机制电工实验讲义34汇总.docx

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机制电工实验讲义34汇总

电工电子技术

（汽车/机制）

实验指导书

实验须知

一、实验注意事项

1．请不要迟到、旷课。

对于旷课的同学，取消该同学该实验成绩。

迟到20分钟内的同学要酌情扣分（5－40分），迟到20钟以上按旷课处理。

请假或补假须经系同意并盖章。

2．实验前每位同学要预习，阅读实验教材，熟悉实验线路及内容，了解仪器设备的使用，画出实验所需的数据记录图表，初步估算（或分析）实验结果（包括各项参数和波形），完成预习报告（包括预习思考题目）。

3．进实验室后，检查所用仪器设备是否齐全，能否满足实验要求。

4．为减少接线差错，每个接头或焊接端所连接线头一般不超过两个。

接线时主电路应从电源的一端开始，先接主要的串联电路，后接各个并联支路，终止于电源的另一端。

最后须经指导教师同意后方可接通电源。

5．实验过程中，如发现有异常声音、火花、异常气味、超量程等不正常现象时，应立即切断电源。

待找出原因并排除故障后，经指导教师同意方可继续进行实验。

6．测量数据和调整仪器要认真仔细，注意人身及设备的安全。

对220V以上的电压要特别小心，严禁带电接、拆线路，人体严禁接触线路中带电的金属部位，以免发生人身触电事故。

7．实验结束时，可将记录结果送有关指导老师审阅签字。

经老师同意后方可拆除线路，清理现场。

8．凡是违章操作损坏设备者，要写出事故原因，并接实验室有关条例处理。

二、电工实验的一般过程

1．到达实验室后，先签到并交预习报告，无预习报告或预习报告不合格的同学原则上不能做实验。

2．检查所在实验台的设备是否完好（主要检查万用表及实验台电源是否被烧毁）。

3．每张实验台元器件均已摆放好，未经老师允许禁止实验台之间互换、借用设备。

4．实验内容完成后，实验结果须经指导教师认可，在教师同意后才能拆线。

5．拆线前必须先切断电源，最后应将全部仪器设备及器材复位，清理好导线、工具、元器件，等老师检查并签字后方可离开实验室。

三、对实验报告的要求

实验报告是实验工作的全面总结，报告要求文理通顺，简明扼要，字迹端正，图表清晰，分析合理，讨论深入，结论正确。

实验报告一般要求应有如下内容。

⒈实验日期、同组人姓名、名称、目的、和使用的仪器设备的名称、规格等。

⒉分析实验原理、及实验的方法、手段及实验的一般过程。

⒊根据实验数据整理成数据表格或根据要求绘制成曲线、波形图等。

⒋记录实验中出现的问题、现象及故障的处理分析。

５.分析处理实验结果（包括误差分析、结论、实验问题的解答、实验收获及心得体会、意见等），具体请参考每个实验中最后一项要求。

实验一基本仪器仪表的使用及基本定理的测定

一、实验目的

（1）熟悉电工实验工作台的结构特点及其器件的使用，掌握实验的基本方法。

（2）熟悉电工仪器仪表的主要技术性能指标及其使用方法，掌握电压、电流等电路基本参数的测量方法和测量误差的计算方法。

（3）验证基尔霍夫定律和叠加原理的正确性，加深对基尔霍夫定律和叠加原理的理解。

二、实验设备及材料

通用电学实验台，直流稳压电源，直流电压表、直流电流表（或万用表），电阻和导线一批。

三、实验原理

1、电路基本参数测量

电压、电流等电路基本参数测量，主要是利用电压表、电流表（或万用表）进行直接测量。

在测量电压时，应把电压表并联在被测负载的两端。

为了使电压表并入后尽量不影响电路原工作状态，要求电压表的内阻远大于被测负载的电阻。

