电工实验讲义

1、邯郸学院讲稿用纸电工学实验讲义目 录实验一、验证基尔霍夫定律和叠加定理2实验二 一阶动态电路研究5实验三 交流电路参数的测量10实验四 日光灯电路的连接及功率因数的提高13实验五 三相电路的研究17实验六 三相电路相序及功率的测量20实验一、验证基尔霍夫定律和叠加定理一、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、加深对电流、电压参考方向的理解。3、验证叠加定理。4、正确使用直流稳压电源盒万用表。二、实验仪器1、电路分析实验箱2、直流毫安表3、数字万用表三、实验原理1、基尔霍夫电流定律 (KCL): 在集总电路中 , 任何时刻 , 对任一节点 , 所有支路电流的代数和

2、恒等于零。2、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零。R1R2R3E1E2ABI1I2I3图1.1 基尔霍夫定律原理电路图3、叠加原理叠加原理不仅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，我们用直流电路来验证它。叠加定理可简述如下：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

3、流的二次函数，因此叠加定理不能用来直接计算功R1R2R3E1E2ABI1I2I3=R1R2R3E1ABI1'I2'I3'R1R2R3E2ABI1"I2"I3"+率。其电路原理图及电流的参考方向如图1.2所示。图1.2 叠加原理电路原理图分别测量E1、E2共同作用下的电流I1、I2、I3；E1单独作用下的电流I1¢、I2¢、I3和E2单独作用下的电流I1¢¢、I2¢¢、I3¢¢。根据叠加原理应有： I1=I1¢- I1¢¢； I2=

4、-I2¢+ I2¢¢； I3=I3+ I3¢¢成立，将所测得的结果与理论值进行比较。四、实验内容及步骤(一)验证基尔霍夫定律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1.1中 I1 、 I2、 I3所示。2、按图 1.1 所示接线。3、按图1.1.分别将 US1、US2 两路直流稳压电源接入电路 , 令 US1=3V,US2=6V, R1= R2= 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 "+ 、 -" 极与电流的参考方向 )5、确认连线正确后 , 再通电 ,

5、将直流毫安表的值记录在表1.1内。6、用数字万用表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值 , 记录在表1.1 内。表1.1 测量数据记录表被测量I1 (mA)I2(mA)I3 (mA)R1 (V)R2 （V)R3(V)计算量测量值相对误差(二)验证叠加定理实验电路图如图1.3所示图1.31、实验箱电源接通220V电源，调节输出电压，使输出端电压E1=10V；第二路输出端电压E2=6V（需用万用表重新测定），断开电源待用。按图1.3接线，R4+ R4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。注意：一个电源单独作用

6、时，另一个电源需从电路中取出，并将空出的两点用导线连接起来。还要注意电流（电压）的正、负极性。3、选一个回路，测定各元件上的电压，将数据记入表格1.2中。表1.2实验值计算值 E1、E2同时作用E1单独作用E2单独作用五、思考题1、如何选择电路节点更有意义？2、实验产生误差的主要原因？六、实验报告要求1、 选定实路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、用实验数据验证支路的电流是否符合叠加原理，并对实验误差进行适当的分析。5、用实测电流值、电

7、阻值计算电阻R3消耗的功率是多少？能否直接用叠加定理计算？试用具体数值说明之。实验二 一阶动态电路研究一、实验目的1.加深对RC微分电路和积分电路过渡过程的理解。2.研究R、L、C电路的过渡过程。二、实验说明1.用示波器研究微分电路和积分电路。1)微分电路 微分电路在脉冲技术中有广泛的应用。在图3l电路中， (1) 即输出电压与电容电压对时间的导数成正比。当电路的时间常数RC很小，时，输入电压与电容电压近似相等 (2) 将（2）代入（l）得 (3)即：当很小时，输出电压近似与输入电压对时间的导数成正比，所以称图3-1电路为“微分电路”。 图3-1微分电路 图3-2 积分电路2)积分电路将图3-

8、1电路中的 R、C位置对调，就得到图3-2电路。电路中 (4)即输出电压Usc与电阻电压对时间的积分成正比。当电路的时间常数RC很大、时，输入电压与电阻电压近似相等， (5)将（5）代入（4）时 (6)即：当很大时，输出电压近似与输入电压对时间的积分成正比，所以称图32电路为“积分电路”。2.R、L、C电路的过渡过程1)将图33(a)电路接至直流电压，当电路参数不同时，电路的过渡过程有不同的特点： （a） (b)图3-3 RLC电路 当时，过渡过程中的电压、电流具有非周期的特点。 当时，过渡过程中的电压、电流具有“衰减振荡”的特点：此时衰减系数是在R=0情况下的振荡频率，习惯上称为无阻尼振荡电

