电工实验指导书

实验一 电路元件伏安特性的测绘（认识实验）一、实验目的1. 学会识别常用电路元件。2. 掌握线性电阻、非线性元件伏安特性的测绘。3. 掌握直流电工仪表的使用方法。二、实验任务1任务一：测量线性电阻的伏安特性（1）实验设备测量线性电阻的伏安特性必须有线性电阻；伏安特性指的是电压和电流的关系，必须有电压表和电流表；电路中有电压和电流必须要有电源。因此实验设备如下：序号名 称型号与规格数量备注1可调直流稳压电源030V12万 用 表MF-47或其他13数字毫安表0200mA14数字电压表0200V15线性电阻器10K/1W1（2）实验原理要进行线性电阻的伏安特性测量，可测量某个电阻上不同的电压和电流，如何能得到不同的电压和电流？一种方法是把一个线性电阻和一个可调电源相连，每改变一次电源电压，就能改变电阻上的电压和电流，如图1；另一种方法是电源固定，在线性电阻电路中再串上一个可变线性电阻器，改变线性电阻器值的大小，就可改变电阻上的电压、电流的大小，如图2。UmAR1KV012VUmAR1KV10K12V图1 测量线性电阻伏安特性方法一 图2 测量线性电阻伏安特性方法二（3）实验过程图1的测量图如图3（图中电压表、电流表所示值为电源电压为12V时的值），调节稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加，一直到10V，记下相应的电压表和电流表的读数UR、I，填入表一。思考：如果电源电压调不到0V，如何测量0V电压下的电流？最好的方法就是不加电源，是不是很简单？表一：线性电阻伏安特性测量数据一U(V)0246810I(mA)图3 图1的测量图图2的测量图如图4（图中电压表、电流表所示值为10K可调电阻处于中间值时的值），调节线性可调电阻的阻值，从小开始缓慢地增加，一直到最大，记下相应的电压表和电流表的读数UR、I，记入表2。图4 图2的测量图表二 线性电阻伏安特性测量数据二U(V)1246810I(mA)0.982.034.015.968.029.974）结论分析根据各实验数据，找出电压和电流大小之间有什么规律，并得出结论？答: 电阻元件两端电压与通过的电流成正比, 符合欧姆定律, 因此电阻元件是线性元件.5）思考题分析实验误差的原因.2任务二：测量非线性器件的伏安特性（1）实验设备除了任务一所列的设备外，还需要哪些器件？任务二中要求测量非线性器件的伏安特性，因此必须有非线性器件。我们所学过的器件中哪些是非线性器件？二极管、三极管等，下面我们测一下二极管的伏安特性，为了防止在测量过程中造成二极管的损坏，所选用的二极管的型号为IN4007，另外还需要限流电阻（100/1W，200/1W）。IN4007二极管参数如下：额定正流电流IF1A，反向电流IR5A，反向工作峰值电压VRM1000V。（2）实验原理要进行二极管伏安特性测量，可测量其上不同的电压和电流，如何能得到不同的电压和电流？先研究一下正向特性的测量：一种方法是把一个二极管和一个可调电源相连，每改变一次电源电压，就能改变二极管两端的电压和电流，如图5；另一种方法是电源固定，在二极管电路中再串上一个可变线性电阻器，改变线性电阻器值的大小，就可改变二极管上的电压、电流的大小，如图6。如何测量二极管的反向特性？其实只需电路中的电源或二极管的极性反接在电路中，还有没有其他要求呢？由二极管理论知识可知，二极管反向电流非常小，因此测反向电流时可以用微安表（实际做实验时，测量正向和反向电流时有时都用电流表）如图7。UmAR200VVDIN4007012VUmAV10012VVDIN4007200图5 测量二极管正向伏安特性方法一 图6 测量二极管正向伏安特性方法二UmAR200VVDIN4007030V图7 测量二极管反向特性（3）实验过程测量二极管正向特性，按图8接线（图中电压表、电流表所示值为电源电压为12V时的参考值），R为限流电阻器（思考：为什么要接电阻R？）。调节输出电压使二极管VD的正向施压UD+可在00.75V之间取值，测量出对应的电流，填入表三。200图8 图5的测量图表三：二极管正向特性实验数据UD+ (V)0.100.300.500.550.600.650.700.75I（mA）00测量二极管反向特性，按图9接线（图中电压表、电流表所示值为电源电压为-30V时的参考值），调节输出电压从0-30V，把对应的电流值填入表四中。