测量电流时，电流表必须串联在被测电路中。

电流表的内阻都很小，如果把电流表并接在负载两端，电流表将因流过很大的电流而烧毁。

测量直流电压和直流电流时，常用磁电式电流表。

在使用时必须注意仪表的正负极性必须和电路一致，否则仪表的指针将会反转，可能造成仪表损坏。

测量交流电压和交流电流时，常用电磁式电流表。

交流表的使用方法与直流表相同，只是没有极性之分，其测量的是有效值。

2、基尔霍夫电流定律KCL和电压定律KVL

KCL指出：

在电路中，在任何时刻，流进和流出任何一个节点的电流代数和为零。

即：

∑i（t）=0，或∑I=0（直流电路）。

KVL指出：

在电路中，在任何时刻，任何一个回路或网络的电压降的代数和为零。

即：

∑u（t）=0，或∑U=0（直流电路）。

KCL和KVL是电路分析理论中最重要的基本定律，适用于线性电路、非线性电路、时变或非时变电路的分析和计算；也适用于时域或其他域（如频域）电路。

3、叠加原理

在线性电路中，任何一条支路的电流（或其两端的电压），都可以看成是由电路中各个电压源（或电流源）单独作用时，在此支路中产生的电流（或电压）的代数和。

某电压源（或电流源）单独作用时，其他所有电压源（或电流源）均置零，即理想电压源短路，理想电流源开路。

4、实验电路

实验电路如图1.1.1所示，其中电路元件的参考值为：

R1=150Ω，R2=100Ω，R3=300Ω，R4=100Ω，R5=200Ω，US1=12V，US2=6V。

四、实验内容

1、电路基本参数测量（基本测量方法练习实验）

（1）按图1.1.1所示连接实验电路。

（2）以图1.1.1中的G点作为电位的参考点，用直流电压表（或万用表直流电压档）分别测量各点的电位UA、UB、UC、UD、UE，及相邻两点之间的电压值UAB、UBC、UCD、UDE、UEG、UGA，并对以上测量项目进行理论计算，将数据记入表1-1-1中。

表1-1-1电压测量数据记录/V

测量项目

UA

UB

UC

UD

UE

UAB

UBC

UCD

UDE

UEG

UGA

测量值

计算值

相对误差

（3）用直流电流表（或万用表直流电流档）分别测量图1.1.1中三支路电流I1、I2及I3，并对以上测量项目进行理论计算，将数据记入表1-1-2中。

表1-1-2电流测量数据记录与基尔霍夫电流定律的验证/mA

测量项目

I1

I2

I3

∑I（节点C）

测量值

计算值

相对误差

实验注意事项：

①使用指针式仪表时，要特别注意指针的偏转情况，及时调换表笔的极性，防止指针打弯或损坏仪表。

②电位是相对于某参考点的电压值。

测量电位时，把万用表调到相应的电压量程，用负极黑色表笔接参考电位点，正极用红色表笔接触被测点。

若指针正向偏转，则表明该点电位为正，即高于参考点电位；若指针反向偏转，应调换万用表的表笔，此时读出的读数应加一负号，表明该点电位低于参考点电位。

③电压是任意两端之间的电位差。

如测量电压UAB时，应先用黑色表笔接B点，用红色表笔接A点。

若指针正向偏转，则表明该电压值为正；若指针反向偏转，应调换万用表的表笔，并表明该电压值为负值。

④直流电流的测量同样应注意标定的参考方向与及数值的正负问题。

测量直流电流时，首先按标定的电流参考方向（从正极流向负极）接入直流电流表，若指针正向偏转，则表明该电流值为正，实际电流方向与参考方向相同；若指针反向偏转，应调换万用表的表笔，并表明该电压值为负值，实际电流方向与参考方向相反。