9、路的固有角频率，在R0时，放电电路的固有振荡角频率将随增加而下降。当电阻时，过程就变为非振荡性质了。2)将图33(b)电路接直流电压，当电路参数不同时，其过渡过程也有不同的特点。 当时，响应是非振荡性质的。 当时，响应将形成衰减振荡。这时电路的衰减系数。3.如何用示波器观察电路的过渡过程：电路中的过渡过程，一般经过一般时间后，便达到稳定。由于这一过程不是重复的，所以无法用普通的阴极示波器来观察（因为普通示波器只能显示重复出现的、即周期性的波形）。为了能利用普通示波器研究一个电路接到直流电压时的过渡过程，可以采用下面的方法。图3-4 “矩形波”电压 在电路上加一个周期性的“矩形波”电压（图3-4

10、）。它对电路的作用可以这样来理解：在··等时刻，输入电压由零跳变为U0，这相当于使电路突然在与一个直流电压U0接通；在、等时刻，输入电压又由U0 跳变为零，这相当于使电路输入端突然短路。由于不断地使电路接通与短路，电路中便出现重复性的过渡过程，这样就可以用普通示波器来观察了。如果要求在矩形波作用的半个周期内，电路的过渡过程趋于稳态，则矩形波的周期应足够大。三、仪器设备(1)双踪示波器 1台(2)方波发生器 1台(3)电路分析实验箱 1台四、预习内容(1)图3-5电路中设；U入为一阶跃电压，其幅度为U 3V；C=20F。试分别画出R100K，R10K。R1K时u出的曲线。图3

11、-5 在积分电路输入端加一阶跃电压(2)图3-6电路中设U入为一矩形脉冲电压，其幅度为 U6伏特，频率为 1KHz，C=0.033F。试分别画出R100K及R10K时的u出波形。图3-6 在积分电路输入端加一矩形脉冲电压(3)图3-7电路中，设U入为一矩形脉冲电压，其幅度为U6伏特，频率为1KHz C=0.033F，R=10K，试画出u出 的波形。图3-7在微分电路输入端加一矩形脉冲电压(4)已知图33(a)，R、L、C串联电路中，L0.2 H，C0.02F，定性判断R=2K 及11K两种情况下Uc的波形是否振荡。五、实验内容与步骤按图3-8接线，用示波器观察作为电源的矩形脉冲电压。周期Tlm

12、s。(1)按图3-9 接线，使R为10K，分别观察和记录C0.01、0.1、1荧光屏上显示的波形。图38用示波器观察矩形脉冲电压 图3-9 观察微分电路的输出波形(2)按图3-10 接线。使R为10K，分别观察和记录C0.5、0.01两种情况下荧光屏上显示的波形。图3-10观察积分电路的输出波形(3)按图3-3（a）电路接线, L=0.2H，C0.1接入T10ms的矩形脉冲观察并描绘 R500及 R4K两种情况下的 uSC 波形。记录必要的数据。(4)按图33(b)接线 L0.2H，C0.1时接入 T10ms的矩形脉冲观察并描绘R4K、及R500、R=270三种情况下的uSC波形并记录必要的数

13、据。六、实验报告要求(1)将实验任务1、2、3、4、5中记录的波形整理在坐标纸上。(2)总结微分电路和积分电路的区别。实验三 交流电路参数的测量一.实验目的1.用数字电桥测定电阻、电感和电容元件的交流阻抗及其参数R、L、C之值。2.了解电R、L、C元件阻抗随频率变化的关系。3.学会使用交流仪器。二实验说明iURR交流信号作用于任一线性非时变电路，电路端口电压相量与端口电流相量之比称为该电路的阻抗，表示为：Z=Ú/Ì。阻抗为一复数，其模表示电压与电流模（有效值或最大值）之间的比值，而辐角代表电压与电流的相位差。相位差不同，电路特性也不相同。因此，测试电路中电流与电压之间的相位

14、差便可决定电路特性。电阻、电感和电容元件都是指理想的线性二端元件。1.电阻元件：在任何时刻电阻两端的电压与通过它的电流都服从欧姆定律、即 式中是一个常数；称为线性非时变电阻，其大小与uR、i的大小及方向无关，具有双向性。它的伏安特性是一条通过原点的直线。在正弦电路中，电阻元件的伏安关系可表示为：LiUL式中为常数，与频率无关，只要测量出电阻端电压和其中的电流便可计算出电阻的阻值。电阻元件的一个重要特征是电流I与电压UR相同。2.电感元件电感元件是实际电感器的理想化模型、它只具有储存磁场能量的功能。它是磁链与电流相约束的二端元件。即：式中L表示电感，对于线性非时变电感，L是一个常数。电感电压在图

