电工学实验-电工部分.doc

实验1 基尔霍夫定律一、实验目的(1)加深对基尔霍夫定律的理解，用实验数据验证基尔霍夫定律。(2)熟练掌握常用仪器仪表的使用技术。二、实验原理基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一，它阐明了电路整体结构必须遵守的规律，应用极为广泛。基尔霍夫定律有两条：一是电流定律，另一是电压定律。(1)基尔霍夫电流定律（简称KCL）是：在任一时刻，流入到电路任一节点的电流总和等于从该节点流出的电流总和，换句话说就是：在任一时刻，流入到电路任一节点的电流的代数和为零。这一定律实质上是电流连续性的表现。运用这条定律时必须注意电流的方向，如果不知道电流的真实方向时可以先假设每一电流的正方向（也称参考方向），根据参考方向就可写出基尔霍夫的电流定律表达式。例如图1-1所示电路中某一节点N，共有五条支路与它相连，五个电流的参考正方向如图，根据基尔霍夫定律就可写出：I1+I2+I3=I4+I5。如果把基尔霍夫定律写成一般形式就是I=0。显然，这条定律与各支路上接的是什么样的元件无关，不论是线性电路还是非线性电路，它是普遍适用的。电流定律原是运用于某一节点的，我们也可以把它推广运用于电路中的任一假设的封闭面，例如图1-2所示封闭面S所包围的电路有三条支路与电路封闭面组成的部分相联接，其电流为I1、I2、I3，则I1+I2+I3=0。因为对任一封闭面来说，电流仍然必须是连续的。图1-1 图1-2(2)基尔霍夫电压定律（简称KVL）是：在任一时刻，沿闭合回路电压降的代数和总等于零，把这一定律写成一般形式即为U=0 。例如在图1-3所示的闭合回路中，电阻两端的电压参考正方向如箭头所示，如果从节点a出发，顺时针方向绕行一周又回到a节点，便可写出：U1+U2+U3 U4-U5=0显然，基尔霍夫电压定律也是和沿闭合回路上元件的性质无关。因此，不论是线性电路还是非线性电路它是普遍适用的。三、仪表设备及选用挂箱设备名称数量备注直流可调稳压、稳流源1DG-3-02单元DL-1型电路原理实验箱1多功能实验网络单元直流电压、电流表1DG-3-10A单元直流电流插头1直流电流插口6DL-1单元和DG-3-01B单元中间各3只四、实验任务及步骤按照图1-6所示实验线路验证基尔霍夫两条定律。（此为参考图，实际实验时，电路拓扑图和阻值可自由选择，以验证基尔霍夫定律为最终目的）。 图1-6按图1-6所示的实验线路验证基尔霍夫两条定律。1、图中E=10V为可调稳压、稳流源上稳压源输出电压。调节时先调节电压粗调旋钮，再缓慢调节电压微调旋钮，直至电压表指示10V，实验中电压调节好后保持不变。R1、R2、R3、R4、R5用电路实验单元上的电阻自行连接而成，或在电路实验单元自由活动区接插元件连接而成。在接线时各条支路都要串联连接一个电流插口，测量电流时只要把电流表所连接的插头插入电流插口即可读数。2、测量各条支路电流用直流电压、电流表上的直流电流表，注意电流表量程及各支路电流流向，将测量结果填入表1-1中。3、用直流电压、电流表上的直流电压表测量各支路电压及总电压，记入表1-2中，注意电压表量程及电压方向。4、通过实验验证四个节点a、b、c、d的I是否等于零，验证四个回路acd、cbd、acbd、E+acbE-的U是否等于零，并将验证值分别填入表1-1及表1-2中。五、实验结果表1-1 电流定律支路电流方式I (mA)I1 (mA)I2 (mA)I3 (mA)I4 (mA)I5 (mA)计算值测量值节点相加abcdI（计算值）I（测量值）误差I表1-2 电压定律支路电流方式Uad (V)Uac (V)Udc (V)Udb (V)Ucb (V)E (V)计算值测量值回路相加acdcbdacbdE+acbE-U（计算值）U（测量值）误差U六、实验报告（1）完成实验测试，填写实验数据列表。（2）根据基尔霍夫定律及图1-6的电路参数计算出各支路电流及电压。（3）将计算结果与实验测量结果进行比较，说明误差原因。（4）小结对基尔霍夫定律的认识。实验2.1 叠加原理一、实验目的（1）通过实验来验证线性电路中的叠加原理以及其适用范围。