第3章实际操作实验

3.1直流电路
3.1.1 实验目的

（1） 加深理解叠加定理和戴维南定理。
（2） 学习基本电工仪表和直流电源的使用方法。
（3） 学习测定有源二端网络等效内阻的方法。
（4） 加深对等效电路概念的理解。
3.1.2实验原理简述
1. 叠加定理

在有几个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看作由每一个独立源单独作用时，在该元件上所产生的电流或电压的代数和。
如图31(a)所示为叠加定理实验电路，图中E1、E2为直流稳压电源，其内阻可近似看作零，R1、R2、R3、R4、R5均为线性电阻。该电路在E1、E2的共同作用时(K1打向左边，K2打向右边)所产生的各支路电流I1、I2、I3及各电阻上的电压UAB、UCD、UAD、UDE、UFA应该分别等于电路中仅有E1作用时(K1、K2都打向左边)所产生的各支路电流I′1、I′2、I′3及各电阻上的电压U′AB、U′CD、U′AD、U′DE、U′FA与仅有E2作用时(K1、K2都打向右边)所产生的各支路电流I″1、I″2、I″3及各电阻上的电压U″AB、U″CD、U″AD、U″DE、U″FA的代数和。


图31叠加定理实验电路


图31（a）中
“”
为电流表插座，测量电流时，只要把电流表两测量端接上电流插头，然后把插头插入插座内，电流表即自动串入该支路，如图31(b)所示。 
2. 戴维南定理
任何一个线性有源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作一个线性有源二端网络，如图32(a)所示。
戴维南定理指出： 任何一个线性有源二端网络，就外部特性来说，可以用一个电压为UO的电压源和阻值为RO的电阻的串联组合等效置换。等效电压源的电压UO等于原有源二端网络的开路电压UOC，如图32(b)所示。内阻RO等于原有源二端网络除去全部独立源后的等效电阻。该串联组合即为戴维南等效电路，如图32(c)所示。 


图32戴维南定理相关电路


用实验的方法直接测出有源二端网络的开路电压UOC，即为该网络等效电压源的电压UO。
内阻RO可以通过三种实验方法求出。
（1） 方法一： 在网络可以除源的情况下(除去理想电压源后，电路中该两端短路，除去理想电流源后，电路中该两端开路)，直接用万用表的电阻挡测量除源后网络两端的电阻。
（2）  方法二： 在网络允许短路的情况下，用电流表测出该有源二端网络的短路电流ISC，再测出该有源二端网络的开路电压UOC，则内阻为


RO=UOCISC


此法称为开路电压、短路电流法。
（3） 方法三： 若二端网络内阻很低，不允许短路，可分别测出网络的开路电压UOC和该网络接上负载RL后，负载两端的电压UL，如图32(a)所示。 
因为

UL=RLRO+RLUO

所以可求得内阻RO为


RO=UO－ULULRL


此方法中，若负载RL为可调电阻，当调节负载电阻RL，使得负载电压UL为网络开路电压UOC的一半时，此时负载电阻RL的阻值就等于被测有源二端网络的等效内阻RO。此法称为半电压法。
由电压源UO与内阻RO相串联即构成了戴维南等效电路，该等效电路与原有源二端网络的外特性U=f(I)完全相同，这个关系将在实验中得到证实。
实验电路如图33(a)所示，它是一个线性有源二端网络。可用以上所述的方法求出它的戴维南等效电路，如图33(b)所示。


图33戴维南实验电路图

3.1.3实验仪器设备
实验仪器设备见表31。


表31实验仪器设备



序号名称型 号 规 格数量

1直流稳压电源SBL2
2直流稳流电源SBL1
3直流电压表SBL1
4直流电流表SBL1
5电阻510Ω/2W×3； 330Ω/2W×1

1kΩ/2W×1； 10Ω/2W×16
6电阻箱0~99999Ω/2W2
7电源插座3
8双刀双掷开关2
99孔插件方板297mm×300mm1
10导线若干

3.1.4 预习要求
（1） 叠加定理的实验中，电源E1单独作用或电源E2单独作用时，开关K1、K2应怎样操作？
（2） 根据实验电路图31（a）的参数进行仿真（计算），记录表32所列数据。


