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电工上册实验
实验一 基尔霍夫定律和戴维南定理
一、实验目的
1.通过实验验证基尔霍夫电流定律和电压定律,巩固所学理论知识2.加深对参考方向概念的理解。
二、实验原理
基尔霍夫定律是电路理论中最基本也是最重要的定律之一,它概括了电路中电流和电压分别遵循的基本规律,它包括基尔霍夫电流定律(KCL)和基尔霍夫电压定律(KVL)。
基尔霍夫节点电流定律:
电路中任意时刻流进(或流出)任一节点的电流的代数和等于零,其数学表达式为:
∑I=0 (2-1)
此定律阐述了电路电路任一节点上各支路电流间的约束关系,这种关系,与各支路上元件的性质无关,不论元件是线形的或是非线形的,含源的或是无源的,时变的或时不变的。
基尔霍夫回路电压定律:
电路中任意时刻,沿任意闭合回路,电压的代数和为零,其数学表达式为:
∑U=0 (2-2)
此定律阐明了任意闭合回路中各电压间的约束关系,这种关系仅与电路的结构有关,而与构成回路的各元件的性质无关,不论这些元件是线形的或非线形的,含源的或无源的,时变的或时不变的。
参考方向:
KCL和KVL表达式中的电流和电压都是代数量,它们除具有大小之外,还有其方向,其方向是以它量值的正、负表示的,为研究问题方便,人们通常在电路中假定一个方向为参考,称为参考方向,当电路中的电流(或电压)的实际方向与参考方向相同时取正值,其实际方向与参考方向相反时取负值。
例如,测量某节点各支路电流时,可以设流入该节点的电流方向为参考方向(反之亦可),将电流表负极接到该节点上,而将表的正极分别串入各条支路,当电流表指针正向偏转时,说明该支路电流是流入节点的,与参考方向相同,取其值为正,若指针方向方向偏转,说明该支路是流出节点,与参考方向相反,倒换电流表极性,再测量,取其值为负。
将测量的结果填如表2-1中
表2-1
计算值
测量值
误差
I1(mA)
I2(mA)
I3(mA)
ΣI
图2-1
2.验证基尔霍夫回路电压定律(KVL)
实验电路与图2-1相同,用联接导线将三个电流借口短路。
取两个验证回路:
回路1为ABEFA,回路2为BCDEB。
由电压表依次测取ABEFA回路中各支路电压UBC、UCD、UDE、UEB,将测量结果填入表2-2中。
测量时可选逆时针方向为绕行方向,并注意电压表的指针偏转方向及取值的正与负。
表2-2
UAB
UBE
UEF
UFA
回路I
ΣU
UBC
UCD
UDE
UEB
回路Ⅱ
ΣU
计算值
测量值
误差
(二)戴维南定理
本实验在电路单元板上进行,按图2-2接线,使U1=25V,选择CD两端左侧为一端口含源网络。
1.测量含源一端口网络的外部伏安特性:
调节含源一端口网络外接电阻RL的数值,使其分别为表2-3中的数值,测量通过R2的电流(X5和X6电流接口处电流表读数)和两端电压,将测量结果填入表2-3中,其中RL=0时的电流称为短路电流。
表2-3
RL(Ω)
0
500
1K
1.5K
2K
2.5K
开路
I(mA)
U(V)
图2-2
2.验证戴维南定理
(1)测量C、D端口网络的开路电压UOC
第一种方法:
直接测量法
当含源一端口网络的入端等效电阻RI与电压表内阻RV相比可以忽略不计时,可以直接用电压表测量其开路电压UOC。
第二种方法:
补偿法
当一端口网络的的入端电阻RI与电压表内阻RV相比不可忽略时,用电压表直接测量其开路电压UOC,就会影响被测电路的原工作状态,使所测电压与实际间有较大的误差。
补偿法可以排除电压表内阻对测量所造成的影响。
图2-4补偿法则一断口网络的开路电压