⑤所有需要测量的电压、电流值，均应以电压表、电流表测量的读数为准，不能采用电源表盘的指示值。

⑥要防止电压源两端碰线电路、电流源两端开路。

注意及时更换仪表的量程。

使用万用表时还要注意测量对象，特别注意不要把电流表并联在电路的两端。

2、基尔霍夫定律的验证（验证性实验）

（1）选择实验电路中的任何一个闭合回路，直接引用表1-1-1中已有的电压测量数据，填写表1-1-3，验证基尔霍夫电压定律的正确性。

（2）根据前面电流测量数据（表1-1-2），验证基尔霍夫电流定律的正确性（直接填入表1-1-2中）。

表1-1-3基尔霍夫电压定律的验证/V

测量项目

回路ABCGA

回路CDEGC

回路ABCDEGA

UAB

UBC

UCG

UGA

∑U

UCD

UDE

UEG

UGC

∑U

测量值

（利用左边数据验证）

计算值

3、叠加原理的验证（综合设计性实验）

参照基尔霍夫定律的验证实验，设计验证叠加原理的实验。

要求设计验证实验电路（给出电路中各元器件的具体参数），列出实验所需要的主要设备和材料，写出实验内容（实验方法与步骤），画出相应的实验数据记录表格，并进行实验验证。

五、预习要求

1、学习实验室规章制度和安全用电知识。

熟悉实验室供电情况。

2、到实验室熟悉实验使用的实验工作台，了解实验器件，掌握实验方法。

3、阅读常用电工仪器仪表说明书（使用手册），了解仪器仪表的主要技术性能指标及其使用方法。

熟悉电压、电流等电路基本参数的测量方法和测量误差的计算方法。

4、熟悉实验原理，了解实验内容，完成数据记录表格中有关的理论计算。

5、确定综合设计性实验（实验内容3）方案。

六、实验报告与思考题

1、按实验内容整理记录数据，分析误差并解释原因。

2、根据实验数据表格，进行分析、比较、归纳，总结实验结论。

实验二有源二端网络等效参数的测定

一、实验目的

（1）验证戴维南定理和诺顿定理的正确性，加深对戴维南定理和诺顿定理的理解。

（2）掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法。

（3）进一步掌握电工仪器仪表的使用方法。

二、实验设备及材料

通用电学实验台，直流稳压电源，直流电压表、直流电流表（或万用表），电阻和导线一批。

三、实验原理

1、戴维南定理

任何一个有源二端线性网络，都可以用一个理想电压源US和内阻R0的串联电路来表示，其等效电压源的电动势US等于这个有源二端网络的负载开路电压UOC，等效内阻R0为该网络中所有独立电源均置零（理想电压源短路，理想电流源开路）得到的无源网络的等效电阻Req。

US和R0称为这个有源二端网络的等效电压源参数。

2、诺顿定理

任何一个有源二端线性网络，都可以用一个理想电流源IS和内阻R0的并联电路来表示，其等效电源的电流IS等于这个有源二端网络的负载短路电流ISC，等效内阻R0为该网络中所有独立电源均置零后得到的无源网络的等效电阻Req。

IS和R0称为这个有源二端网络的等效电流源参数。

3、有源二端网络等效参数的测量方法

（1）测量有源二端网络的开路电压UOC的方法

①直接测量当电压表的内阻远大于网络内阻时，可直接用电压表或万用表的电压档测量。

②补偿测量（零示法）补偿测量法适宜测量具有高内阻有源二端网络。

其测量原理如图1.2.1所示，用高精度可调稳压电源与被测网络输出进行比较，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，即为被测二端网络的开路电压。