表32各支路电流和电阻电压的仿真（计算）值



仿真（计算）值E1E2UABUCDUADUDEUFAI1I2I3
单位VVVVVVVmAmAmA
E1

单独作用
E2

单独作用
E1、E2

共同作用

（3） 根据实验电路图33(a)进行仿真（计算），计算二端网络的戴维南等效电路图33(b)中的参数并填入表33中。


表33戴维南等效电路参数的仿真（计算）值



仿真（计算）项目UOC/VISC/mARO/Ω(计算)
仿真（计算）值

（4） 写出测量二端网络等效电压源的电压UOC、短路电流ISC的操作步骤。
（5） 本实验可用哪几种方法测出二端网络的等效电阻？



叠加定理
实验



3.1.5实验步骤
1. 验证叠加定理

E1、E2均为可调直流稳压电源，分别调节E1、E2，使E1=+12V，E2=+6V。根据图31(a)，把电源E1、E2接至电路中，完成表34的内容。




表34各支路电流和电阻电压的测量值



测量项目E1E2UABUCDUADUDEUFAI1I2I3

单位VVVVVVVmAmAmA
E1

单独作用
E2

单独作用
E1、E2

共同作用

2. 验证戴维南定理
按图33(a)接好线路，用开路电压、短路电流法，测定该有源二端网络的戴维南等效电路参数UOC、ISC，并计算出RO，填入表35。



表35戴维南等效电路参数的测量值



测量项目UOC/VISC/mARO/Ω(计算)
测量值

3. 测量二端网络的外特性
按表36的要求，调节图33(a)中负载电阻RL(用电阻箱代替)阻值。测出相应的负载端电压UL与流过负载的电流IL，完成表36中前两行的内容。
4. 测量等效电压源的外特性
取步骤2中的UOC(UO=UOC)和RO，按图33(b)接线，组成二端网络的等效电压源电路, 测出相应的负载端电压U′L与流过负载的电流I′L，完成表36中后两行的内容。




表36二端网络与等效电源电路的外特性



负载电阻/Ω

测量项目0100400500RO5506008001k2k5k∞

二端网络

UL/V
IL/mA


等效电源


U′L/V
I′L/mA

3.1.6实验总结
（1） 选取表34中部分电压和电流的实验数据，验证线性电路的叠加性。
（2） 选取叠加定理实验中部分支路电流与电阻电压的仿真（计算）值与实测值，计算其相对误差。
（3） 对戴维南实验中UOC、RO实测值与仿真（计算）值进行比较，分析其产生误差的原因。
（4） 在同一坐标上（用方格纸）分别绘出图33(a)、图33(b)的外特性UL=f(IL)、U′L=f(I′L), 验证戴维南定理的正确性。
3.1.7注意事项
（1） 直流稳压源不允许短路，直流恒流源不允许开路。
（2） 接线及测量时，以电路图所标的电流方向为参考方向。

3.2正弦稳态交流电路相量的研究
3.2.1实验目的

（1) 掌握正弦交流电路中电压、电流相量之间的关系。
(2) 掌握功率的概念及感性负载电路提高功率因数的方法。
(3) 了解日光灯电路的工作原理，学会连接日光灯电路。
(4) 学会使用功率表。
3.2.2实验原理简述
1. RC串联电路

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，它们之间的关系应满足相量形式的基尔霍夫定律，即


∑I·=0，∑U·=0


实验电路为RC串联电路，如图34(a)所示，图中R为两只白炽灯泡并联时的等效电阻，在正弦稳态信号源U·的激励下，有


U·=U·R+U·C=I·(R－jXC)





