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文档简介
实验二电路元件伏安关系的测定一、实验目的1.熟悉几种常见二端元件的伏安特性。2.学习电路元件伏安特性的测定方法。3.掌握直流电流表、电压表、稳压电源、滑线变阻器的使用方法。二、实验原理1.电路元件的伏安特性任一个二端元件,其两端的电压u与流经该元件的电流i之间存在着一定的函数关系u=f(i),通常称此关系为元件的伏安关系或伏安特性。将这个函数关系绘成u~i平面上的一条曲线,就得到该元件的伏安关系特性曲线。一个二端元件由u~i平面上的一条曲线唯一地确定,而不同的电路元件则具有不同的伏安特性曲线形状。2.电阻元件的伏安特性线性电阻服从欧姆定律,其伏安关系为U=R·I,在u~i平面上,其伏安特性曲线是一条通过原点的直线,直线的斜率即反映出该线性电阻值的大小,该阻值与元件电压、电流的大小和方向无关,因此线性电阻是一个双向性的即时元件。如图2-2-1所示。IIUU00Fig2-2-1线性电阻伏安特Fig2-2-2晶体二极管伏安特性图2-2-2是晶体二极管的伏安关系特性曲线,其阻值随电压的大小而变化,属非线性电阻,并且由于其阻值还与所加电压的极性有关,正向导通时电阻较小,反向截止时电阻很大,所以晶体二极管是一单向导通性元件。非线性电阻不服从欧姆定律,其伏安特性是u~i平面上的一条曲线,通常其阻值是随着电流、电压的大小和方向的改变而变化的,按其伏安关系的特征可将其分成流控型、压控型、电流电压双控型,如图2-2-3所示。IIIUUU000Fig2-2-3非线性电阻伏安特性2322
3.实际电压源的伏安特性实际电压源可用一理想电压源Us与内阻Ro的串联电路模型来模拟,如图2-2-4所示。实际电压源的外特性可用其端口的伏安关系来描述,即:U=Us-Ro·I,由于存在电源内阻Ro,实际电压源的端电压将随输出电流的增加而降低,因此在u~i平面上,其伏安特性曲线是一条从Us开始随着I增加略有下倾的直线,如图2-2-5所示。UIUsUs+_URLIRo0Fig2-2-4Fig2-2-54.电路元件伏安关系特性曲线的测定根据电路元件伏安特性的定义说明可知,任一个二端元器件的伏安特性均可通过其u~i平面上的伏安特性曲线来描述。因此,我们可以利用实验的手段和测量方法,对某一元件任意测取若干组电流与电压值,并在u~i平面上逐点描绘出来,则可得到该电路元件的伏安关系特性曲线。5.测试条件电阻元件——注意额定功率和额定电流。晶体管——注意正、反向击穿电压值。电压源——不得短路。电流源——不得开路。三、实验器材:名称直流稳压电源直流电流表直流电压表万用表型号规格HY1711C31-A数量备注11111111C31-VMF-30滑线变阻器干电池BX4-5101.5V1#实验板2#实验板自制自制滑线变阻器及1#、2#自制实验板分别如图2-2-6、2-2-7、2-2-8所示。2332
四、实验任务1.仔细观察本次实验所需使用的仪器、仪表及实验线路板。Fig2-2-6滑线变阻器2.测定线性电阻的伏安特性曲线。按图2-2-9接线,Us为稳压电源输出。调节滑线变阻器,测量相应的U、I值,自拟表格,记录数据并作图。AUs+_VRLFig2-2-71#实验板Fig2-2-93.测定晶体稳压二极管的伏安特性曲线。按图2-2-10,图2-2-11接线,分别测定稳压二极管的正、反向伏安特性曲线。注意,调节滑线变阻器时应使电压从小到大缓慢增加,确保流经管子的电流小于50mA;在曲线弯曲区段需多测几组数据,自拟表格记录并作图。Fig2-2-82#实验板AAUs+Us+VV--Fig2-2-10Fig2-2-114.测定实际电压源的伏安特性曲线A按图2-2-12接线,虚框内为一节1.5V干电池,RL采用滑线变阻器,调节RL,测量相应的U、I值,自拟表格记录数据并作图。Ro+RLFig2-2-122342
5.选做题:*测试直流稳压电源的伏安特性。自拟实验方案、测量线路和操作步骤,实验电路中各元器件的选取要有详尽的理论计算或说明。*自行设计电路(方案),测绘1KΩ电阻与晶体稳压二极管串、并联电路的伏安特性,要求同上。五、予习要求及思考题1.阅读有关内容,进一步熟悉了解直流电流表、电压表、稳压电源、万用表及滑线变阻器的使用方法。2.写出予习报告,拟定数据记录表格。3.图2-2-9电路中,若被测电阻RL为一1/8W,100Ω的小电阻时,试确定Us之极限值。4.测定晶体稳压二极管的正、反向伏安特性曲线时,电压表、电流表采用了不同的接法(见图2-2-10,2-2-11),试说明原因。5.如何根据实际测定的伏安特性曲线来判别干电池的好坏?6.简要说明滑线变阻器的作用及其使用时的注意事项。六、实验报告要求1.根据所测各项实验数据,绘出各元件的伏安特性曲线。2.做出你所测干电池的电路模型并分析、判断其性能好坏。3.解答思考题和带“*”的附加强化题。七、注意事项1.连接线路及测量时,应注意直流仪表的“+”、“-”极性。2.直流稳压电源与干电池不得短接。3.晶体稳压管的正、反向电流不得超过50mA。4.被测负载电阻的电流不得超过其额定值。5.测量过程中应缓慢调节滑线变阻器,防止仪表超量程。6.使用万用表欧姆档时,不得带电测量电阻。2352
