含源一端口网络，其等效电流is等于这个含源一端口网络的短路电流id，其等效内阻电导等于这个含源一端口网络各电源均为零（电压源短接，电流源断开）时所对应的无源一端口网络的入端电导，这个结论是诺顿定理。三 仪器设备和选用组件箱设备名称备注可调直流电流电压源gds-03数字式直流电流电压源gds-03电阻箱及动态元件gds-07网络元件gds-06四 实验任务及过程1、实验任务测出含源一端口网络的端电压uab和端电流ir，并绘出它的外特性曲线uab=f(ir)a.按图1-1接好实验电路；（电阻用gds-06的元件接），r1=33，r2=47,r3=68负载电阻rl用gds-07电阻箱（数字式可变电阻）。b.调节dq-单元板上的直流电流源（将电流源输出端短接后调），使其输出电流为30ma。再调直流电压源，使其输出电压为10v，调节前直流电流电压源均应先置零。2、戴维南定理的验证1）原电路不同负载下电压电流的测量改变负载电阻r，对每个r值，测出对应的uab和ir值，记入表1-1，特别注意要测出r=（此时测出的uab即为a、b端开路的开路电压uoc）和r=0（此时测出的电流即为a、b端短路时的短路电流id）时的短路电压和电流。实验数据处理时作出uab=f(ir)的曲线。2）测出无源一端口网络的输入电阻a.将图1-1除源：即将电流源is开路，将电压源es短路，再将负载电阻r开路。b.用500型万用表电阻挡测a、b两点间电阻rab（约70欧），即为有源一端口网络所对应的无源一端口网络的输入电阻，也就是此有源一端口网络所对应等效电压源的内电阻rs。3）等效电路不同负载下电压电路的测量a.调节dq-上电阻箱上的数字可调电阻使其等于rab=rs，然后将dq-上稳压电源输出电压调至等于有源一端口网络开路电压uoc与rs串联组成如图1-2所示等效电压源，负载电阻rl仍用dq-上电阻箱。b.改变负载电阻rl值（与表1-1中r值一一对应，便于比较），重复测出uab，ir记入表1-2，并与步骤1中所测的值进行比较，验证戴维南定理。表1-1 有源一端口网络的外特性uab=f（ir）r()0100200300400500600700uabir(ma)表1-2 等效电压源的外特性uab=f（ir）r()0100200300400500600700uabir(ma)五 实验报告（1） 根据实验测得的uab及ir数据，分别绘出曲线，验证它们的等效性，并分析误差产生的原因。（2） 根据所测得的开路电压uoc和短路电流id，计算有源二端网络的等效内阻，与所测得的rab进行比较。六 试说明几种一端口网络等效电阻的测量方法，并定性分析它们的优缺点。实验2 受控源特性测定（1）vccs及vcvs一 实验目的（1） 熟悉四种受控电源的基本特性（2） 掌握受控源转移参数的测试方法（3） 了解受控源在电路中的应用二 内容说明电源可分为独立电源（如干电池、发电机等）与非独立电源（或称受控源）两种，受控源在网络分析中已经成为一个与电阻、电感、电容等无源元件同样经常遇到的电路元件，受控源与独立电源不同，独立电源的电动势或电激流是某一固定数值或某一时间函数，不随电路其余部分的状态而改变， 且理想独立电压源的电压不随其输出电流而改变，理想独立电流源的输出电流与其端电压无关，独立电源作为电路的输入，它代表了外界对电路的作用。受控电流源的电动势或电激流则随网络中另一支路的电流或电压而变化，受控源又与无源元件不同，无源元件的电压和它自身的电流有一定的函数关系，而受控源的电压和电流则和另一支路（或元件）的电流或电压有某中函数关系，当受控源的电压（或电流）与控制元件的电压（或电流）成正比变化时，该受控源是线性的，理想受控源的受控支路中只有一个独立变量（电压或电流），另一个独立变量等于零，即从入口看。