09机械电工技术实验指导书.docx
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09机械电工技术实验指导书
实验一 基本电工仪表的使用及测量误差的计算
一、实验目的
1.熟悉实验台上各类电源及各类测量仪表的布局和使用方法。
2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。
3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。
二、原理说明
1.为了准确地测量电路中实际的电压和电流,必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的工作状态。
这就要求电压表的内阻为无穷大;电流表的内阻为零。
而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。
因此,当测量仪表一旦接入电路,就会改变电路原有的工作状态,这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差。
误差的大小与仪表本身内阻的大小密切相关。
只要测出仪表的内阻,即可计算出由其产生的测量误差。
以下介绍几种测量指针式仪表内阻的方法。
2.用“分流法”测量电流表的内阻
如图1-1所示。
A为被测内阻(RA)的直流电流
表。
测量时先断开开关S,调节电流源的输出电流I
使A表指针满偏转。
然后合上开关S,并保持I值不
变,调节电阻箱RB的阻值,使电流表的指针指在1/2
满偏转位置,此时有
IA=IS=I/2
∴RA=RB∥R1
可调电流源
R1为固定电阻器之值,RB可由电阻箱的刻度盘上读得。
图1-1
3.用分压法测量电压表的内阻。
如图1-2所示。
V为被测内阻(RV)的电压表。
测量时先将开关S闭合,调节直流稳压电源的
输出电压,使电压表V的指针为满偏转。
然后
断开开关S,调节RB使电压表V的指示值减半。
此时有:
RV=RB+R1
电压表的灵敏度为:
S=RV/U(Ω/V)。
式
中U为电压表满偏时的电压值。
4.仪表内阻引起的测量误差(通常称之为方可调稳压源
法误差,而仪表本身结构引起的误差称为仪表基图1-2
本误差)的计算。
(1)以图1-3所示电路为例,R1上的电压为
R11
UR1=───U,若R1=R2,则UR1=─U。
R1+R22
现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值,当
RVR1
RV与R1并联后,RAB=───,以此来替代
RV+R1
RVR1
────
RV+R1
上式中的R1,则得U'R1=──────U图1-3
RVR1
───+R2
RV+R1
RVR1
────
RV+R1R1
绝对误差为△U=U'R1-UR1=U(─────—-────)
RVR1R1+R2
───+R2
RV+R1
-R21R2U
化简后得△U=─────────────────
RV(R21+2R1R2+R22)+R1R2(R1+R2)
U
若R1=R2=RV,则得△U=-─
6
U'R1-UR1-U/6
相对误差△U%=─────×100%=──×100%=-33.3%
UR1U/2
由此可见,当电压表的内阻与被则电路的电阻相近时,测量的误差是非常大的。
(2)伏安法测量电阻的原理为:
测出流过被测电阻RX的电流IR及其两端的电压降UR,则其阻值RX=UR/IR。
实际测量时,有两种测量线路,即:
相对于电源而言,①电流表A(内阻为RA)接在电压表V(内阻为RV)的内侧;②A接在V的外测。
两种线路见图1-4(a)、(b)。
由线路(a)可知,只有当RX<<RV时,RV的分流作用才可忽略不计,A的读数接近于实际流过RX的电流值。
图(a)的接法称为电流表的内接法。
由线路(b)可知,只有当RX>>RA时,RA的分压作用才可忽略不计,V的读数接近于RX两端的电压值。
图(b)的接法称为电流表的外接法。
实际应用时,应根据不同情况选用合适的测量线路,才能获得较准确的测量结果。
以下举一实例。
在图1-4中,设:
U=20V,RA=100Ω,RV=20KΩ。
假定RX的实际值为10KΩ。
如果采用线路(a)测量,经计算,A、V的读数分别为2.96mA和19.73V,故
RX=19.73÷2.96=6.667(KΩ),相对误差为:
(6.667-10)÷10×100=-33.3(%)
如果采用线路(b)测量,经计算,A、V的读数分别为1.98mA和20V,故
RX=20÷1.98=10.1(KΩ),相对误差为:
(10.1-10)÷10×100=1(%)
(a)(b)
图1-4
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
二路
左中
2
可调恒流源
0~500mA
1
左中
3
指针式万用表
MF-47或其他
1
自备
4
可调电阻箱
0~9999.9Ω
1
DGJ-05
5
电阻器
按需选择
DGJ-05
四、实验内容
1.根据“分流法”原理测定指针式万用表(MF-47型或其他型号)直流电流1mA和10mA档量限的内阻。
线路如图1-1所示。
RB可选用DGJ-05中的电阻箱(下同)。
被测电流表量限
S断开时的表读数(mA)
S闭合时的表读数(mA)
RB(Ω)
R1(Ω)
计算内阻RA
(Ω)
1mA
10mA