（2）测量有源二端网络的戴维南等效内阻R0的方法

①直接测量对于不含受控源的纯电阻性网络，其等效内阻可以将所有独立源置零后，直接用万用表欧姆档进行测量。

由于此方法忽略了电源的内阻，故误差比较大。

②开路电压-短路电流法测量开路电压UOC和短路电流ISC。

其等效内阻为：

（1-2-1）

这种方法适用于UOC较大而且ISC不超过额定值的情况，对含有可控源的网络常用此法。

③伏安法若二端网络的内阻很低时，不宜测量其短路电流，则可采用伏安法测量。

根据有源二端网络的外特性曲线的斜率tanφ（图1.2.2），即为等效内阻值：

（1-2-2）

测量开路电压UOC及电流为额定值IN时的输出电压UN，则内阻为：

（1-2-3）

④半电压法测量电路如图1.2.3所示，当负载电压为被测网络开路电压的一半时，负载电阻即为被测二端网络的等效内阻值。

四、实验内容

1、戴维南定理的验证（验证性实验）

（1）按如图1.2.4（a）所示连接实验电路，其中电路元件的参考值为：

US=12V，R1=200Ω，R2=300Ω，R3=300Ω，R4=200Ω，负载电阻RL=240Ω。

（2）等效参数的测量

①测量输出电流I用直流电流表（毫安表）测量输出电流I，将结果记入表1-2-1。

②测量开路电压UOC将负载电阻RL开路，如图1.2.4（b）所示，测量开路电压UOC，将结果记入表1-2-1中。

③测量短路电流ISC将负载电阻RL短路，如图1.2.4（c）所示，测量短路电流ISC，将结果记入表1-2-1中。

④测量等效电阻Req（R0）将负载电阻RL短路，置US=0，如图1.2.4（d）所示，用万用表电阻档测量等效电阻Req（R0），将结果记入表1-2-1。

⑤根据测量电路对以上测量项目进行理论计算，将计算结果记入表1-2-1中，分析误差并解释比较结果。

（3）负载实验

在图1.2.4（a）实验电路中，按表1-2-2改变负载RL，用直流电流表（毫安表）测量输出电流I。

同时用戴维南定理进行等效后的电路（等效电压源US=2.4V,R0=240Ω）计算输出电流I，将结果记入表1-2-2中，与测量值比较，分析误差并解释比较结果。

表1-2-1戴维南等效参数测量数据记录

测量项目

I/mA

UOC/V

ISC/mA

Req/Ω

R0=UOC/ISC/Ω

测量值

计算值

相对误差

1-2-2负载实验测量数据记录

RL/Ω

50

100

150

240

400

备注

I测量

等效电压源US=2.4VR0=240Ω

I计算

相对误差

实验注意事项：

①测量时应根据计算值预先调整仪表的合适量程，注意仪表的极性及数据表格中“+”、“-”号的记录。

②改接线路时，要关掉电源。

③电源置零时不能直接将稳压电源两端短接。

正确的方法是：

移去电压源，在原电压源所接的两端用导线相连短接。

2、诺顿定理的验证（综合设计性实验）

参照的戴维南定理验证实验，设计诺顿定理的验证实验。

要求给出验证实验电路及电路中各元器件的具体参数，列出实验所需要的主要设备和材料，写出实验内容，设计相应的实验数据记录表格，并进行实验验证。

五、预习要求

1、熟悉实验原理，了解实验内容，完成表格数据记录及相关的理论计算。

2、确定综合设计性实验（实验内容2）方案。

六、实验报告与思考题

1、按实验内容整理记录数据，分析误差并解释原因。

2、根据实验数据表格，进行分析、比较、归纳，总结实验结论。

实验三交流电路中阻抗和功率因数的测定

*预习要求

（1）写出并掌握实验目的、设备、原理及实验内容、步骤，并将记录数据的表格画好。

（2）思考并回答：

日光灯电路中镇流器为什么能起到镇流的作用？

（3）思考并回答：

图4中，K1闭合后3个电流表会怎样摆动？

再将K2闭合后电流表的指针又会怎样摆动（用变大、变小或不变回答）？

为什么？

1实验目的

（1）学习交流电路中阻抗及功率因数的测定方法。

（2）加深对功率因数概念的理解，并学习一种提高交流电路功率因数的方法。

（3）了解日光灯的工作原理和日光灯各部件的作用，学会安装日光灯。

2实验仪器及设备

ZH-12型通用电学实验台、交流电流表、万用表、日光灯一套、电容器、开关、导线等。

3实验原理

3.1交流电路中阻抗的测定

测定交流阻抗的方法很多。

本实验只介绍U-A法及U-A-P法。

（1）U-A法交流阻抗或复阻抗在极坐标中用它的模及幅角来表示，在复平面的直角坐标中用它的实部及虚部来表示。

无论用哪种方法来表示，都必须有两个参数来表征。

所以，必须由两个方程来解。

这样测定交流阻抗就比直流电阻的伏安法要复杂些。

U-A法测交流阻抗的原理电路图如1所示。

用交流电压表分别测出电源电压U、变阻器

上的电压

及被测阻抗Z上的电压

。

同时由交流电流表测出通过Z的电流I。

根据KVL将上述三个电压作矢量图见图2（选择滑线电阻的电压作参考量），由图上求出Z的幅角

。

而Z的模由式

（1）决定:

（1）

求得Z后，可进一步确定L（或C），以及对应的直流等效损耗电阻

。

（2）U-A-P法。

测试电路如图3所示。

负载Z的消耗功率为：

（2）

式中U为忽略电流表、功率表电流线圈内阻时，负载Z上的电压有效值。

I为忽略功率表电压线圈分流作用时，负载Z通过的电流有效值。

是Z的幅角，

是Z的功率因数。

所以，由

（2）式可求得：

=

（3）

进而可求出

、Z及等效直流损耗电阻R、电感值或电容值。

3.2日光灯功率及功率因数的测定

我们这里所说的功率是指整套日光灯器件消耗的功率，即包括镇流器，而非单指灯管消耗的功率。

所以整套日光灯可视作为一个感性负载（注意，镇流器本身是一个感性负载）。

功率因数可由

=

=

算出。

我们知道，一个感性负载总可以等效成一个纯电阻R与一个纯电感串联而成。

这样，当有交流电流通过它时，电源提供给感性负载能量的一部份，被R以功率

的形式消耗掉，这是我们所需要的。

能量的另一部份贮存在电感L中，这部份能量在电源与负载之间来回吞吐，除了在传输导线的电阻白白消耗一部份外，并不能被负载充分地利用。

因而，电路的功率因数很低，为解决这个问题，通常是在电路的感性负载两端并联一个电容来提高电路的功率因数。

具体内容参见有关的文献。

日光灯电路并联电容后的相量图参见图5。

其中

、

为日光灯的电流和功率因数角；

、

为并联电容后整个电路的总电流和功率因数角。

由cos

提高到cos

所需的电容值C为：

（

）

3.3日光灯的工作原理

（1）日光灯的构成及各部分的作用。

日光灯主要由灯管、镇流器、启动器三部分构成。

灯管：

灯管是一根装有两组灯丝的密封园形玻璃管，管子内壁涂有荧光粉，灯管抽成真空之后，注入惰性气体（氩气等）和少量水银。

灯管两端各有一组灯丝。

灯丝由钨丝绕成，表面涂有氧化钡等物质。

其作用是使灯丝容易发射电子。

镇流器：

镇流器实质上就是一个铁心线圈，其作用有两个：

①启动时，与启动器配合产生一个瞬时高压，加在灯管的两组灯丝这间，促使灯管导通。

②灯管导电、点燃之后，镇流器用以限制通过灯管的电流，因而取名为镇流器。

启动器（启辉器）：

由装在铝壳里的小玻璃泡的小电容器构成。

结构如图5所示，小电容的作用有两个：

①避免启动器两触头断开时产生火花，烧坏触头。

②防止灯管内部气体放电时产生的电磁波对无线电设备的干扰。

日光灯电容器：

用以提高日光灯的功率因数。

（2）工作原理.

原理图如图4，接通电源以后，由于灯管未导电（点亮），电源电压全部加在启动器两端，此电压高于启动器的起辉电压（有效值135V），所以启动器的双金属片与静触片之间发生辉光放电。

辉光放电产生的热量使双金属片伸展，与静触片相碰，接通由镇流器和灯管的两组灯丝构成的电路，灯丝予热并发射电子，发射出的电子促使灯管内的氩气分子游离，灯丝予热产生的热量使管子里的水银蒸发变成水银蒸气。