理想受控源或者是短路，即输入电阻ri=0，因而ui=0，就是说控制支路只有一个独立变量电流ii作用，另一独立变量ui=0；或者是开路，即输入电导gi=0，因而输入电流ii=0，只有输入电压ui单独作用。从出口看，理想受控源或者是一理想电压源，或者是一理想电流源，如图1.8-1所示，由图可见，受控源有两对端钮，一对输出端钮，一对输入端钮，输入端用来控制输入端电压或电流大小，施加于输入端的控制量可以是电压或是是电流，因此，有两种受控电压源，即电压控制电压源vcvs，电流控制电压源ccvs，同样受控电流源也有两种，即电压控制电流源vccs及电流控制电流源cccs。受控源的控制端与受控端的关系式称转移函数，四种受控源的转移函数参量分别用、gm、rm表示，它们的定义如下：1 cccs：=i2/i1转移电流比（或电流增益）2 vccs：gm=i2/u1转移电导3 vcvs：=u2/u1转移电压比（或电压增益）4 ccvs：rm=u2/i1转移电阻三 仪器设备及所选用单元板名称数量备注可调直流电流、电压源1gds-03数字式直流电流、电压表1gds-10电阻箱及动态元件1gds-07电路有源元件1gds-14四 实验任务及步骤1、vccs的伏安特性及转移电导的测试1k i1u1gmu1i2rl+u-vccs图3-1 vccs电路a.按图3-1接线，图中rl用gds-07的可变电阻箱，r=1k用gds-07电阻。b.调节稳压电源输出电压：使u=+2.5v或u=-2.5v。c.调节可变电阻箱r，对不同的r值，用数字式直流电压、电流表测出u1、i1、u2、i2，将所测数据记录在表3-1中，并绘制vccs的外特性曲线i2=f（u2）为使vccs正常工作，应使u1（或u2）在2.5v以内，rligl总电流又将增大（i3i2）。所以并联电容应有一个适当的数值。c1c2c3icigipuluguuilicici1图5-2 向量图图5-1 电路原理图 为了测量荧光灯的功率有多大，可在电路中接如功率表，一般功率表都是多量程的，使用时要注意选用合适的量程。 本实验中所使用的功率表外接，该功率表的电压回路的灵敏度很高，因而内阻很大，测量时对被测量电路的并联分流作用很小。另外，该表电流回路的内阻也特别小，因而对被测电路串联分压效应也很小。功率表的接线如图5-1所示，图中功率表w的电流回路引出端3和4则应与负载并联。其中1端和3端各标有号，称同名端，接线时应将这两端联在一起。这样连接时当功率表指针正偏转则表示电源向负载传送功率，其数值为 w=u*i*cos（为u与i间的夹角）如果将1与2端对调，电流将由2端流向1端，由图5-2相量图可见这时=180-，则 w=u*i*cos（180-） =-u*i*cos三 实验设备 名称数量备注电源控制屏十进电容器及荧光灯元件功率表交流电流表交流电压表四 实验内容及步骤（1）将荧光灯及可变电容箱按5-1所示电路连接，在各只路中串联接如电流表插孔，以便用一只电流表可方便的测量几条只路电流。在将功率表接入电路；功率表的电流线圈与负载串联，电压线圈与负载并联，而且还应将电压线圈和电流线圈的同名端接在一起后接向电源侧。按图接线经检查无误后，合上220v交流电源。注意安全，千万别用手触摸导电部分。（2）改变可变电容箱的电容值，先使c=0，测总电压u，镇流器两端电压ul及灯管两端电压ua，并测总电流i，灯管只路电流ig及电容只路电流ic和功率p。（3）按表格中所定电容值逐渐加大电容c的值，但不要超过6f，否则会过补偿，总电流反而又会增大（变为容性）。记录各电容之下的u、ul、ua、i、ic、ig及p记入表中。注意，功率表的读数及ua、ug的数值有否改变，为什么？