15、示关联参考方向下为：在正弦电路中：式中称为感抗，其值可由电感电压、电流有效值之比求得。即。当L=常数时，XL与频率f成正比，f越大，XL越大，f越小，XL越小，电感元件具有低通高阻的性质。若f为己知，则电感元件的电感为： (7-1)CiUC理想电感的特征是电流I滞后于电压上/2。3.电容元件：电容元件是实际电容器的理想化模型，它只具有储存电场能量的功能，它是电荷与电压相约束的元件。即：式中C表示电容，对于线性非时变电容，C是一个常数。电容电流在关联参考方向下为：在正弦电路中或式中称为容抗。其值为，可由实验测出。当C=常数时，XC与f成反比，f越大，XC越小，f，XC0电容元件具有高通低阻和隔断

16、直流的作用。当f为己知时，电容元件的电容为： (7-2)电容元件的特点是电流I的相位超前于电压了/2。三仪器设备(1)电路分析实验箱 一台(2)功率信号发生器 一台(3)交流毫伏表 一台(4)数字万用表 一台四.实验内容与步骤（1）测定电阻、电感和电容元件的交流阻抗及其参数。连线确认无误后，将信号发生器的频率调节到50Hz，并保持不变，分别接通R、L、C元件的支路。改变信号发生器的电压（每一次都要用万用表进行测量），是指分别等于表3-1中的值，再用万用表测出相应的电流值，并记录于表4-1中。（注意：电感L本身还有一个电阻值）f=50Hz 表3-1信号发生器输出元件电流电压被测元件U(V)024

17、6810R=1KIR(毫安)L=2HIL(毫安)C=2FIC(毫安)（2）测定阻抗与频率的关系：连接电路，检查无误后，把信号发生器的输出电压调至5伏，分别测量在不同频率时，个元件上的电流值，将数据记入表9-2中。测量L、C元件上的电流值是，应在L、C元件支路中串联一个电阻R=100，然后用交流毫伏表测量电阻上的电压，通过欧姆定律计算电阻上的电流值，即R、L、C元件上的电流值。（注意：电感L本身还有一个电阻值）被测元件R=1KL=2HC=2F频率电流（A）阻抗（）五.思考题(1)根据实验结果，说明各元件的阻抗与哪些因素有关？并比较R、L、C元件在交流、直流电路中的性能。(2)对实验内容2进行分析

18、，从理论上说明总电流与各支路电流的关系。（3）你能分析出本次实验误差的原因吗六、实验报告要求(1)按要求计算各元件参数。(2)回答思考题1、2、3。实验四 日光灯电路的连接及功率因数的提高一、实验目的1、 学习日光灯的连接方法及其工作原理；2、 学习功率表的使用；3、 学会如何通过U、I、P测量计算交流电路的参数；4、 学会如何提高功率因数。二、实验原理5、 日光灯的连接方法及工作原理连接方法（参见如下电路原理图）当开关闭合时，日光灯不导电，全部电压加在启辉器两触片之间，使启辉器中氖气击穿，产生气体放电，此放电产生的一定热量使双金属片受热膨胀于固定片接通，于是有电流通过日光灯管两端的灯丝和镇流

19、器。短时间后双金属片冷却收缩于固定片断开，电路中电流突然减小；根据电磁感应定律，这时镇流器两端产生一定的感应电动势，使日光灯两端电压产生400至500V高压，灯管气体电离，产生放电，日光灯点燃发亮。日光灯电然后，灯管两端电压降为100V左右，这时由于镇流器的限流作用，灯管中的电流不会过大。同时并联在灯管两端的启辉器页也因电压降低二不能放电，其触片保持断开状态。日光灯工作后，灯管相当于一电阻R，镇流器可等效为电阻和电感L的串联，启辉器断开，所以整个电路可等效为一RL串联电路，其等效模型如上图右图所示。2、功率因数的提高为什么要提高电路的功率因数？我们知道在直流电路或纯电阻电路中，电压与电流同相位

20、，即功率因数,其有功功率，但在交流容性或感性电路中，电压与电流存在着相位差，所以其功率因数，且介与0和1之间，电路中发生了能量交换，就出现了无功功率。这样就引起下面的两个问题：（1）、发电设备容量得不到充分利用。例如容量为1000KVA的变压器（或发电机组），如果即能发出1000KW的有功功率，而在时，则只能发出700KW的有功功率；又如，20W的日光灯接在220V的电源上，则I0.35A则视再功率，由于日光灯是一个感性负载，其功率因数很低，一般实际消耗的有功功率为26W，其中包括灯管的20W，镇流器6W，那么这个电路的功率因数为（很低），而无功功率这 电网输出的电能的70以上没有能够被利用。