实验三基尔霍夫定律和迭加定理一、实验目的1.加深对基尔霍夫定律和迭加定理的理解。2.用实验手段验证KCL、KVL及迭加定理。3.进一步掌握直流测量仪表的使用。二、实验原理1.基尔霍夫定律是电路理论中最基本的定律之一,广泛应用于线性、非线性电路的分析计算中,它包含了KCL、KVL两方面的内容。基尔霍夫电流定律(KCL)可描述为:任一时刻,流入集总电路中任一节点的电流恒等于流出该节点的电流,即ΣI入=ΣI出,或ΣI=0。基尔霍夫电压定律(KVL)可描述为:任一时刻,集总电路中任一回路所有支路的电位降恒等于电位升,即:ΣU降=ΣU升,或ΣU=0。基尔霍夫定律反映了电路中各支路电流间或各支路电压间所必须遵循的约束关系,是由特定的电路结构形式决定的,与电路元件的性质无关。2.任一由线性元件组成的线性电路在若干独立源共同作用下,每一条支路的响应(电流或电压)都可以看成是由各个独立源单独作用时在该支路中产生的响应分量的代数和,这就是所谓的“迭加定理”。三、实验器材:名称型号规格HY1711C31-A数量备注直流稳压电源直流电流表万用表111111MF-30滑线变阻器3#电流插座4#实验板BX4-510自制自制3#自制电流插座盒面板结构示意图如Fig2-3-1所示。Fig2-3-14#自制实验板结构示意图如Fig2-3-2所示。2362
四、实验任务1.仔细观察本次实验所用的各仪器,仪表及实验线路板。2.验证基尔霍夫定律。按图2-3-3接线,Us1、Us2由两台直流稳压电源提供,实验前应用万用表直流电压档仔细调准Us1、Us2的值。Fig2-3-24#实验板a300A1b100c+_+Us19v510Us24.5v_K1A3dK2I1I3I2A2Fig2-3-3(1)验证KCL接通电源,将双刀双掷开关K1和K2分别合向Us1及Us2,插入电流表观察各支路电流的大小与方向,若发现表针反偏,应及时断开电源,对调电流表的正、负极性后,重新测量读数,并记入自拟表格,验证KCL,即ΣI=0。(2)验证KVL实验线路不变,用万用表直流电压档测量各回路中的支路电压Uab、Ubc、Ucd、Ubd、Uda,若电压指针反偏,应立即对调表笔,重新测读,并记为负,自拟表格记录数据,验证ΣU=0。3.验证迭加定理实验线路仍如图2-3-3所示。(1)当Us1单独作用时(US2=0,即K2扳到短路侧),测读I′1,I′2,I′3,U′ab,U′bd,U′bc,记入自拟表格。(2)当Us2单独作用时(Us1=0,即K1扳到短路侧),测读I″1,I″2,I″3,U″ab,U″bd,U″bc,记入自拟表格。(3)与实验内容2中有关数据进行比较(即Us1、Us2共同作用时)。验证:I1=I′1+I″1I2=I′2+I″2Uab=U′ab+U″abUbd=U′bd+U″bdUbc=U′bc+U″bcI3=I′3+I″32372
4.选做题:*自行设计实验方案和实验步骤,验证齐次定理。五、予习要求及思考题1.复习基尔霍夫定律和迭加定理的内容。2.写出予习报告,自拟数据表格。3.加深对参考方向的理解,简要说明如何确定所测电流、电压的正、负号?4.若实验电路中电源的内阻较大不能忽略,应如何处理?5.为什么线性电路中任一支路的电流,电压可以迭加而功率却不能迭加?6.如何实现独立源置0?六、实验报告要求1.根据所测数据验证基尔霍夫定律和迭加定理。2.计算测量误差,并讨论误差产生的诸因素。3.回答思考题和带“*”号的附加题。七、注意事项1.直流稳压电源的输出端不得短路。2.正确选择测量仪表的量程,防止过载损坏。3.仪表接入电路时,应注意其极性与参考方向的关系,以便确定被测值的正、负号。4.注意电流插座盒的极性规定和正确使用方法。5.电流表应待电路工作稳定后再插入插座中。2382
实验四含源二端网络直流参数测定一、实验目的1.复习巩固戴维南定理,深入理解其内容实质。2.学习掌握线性含源二端网络直流等效参数Uoc的测定方法。3.学习掌握线性含源二端网络直流等效参数Req的测定方法。4.学习掌握基本电路工作状态、功能特性、器件参数测量方案设计的一般方法。5.学习掌握在给定实验条件下,根据测量目标,自行设计测量电路和测量步骤。6.学习并基本掌握查阅相关文献资料的一般方法。二、实验原理1.戴维南定理的内容:任一线性含源二端网络Ns,就其端口而言,可以用一条理想电压源与电阻的串联支路来等效替代。该电压源的电压等于有源一端口网络的开路电压Uoc,而串联电阻则等于有源一端口网络中所有独立源置0后的等效输入电阻Req。戴氏定理的内容可由图2-4-1来形象说明。aaReqNs+bbFig2-4-12.线性含源二端网络等效参数的测试方法(1)开路电压Uoc的测试方法a.直接测量法:用电压表直接测量含源二端网络的开路电压,电压表读数即为Uoc。此种测量方法简单,操作简便,结果直观,但测量误差较大。测量误差与被测二端网络内阻Req以及电压表内阻RV有关,被测二端网络内阻Req越大,则产生的测量误差越大。测量产生的绝对误差为:|△V|=|Uoc-UAB|=|I·Req|I为测量回路流经电压表的电流,如图2-4-2所示。AIVReqRvReqV+—+Eo+BFig2-4-2直接法Fig2-4-3零示法2392