（4）绘出i=f（c）的曲线，并分析讨论。 本实验中使用的荧光灯在十进电容器及荧光灯元件组件箱上，且有接线图标志，镇流器、灯管均有接线端引出供测电压之用。实验时应将电源转换开关板向“外部电源”，电源可自荧光灯线路两接线端引入。如开关板向“内部电源”，则表示荧光灯已有内部电源接入可做日常照明用。五 实验结果 电容（f）总电压u（v）ul （v）ua （v）总电流i(ma)ic（ma）ig（ma）功率p（w）0123456789六 实验报告（1） 完成上述数据测试，并列表记录。（2） 绘出总电流i=f（c）曲线，并分析讨论。（3） 说明功率因数提高的意义实验6 互感参数的测量一 实验目的（1） 学会互感电路同名端，互感系数以及耦合系数的测定方法。（2） 通过两个具有互感耦合的线圈顺向串联和反向串联实验，加深理解互感对电路等效参数以及电压、电流的影响。二 实验说明 （1）在互感电路的分析计算时，除了需要考虑线圈电阻，电感等参数的影响外，还应特别注意互感电势（或互感电压降）的大小及方向的正确判定，为了测定互感电势的大小，可以将两个具有互感耦合的线圈中的一个线圈（例如线圈2）开路而在另一个线圈（线圈1）上加以一定电压，用电流表测出这一线圈中的电流i1，同时用电压表测出线圈2的端电压u2，如果所用的电压表内阻很大，可近似的认为i2=0（即线圈2可以看作开路），这时电压表的读数就近似地等于线圈2中互感电动势e2m，即 u2e2m=mi1式中为电源的角频率，工频时=314弧度/秒，由上式可以算出互感系数m为 mu2/*i1 这就是最简单的互感系数测定方法。*1122m图6-1 互感线圈图 互感电路同名端可利用交流来测定，将线圈1的1端与线圈2的2端用导线联结（如图6-1所示），在线圈1两端加以交流电压，用电压表分别测出1及1两端与1，2两端的电压，设分别为u11与u12，如u12u11 ，则用导线连接的两端点（1与2）应为异名端（也即1与2以及1与2为同名端），因为如果我们假定正方向为u11，当1与2为同名端时，线圈2中互感电压的正方向应为u22，所以u12=u11+u22，u12（因1与2相连）必然大于电源电压u11，同理，如果1，2两端电压读数u12小于电源电压（即u12u11，则1与2为同名端（或1与2为同名端）若u12u11则1，2为同名端 2、测量两个互感线圈的自感l1，l2和互感m （1）将线性互感线圈1-1通过220/36v单相变压器后再接至电源控制屏单相可调电压输出端un，调节电源控制屏输出电压，使通过线圈1-1电流不超过0.5a，线圈2-2开路，用交流电压表测出此时的u1，u2，用交流电流表测出i1，记入表6-1，用万用表测出线圈1电阻r1，由u1，i1可计算出线圈1的自感，由u2，i1可计算出线圈1对线圈2产生的互感m，在此，=2f=314弧度/秒为已知。计算出z1，x1。 改变加在线圈1上的交流电压，重复上述测量和计算，在改变一次加在线圈1上的交流电压，再重复一次测量和计算，一共做三次，求出l1平均值和m平均值。将线圈2-2与1-1位置互换，线圈1开路，调节电源控制屏输出电压，使通过线圈2-2的电流不超过0.35a，重复上面实验测出u2，i2，u1用万用表测出线圈2的电阻r2，计算出l2和线圈2的对线圈1的互感m（与线圈1对线圈2 的互感相等）以及z2，x2，同样也要改变加在线圈2上的交流电压，一共三次，最后计算出l2和m的平均值，均记入表6-2中。 3用互感线圈顺向串联和反向串联的测试方法，测出线圈间互感，等效电阻，等效阻抗和等效电抗。注意，此时电流不得超过0.35a。 按图6-2（a）将两线圈顺向串联，为使通过线圈电流不超过0.35a，串入一电流表加以监视。