图2-4是用补偿法测量电压的电路,测量步骤如下:
①用电压表初测一端口网络的开路电压,并调整补偿电路中分压器的电压,使它近似等于初测的开路电压。
②将C、D与C’、D’对应相接再细调补偿电路中分压器的输出电压,使检流计G的指示为零。
因为G中无电流通过,这时电压表指示的电压等于被测电压,并且补偿电路的接入没有影响被测电路的工作状态。
表2-4
R’L(Ω)
0
500
1K
1.5K
2K
2.5K
开路
I(mA)
U(V)
(2)用补偿法(或直接测量法)所测得的开路电压UOC和步骤1中测得的短路电流(RL=0)ISC,计算C、D端入端等效电阻。
RCD=RI=UOC/ISC
(3)构成戴维南等效电路如图2-5,其中电压源用直流稳压电源代替,调节电源输出电压,使之等于UOC,RI用电阻箱代替,在C、D端接入负载电阻RL。
按和表2-3中相同的电阻值,测取电流和电压,填入表2-4。
(4)将表2-3和2-4中的数据进行比较,验证戴维南定理。
图2-5戴维南等效电路
五、实验报告及要求
1、利用表2-1和表2-2中的测量结果说明基尔霍夫两个定律的正确性。
2、利用图2-1中所给数据,通过电路定律计算各支路电压和电流,并计算测量值与计算值之间的误差,分析误差产生的原因。
3、在同一张坐标纸上画出原一端口网络和各等效网络的伏安特性曲线,并做分析比较,说明如何验证戴维南定理。
4、回答下列思考题
(1)已知某支路电流为3mA,现有量程分别为5mA和10mA两只电流表,你将使用哪只电流表进行测量?
为什么?
(2)改变电流或电压的参考方向,对验证基尔霍夫定律有影响吗?
为什么?
*(3)对于图2-4,如果在补偿法测量开路电压时,将C’与D’相接,D’与C’相接,能否达到测量电压UCD的目的?
为什么?
实验二日光灯电路功率因数的提高
一、实验目的
1.掌握日光灯电路的工作原理及电路联接方法。
2.通过测量电路功率,进一步掌握功率表的使用方法。
3.掌握改善日光灯电路功率因数的方法。
二.预习提要
1.掌握感性负载提高功率因数的方法、意义、矢量图等内容。
2.熟悉日光灯电路原理。
日光灯电路主要是由日光灯管、镇流器、启辉器等元件组成,电路如图3-1所示:
图3-1日光灯电路
灯管两端有灯丝,管内充有惰性气体(氩气或氪气)及少量水银,管壁涂有荧光粉。
当管内产生弧光放电时,水银蒸气受激发,辐射大量紫外线,管壁上的荧光粉在紫外线的激发下,辐射出接近日光的光线,日光等的发光效率较白炽灯高一倍多,是目前应用最普遍的光源之一,日光灯管产生放电的条件,一是灯丝要预热并发射热电子,二是灯管两端需要加一个高的电压是管内气体击穿放电,通常的日光灯管本身不能直接在220V电源上使用。
启辉器有两个电极,一个是双金属片,另一个是固定片,二极之间有一个小容量电容器。
一定数值的电压加在启辉器两端时,启辉器产生辉光放电,双金属片因放电而受热伸直,并与静片接触,而后启辉器因动片与静片接触,放电停止,冷却且自动分开。
镇流器是一个带铁芯的电感线圈。
电源接通时,电压同时加到灯管两端和启辉器的两个电极上,对于灯管来说,因电压低不能放电;但对启辉器,此电压则可以起辉、发热并使双金属片伸直与静片接触。
于是有电流流过镇流器、灯丝和启辉器,这样灯丝得到预热并发射电子,经过1-3秒后,启辉器因双金属片冷却,使动片与静片分开。
由于电路中的电流突然中断,便在镇流器两端产生一个瞬时高电压,此电压与电源电压迭加后加在灯管两端,将管内气体击穿而产生弧光放电。
灯管点燃后,由于镇流器的作用,灯管两端的电压比电源电压低得很多,一般在50-100V。