双金属片与静触片相碰以后，辉光放电停止。

辉光放电停止后，双金属片开始冷却，渐向原位恢复，在此过程中，有那么一瞬间使原来接通的镇流器、灯丝回路，由接通状态变成断开状态。

在断开的一瞬间，因镇流器线圈中的电流突变会在线圈中感应出一个相当高的电动势。

此电动势与电源电压共同加在灯管的两端，促使灯管里的水银蒸汽和氩气离子发生弧光放电。

放电产生波长为2573埃（1埃=10-8厘米）的紫外线及少量可见光。

紫外线被荧光粉吸收后，转换成一种近似日光的可见光。

灯管导电发光后，由于镇流器的降压镇流作用，使灯管两端的电压低于启动器的起辉电压，因此启动器不会发生辉光放电而处于开路状态。

此时可以摘除启动器，而日光灯可以正常发光，但会对周围的无线电设备有不良影响。

4实验内容及步骤

4.1日光灯功率及功率因数的测定

（1）根据日光灯的额定工作电压及功率先选择好工作电源电压以及各仪表的量限。

（2）按图4接好测试电路，操作过程要注意人身安全，不得带电进行接线和更换元件。

（3）接好线后，在断电的情况下用万用表电阻档对电路进行通路检查。

（4）闭合开关K1（此时开关K2断开）日光灯工作，记录流过电路的总电流、总电压，以及流过镇流器，灯管，电容的电流和电压。

将上述数据填入表格1中，并计算此时功率因数及日光灯管的功率。

（5）闭合开关K2，即电路中加入电容器，再次记录流过电路的总电流、总电压，以及流过镇流器，灯管，电容的电流和电压。

将上述数据填入表格1中，并计算此时功率因数。

并用矢量图说明为什么总电流减小而功率因数却提高了。

4.2用U-A法测定镇流器在其额定工作状态下的电感及直流等效电阻

本实验应按日光灯电路中的实际状态选择测试条件。

即采用图4电路（开关K2断开），自已从表1中选出计算镇流器阻抗的数据。

表1

U总（v）

U镇（v）

U灯（v）

U容（v）

I总（mA）

I灯（mA）

I容（mA）

无电容

有电容

5实验注意事项

（1）电路连接要简洁，接好电路所有元器件后再接电源。

电源两端为相线和中性线Ｎ（不是地线）。

（2）交流电流表的插头对角线是同一个点，因此该表接入电路时不能以对角接线方式接入电路中。

（3）注意电容所在支路与总回路连接位置的正确性。

（4）实验用220V交流电源，在操作时要特别注意安全，不能用手支碰电路中裸露的金属物，改接电路或更换元件时，一定要先行切断电源。

（5）万用表使用时一定要记得换挡。

6实验分析

（1）用U-A法计算镇流器的阻抗，并画出镇流器的三电压矢量图。

（镇流器的总电压、电感电压、电阻电压）

（2）分别计算未并接电容和并接电容后，日光灯管的功率及整套日光灯电路的功率因数。

实验四三相电路的测量

*预习要求

（1）写出并掌握实验目的、设备、原理及实验内容、步骤，并将记录数据的表格画好。

（2）思考并回答：

你认为三相四线制中的中线上有必要安装保险丝吗？

为什么？

（3）思考并回答：

图1中，有的同学把要求被测的ＵAN’错测成ＵAN，你认为这两个电压有何不同？

（4）思考并回答：

图2中，在S1断开的情况下，发现6个灯泡（功率相同）都亮着，但B、C两相间的灯泡亮度明显比其他四个灯泡的亮度要亮，试分析该故障产生的原因？

1实验目的

（1）了解并掌握三相电源。

（2）掌握三相负载星形联接和三角形联接的方法。

（3）验证三相对称负载和不对称负载星形联接时，线电压与相电压，线电流与相电流之间的关系。

（4）验证三相对称负载和不对称负载三角形联接时，线电压与相电压，线电流与相电流之间的关系。

2实验仪器及设备

ZH-12型通用电学实验台、电流表、万用表、灯泡、导线等

3实验原理

3.1三相电源

目前，电力系统的主要供电方式是对称星形联接三相交流电源，即三相电动势的幅值（或有效值）相等，频率相同，相位相差120度。

低压电源采用三相四线制供电，有三根火线，分别用A、B、C表示，一根中线，用N表示。

任意两根火线之间的电压称线电压，任一根火线与中线之间的电压称相电压，它们的关系为：

。

3.2负载星形联接

有中线的情况

负载对称：

，

，

，

负载不对称：

，