两线圈串联后接至电源控制屏调节交流电压输出端，每改变一次电压记下u和i值，一共做三次，用型万用表电阻挡测两串联线圈总的等效电阻r=r1+r2根据计算出等效阻抗z等效。由式计算出等效电抗x均记入表6-3中。按图6-2（b）将两个线圈反向串联，重复上面的测量和计算，再根据式算出每次互感系数m，求的m的平均值，均记入表6-3中。表6-1 线圈2开路测量线圈1电阻r1= 读 数次数u1 伏i1安u2伏i2安z1欧x1欧l1亨m亨l1平均m平均第一次第二次第三次表6-2 线圈1开路测量线圈2电阻r2= 读 数次数u1 伏i1安u2伏i2安z1欧x1欧l1亨m亨l1平均m平均第一次第二次第三次表6-3 线圈1和2顺向及反向测量连接方法测量次数电表读数计算结果u伏i安等效电阻等效阻抗等效感抗互感系数m平均值顺向连接123反向连接123四 注意事项（1）实验中用十进电容器及荧光灯元件组件箱中互感器，原负边电阻可用500型万用表电阻挡测量。（2）为不使互感线圈烧坏电流应小于0.35a，因线圈电阻较小为便于电流调节与线圈串联一个200电阻。实验7 三相交流电路电压、电流的测量一 实验目的（1） 学会三相负载星形和三角形的连接方法，掌握这两种连接法的线电压和相电压，线电流和相电流的测量方法。（2） 观察分析三相四线制中，当负载不对称时中线的作用（3） 了解相序的测试方法二 内容说明将三相灯负载（实验图7-1）各项的一端u2，v2，w2连接在一起，形成中点。各相的另一端u1，v1，w1则分别接至三相电源即为星形连接。这时相电流等于线电流，如电源为对称三相电压，则因线电压是对应的相电压的矢量差，在负载对称时它们的有效值相差倍，即u1u2v1v2w1w22图6-1u线=u相 这时各相电流也对称，电源中点与负载中点之间的电压为零，如用中线将两中点之间连接起来，中线电流也等于零，如果负载不对称，则中线就有电流流过，这时如将中线断开，三相负载的各相电压不在对称，各相电灯出现亮、暗不同的现象，这就是中点位移引起各相电压不等的结果。 如果将实验图6-1的三相负载（灯板）的u2与v1，v2与w1，w2与u1分别相连，在这些连接点上引出三根导线至三相电源，即为三角形连接法。这时线电压等于相电压，但线电流为对应的两相电流的矢量差，负载对称时，它们也有倍的关系，即 i线=i相若负载不对称，虽然不在有倍的关系，但线电流仍为相应的相电流矢量差。这时只有通过矢量图方能计算它们的大小和相位。三 仪器设备和选用组件箱名称数量备注三相负载及电镀表电源控制屏交流电流表交流电压表单相闸刀开关四 实验内容及步骤1 三相负载星形连接 三相负载及电镀表组件箱上三相电灯板按星形连接法联接，并接至电源控制屏组件箱上三相可调电源输出端子u、v、w、n，将电压调节旋钮旁的推拉式开关“压入”，则调节电压调节旋钮，三相电压同时调，将三相线电压调至220v。 测三相负载对称时，有中线情况下各线电压uab、ubc、uca，相电压ua、ub、uc各线电流，相电流ia、ib、ic和中线电流in的数值，记入星形连接表中，表6-1 三相负载仍对称，将中线拆除（即单刀开关k断开），测各线电压、相电压、线电流、相电流及负载中点及电源中点之间的电压，记入同一表中。看一看此时三相灯亮度是否有不同。 测量有中线时，三相负载不对称（如a相一盏灯，b相二盏灯，c相三盏灯）情况下各线电压、相电压、线电流、相电流及中线电流，并观察一下三相灯亮度是否有不同。 测量中线拆除时，三相负载不对称情况下各线电压、相电压、线电流、相电流及负载中点及电源中点之间的电压，观察一下三相灯亮度是否有不同，分析中线作用。2 三相负载三角形连接 将三相灯板接成三角形连接，三相电源线电压调至220v，串入电流表插孔，测量三相负载对称时，各线电压、相电压、线电流、相电流，记入三角形连接表6-2中。 