2.根据“分压法”原理按图1-2接线,测定指针式万用表直流电压1V档量限的内阻。
被测电压表
量限
S闭合时表读数(V)
S断开时表读数(V)
RB
(KΩ)
R1
(KΩ)
计算内阻RV(KΩ)
S
(Ω/V)
1V
3.用指针式万用表直流电压1V档量程测量图1-3电路中R1上的电压U’R1之值,并计算测量的绝对误差与相对误差。
U
R2
R1
R1V
(KΩ)
计算值UR1
(V)
实测值U’R1
(V)
绝对误差
ΔU
相对误差
(ΔU/U)×100%
1.2V
10KΩ
50KΩ
五、实验注意事项
1.在开启DG04挂箱的电源开关前,应将两路电压源的输出调节旋钮调至最小(逆时针旋到厎),并将恒流源的输出粗调旋钮拨到2mA档,输出细调旋钮应调至最小。
接通电源后,再根据需要缓慢调节。
2.当恒流源输出端接有负载时,如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时,必须先将其细调旋钮调至最小。
否则输出电流会突增,可能会损坏外接器件。
3.电压表应与被测电路并接,电流表应与被测电路串接,并且都要注意正、负极性与量程的合理选择。
4.实验内容1、2中,R1的取值应与RB相近。
5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。
由于所选指针表的型号不同,本实验中所列的电流、电压量程及选用的RB、R1等均会不同。
实验时应按选定的表型自行确定。
六、思考题
1.根据实验内容1和2,若已求出0.5mA档和2.5V档的内阻,可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻?
2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时,实际读数为8.1A,求测量的绝对误差和相对误差。
七、实验报告
1.列表记录实验数据,并计算各被测仪表的内阻值。
2.分析实验结果,总结应用场合。
3.对思考题的计算。
4.其他(包括实验的心得、体会及意见等)。
实验二 电压源与电流源的等效变换
一、实验目的
1.掌握电源外特性的测试方法。
2.验证电压源与电流源等效变换的条件。
二、原理说明
1.一个直流稳压电源在一定的电流范围内,具有很小的内阻。
故在实用中,常将它视为一个理想的电压源,即其输出电压不随负载电流而变。
其外特性曲线,即其伏安特性曲线U=f(I)是一条平行于I轴的直线。
一个实用中的恒流源在一定的电压范围内,可视为一个理想的电流源。
2.一个实际的电压源(或电流源),其端电压(或输出电流)不可能不随负载而变,因它具有一定的内阻值。
故在实验中,用一个小阻值的电阻(或大电阻)与稳压源(或恒流源)相串联(或并联)来摸拟一个实际的电压源(或电流源)。
3.一个实际的电源,就其外部特性而言,既可以看成是一个电压源,又可以看成是一个电流源。
若视为电压源,则可用一个理想的电压源Us与一个电阻Ro相串联的组合来表示;若视为电流源,则可用一个理想电流源Is与一电导go相并联的组合来表示。
如果这两种电源能向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压,则称这两个电源是等效的,即具有相同的外特性。
一个电压源与一个电流源等效变换的条件为:
Is=Us/Ro,go=1/Ro或Us=IsRo,Ro=1/go。
如图5-1所示。
图5-1
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
左中
2
可调直流恒流源
0~500mA
1
左中
3
直流数字电压表
0~300V
1
上左
4
直流数字毫安表
0~500mA
1
上左
5
万用表
1
自备
6
电阻器
51Ω,200Ω
510Ω,1KΩ
DGJ-05
7
可调电阻箱
0~99999.9Ω
1
DGJ-05
8
实验线路
四、实验内容
1.测定直流稳压电源与实际电压源的外特性
(1)按图5-2接线。
Us为+12V直流稳压电源(将R0短接)。
调节R2,令其阻值由大至小变化,记录两表的读数。
图5-2 图5-3
R2(Ω)
1000
800
600
400
200
100
0
U(V)
I(mA)
(2)按图5-3接线,虚线框可模拟为一个实际的电压源。
调节R2,令其阻值由大至小变化,记录两表的读数。
R2(Ω)
1000
800
600
400
200
100
0
U(V)
I(mA)
2.测定电流源的外特性
按图5-4接线,Is为直流恒流源,调节其输出为10mA,令Ro分别为1KΩ和∞(即接入和断开),调节电位器RL(从0至1KΩ),测出这两种情况下的电压表和电流表的读
数。
自拟数据表格,记录实验数据。
3.测定电源等效变换的条件
先按图5-5(a)线路接线,记
录线路中两表的读数。
然后利用图
5-5(a)中右侧的元件和仪表,按图
5-5(b)接线。
调节恒流源的输出电流
或∞
IS,使两表的读数与5-5(a)时的数值
相等,记录Is之值,验证等效变换
条件的正确性。
图5-4
(a)(b)
图5-5
五、实验注意事项
1.在测电压源外特性时,不要忘记测空载时的电压值,测电流源外特性时,不要忘记测短路时的电流值,注意恒流源负载电压不要超过20伏,负载不要开路。
2.换接线路时,必须关闭电源开关。
3.直流仪表的接入应注意极性与量程。
六、预习思考题
1.通常直流稳压电源的输出端不允许短路,直流恒流源的输出端不允许开路,为什么?