（2）学习直流仪器仪表的测试方法。二、内容说明几个电源（电压源或电流源）在某线性网络中共同作用时在电路中任一支路产生的电流或在任意两点间产生的电压降，等于这些电源分别单独作用时在该部分所产生的电流或电压降的代数和，这一结论称为线性电路的叠加原理。如果网络是非线性的，叠加原理不适用。图2.1-1的电路含有一个非线性元件（稳压管），叠加原理不适用。如果将稳压管换成一线性电阻，则可以运用叠加原理。三、仪表设备及选用挂箱设备名称数量备注直流可调稳压、稳流源1DG-3-02单元DL-1型电路原理实验箱1多功能实验网络单元直流电压、电流表1DG-3-10A单元直流电流插头1直流电流插口2DG-3-01B单元中间2只四、实验内容图2.1-11、按图2.1-1接好实验电路，R1、R2、R3、R4、R5均用电路实验单元中的多功能实验网络上的元件，或电路实验单元自由区接插相应元器件。接线时稳压、稳流源应先全部置零。2、调节可调稳压、稳流源上的稳流源，使电流源输出为25mA，且在实验中应保持此值不变。再调稳压源，使其输出电压为10V，在实验中也保持此值不变。3、验证叠加原理。A、B端通过电路实验单元上钮子开关S1与一根导线及电压源E接通。将电路实验单元中的钮子开关与电压源E接通，同时断开电流源IS支路，这时电压源单独作用于实验电路，测出此时各条支路的电流和电压，注意仪表量限和测量值的符号，所测数据记入表2.1-1中。将钮子开关S1拨至短路侧，同时将电流源IS接通，再测各支路两端的电压和各支路电流，此时为电流源单独作用的值，也记入表2.1-1中。将电压源、电流源同时接通，重复以上测量，数据记入同一表格中。4、验证非线性元件不适用叠加定理将上图2.1-1中AC支路中的线性电阻R4用稳压管代替，按步骤3重复测量各支路电流和电压，与替代前的数值进行比较，将测量数据记入表2.1-2中。五、实验结果 表2.1-1 验证叠加原理项目条件UAD（V）UDC（V）UBD（V）UAC（V）IAC（mA）E单独作用IS单独作用E和IS共同作用表2.1-2 AC支路为稳压二极管时各支路电压及AC支路电流项目条件UAD（V）UDC（V）UBD（V）UAC（V）IAC（A）UAC/IACE单独作用IS单独作用E和IS共同作用六、实验报告（1）根据图2.1-1所示元件数值计算本实验电路中（步骤3的线性电路）UAC的数值，与实验结果进行比较。（2）小结对叠加原理的认识。七、思考题（1）与稳流源IS串接的510电阻如果换成1k，对电路中各支路电流有何影响？试用实验测试证实。（2）在进行叠加实验时，对不作用的稳压源和稳流源应如何处理？如果它们有内电阻或内电导，则应如何处理？八、 注意事项（1）稳流源不应开路，否则它两端正电压会很高。为安全起见，在断开IS前，先用一短线将IS短接，然后断开IS。（2）稳压源不应短路，否则电流会过大。实验3 三相交流电路的电压、电流测量一、实验目的（1）掌握三相负载星形和三角形的连接方法以及这两种接法下负载的线电压和相电压、线电流和相电流的测量方法。（2）观察、分析三相四线制中负载不对称时中线的作用。二、内容说明将图3-1所示的三相灯板负载各相的尾端U2、V2、W2接在一起形成中点，各相负载的首端U1、V1、W1则分别接至三相电源的相线端，这种接法即为三相负载的星形连接，这时负载的相电流等于其线电流。如电源对称，因线电压是对应的相电压的矢量差，则负载对称时线电压与相电压的有效值存在倍的关系，即U线=U相 。图3-1这时各相电流也对称，电源中点与负载中点之间的电压（中点电压）为零。如用中线将两个中点连接起来，则中线电流也等于零。如果负载不对称，则中线上就有电流流过，这时如将中线断开，则三相负载的各相电压将不再对称，各相电灯会出现亮暗不同的现象，这就是中点发生偏移引起各相电压不等的结果。如果将图3-1所示的三相灯板负载的U2与V1、 V2与W1、W2与U1分别相连，再在这些连接点上引出三根导线至三相电源的相线端，这种接法即为三相负载的三角形连接。这时负载的线电压等于其相电压，但线电流为对应的两相相电流的矢量差。负载对称时，线电流与相电流也有倍的关系，即：I线=I相 。