b.零示法:在测量过程中使被测量与标准量对仪表的作用完全抵消直到仪表指示为零,这种测量方法叫零示法,如图2-4-3所示。测量时,调节标准电源Eo,使电压表指示为零,这时标准电源的大小就等于被测含源二端网络的开路电压Uoc。由于测量回路电流为零,不会产生电压降,因此仪表内阻及被测二端网络的等效内阻均不影响测量结果。这种测量方法比直接法准确,其测量准确度主要取决于电压表的灵敏度以及标准电压源的精确度。c.补偿法:这也是一种准确测量电路电压的方法,测量线路如图2-4-4所示。m'mG+++_u_mnRu_UsVRwn’nFig2-4-4补偿法测量时,首先将毫安表接在检流计位置上,使m′,n′与m、n对应相接,调节变阻器Rw,使毫安表读数为零。第二步再将检流计G换上,并仔细调节变阻器Rw,使G的指示也为零。则这时电压表的读数即为被测电压Umn。由于检流计G的灵敏度很高,因此这种测量方法较之零示法将更为精确。d.伏安法:由戴维南定理可知,任一线性含源二端网络化简为戴氏等效电路后,其端口的伏安关系表达式为:UAB=Uoc–Req·I其伏安特性曲线是u~i平面上的一条直线,直线上I=0时的U值(即直线与u轴的交点)就是被测含源二端网络的开路电压Uoc。伏安法测试电路如图2-4-5所示。AIUABAReq+UocV+RLBIIoFig2-4-5伏安法(2)等效电阻Req的测试方法a.直接测量法:将含源二端网络内所有独立源置零处理,即化为一无源二端网络,用万用表的欧姆档直接测量,这种方法简便直观,但存在测量误差,所用欧姆档的内阻RΩ影响测量结果的准确度。2402
b.输入电阻法:含源二端网络化为无源网络后,在其端口外加一电源电压Us,量取入端电流I,则等效入端电阻Ri即为戴维南等效电阻Req。Req=Ri=Us/Ic.开路电压短路电流法:分别测出含源二端网络端口的开路电压Uoc和短路电流Isc,则等效电阻Req为:Req=Uoc/Isc应用此法时应特别注意短路电流Isc不得超过网络内各元器件的额定电流值以及测量用仪表的量程,否则会因短路电流过大而损坏仪表及元器件。应慎用此法!d.半电压法:测得开路电压Uoc后,按图2-4-6AI接线,调节RL,当负载电压,即电压表指示为1/2Uoc时,负载电阻RL即为被测二端网络的戴维南等效电阻Req。+ReqVRL+RvBFig2-4-6半电压法e.间接测量法:仍按图2-4-6接线,任意测取负载两端电压UR,则UR=Uoc·RL/(Req+RL)整理后:Req=[(Uoc/UR)-1]·RLf.伏安法:测量线路仍如图2-4-5所示。用电压表,电流表测取若干组数据,在u~i平面上作出该含源网络的端口伏安特性曲线,则该条直线的斜率即为待求等效电阻Req。Req=tgφ=△U/△I=Uoc/Isc3.最大功率传输条件:图2-4-5所示电路中,负载RL改变时,它从含源二端网络获取的功率也在变化;当RL等于该含源二端网络的等效戴维南电阻时可获取最大功率,即最大功率传输条件为RL=Req。这时,负载RL获取的最大功率为:Pmax=Uoc/4RL。2三、实验器材名称型号规格HY1711C31-V数量备注直流稳压电源直流电压表直流电流表万用表1111111C31-AMF-30滑线变阻器3#电流插座4#实验板BX4-510自制自制2412
四、实验任务1.仔细观察本次实验所给定的各仪器、仪表及实验线路板(Fig2-4-7所示)。2.利用所给仪器、设备条件,自行设计并搭建一待测含源二端网络N。3.利用所给仪器、设备条件,自行设计测量方案和测量电路,测定一含源二端网络的直流等效参数Uoc。4.利用所给仪器、设备条件,自行设计测量方案和测量电路,测定一含源二端网络的直流等效参数Req。5.利用所给仪器、设备条件,自行设计测量方案和测量电路,测定一含源二端网络的诺顿等效参数。(选做)6.利用所给仪器、设备条件,自行设计测量方案和测量电路,验证最大功率传输条件。(选做)五、实验要求1.自行设计测量方案,在给定实验设备条件下,比较、选择2种方法测定含源二端网络的开路电压Uoc。2.自行设计测量方案,在给定实验设备条件下,比较、选择2种方法测定含源二端网络的等效电阻Req。3.自行设计实验步骤,按测量原理图连接测量线路,根据所提供的电路元件参数和仪表量程确定外加激励信号的变化范围。4.自行设计表格记录测量数据,计算等效参数Uoc和Req。5.比较不同测量方案的测量结果,分析测量误差产生原因,提出改善措施。6.选做部分具体要求同上。六、予习要求及思考题1.复习戴维南、诺顿、最大功率传输等定理的内容,理解其内容实质。2.查找、阅读有关线性含源二端网络等效参数测定的诸方法。3.右图所示的伏安法测试电路中,若将电流表、电压表的前后位置调换,则对测量结果有何影响?各适用于什么场合?IAA4.“将含源网络中所有独立源置零”,在实验中是RAReq+如何实现的?+VB5.无源二端网络等效内阻的测定有哪几种方法,各自的优缺点是什么?RLUocRv6.通过比较,你认为哪种开路电压测定方法既简单易行便于操作,又有较高的精确度?七、实验报告要求1.根据实验任务要求,写出详尽的实验方案和实施步骤,并自拟表格记录测量数据。2422