此电压已不足以使启辉器放电,故双金属片不会再与静片闭合。
启辉器在电路中的作用相当于一个自动开关。
镇流器在灯管启动时产生高压,有启动前预热灯丝及启动后灯管工作时的限流作用。
日光灯电路实质上是一个电阻与电感的串联电路。
由于电感量较大,整个电路的功率因数是比较低的,为了提高功率因数,我们乐意在灯管与镇流器串联后的两端并联电容器实现。
三、实验设备
1.日光灯管、座40W一套(实验台顶部);
2.镇流器、开关单元板(TS-B-19)一块;
3.熔断器、启辉器单元板(TS-B-20)一块;
4.电容器组单元板(TS-B-21)一块;
5.电流测量插口(TS-B-22)一块;
6.交流电压表(TS-B-04)一块;
7.交流电流表(TS-B-05)一只;
8.功率表一块和导线若干。
四.实验内容及步骤
1.在实验台上选择镇流器与开关、启辉器与熔断器、电流测量插口,并联电容器组等单元板及实验台顶部的日光灯管联接成图3-2所示电路。
图3-2日光灯改善功率因数实验电路
2.闭合开关S,此时日光灯应亮,如用并联电容器组完成实验,则从0逐渐增大并联电容器,分别测量总电流I,灯管电流ID1、电容器电流IC,功率P。
将数值填入表3-1,并做相应计算(测量P计算cosψ)。
表3-1
电容(uF)测量项目
0
U(V)
I(mA)
IC(mA)
ID(mA)
P
cosψ=P/UI
3.若并联动态电路板上4μF电容完成本实验,则应在并联电容器前,测量灯管两端电压UD,镇流器两端电压UL,总电流I(此时等于通过灯管的电流),及总功率P和灯管所消耗的功率PD,将数据填入表3-2。
然后,并联4μF电容器,除再测量上述数据外,还应测量通过电容器的电流IC和通过灯管中的电流ID,测量日光灯管消耗功率PD的电路图,如图3-3。
将数据填入表3-2中,并做相应计算。
表3-2
电容(uF)测量项目
I
ID
IC
U
UD
UL
P
cosψ=P/UI
并联前
并联后
图3-3日光灯电路测量灯管功率
五、实验报告
1.根据表3-1中的数据,在坐标纸上绘出ID=f(c),IC=f(c),I=f(c),cosψ=f(c)等曲线。
2.从测量数据中(表3-1和表3-2),求出日光灯等效电阻,镇流器等效电阻,镇流器电感。
3.回答下列问题
(1)U1和UD的代数为什么大雨U?
(2)并联电容器后,总功率P是否变化?
为什么?
(3)为什么并联电容器后总电流会减少?
绘向量图说明
实验三三相交流电路及功率的测量
一、实验目的
1.学习三相电路中负载的星型和三角形联接方法。
2.通过实验验证对称负载做星型和三角形连接时,负载的线电压UL和相电压UP,负载的先电流IC和相电流IP间的关系。
3.了解不对称负载做星型联接时中线的作用。
4.学习用三瓦特表法和二瓦特表法测量三相电功率。
二、预习提要和实验原理
1.当对称负载做星型连接时,其线电压和相电压,线电流和相电流之间的关系是
UL=
UP
IL=IP
做三角形连接时,它们的关系是
UL=UP
IL=
IP
三相总有功功率为P=3PP=ULILcosψ
2.中线的作用
3.三相有功功率的测量方法有三瓦特计法和二瓦特计法两种。
三瓦特计法,通常用于三相四线制,该方法是用三个瓦特计分别测量出各相消耗的有功功率,其接线图如图4-1所示。
三个瓦特计所测功率数的总和,就是三相负载消耗的总功率。
图4-1三瓦特计法测量三相电功率
二瓦特计法通常用于测量三相三线制负载功率,其接线如图4-2所示,不论负载对称与否,两个瓦特表的读数分别为:
W1AW=IAUANcos(ψ-30°)=ILULcos(ψ-30°)