图9 图7的测量图表四：二极管反向特性实验数据UD(V)0-5-10-15-20-25-30I（mA）0000000（4）结论分析根据各实验数据：绘制电阻器和二极管的伏安特性曲线，找出电压和电流大小之间的关系？在测量二极管正反特性时，二极管两端的电压为多少时，才有电流，为什么？二极管导通后，继续增大电源电压，其上的电压和电流有什么变化？比较正向电流和反向电流的大小，说明什么问题？答: (1)绘制电阻器和二极管的伏安特性曲线. 根据此图得到二极管两端电压与通过的电流之间成非线性关系. (2) 二极管两端的电压大于0.3V时才有电流. 因为二极管导通有个死区电压的问题. 二极管导通后，继续增大电源电压，其上的电流会随着电压的增加而迅速增加. (3)实验知当二极管加反向电压时二极管几乎不导通, 说明二极管具有单向导电性. 5）思考题根据实验数据，比较电阻器与二极管的伏安特性有何区别？正确理解线性电阻与非线性电阻的概念是什么？如何理解用万用表欧姆档测量二极管的正反电阻时，所用的档位不同，测量的阻值不同？如果实验用的二极管型号为2AP9，测量时应注意什么？（提示：参考一下2AP二极管的有关参数）在测量二极管伏安特性时，为什么要加上限流电阻？实验二 基尔霍夫定律验证一、实验目的：1. 验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。2. 进一步练习使用电压表和电流表。3. 正确理解电压、电流的实际方向与参考方向的关系。二、实验任务1任务一：基尔霍夫电流定律的验证（1）实验设备基尔霍夫电流定律介绍了某节点中各支路电流之间的约束关系，即对电路中的任一个节点而言，应有I0。因此实验中要用到电流表，电路中有电流必须有电源，另外还需要电阻（或实验板）等器件，具体如下：序号名称型号与规格数量备注1直流可调稳压电源030V二路2万 用 表MF-471可选用3数字毫安表0200mA14实验电路板510/1W电阻2只，1K/1W电阻1只1（2）实验原理U1R31K12VU2R1R25105106VI1I2I3A实验电路如图1，电流的参考方向已在标中标出，对于节点A有I1+I2=I3（根据图，测量时只需测量出三个电流即可。参考方向是为了计算和测量方便，而假设的一种方向，如测得物理量（如电压、电流）值为正，表明实际的方向和参考方向一致，否则相反。图1验证基尔霍夫电流定律实验电路图（3）实验过程 分别按图2、3、4（电流表所示值为参考值）测量电流I1、I2和I3（根据图1中的参考方向，正确连接电流表，两者应保持一致，如I1中的电流参考方向由左到右，则连接电流表应为左正右负），填入表一：图2 测量电流I1图3测量电流I2图4测量电流I3表一：基尔霍夫电流定律验证的数据被测量I1(mA)I2(mA)I3(mA)计算值测量值相对误差（4）结论分析根据测量数据，分析对于节点A，各支路之间的电流关系如何？答: 对于节点A, 各支路电流的代数和为零, 即: I1+I2-I3=0, 符合KCL.（5）思考题分析实验中误差产生的原因。实验中的负值说明电流的实际方向如何？如用指针式万用表，怎样测量负值的电流？2任务二：基尔霍夫电压定律的验证（1）实验设备基尔霍夫电压定律介绍了任一回路中各元器件电压之间的约束关系，即对任何一个闭合回路而言，应有U0。因此实验中除了要用到任务一中的些器件和设备外，还需要电压表，这里选0200V数字电压表。（2）实验原理实验电路如图5，对于回路ACD有UAC+UCD+UDA=0（其中下标表示电压方向，如UAC表示电压参考方向由A到C），测量时只需测量出UAC、UCD、UDA三个电压即可。对于回路ABC有UAB+UBC+UCA=0，测量时只需测量出UAB、UBC、UCA三个电压即可。对于回路DABC应如何测量？U1R31K12VU25105106VABCD图5验证基尔霍夫电压定律实验电路图（3）实验过程分别按图6、7、8（电压表中所示值为参考值）接线测量UAC、UCD、UDA，填入表二。图6 测量电压UAC图7测量电压UCD图8测量电压UDA分别按图9、10、11接线测量UAB，UBC，UCA的大小也填入表二中。