若负载不对称，虽然不再有倍的关系，但线电流仍为相应的两相相电流的矢量差，这时只有通过矢量图方能计算出它们的大小和相位。三、仪器设备和选用组件箱名 称数量备 注电源控制屏1动态元件实验1三相灯板负载1交流电路实验单元荧光灯、可变电容1交流电流插口6交流电压表1多功能交流仪表交流电流表1四、实验内容及步骤1、三相负载星形连接（1）按图3-2所示电路，将交流电路实验单元上的三相灯板负载接成星形接法，并接至主控制屏上的三相电源输出端U、V、W、N上。将交流电路实验单元上的电流插口串接在相应支路上，便于测量负载的三相线（相）电流和中线电流。调节实验装置左侧面板上的三相调压器的联调旋钮（顺时针旋转时电压升高，逆时针旋转时电压则降低），三相线电压同时发生变化，将三相线电压调至220V。（实际线路采用并联的两盏灯为一组，每个灯25W。）图3-2（2）测三相负载对称时，有中线情况下负载各线电压Uab、Ubc、Uca、各相电压Ua、Ub、Uc、各相电流Ia、Ib、Ic和中线电流IN的数值，记入星形连接表3-1中。（3）三相负载仍对称，将中线拆除，测各线电压、相电压、相电流及负载中点及电源中点之间的中点电压，记入表3-1中，观察此时三相灯的亮度是否相同。（4）测量有中线时，三相负载不对称（A相一盏灯，B相两盏灯并联，C相三盏灯并联）情况下各线电压、相电压、相电流及中线电流，并观察一下三相灯的亮度有否不同。（5）测量中线拆除时，三相负载不对称情况下各线电压、相电压、相电流、负载中点与电源中点间的中点电压，观察此时三相灯亮度是否不同，分析中线的作用。2、三相负载三角形连接（1）按图3-3所示电路，将三相灯板负载接成三角形接法，三相电源线电压调至220V，在每相电源支路和负载支路上分别串入电流插口（共6只），测量三相负载对称时，各线电压、相电流、线电流，记入三角形连接表3-2中。（2）当三相负载不对称时（A相一盏灯，B相两盏灯并联，C相三盏灯并联），再按上述方法测各线电压、线电流、相电流，记入表3-2中。（3）分析当负载作三角形连接时，线电流与相电流之间的关系。图3-3五、实验结果 表3-1 星形连接 测量值负载状态中线有无线电压（V）相电压（V）相电流（A）中线电流（A）中点电压（V）灯泡亮度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表3-2 三角形连接 测量值负载状态线电压（V）相电流（A）线电流（A）线电流/相电流灯泡亮度UabUbcUcaIabIbcIcaIaIbIc各相相比与Y形比负载对称负载不对称 六、注意事项（1）交流电路实验单元挂箱上为白炽灯和电容器组成的三相负载电路，有三路25W灯泡负载和一路1F电容、一路2F电容无功负载，它们都可接入或拆除，当需要不对称负载时可任意选择每相通断数。（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加在灯泡上的电压不要超过额定值。在三角形接法时，由于相电压等于线电压，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，若负载不对称且无电源中线时，由于负载中性点的偏移也可能产生某相电压过高的状态，这时亦应调低线电压再进行测量。为了安全起见，不管灯泡负载采用什么接法，本次实验都把电源线电压统一调到220V。（3）本实验中不加无功负载，因此可将电容支路断开。 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相量图（三相电源相序为U、V、W）。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4 功率因数提高实验一、实验目的（1）熟悉日光灯的接线，能做到正确、迅速联接日光灯电路。（2）通过实验了解功率因数提高的意义。（3）学会功率表的正确使用。二、内容说明简单的日光灯电路由灯管、启辉器和镇流器等组成，如图4-1所示。日光灯管的内壁涂有一层荧光物质，管两端装有灯丝电极，灯丝上涂有受热后易发射电子的氧化物，管内充有稀薄的惰性气体和水银蒸气。