W2BW=IBUBNcos(ψ+30°)=ILULcos(ψ+30°)
式中ψ为负载的功率因数角。
三相总功率为两个瓦特计读数的代数和。
当ψ<60°时,其中两个表读数均为正值,总功率为二瓦特计读数之和;当ψ>60°时,一个表读数为负值,总功率为二瓦特读数之差。
本实验负载为白炽灯泡,接近纯电阻性负载,ψ=0°,故二瓦特计读数为正值,三相总功率为两个瓦特计读数之和。
(a)负载星型联接
(b)负载三角形联接
图4-2 二瓦特计测三相功率
为充分利用仪表,保证仪表的安全使用和更方便地进行测量,本实验中我们将电流表、电压表和功率表接成图4-3所示的电路。
这样便可以用一个瓦特计、一个电流表和一个电压表同时测量各(线)相的电流、电压和电功率,用这个测量电路进行测量时,只要将电流测量插口插入待测电路的电流插口中,并将电压表笔接到待测电压接点上,就可以同时读出电流、电压和电功率,使用方法十分方便。
(注意事项:
使用瓦特表时,应参照仪表说明书,注意仪表的接法和读数方法,无论流过电流线圈的电流还是加在电压线圈上的电压,均不应超过额定值,否则线圈破坏。
)
图4-3仪表测量电路
三、实验仪器设备
1.三相白炽灯负载单元板(TS-B-23)三块
2.电流测量插口单元板(TS-B-22)一块
3.三相负荷开关单元板(TS-B-18)一块
4.交流电流表(2A)(TS-B-05)一只
5.交流电压表(450V)(TS-B-08)一只
6.单相瓦特表 一只
7.电压表测试笔 一只
8.三相调压器一台(或中心控制柜输出220V线电压)
四、实验内容及步骤:
1.星型联接负载
(1)把电流表、电压表接成图4-4所示的仪表电路;
(2)选取灯泡负载单元板,电流测量插口单元板及三相负荷开关单元板,安放在实验台架的合适位置上,按图4-4将灯泡负载接成星型接法的实验电路;
(3)每相均开三盏灯(对称负载);
(4)测量各线电压、线电流、相电压、中线电流及用三瓦特计法和二瓦特计法测量三相电功率,并将所测得的数据填入表4-1中。
表4-1
(注意:
二瓦特计法只有P1、P2即可)
(5)将三相负载分别改为,接上中线,观察各灯泡亮度是否有差别,然后拆除中线(断开串接在中线上开关S),再观察各等亮度是否有差别。
重复步骤(4)的测量内容并测量无中线时电源中性点N与负载中性点N’之间的电位差UNN’,将测量数据填入表4-1中。
在断开中线时,观察亮度及测量数据,动作要迅速。
不平衡负载无中线时,有的相电压太高容易烧毁灯泡。
图4-4星型负载实验电路
2.三角形接法负载
(1)按照图4-5联接成三角形负载的实验电路,注意此时需要三相调压电源,将线电压调为220V。
(2)每相开3盏灯(对称负载),测量各线电压、线电流、相电流、及用二瓦特计法测功率,并将所测得的数据填入表4-2中。
(3)关闭部分灯泡,使每相负载分别为,并将测量数据填入表4-2中。
(4)如实验室无三相调压器,也可将三个灯泡或两个灯泡串联成三角形接法实验。
图4-5三角形接法负载实验电路
表4-2
测量项目
负载情况
负载相电压(V)
负载线电流(A)
功率(W)
相电流(A)
UAB
UBC
UCA
IB
IC
IA
P1
P2
P总
IAB
负载对称
负载不对称
五、实验报告要求:
1.整理实验数据,说明在什么条件下具有IL=
IP,UL=
UP
的关系?
2.中线的作用是什么?
什么情况下可以省略?
什么情况下不可以省略?
3.能否用二瓦特计法测三相四线制不对称负载的功率?
为什么?
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