图9测量电压UAB图10测量电压UBC图11测量电压UCA表二：基尔霍夫电压定律验证的数据被测量UACUCDUDAUACDAUABUBCUCAUABCAUABCDA计算值（V）测量值（V）相对误差（V）（4）结论分析根据测量数据，分析回路ACDA、ABCA、ABCDA各段电压降代数和如何？答: 回路ACDA、ABCA、ABCDA各段电压降代数和为零, 符合KVL.（5）思考题分析误差产生的原因。实验中的负值说明电压的实际方向如何？如用指针式万用表，怎样测量负值的电压？实验三 戴维南定理有源二端网络等效参数的测定一、实验目的：1. 掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。2. 验证戴维南定理的正确性。二、实验任务1任务一：有源二端网络等效参数测量 （1）实验设备戴维南定理指出：任何一个线性有源网络，总可以用一个等效电压源来代替，此电压源的电动势Es等于这个有源二端网络的开路电压UOC，其等效内阻R0等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效电阻。UOC和R0称为有源二端网络的等效参数。由上可知，要测量有源二端网络的等效参数，必须要有有源二端网络，还要有测量仪表，具体设备如下：序号名 称型号与规格数量备 注1可调直流稳压电源010V12直流电压表0200V13直流数字毫安表0200mA14万用电表MF47型1有源二端网络线路板（2）实验原理图1为一有源二端网络，从ab端往左看，可以用UOC和R0两个参数等效，如何求（或测）这两个参数？图1 有源二端网络开路电压测量直接测量法：用电压表直接测量有源二端网络输出端的开路电压UOC。 我们知道，电压表都是有内阻的，理想的情况下，它的内阻应趋于无穷大，而实际的电压表做不到，这就给测量带来一定的误差，如果有源二端网络的内阻越大，用电压表直接测量所带来的误差就越大。有没有更好的方法呢？零示测量法：其原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较，当稳压电源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时稳压电源的输出电压， 即为被测有源二端网络的开路电压，如图2。图 2 零示测量法测量开路电压等效内阻的测量开路电压、短路电流法：在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压UOC。然后再将其输出端短路，用电流表测其短路电流ISC，则内阻为 RO= 万用表欧姆档直接测量：测量时先将有源电路化为无源电路，如何进行实验操作？即电压源用短路线置换，电流源用开路置换，然后用万用表直接测量。（3）实验过程开路电压测量按图3（表中电压表所示值为参考值）接线进行测量，并作记录。图3 测量有源二端网络开路电压方法一等效内阻的测量按图5（表中电流表所示值为参考值）接线进行测量，并作记录。图5 测量二端网络短路电流根据公式RO=，求出RO。或按图6接线（电源U去掉，用短路线置换）进行测量，并作记录。图6 测量二端网络等效电阻（4）结论分析根据以上分析及测量情况，说明如何测量有源二端网络的等效参数。答: 用电压表测量有源二端网络的开端电压即为等效电压源的源电压; 用电流表测量有源二端网络的短路电流, 用开路电压与此短路电流的比即算成等效电压源的内电阻.（5）思考题：在有源二端网络的等效参数等效电路时，作短路实验，测ISC的条件是什么？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。在用零示法测量开路电压时，把电压表换成电流表可以吗？如可以，测量时应注意哪些问题？2任务二：验证戴维南定理（1）实验设备任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。在任务一中有源二端网络等效参数测量所需设备基础上，增加一个1K/1W电阻作为其负载。（2）实验原理图7在图1的基础上，外接一负载，测出对应的电压和电流；根据上面测量出的开路电压和等效内阻值，用一等效源代替（电源的电压等于开路电压值，内阻等于等效内阻值），如图8，接上负载，测量出其上的电压和电流；比较两次所测电压和电流值的大小，验证戴维南定理的正确。