2.对测量数据进行处理,计算实验结果。3.比较实验结果,分析测量误差产生的原因及改进方法。4.回答予习思考题,写出实验总结报告,要求有详细的实施步骤及理论说明。5.写出自行设计实验过程体会。八、注意事项1.直流稳压电源输出端严禁短路。2.使用万用表欧姆档测电阻时,不得带电测量。3.使用直流仪表时,应正确选择其极性和量程。4.开路短路法测求等效电阻时,应做出必要的理论计算进行发热校验,以确保短路时流经各元器件的电流小于其额定值。5.电流表应在电路工作稳定后再插入插座中。九、参考文献1.杨咸华.常用电工测量技术.北京:机械工业出版社,2001.5.2.程耕国.电路实验指导书.武汉:武汉理工大学出版社,2001.10.3.周启龙.电工仪表及测量.北京:中国水利水电出版社,2003.4.机械工业部.电工仪表与测量.北京:机械工业出版社,2003.2432
实验五正弦电路交流参数的测定一、实验目的1.了解交流电路各参数的测试方法。2.学习用三表法和三压法测定电路元件的参数。3.掌握调压器和功率表的正确使用。二、实验原理1.交流电流、电压测量实验室中常用电磁系和电动系结构的仪表来进行交流电量的测量,如电磁系的电流表T21-A和电压表T21-V,电动系的电压表D26-V和功率表D26-W等。交流电流、电压的测量方法及仪表的量程选择均与直流测量仪表类似,所不同的是交流电流表、电压表在接入被测电路时无需考虑“+”、“-”极性。需要指出的是,交流测量仪表的面板指示通常是按正弦交流有效值刻度的,进行非正弦周期性电量测量时必然存在附加的测量误差,需根据波形系数进行校正。交流电压除可用T21-V、D26-V等交流电压表测量外,通常也可用万用表的交流电压档进行测量(见实验一中有关介绍)。电磁系结构的仪表是根据通电线圈产生的磁场与铁磁物质间相互作用的原理制成的;而电动系仪表的测量机构则含有两个线圈,通电的定圈磁场与通电的可动线圈间互相作用产生电磁力矩,从而带动指针偏转,指示读数。与磁电系直流仪表不同的是这两类交流仪表的表盘刻度是非均匀的。T21-A/V型电磁系交直流电表是电磁系张丝支承结构的携带式指示仪表,可在直流电路或交流额定频率为50Hz~60Hz电路中进行电流和电压的测量。T21-A/V型电磁系交直流电表适合在周围环境温度为23°±10°C及相对湿度为25%~80%的条件下工作。T21-A/V型电磁系交直流电表的性能列于表2-5-1。表2-5-1电磁系交直流电表性能指标型号量0.5A~1A2.5A~5A程电阻(Ω)1.08~0.27电感(mH)精度T21-A1.2~0.30.08~0.020.04~0.011.0T-21-V150V~300V300V~600V5000~2000012000~53000使用T21-A/V型交流电表测量过程中,应注意以下事项:(1)仪表使用时应放在水平位置,并尽可能远离电流导线或强磁场,以免产生附加误差。(2)仪表指针如不在零位时,可利用仪表壳上的调节器将其调整到零位。(3)负载连接的导线必须与仪表紧固连接,并应根据负载大小选择足够绝缘能力和截面的导线。2442
(4)虽然电磁系仪表可交直流两用,但磁化过程中的剩磁影响,会导致产生较大的测量误差,一般情况下不建议用于直流电量的测量;如若测量直流电量,则可将接线端钮互换,取两次读数的平均值,以消除剩磁误差,提高测量精度。2.单相交流功率测量交流电路中的负载功率可由单相功率表直接测出。功率表又称瓦特表,实验室常用的是D26-W型电动系结构的单相功率表。D26-W型携带式0.5级电动式功率仪表,可在直流电路或交流额定频率为50Hz~60Hz电路中进行功率测量,该仪表适合在周围环境温度为23°±10°及相对湿度为25%~80%的条件下工作。D26-W的性能指标列于表2-5-2。表2-5-2电动系功率表性能指标型号额定电压(V)额定电流(A)精度75~150~3000.5~11~275~150~300125~250~500150~300~60075~150~300D26-W2.5~55~101~20.5本实验所用的D26-W面板上有二个电流量程(0.5A,1A)和三个电压量程(150V,300V,600V或125V,250V,500V),可分别根据被测负载电流,电压的最大值来进行选择(电流量程的转换需通过改接短路片的方式来实现),而该功率表的满偏读数、即功率量程在电流,电压的量程选定后也就随之确定了。需要说明的是,功率表是否过载,不能仅仅根据表盘指针是否超过满偏刻度值来判定。