2.电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势,稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值?
七、实验报告
1.根据实验数据绘出电源的四条外特性曲线,并总结、归纳各类电源的特性。
2.从实验结果,验证电源等效变换的条件。
3.心得体会及其他。
实验三 正弦稳态交流电路相量的研究
一、实验目的
1.研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2.掌握日光灯线路的接线。
3.理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明图11-1
1.在单相正弦交流电路中,用交流电流表测得
各支路的电流值,用交流电压表测得回路各元件两
端的电压值,它们之间的关系满足相量形式的基尔
霍夫定律,即ΣI=0和ΣU=0。
2.图11-1所示的RC串联电路,在正弦稳态信
号U的激励下,UR与UC保持有90º的相位差,即当图11-2
ֹ
R阻值改变时,UR的相量轨迹是一个半圆。
U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三
角形,如图11-2所示。
R值改变时,可改
变φ角的大小,从而达到移相的目的。
3.日光灯线路如图11-3所示,图中A
是日光灯管,L是镇流器,S是启辉器,图11-3
C是补偿电容器,用以改善电路的功率因数(cosφ值)。
有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
0~500V
1
上右
2
交流电流表
0~5A
1
上右
3
功率表
1
DGJ-07-1
4
自耦调压器
1
左上
5
镇流器、启辉器
与40W灯管配用
各1
DGJ-04
6
日光灯灯管
40W
1
屏内
7
电容器
1μF,2.2μF,4.7μF/500V
各1
DGJ-05
8
白炽灯及灯座
220V,15W
1~3
DGJ-04
9
电流插座
3
DGJ-05
图17-3
四、实验内容
1.按图11-1接线。
R为220V、15W的白炽灯泡,电容器为4.7μF/450V。
经指导教师检查后,接通实验台电源,将自耦调压器输出(即U)调至220V。
记录U、UR、UC值,验证电压三角形关系。
测量值
计算值
U(V)
UR(V)
UC(V)
U’(与UR,UC组成Rt△)
(U’=
)
△U=U’-U(V)
△U/U(%)
2.日光灯线路接线与测量。
图11-4
按图11-4接线。
经指导教师检查后接通实验台电源,调节自耦调压器的输出,使其输出电压缓慢增大,直到日光灯刚启辉点亮为止,记下三表的指示值。
然后将电压调至220V,测量功率P,电流I,电压U,UL,UA等值,验证电压、电流相量关系。
测量数值
计算值
P(W)
Cosφ
I(mA)
U(V)
UL(V)
UA(V)
r(Ω)
Cosφ
启辉值
正常工作值
3.并联电路──电路功率因数的改善。
按图11-5组成实验线路。
图11-5
经指导老师检查后,接通实验台电源,将自耦调压器的输出调至220V,记录功率表、电压表读数。
通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流,改变电容值,进行三次重复测量。
数据记入下页表中。
电容值
测量数值
计算值
(μF)
P(W)
COSφ
U(V)
I(mA)
IL(mA)
IC(mA)
I’(A)
Cosφ
0
1
2.2
4.7
五、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V,务必注意用电和人身安全。
2.功率表要正确接入电路。
3.线路接线正确,日光灯不能启辉时,应检查启辉器及其接触是否良好。
六、预习思考题
1.参阅课外资料,了解日光灯的启辉原理。
2.在日常生活中,当日光灯上缺少了启辉器时,人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下,然后迅速断开,使日光灯点亮(DGJ-04实验挂箱上有短接按钮,可用它代替启辉器做一下试验。
)或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯,这是为什么?
3.为了改善电路的功率因数,常在感性负载上并联电容器,此时增加了一条电流支路,试问电路的总电流是增大还是减小,此时感性元件上的电流和功率是否改变?
4.提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法,而不用串联法?
所并的电容器是否越大越好?
七、实验报告
1.完成数据表格中的计算,进行必要的误差分析。
2.根据实验数据,分别绘出电压、电流相量图,验证相量形式的基尔霍夫定律。
3.讨论改善电路功率因数的意义和方法。
4.装接日光灯线路的心得体会及其他。
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- 09 机械 电工 技术 实验 指导书