图7 验证戴维南定理电路图图8 图7的等效图（3）测量过程按图9（图中电压表、电流表所示值为参考值）接线，测量出RL上的电压和电流并作记录。图9 按图10（图中电压表、电流表所示值为参考值）接线（其中UOC、RO的值在任务一中已测出），测量出RL上的电压和电流并作记录。图104）结论分析根据上面所测数据，验证戴维南定理的正确性，并分析产生误差的原因。答: 通过实验验证了戴维南定理的正确性. 误差很小, 其误差主要来自系统误差和偶然误差.5）思考题对于含有有源非线性电路戴维南定理定理成立吗？(不成立)实验五三相交流电路电压、电流的测量一、实验目的1.掌握三相负载作星形联接、三角形联接的方法，验证这两种接法下线、相电压及线、相电流之间的关系。2.充分理解三相四线供电系统中中线的作用。二、实验任务1任务一：三相负载星形联接（三相四线制供电）电压、电流的测量（1）实验设备根据实验任务可知，需要三相负载和交流测量仪表，具体需要实验设备如下：序号名 称型号与规格数量备注1交流电压表0500V12交流电流表05A13万用表MF47型14三相自耦调压器1可自选5三相灯组负载220V，15W白炽灯66电流插座3可选（2）实验原理三相负载的星形连接如图1，此时线电压UL（相线之间的电压）是相电压Up（相线与中线之间的电压）的倍。线电流IL（各相线中流过的电流）等于相电流Ip（各相负载中流过的电流），即UL，ILIp在这种情况下，流过中线的电流I00， 所以可以省去中线。不对称三相负载作Y联接时，必须采用三相四线制接法，即YO接法。而且中线必须牢固联接，以保证三相不对称负载的每相电压维持对称不变。倘若中线断开，会导致三相负载电压的不对称，致使负载轻的那一相的相电压过高，使负载遭受损坏；负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作。尤其是对于三相照明负载，无条件地一律采用Y0接法。（3）实验过程按图1线路组接实验电路。即三相灯组负载经三相自耦调压器接通三相对称电源。将三相调压器的旋柄置于输出为0V的位置（即逆时针旋到底）。经指导教师检查合格后，方可开启实验台电源，然后调节调压器的输出，使输出的三相线电压为250V，并按下述内容完成各项实验，分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流、中线电流、电源与负载中点间的电压。将所测得的数据记入表1中，并观察各相灯组亮暗的变化程度，特别要注意观察中线的作用。0380380O图1三相负载的星形联接表1：三相负载的星形连接的测量数据测量数据实验内容（负载情况）开灯盏数线电流（A）线电压（V）相电压（V）中线电流I0(A)A相B相C相IAIBICUABUBCUCAUA0UB0UC0Y0接平衡负载2220.0890.0890.0892502502501441441440Y接平衡负载2220.0890.0890.089250250250144144144Y0接不平衡负载1220.0450.0890.0892502502501441441440.037Y接不平衡负载1220.0930.0710.071250250250173132132Y0接B相断开120.0450.0892502502501441440.097（4）结论分析根据测量结果分析线电压和相电压大小之间存在什么关系？答: , 即: 250V = 144V用实验数据和观察到的现象，总结三相四线供电系统中中线的作用。答: 三相四线制供电系统的三相负载往往不平衡. 当负载不平衡时必须要可靠接入中线. 因为当负载不平衡时如果没有中线或中线断掉会造成有些相的负载供电电压不足不能正常工作, 而另一些相的负载电压会超过其额定电压而烧毁电器.（5）思考题复习三相交流电路有关内容， 试分析三相星形联接不对称负载在无中线情况下，当某相负载开路或短路时会出现什么情况？如果接上中线，情况又如何？本次实验中为什么要通过三相调压器将 380V 的市电线电压降为220V的线电压使用？（6）注意事项 本实验采用三相交流市电，线电压为380V。实验时要注意人身安全，不可触及导电部件，防止意外事故发生。