因为当功率表的电流线圈电流很小时,即使电压线圈已经过载将要烧毁,功率表的读数也不会超出量程;反之亦然。所以在使用功率表时,特别是在进行低功率因素电路负载功率测量时,必须保证其电流、电压线圈都不过载。D26-W功率表面板如右图,其接入电路方法如Fig2-5-1所示,盘面上标记“*”的端钮分别称做电流线圈和电压线圈的“发电机端”(或对应端),电流线圈与负载串联,其发电机端“*I”应与电源的一端相连;*U电压线圈与负载并联,其发电机端“*U”通常与“*I”连I*I接在一起,以保证两线圈的电流都从发电机端流入,I1使功率表指针正偏。I2电源值得一提的是,D26-W表在测量功率时有如fig2-5-2所示的两种接法(电压线圈前接与电压线圈后接)。其中,图(a)是先把电压线圈与负载并联,然URLRjFig2-5-12452
后再与电流线圈串联(电压线圈后接);图(b)是先把电流线圈与负载串联,然后再与电压线圈并联(电压线圈前接),两种接法都能保证指针正向偏转。实验中常用的是电压线圈前接方式。电压线圈后接法的缺点是,除了增加电流线圈的负担,还可能产生较大的测量误差。为了减少测量误差,当负载为低阻抗负载时,采用图(a)的接法;负载为高阻抗负载时,采用图(b)的接法。.I.I+.U+.URL.IU.IURLRR--(a)(b)Fig2-5-2功率表的两种接法使用D26-W型功率表测量过程中,应注意以下事项:(1)仪表使用时应放在水平位置,并尽可能远离电流导线或强磁场,以免产生附加误差。(2)仪表指针如不在零位时,可利用仪表壳上的调节器将其调整到零位。(3)仪表接入电路前,必须对电路中的电流或电压强度有所计算,以免过载而损坏仪表。(4)电压线圈与电流线圈不能接错,若将电流线圈与负载并联,电压线圈与负载串联,仪表将烧坏。(5)功率表数据读取方法:由于功率表是多量程的仪表,表面的标度尺上只标有分格数。选用不同的电流量程和电压量程时,标度尺的满刻度有不同的瓦数。使用时,要注意被测量的实际值与指针读数之间的换算关系。可按下式计算被测功率的数值:UNINWNPNKNUNINWNK式中,UN为所使用的电压线圈的额定值。IN为所使用的电流线圈的额定值。WN为功率表标度尺的满刻度的格数。αN为指针的读数(指针指示的格数)。K为功率表分格常数,表示指针偏转一格指示的瓦数。单位为:瓦/格。2462
例如,一功率表的电压线圈选用“*”和250V两接线端,电流线圈选用“*”和“0.5A”两端,仪表的满刻度格数为125,如该功率表的cosφN=1,现指针的指示读数为40,则可通过下面公式计算出被测功率的数值。K2500.51(瓦/格)NWNUIN125P=KαN=1×40=40W3.交流参数的测定正弦交流电路的等效参数,包括阻抗模、阻抗角、电路元件R、L、C的值等,测量这些参数的方法很多,下面介绍几种常用的测定方法。①交流电桥测试法交流电桥又称万用电桥,它是一种测量准确度较高的比较式仪表,能直接测读电路元件R、L、C的参数值。Fig2-5-3是交流电桥的原理电路,它与物理实验中用过的惠斯顿直流电桥很相似,不同的是它的四个桥臂是阻抗。另外,直流电桥的工作电源是直流源,A而交流电桥施加的却是正弦信号源。交流电桥是根据电桥平衡理论工作的,当电桥达到平衡时,检流计G指示为零,此时,四个桥臂间存在如下关系:Z2·Z3=Z1·Z4Z1Z2Z4AGZ3B即:|Z2|·|Z3|=|Z1|·|Z4|~φ2+φ3=φ1+φ4Fig2-5-3电桥测试法其中|Z|和φ分别为各阻抗的模和幅角。欲使交流电桥达到平衡,必须同时满足模与幅角两个方面的条件,故在使用过程中需相互关联地反复调节才能达到平衡。通常,将交流电桥的两个桥臂设计为电阻,另两个为阻抗。若相邻两桥臂为电阻,则另外两桥臂必须是同性阻抗;若相对两桥臂为电阻,则另外两桥臂必须为异性阻抗,这样可获得比较简单的平衡条件。②伏安法与直流电阻的伏安测定方法类似,用伏安法测定交流电路负载阻抗的模很方便,Fig2-5-4所示为其测试电路。设负载Z为感性阻抗,其模|Z|可由测量值V/A确定。由于Z=R+jx,在低频范围内,阻抗的实部R可近似地用直流电阻代替,利用欧姆表或万用表Ω档直接测得,而虚部电抗X2=|Z|2-R2,阻抗角φ=arctg(|Z|2-R2)1/2/R,虚部X测A~ZFig2-5-4伏安法2472
算出后,便可接着利用公式X=ωL来计算出L值了。③三表法三表法是交流电路参数最基本的一种间接测量方法,它是指用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出电路元件或无源一端口网络两端的电压U、流过的电流I及其消耗的有功功率P,然后通过相关公式计算出待求参数的一种方法。Fig2-5-5是三表法的测量线路图。若被测元件是一感性负载,则由关系式|Z|I*WA=U/I和cosφ=P/(U·I)便可计算出等效参数:R=|Z|cosφ*+U~ZL=XL/ω=|Z|sinφ/ω_若被测元件是一容性负载,同样可算出其等效参数:Fig2-5-5三表法R=|Z|cosφC=1/ωXc=1/(ω|Z|sin|φ|)若被测对象是一无源二端网络,虽然也可由上述方法计算出网络等效参数:R=|Z|cosφ,|X|=|Z|sin|φ|,但如何才能确定该无源网络是容性还是感性呢?