镇流器是一个带有铁心的电感线圈。启辉器由一个辉光管(管内由固定触头和倒U形双金属片构成)和一个小容量的电容组成，装在一个圆柱形的外壳内。当接通电源时，由于灯管没有点燃，启辉器的辉光管上（管内的固定触头与倒U形双金属片之间）因承受了220V的电源电压而辉光放电，使倒U形双金属片受热弯曲而与固定触头接触，电流通过镇流器及灯管两端的灯丝及启辉器构成回路。灯丝因有电流(启动电流)流过被加热而发射电子。同时，启辉器中的倒U形双金属片由于辉光放电结束而冷却，与固定触头分离，使电路突然断开。在此瞬间，镇流器产生的较高感应电压与电源电压一起（约400-600V）加在灯管的两端，迫使管内发生弧光放电而发光。灯管点燃后，由于镇流器的限流作用，使得灯管两端的电压较低(30W灯管约100V左右)，而启辉器与灯管并联，较低的灯管电压不能使启辉器再次动作。日光灯镇流器是指电感式镇流器，它起着以下三个作用：启动过程中，限制预热电流，防止预热电流过大而烧毁灯丝，同时又保证灯丝具有热电发射能力。建立脉冲高电势。启辉器两个电极跳开瞬间，在灯管两端就建立了脉冲高电势，使灯管点燃。稳定工作电流，保持稳定放电。图4-1由于日光灯电路中串联着镇流器，而镇流器是一个电感量较大的线圈，因此整个电路的功率因素不高（约0.5左右）。负载功率因数过低，一方面没有充分利用电源容量，另一方面又使输电电路增加了损耗。为了提高功率因数，一般最常用的方法是在负载两端并联一个补偿电容器，抵消负载电流的一部分无功分量。在日光灯接电源两端并联一个可变电容器，当电容器的容量逐渐增加时，电容支路电流IC也随之增大，因电容支路电流IC超前于电源电压U 90，可以抵消日光灯管电流IG的一部分无功分量IGL，结果总电流I逐渐减小（实验图4-2）。但如果电容器C增加过多（过补偿），ICIGL，总电流又将增大（I3I2）。所以并联电容应有一个适当的数值。为了测量日光灯的功率有多大，可在电路中接入功率表，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采用多功能仪表，需外接。该功率表的电压回路的灵敏度很高，因而内阻很大，测量时对被测电路的并联分流作用极小。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。图4-2功率表的接线如图4-3所示。图中功率表W的电流回路引出接线柱应与负载串联连接，功率表W的电压回路引出端则与负载并联。其中标有“*”号的端子称为同名端，接线时应将这两端联在一起。这样联接时当功率表指针正偏转或有正读数时，则表示电源向负载传送功率，其数值为P=UIcos(为与间的夹角)。如果将电压输入端或电流输入端对调，由图4-4所示相量图可见：这时=180-，则P=UIcos(180-)=- UIcos。此时，功率表显示负读数。 图4-3 图4-4需要提醒大家注意的是：实验装置上的智能多功能表因为要测电压、电流、有功功率等好几个电量，所以接线时不能按照常规功率表的接法去连接多功能表的电压和电流线圈，而应该借助电流插头和电压表棒，根据测量电量的不同采取不同的接法。比如测电流时，只要在相应的支路上串接相应的电流插口，把电流插头和多功能表的电流线圈相连接，调节多功能表的测量种类选择按钮，使之调到电流档，这样即可测出各支路未知电流。如果要测量电压，只要把电压表棒跟多功能表的电压线圈相连，调节多功能表的测量种类选择按钮，使之调到电压档，这样即可测出任意两点间的未知端压。如果要测有功功率，只要把电流插头的两根连接线和多功能表的电流线圈相连，然后插入负载支路上的电流插口中，同时把电压表棒跟多动能表的电压线圈相连，然后把表棒碰接在负载两端，调节多功能表的测量种类选择按钮，使之调到功率档，这样即可测出负载消耗的有功功率。三、实验设备名称数量备注电源控制屏1荧光灯、可变电容1交流电路实验箱交流电流插头1交流电流插口3交流电路实验箱多功能交流仪表1DG-3-13单元四、实验内容及步骤（1）将日光灯及可变电容箱按图4-2(a)所示电路连接好，在各支路中串联接入电流插口（可选用交流电路实验单元上的电流插口），用多功能表可方