正弦交流电路参数的测量.doc

4.1 正弦交流电路参数的测量4.1.1 实验目的1.熟悉正弦交流电的三要素，熟悉交流电路中的矢量关系。2. 熟悉调压器、交流电压表、交流电流表、功率及功率因数表的正确连接及使用。3. 掌握R、L、C元件不同组合时的交流电路参数的基本测量方法。4.1.2 实验预习要求1. 了解熟悉实验仪表的使用方法。2. 了解R、L、C元件的基本特性。3. 熟悉实验所采用的连接电路及测试方法。4.1.3 基本原理1. 正弦交流电的三要素图4.1-1正弦交流电2. 电路参数 在正弦交流电路的负载中，可以是一个独立的电阻器、电感器或电容器，也可由它们相互组合（这里仅采用串联组合方式，如图4.1-2所示）。 电路里元件的阻抗特性为 图4.1-2当采用交流电压表、电流表和有功功率表对电路测量时（简称三表法），可用下列计算公式来表述、相互之间的关系：负载阻抗的模；负载回路的等效电阻；负载回路的等效电抗；功率因数 ；电压与电流的相位差 ； 当0时,电压超前电流；当0时,电压滞后电流。2. 矢量关系 电路中的电压和电流是两个矢量。在直流电路中它们之间的相差只存在两种状态，描述或计算时就采用加上符号（同相为正“+”、反相为“”）的形式。在交流电路中它们之间的相差是处于之间的任一状态，描述或计算时就采用复数（模及相角）的形式。 基尔霍夫定律不仅在直流电路里成立（），在交流电路里也成立在交流电路里有。对于图4.1-2可列出回路方程 ：；图4.1-3对于图4.1-3可列出节点方程： 。3. 测试仪表与电路的构成 图4.1-4所示电路是由调压器（自耦变压器）、电压表与V、电流表A、有功功率表W、被测负载以及连接导线所组成。图4.1-5 功率表的连接图图4.1-4 测试电路 （1）调压器具有输入端和输出端（两端口共零线连接，无电气隔离），输入端口接220V交流电源；输出端口接负载提供电压输出，调节手柄使输出端口的火线触点改变位移，输出电压在0220V之间改变。接线及拆线时必须关断电源，逆时针旋转手柄使电压输出至0V的位置。接好电路经检查无误时再开启电源，顺时针调节手柄使电源输出至指定的电压，即可进行测试。（2）电压表并联在被测回路中（负载两端），其中用来监视输出电压的高低；V用来测试整个回路负载或其中单独元件两端的电压。从安全的角度出发在测试负载电压时我们要求使用万用表的表笔测试。电压表具有不同的量程档，测量时必须满足电压表的测量档位大于被测电压值。（3）电流表串联在被测负载回路里，不允许负载短路或负载电流电流表的测量档位。（4）功率表（瓦特表）及功率因数表的使用。a模拟式功率表（电动式仪表）：功率表是由电流线圈（固定)和电压线圈（可动）组合而成。（如图4.1-5）电流线圈与负载回路串联，产生；电压线圈并联在负载两端，产生（其中满足RL时， =U/R)。 产生的磁场作用到线圈上时，使电压线圈发生偏转，即 可见电动式功率表中指针的偏转角与电路的平均功率P成正比。b数字式功率表、功率因数表：数字式仪表是根据模拟表的测试原理（结构方法不同），分别对电流回路，电压回路进行电压取样，然后进行数字化处理，最终得到U、I、cos值。c功率表连接方法：电路图4.1-5中功率表上标有“ * ”符号称为同名端，接线时必须正确连接。同名端连线：电压线圈和电流线圈上标有“*”号的一端称为同名端，两线圈的同名端连在一起，接到火线上；异名端连线：电流线圈的异名端串联在负载一端，电压线圈的异名端连接在零线上。d.相位符号读取：当cos前的符号为正时负载线路呈感性，电压超前电流；为负时负载线路呈容性，电流超前电压。（5）负载的组成负载由电阻器、电感器、电容器独立或组合构成。a电阻器分线性电阻器（滑线电阻器）和非线性电阻器（白炽灯泡）。滑线电阻器属于线性电阻器一类，在电路实验中一般所采用的是通流容量较大、额定功率较高的一种。白炽灯泡的灯丝是由钨丝构成的，通电以后灯丝中的电子激烈碰撞产生高温形成了光亮。其中只有一小部分电能转化为光能，其余都转化为热能。由于钨丝的温度系数很大，当外加不同的电压后灯丝的电阻值就会呈现较大范围的变化。例如一个15W的白炽灯泡，在不通电的常温时灯丝的电阻值约为300，而在接通220V电源后的高温状态下灯丝的电阻值3K。b电感器是由绕在绝缘骨架上的空心线圈或绕在铁磁性材料上的铁心线圈构成。它的阻抗为。空心线圈在工频的工作条件下，其阻抗基本只取决于线圈的结构（含导线匝数，粗细），L、Z可以看作一个定值。铁心线圈在工频的工作条件下，其阻抗不仅取决于线圈的结构，还与所加的电压有关。等效电阻不仅包含直流电阻分量，还包含铁损等效电阻分量，当外加电压不同时铁损的大小也会改变。等效电抗中的电感量在不同的外加电压下，由于磁化曲线的非线性关系就会给带来一定程度的改变。因此，铁心线圈是一种非线性电感元件。在实验电路里，为了获得较大电感量的电感元件，我们一般选用了铁心线圈。例如一个40W日光灯电路里的镇流器（铁心线圈）它的直流电阻约为40，电感量。c. 电容器：其阻抗包含电抗(容抗)分量和等效电阻分量（发热量效应）；当电容器工作在频率为50Hz，电压为220V（低于电容器的额定工作电压）时，由于等效电阻分量可以忽略不计，所以容抗可认为恒定不变。4.1.4 实验任务首先按图4.1-4接好电路的电源及测试仪表部分，其中电压表V作为待测仪表不用接入。所接负载根据下列任务及要求分别接入。1.分别按图4.1-6（a）、4.1-6（b）灯泡负载电路连线，并接入到4.1-4测试电路输出端进行测量。测量值填入到表4.1-1（a）、4.1-1（b）中。分别计算电路参数，（a） （b）图4.1-6 表4.1-1（a） 表4. 1-1（b） I n (mA)I = (mA) = (mA) I = (mA) = (V)2. 按图4.1-7 电容器、灯泡负载电路连线，并接入到4.1-4测试电路输出端进行测量，测量值填入到表4.1-2中，并根据测试结果计算电路参数。 图4.1-7 图4.1-8表4.1-2测量=220V计 算3. 按图4.1-8电路电感器（镇流器）、三个等值灯泡并联负载连线，接入到4.1-4测试电路输出端进行测量。测量值填入到表4.1-3中，计算电路参数。 表4.1-3测量=220V计 算4.1.5 实验注意事项1. 电源电压较高，须注意人身和设备安全。不要触摸带电的裸露部分。2. 接线和拆线之前，必须断电、调压器调至零输出的位置。3. 电压表并联在被测电路两端，电流表串联在负载回路中，功率表的电压线圈、电流线圈与电压表、电流表接法相似，注意同名端的连接位置。4. 注意仪表的档位量程。4.1.6 思考题 1. 为什么电压表并联在被测电路两端？电流表串联在负载回路里？2.模拟电压表、模拟电流表在正弦交流电路中测量的是什么值（最大值、有效值、平均值）？显示的是什么值？*3. 计算交流电路的电压与电流之间的关系要按复数形式来完成，用电压表、电流表测量电路参数是否也要考虑复数形式？为什么？4.1.7 实验报告要求