一个简单的测试方法是在该无源二端网络的端口处,并接一只容量适当的试验电容,则端口电流增加时,网络为容性,反之为感性。试验电容的容量可由下列不等式选定:C′<2sin|φ|/ω|Ζ|④三压法测定元件交流参数的另一种方法即三压法。如Fig2-5-6(a)所示的测量线路中,R为无感的采样电阻,设待测阻抗Z是感性的,则电压相量图如Fig2-5-6(b)所示。显然,|Z|=R·U/URφ=arccos(U2-U2-U2ZRZR)/2UU所以,用电压表分别测量出三个电压U、UZ和UR,即可计算出被测阻抗的模及阻抗角。IZUz~UUUzURRURI(a)(b)Fig2-5-62482
4.调压器的正确使用调压器实际上是一个自耦合变压器,线圈绕在一个圆筒形的铁芯上,通过滑动电刷改变输出电压。通常调压器的输入电压为220V,而输出电压则在0~250V范围内可调。一般地,调压器的接线端钮面板上有四个端子,分别标作“A”、“X”、“a”、“x”或“1”、“2”、“3”、“4”。通常,“A”、“X”端口或“1”,“2”端口作为自耦变压器的原边线圈接交流220V(工频);“a”、“x”端口或“3”、“4”端口则是调压器的输出端,输出电压的大小可以通过旋转调压器上端的手柄,使滑动电刷改变位置来随意调整,并从手柄下方的刻度盘上大致读出。使用调压器时,必须小心谨慎,认清端钮标记。切勿将输入端口与输出端口错接!调压过程中,应注意缓慢旋转手柄,使输出电压从0开始逐渐增加;而使用完毕后,应立即将手柄置于(旋到)零位,以免下次使用时,输出电压过高发生危险。需要强调指出的是,为了避免由于调压器的手柄错位而引发的事故隐患,实际操作时必须用电压表测读调压器的输出电压。三、实验器材名称型号规格T21-V数量备注交流电压表交流电流表单相功率表万用表111111111T21-AD26-WMF-30滑线变阻器3#电流插座1#电阻器件板5#电容器件板6#电感器件板BX4-510自制自制自制自制四、实验任务1.电阻与电感串联接成一感性负载。自行设计电路,用伏安法测定其交流阻抗等值参数,并自拟表格记录数据。2.电阻与电容串联接成一容性负载。自行设计电路,用三压法测定其交流阻抗等值参数,并2492
自拟表格记录数据。3.电阻和电感线圈串联后再与电容器件并联构成一无源二端网络。自行设计电路,用三表法测定该一端口网络的交流阻抗等值参数,并自拟表格记录数据。4.自行设计测试方案,设法判断上述阻、感、容构成的无源二端网络呈容性还是感性。五、予习要求及思考题1.仔细阅读前面原理说明,掌握测定交流等效参数的诸方法。2.根据实验内容拟定实验方案和实施步骤,准备好数据记录表格,写出予习报告。3.用伏安法测定直流电阻时有“电流表内接”与“电流表外接”两种方式,在测定交流电路参数时,是否也需考虑接线方式?4.用并联小试验电容的方法判断无源二端网络是容性或是感性的依据是什么?为什么试验电容的值要小于2sin|φ|/ω|Z|?5.测量过程中,功率表的指针若出现反偏,是何缘故?应如何处理?6.试分析功率表“电压线圈后接”法的缺欠及其适用场合。六、实验报告要求1.根据测试所得数据,计算各等效参数,并进行误差分析。2.认真回答思考题。七、注意事项1.测量时实验电路中的电流、电压不得超过被测元器件的额定值。2.调压器的原、付边不允许接反;输出电压应从零开始缓慢上调,不得超过电路元器件的电压额定值;实验完毕应立即将调压器手柄旋到零位(实验前首先应用电压表测量输出端电压,确认零位,以防误操作)。3.切勿使测量用交流电流表、电压表和功率表超出选定量程。4.本实验要进行强电操作,切记断闸接线、换线、拆线,注意人生安全。5.电流表最好采用“活接”方式,并待电路工作正常后再插入。2502
实验六功率因素及其提高一、实验目的1.学习提高感性负载功率因数的方法,理解其实际意义。2.进一步掌握交流电流表,电压表和功率表的使用。3.了解日光灯的结构和工作原理。二、实验原理1.对于如图2-6-1所示的无源一端口网络,其吸收的有功功率为:P=UIcosφ其中cosφ称作功率因数,其大小取决于一端口网络电压与电流间的相位差,即该网络等效阻抗Z的阻抗角φ。IIZl+~UUZ=|Z|∠φZUz_Fig2-6-1Fig2-6-22.在工农业生产及日常生活中,大部分的用电器是感性负载,如工矿企业中的电动机,家庭生活中的日光灯、电风扇、洗衣机等。供电部门将电能经传输线送到用电负载,其等效电路如Fig2-6-2所示。图中,Zl=R1+jXl为线路阻抗,Z为感性负载,这时,线路电流:I=P/Ucosφ输电效率:η=P/Ps=P/(P+I2Rl)可见,为了保证负载获得一定的功率P,在负载功率因素较低的情况下,势必要增大线路电流,从而引起线路压降和损耗的增加,降低了输电效率。另一方面,当电源电压、负载功率一定时,功率因数越低,电源设备的容量利用率也越低。因此,提高功率因数,对于充分发挥电源设备的利用率,降低线路损耗,提高电能的传输效率都具有重要的经济意义。3.既要提高感性负载的功率因数,又不能改变负载的工作状态,如何才能做到呢?一个简单而易于实现的方法是在感性负载两端并联电容器,这样做的目的是用容性无功电流分量去补偿负UI载中的感性电流分量,使无功能量只在负载端直接交换,而不再经过传输线与电源进行交换(见Fig2-6-3)。改变电容器的数值可以实现不同程度的补偿,达到提高功率因数的目的,但在实际运行中,通常并不要求ICILFig2-6-32512