每次接线完毕，同组同学应自查一遍， 然后由指导教师检查后，方可接通电源，必须严格遵守先断电、再接线、后通电；先断电、后拆线的实验操作原则。星形负载作短路实验时，必须首先断开中线，以免发生短路事故。2任务二：负载三角形联接（三相三线制供电）（1）实验设备同上。（2）实验原理按图1改接线路成图2，即负载三角形联接。当对称三相负载作形联接时，有ILIp，ULUp。当不对称负载作接时，ILIp，但只要电源的线电压UL对称，加在三相负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。（3）实验过程按图2接好线路，经指导教师检查合格后接通三相电源，并调节调压器，使其输出线电压为200V，并按表2的内容进行测试。ICAIBCIABABCIAIBIC图2三相负载的三角形联接表2负载三角形联接（三相三线制供电）测量数据测量数据负载情况开 灯 盏 数线电压=相电压（V）线电流（A）相电流（A）A-B相B-C相C-A相UABUBCUCAIAIBICIABIBCICA三相平衡2222002002000.2150.2150.2150.1240.1240.124三相不平衡1222002002000.1640.1240.2150.0620.1240.124（4）数据结论分析对称三角形联接的负载，线电流与相电流大小之间的关系如何。答: 不对称三角形联接的负载，能否正常工作？ 实验是否能证明这一点？答: 不对称三角形联接的负载，能正常工作. 实验能证明这一点.根据不对称负载三角形联接时的相电流值作相量图，并求出线电流值，然后与实验测得的线电流作比较，分析之。(不要做)（5）思考题三相负载根据什么条件作星形或三角形连接？（6）注意事项同任务一中的注意事项。实验六 三相异步电动机直接起动控制一、实验目的1、 熟悉接触器、热继电器、按钮等电器的构造，观察它们的动作情况，理解它们在控制线路中的所起的作用。2、 学习连接三相鼠笼式异步电动机的直接起动控制线路，并进行起动和停车实验。3、 了解三相笼式电动机的结构及铭牌数据的意义。4、 练习笼式电动机的线路连接。5、 熟悉笼式电动机的直接起动的方法。二、实验内容、实验室有关仪器的介绍及使用方法。成套实验设备；万用表；安全用电常识。、 布置实验任务实验内容简述：在生产中，中小容量的三相鼠笼式异步电动机都采用直接起动，将需用的控制电器及保护电器装在一个铁箱内，称为磁力起动器。磁力起动器所用电器元件不多，它具有的功能也不多，仅能控制电动机起动及停车，并实现对电动机的过载保护和失压保护。根据不同的需要它可以接成“点动”或“长动”控制线路。实验设备：名 称数量名 称数量交流接触器1只万用表1块热继电器1只工具1套按钮1组三相鼠笼异步电动机1台组合开关1只 任务一 三相异步电动机直接起动控制电路连接1、 接线前的准备工作：观察接触器、按钮、热继电器的结构，并记录它们的型号、规格。用万用表检查接触器和按钮等的常闭、常开触点是否闭合或断开，检查接触器线圈的额定电压是否与电源电压相符。用手拨动按钮、接触器等电器的可动部件，查看其是否灵活。2、 电动机的“起动”和“停止”控制： 按图1线路接成磁力起动器。接线时可先用粗导线连接成主电路、然后用细导线根据图中控制线路各点的编号，按先接串联电路，后接并联电路的次序连接控制线路。在每个接点上，接线尽量不超过两根以保证接线牢固可靠。线路接好后，经教师检查确认无误后，便可通电操作。KMKMSBstSBstpFRKMQFUFRM3图1 用磁力起动器控制三相异步电动机线路3、 电动机的“点动”控制：拆去图1中自锁触点的连接线，再按起动按钮，实现点动控制。4、 模拟当电源突然断开时，观察电路的“失压”保护作用：在电动机运行时，断开开关Q，模拟电源突然断电。稍停片刻，闭合Q恢复供电，这时若不按起动按钮，电动机将不会自行起动。讨论题：（1） 你认为实验中所用各种电器的规格是否选得合适？根据是什么？如认为选择不当，则应当如何重选？（2）线路中已用了热继电器，为什么还要装熔断器？是否重复了？热继电器、熔断器在线路各起什么作用？（3）为什么凡是用接触器和按钮起控制电动机运行的线路，都具有失压保护作用？根据是什么？报告要求：1. 记录电动机的铭牌数据。2. 记录实验中使用的下列电器的