21、（2）、增加线路和发电绕组的功率损耗。当负载的电压和有功功率一定时，线路中的电流与功率因数成反比，即，功率因数愈低，线路电流就愈大，因而线路上的功率损耗就愈大（，r为线路的电阻）。举例来说，设某负载P3.8KW，U220V，r=0.2,当功率因数时，线路电流及功率损失分别为当功率因数时 由上述可知，提高电网功率因数对国民经济的发展有着极为重要的意义，功率因数的提高能使发电设备的容量得到充分的利用，同时亦能大量节约电能。要提高日光灯的功率因数可以在日光灯上并联电容器，并联电容C前，整个电路的了电流为功率因数为并联电容C后日光灯支路电压并没有改变，因此仍然和并联前相等。，设电容支路电流为，总电流为

22、，则三者的关系为，其相量图如下，其中，与的夹角为。与的夹角为。由图可知，功率因数提高了，因此电路的视在功率小于并联前的视在功率而电源提供的有功功率并联电容前后均相等，也就是说，并联电容后提高了电路的功率因数，也提高了电流的利用率。三. 仪器设备电工实验装置 ：DG032 、DY02T 、DG054-1T注意 ：1. 测电压、电流时，一定要注意表的档位选择，测量类型、量程都要对应。2. 功率表电流线圈的电流、电压线圈的电压都不可超过所选的额定值。3. 自耦调压器输入输出端不可接反。4. 各支路电流要接入电流插座。5. 注意安全,线路接好后，须经指导教师检查无误后，再接通电源。四.实验步骤1. 测

23、量交流参数对照实验板如图4.3-3接线(不接电容C)。调节自耦调压器输出，使U=220V，进行测试，填表4.3-1。表4.3-1 测量交流参数U (V)测 量 值I1(mA)U1(V)U2(V)P(w)cos2202. 提高功率因数按表4.32并联电容C，令U=220V不变，将测试结果填入表4.3-2中。 表4.3-2 并电容后测量C（F）测 量 值I1(mA)I2(mA)Ic(mA)P(W)cos1 2.23.2 6.8五. 实验报告1. 若直接测量镇流器功率，功率表应如何接线，作图说明。2. 说明功率因数提高的原因和意义。3. 电容是否能提高功率因数。实验五 三相电路的研究一、 实验目的：

24、1、 研究三相负载作星形联接时（或三角形联接时）在对称和不对称情况下线电压与相电压（线电流和相电流）的关系2、 比较三相供电方式中三线制和四线制的特点3、 进一步提高分析、判断和查找故障的能力二、 实验原理及说明1、 目前电力系统主要供电方式是三相交流电路，三相电源的电动势是对称的，即三相电动势的幅值（最大值）或有效值相等，频率相同，相位互差;2、 低压电源常用三相四线制，三根相线用U、V、W，一根中线用N表示任意两根相线之间电压，任一根相线与中线N之间的电压称相电压为220V，线电压等于倍的相电压，即;3、 三相负载有星形联接和三角形联接两种方式。在三相电路中，星形联接是将三相负载各相的末端

25、连在一起始端接至电源。三角形联接是把各相始端，末端依次相连然后将三个连接点接至电源。三相负载中各相阻抗（包括）的大小和性质(即阻性,容性或感性)完全相同的称为三称负载,否则为三相不对称负载,当电源对称时,由于负载不同,一般可有以六种情况：a、星形联接且有中线负载对称时负载不对称时b、星形联接无中线负载对称时负载不对称时c、三角形联接时负载对称时负载不时、在对称负载星接时，图中线电流为零，所以中线断开不影响电路工作其原理图及相量如下：、在不对称负载工作星接时，如果不接中线点对电源中性点有位移，造成负载各相电压不对称，线、相间电压关系被破坏，此时造成电路阻抗最大的一相其相电压最高可能会超过负载的额

26、定电压，使负载工作状态不正常甚至烧坏设备，而阻抗最小的一相其相电压最低，可能会低于负载的额定电压，使负载不能正常工作，甚至不工作，如果有了中线，中线阻抗小则使电源中性点与负载中心点并电位保证各负载电压对称。所以在负载不对称的三相电路中都有采用三相四制，而且规定中线上不准安装开关或熔断器（确保中线时常畅通）位形图如下：、负载作三角联接时（负载阻抗必须对称）负载的线电压等于电源的线电压，且负载端线电压U和相电压U相等，即若负载对称I原理图及相量图如下：三、 实验仪器设备智能电工实验台：DG04T、DY011T、DG053T四、实验内容和步骤1、 Y接时负载对称及不对称实验按图接线，三相电源线电压为380伏，在工作不对称负载实验时，在W相并联一组灯如图虚部分所示，按下表测量出各电压和电流值。 待测数据实验内容负载对称有中线无中线负载不对称有中线无中线2、 接时，负载对称及不对称实验按照下图联接，三相电源线电压为220V按下表测量各电压，电流值，在工作不对称负载实验时，在W-N相并一组灯如图中虚线所示，按下表数据进行测量。负载情况对称不对称U线断开UX相断开