将cosφ提高到1,因为这样做的话将大大增加电容设备的投资,而带来的经济效益并不显著。虽然,采用在感性负载侧串联电容的方法也能起到补偿感性电流分量的作用,但由于其同时也改变了用电负载的工作状况,故一般不用。4.功率因素cosφ除了可利用前面介绍的公式cosφ=P/UI,通过“三表法”测量、计算、求出外,还可以采用功率因素表(又称相位表)直接测读出来。实验中将用的D26-cosφ是电动系结构的功率因素表,与D26-W相类似,它也由固定线圈和可动线圈组成。因此,D26-cosφ的接线方式和量程选择均可比照D26-W进行。三、实验器材名称型号规格T21-V数量备注交流电压表交流电流表单相功率表功率因素表3#电流插座5#实验板1111111T21-AD26-WD26-COSФ自制自制自制电容器件板四、实验任务1.仔细观察实验用线路板及实验器材,按fig2-6-4接线。用一根日光灯和一个灯泡的并联电路模拟感性负载。**WIIcIL~220VKV日光灯灯泡CFig2-6-42.打开K,未接入补偿电容器时,测读电路中的I、U、P,自拟表格记录数据,并计算cosφ的值。3.合上K,接入补偿电容。调节电容箱上的旋钮逐渐增大电容值,记录相应的I,IL,IC,U及P之值,并计算出相应的cosφ值。4.选做题:*观察并分析电路达到完全补偿(cosφ=1)和过补偿(cosφ复又小于1)时的情形,测读各电量,并自拟表格记录数据。*学习使用功率因素表测量电路的cosφ。分别测读补偿电容接入前、后的cosφ值,并与2522
用“三表法”的计算结果作出比较。五、予习要求及思考题1.复习有关正弦交流电路功率及功率因数的内容。2.根据实验内容事先拟定数据记录表格。3.为什么要用并联电容的方法提高功率因数?串联电容行不行?为什么?4.并入电容后,日光灯支路的电流和功率表的读数是否改变?5.如何判断cosφ提高到最佳状态?所并电容是否越大越好?6.画出电容过补偿时的相量图。六、实验报告要求1.根据所测数据及相关计算,确定cosφ为最佳值时的电容值。2.根据实验电路参数,理论计算将cosφ提高到1时所需并联的C值。3.回答予习思考题。七、注意事项1.强电实验,注意安全,切记断电情况下接线、换线、拆线。2.注意瓦特表、cosφ表、电压表、电流表的正确连线和量程选择。3.学习日光灯线路的正确连接方法,日光灯管须与镇流器串联,否则将烧坏灯管。4.电容箱使用前、后,都应在断开电源情况下,用短接线放电。而每次改变电容值时,也应先将开关K断开,调节好后再合K。5.调节电容器时,注意应逐渐增大其值,以防大的容性冲击电流烧毁保险丝。6.注意电流插座盒的正确使用方法。电流表应在电路工作稳定后插入插座。2532
实验七三相电路中的电流和电压一、实验目的1.掌握三相电路的联接方法。2.研究对称三相电路中,线电量与相电量之间的关系。3.了解不对称三相电路中,中性点位移电压的产生及中线的作用。4.学习三相电源相序的测定方法。二、实验原理1.三相电路的联接三相电路中,无论电源还是负载都有星形IAAIAB和三角形两种联接方式。星形连接中又包括有IBIC中线(三相四线制)和无中线(三相三线制)两种情况。BC三相对称电路中,负载作三角形联接时(如Fig2-7-1所示),电路中线电压等于相电压,而Fig2-7-1线电流在数值上为相电流的3倍,相位滞后相电流30°,即:Ul=Up,Il=3Ip。IAAZAIB三相对称电路负载作Y连接时(Fig2-7-2所BZcZB示),电路中线电流等于相电流,而线电压在数IcCN值上为相电压的3倍,相位超前相电压30°,即:Ul=3Up,Il=Ip。Fig2-7-2若三相负载不对称,在联成无中线的Y接法时,将发生中性点位移,造成三相负载电压不对称,严重时会引起负载工作状态不正常。若改为有中线的三相四线制Y0接法,则中线可以强迫各相电压对称,使各相负载间互不影响,但此时,中线上将有电流流过。2.三相电源相序的测定利用三相负载不对称时产生的中性点位移及负载CA侧相电压的不对称分布,可以帮助我们判定三相电源的R相序。BCN’Fig2-7-3为一阻容相序测试器电路,设电容负载接R在A相,两只相同灯泡(模拟阻性负载)接入其余二相,则从电容两端AN′看过去的戴维南等效电路如Fig2-7-4Fig2-7-32542