当三相负载不对称时：a相一盏灯，b相二盏灯，c相三盏灯，再测各线电压、相电压、线电流、相电流，记入同一表中。 分析当负载作三角形连接时，线电流与相电流间的关系。五 实验结果表6-1 星形连接 测量 值负载状态线电压（伏）相电压（v）相线电流（ma）中线电流（ma）中点间电压（v）灯亮度uabubcucauaubuciaibic负载对称有中线abc无中线abc负载不对称有中线abc无中线abc无中线abc表6-2 三角形连接测量值负载状态线电压（伏）线电流（ma）相电流（ma）相/线电流灯亮度uabubcucaiaibiciabibcicaiab/iaibc/ibica/ic各相相比与y形比负载对称负载不对称六 注意事项（1） 网络元件组件箱上部为白炽灯和电容器组成的三相负载电路，每相有两路15w灯负载和一路10f电容无功负载，它们都可通过串联的开关控制通断，当需要不对称负载时可任意选择每相通断支路数。（2） 白炽灯的额定电压为220v，电容器的额定电压为400v，实验时注意在各种接法下，接在灯上电压不超过额定值，在三角形接线时由于线压等于相压，所以不能使用380v线电压，可通过电源屏上三相调压开关将线电压调至220v。星形接线时，若负载不等称且 无电源中线时，由于负载中性点的浮动也可能产生某相电压过高状态，这时亦应调低线电压在进行测量。（3） 本实验中不加无功负载，因此可将电容支路开关断路。七 实验总结1 根据实验数据总结星形对称负载相电压与线电压之间的数值关系。2 根据实验数据总结三角形形对称负载相电流与线电流之间的数值关系。3 根据实验数据按比例画出不对称负载星形连接三相三线制电压相量图和三相四线制电流向量图（三相电源相序a、b、c）4 说明中线的作用。5 三相负载根据什么条件决定采用星形或三角形连接实验8 三相电路功率的测量一 实验目的（1） 熟悉一瓦表法功率测量原理与接线方法（2） 掌握功率表的正确使用二 实验原理工业生产和科学实验中经常碰到要测量三相电路中有功功率和无功功率的问题。测量的方法很多，根据供电线路形式与负载情况常用一瓦表法与二瓦表法进行测量。本实验采用一瓦表法来测量三相电路中有功与无功功率，后一实验采用二瓦表法测量。（1） 三相三线制供电，负载对称或不对称但连接方式为星形连接，且负载中点可引出接线时可采用一瓦表测量每相功率，三相总功率等于各相功率之和，接线如图5.1所示（这种情况下功率表读出的每相功率对应于负载每相实际功率）。（2） 三相三线制供电，负载对称，星形联接或三角形联接情况下可采用一瓦法来测量三相总无功功率，接线如图1.24-2所示。三种连接方式中以（a）为例。根据图1.24-3的矢量关系有：u1u2v1v2w1w22图8-1 ubc与ia之间的相角90-（为对称三相负载电路中各相的功率因数角）。功率表的读数为a=ubc*ia*cos（90-）=ul*il*sin式中ul，il分别为对称三相电源的线电压和线电流。因为三相无功功率的表达式为q=ul*il*sin，所以实际三相无功功率为q=a。三 仪器设备和选用组件箱名称数量备注电源控制屏三相负载及电度表功率表四 实验内容及步骤1用一瓦特表法测量三相三线制供电系统中，对称或不对称负载星形连接且中点可引出接线的三相电路有功功率。接线如图8-1。380v三相交流电压来自电源控制屏三相可调交流电压输出端u、v、w。a）若三相负载对称，则只要测出一相（例如a相）有功功率pa，三相总功率p=3pa。功率表电流线圈与a相负载串联，电压线圈接在相线a和中线n之间，且电压线圈和电流线圈同名端接在一起。b）若三相负载不对称，则要测三次，先测a相，再测b相和c相，三相总功率等于各项