所示,其中U=U+U。而从Fig2-7-5所示的相量图中可以看出,U即为UAD。BCOC2OCABACIcN’IcUocCZi=R/2DBAN’Fig2-7-4Fig2-7-5从Fig2-7-5中还可以看出,负载中性点N′将随电容C取值的不同在直径为AD的半圆周上移动。若N′点不与D点,A点重合,而在半圆周上任意处,均有UBN′>UCN′的关系,即B相负载电压高于C相,因此B相灯泡应比C相灯泡亮。由此可判断三相电源的相序。通常取R=1/ωC,而当电容值C=2/ωRtg65.45°时,电容为最佳取值,这时C相电压最小,两灯泡亮度差异最大。三、实验器材名称型号规格T21-V数量备注交流电压表交流电流表单相功率表3#电流插座5#电容器件板7#三相灯箱111111T21-AD26-W自制自制自制7#自制三相灯箱的内部结构如Fig2-7-6所示。N’NABCKAKBKcA相C相B相Fig2-7-6四、实验任务1.以灯泡为三相负载,作Y联接时电流、电压的测量。①负载对称时,有、无中线两种情况下,分别测量各线电压、相电压、中性点位移电压及各线2552
电流、相电流、中线电流,填入自拟表格中。②负载不对称时(A相亮2灯,B相亮4灯,C相亮6灯),有、无中线两种情况下,重复步骤①内容,并观察灯泡亮度的变化。③负载对称时,无中线情况下,将C相负载短路,测量各线电压、相电压、中性点位移电压及各相电流、线电流、中线电流,填入自拟表格。④负载对称时,有、无中线两种情况下,将C相负载开路,重复步骤③的内容,并观察灯泡亮度的变化。2.以灯泡为三相负载,作△联接时电流、电压的测量。①负载对称时,测量各线电压、相电压、线电流、相电流,填入自拟表格。②负载不对称时(同前假设),重复上述步骤,并观察灯泡亮度变化。③负载对称时,断开一线(如A线)或一相(如AB相),观察并测量电路中各电流、电压的变化情况,记入自拟表格中。3.用阻容相序测试电路测定三相电源的相序。以一4μF左右的电容器作为A相负载按Fig2-7-3接线,组成三相Y联接的不对称负载,测量电路中各线电压,相电压,中性点位移电压,记入自拟表格,并判定电源相序。五、予习要求及思考题1.认真予习实验内容,事先拟定实验步骤和数据记录表格,并作出相关的理论分析、计算。2.日常供电系统中为何多采用三相四线制供电方式?谈谈你对中线作用的理解?3.Y0接法的中线上可以安装开关或保险丝吗?为什么?4.实验内容1中步骤③,C相负载短路时为何强调“无中线情况下”?有中线行吗?为什么?5.三相负载作△联接时,能否进行“一相负载短路”实验?为什么?6.试说明Ul=3Up,Il=3Ip在什么情况下成立?7.将Fig2-7-3中的电容换成电感,能否判定相序?试作说明。六、实验报告要求1.定性画出实验诸项内容中各种情况下的相量图。2.回答思考题。七、注意事项1.强电、高压实验,注意人身安全。2.本实验中换接线次数较多,切记断电情况下接线、拆线、换接线。3.实验完毕,切除电源,用绝缘导线将电容充分放电后才可拆线。4.注意交流仪表的量程选择及正确使用方法。5.电流表采用活接方式,应待电路工作正常后才能插入。2562
实验八三相电路的功率测量一、实验目的1.进一步掌握单相功率表的使用。2.学习三相电路有功功率的测量方法。3.了解对称三相电路无功功率的测量方法。二、实验原理1.三相电路有功功率的测量三相电路的有功功率可用单相功率表来测量,根据单相功率表的基本工作原理,其有功功率读数为:P=UIcosφ其中:U为功率表电压线圈所跨接的电压。I为功率表电流线圈所流过的电流。φ为U与I之间的相位差。根据三相负载的不同联接方式,三相功率的测量也有“二瓦表法”和“三瓦表法”之分。①对于如Fig2-8-1所示的三相四线制电路,无论负载是否对称,均可用三只单相功率表分别测出各相负载的有功功率,然后三表读数相加得到三相总的有功功率,即:P总=PA+PB+PC。这就是所谓的“三瓦表法”,实际操作时是用一只瓦特计逐次测量各相功率再相加的。*WABA**W三相负载A**WCA*NFig2-8-1*W特别地,当三相负载对称时,只AA三相负载*需测量出其中一相的有功功率,然后乘以3即可。*WBCA*P总=3PA=3PB=3PCA对于如Fig2-8-2所示的三相三线制电路,无论负载是否对Fig2-8-2称,均可用二只单相功率表测量三相总的有功功率,即所谓的“二瓦表法”。由前述单相功率表2572
测量值的含义可知:W1的读数P1=UAC·IA·cos(UAC,IA)W2的读数P2=UBC·IB·cos(UBC,IB)方便起见,假设三相负载作Y联接,且负载对称(阻抗角为φ),见Fig2-8-3,相应的各I电压,电流相量图如Fig2-8-4所示,则可以清楚看出,UAC与A之间的相位差为(30°-φ),而UBC与IB间的相位差为(30°+φ),代入上两式并求和得:P1+P2=UAC·IA·cos(30°-φ)+UBC·IB·cos(30°+φ)=Ul·Il[cos(30°-φ)+cos(30°+φ)]=Ul·Il·2cos30°cosφ=3Ul·Il
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