图34RC串联电路及相量图

从上述相量关系表达式可以得到相应的相量图，如图34(b)所示。U·、U·R与U·C三个相量构成一
个直角三角形。当阻值R改变时，U·R与U·C始终保持着90°的相位差，所以U·R的相量轨迹是一个半圆。从图中可知，改变C值或R值可改变U·R与U·之间的夹角φ的大小，从而达到移相的目的。
2. 日光灯电路及其功率因数的提高
日光灯电路由启辉器、灯管和镇流器三部分组成。
启辉器(如图35(a)所示)是一个充有氖气的玻璃泡，其中装有一个不动的静触片和一个用双金属片制成的U形可动触片，其作用是使电路自动接通和断开。在两电极间并联一个电容器，用以消除两触片断开时产生的火花对附近无线电设备的干扰。


图35启辉器示意图和日光灯点亮过程




灯管是一根普通的真空玻璃管，管内壁涂上荧光粉，管两端各有一根灯丝，用以发射电子。管内抽真空后充氩气和少量水银。在一定电压下，管内产生弧光放电，发射一种波长很短的不可见光，这种光被荧光粉吸收后转换成近似日光的可见光。
镇流器是一个带铁芯的电感线圈，起动时产生瞬时高电压，促使灯管放电，点亮日光灯。在点亮后又限制了灯管的电流。
日光灯实验电路如图36(a)所示，日光灯的点亮过程如下： 当日光灯刚接通电源时，灯管尚未通电，启辉器两极也处于断开位置。这时电路中没有电流，电源电压全部加在启辉器的两电极上，使氖管产生辉光放电而发热，可动触片受热变形，于是两触片闭合，灯管灯丝通过启辉器和镇流器构成回路，如图35(b)所示。灯丝通电加热发射电子，当氖管内两个触片接通后，触片间不存在电压，辉光放电停止，双金属片冷却复原，两触片脱开，回路中的电流瞬间切断。这时镇流器产生相当高的自感电压，它和电源电压串联后加在灯管两端，促使管内氩气首先电离，氩气放电产生的热量又使管内水银蒸发，变成水银蒸气。当水银蒸气电离导电时，激励管壁上的荧光粉而发出近似日光的可见光。
灯管点亮后，镇流器和灯管串联接入电源，如图35(c)所示。由于电源电压部分降落在镇流器上，使灯管两端电压(也就是启辉器两触片间的电压)较低，不足以引起启辉器氖管再次产生辉光放电，两触片仍保持断开状态。因此，日光灯正常工作后，启辉器在日光灯电路中不再起作用。
日光灯点亮后的等效电路如图36(b)所示，其中灯管可近似看作电阻负载R，镇流器可用小电阻r和电感L串联来等效。


图36日光灯实验电路及等效电路


若用数字功率表测得镇流器所消耗的功率PLr，也就是等效电阻r所消耗的功率，又用电流表测得通过镇流器的电流ILr，则可求得镇流器的等效电阻r。
由于


PLr=I2Lrr


则


r=PLrI2Lr


再用数字功率表的交流电压挡测得镇流器的端电压ULr，根据U2Lr=I2Lr(X2L+r2)可求得镇流器的感抗XL为


XL=ULrILr2－r2


则镇流器的等效电感为


L=XL2πf


其中，f=50Hz。
日光灯灯管R所消耗的功率为PR，电路消耗的总功率为P=PR+PLr。只要测出电路的总功率P、总电流I和总电压U，就能求出电路的功率因数cosφ=PUI。
日光灯的功率因数较低(电容C=0时)，一般在0.6以下，且为感性电路，因此往往采用并联电容器的方法来提高电路的功率因数，由于电容支路的电流I·C超前于电压U·C 90°，抵消了一部分日光灯支路电流中的无功分量，使电路总电流减少，从而提高了电路的功率因数。当电容增加到一定值时，电容电流等于感性无功电流，总电流下降到最小值，此时，整个电路呈现纯电阻性，cosφ=1。若再继续增加电容量，总电流I反而増大了，整个电路呈现电容性，功率因数反而又降低了。
3.2.3 实验仪器设备
实验仪器设备见表37。




表37实验仪器设备



序号名称型 号 规 格数量备注

1单相电量仪表板MC10981只
230W日光灯镇流器30W1只
3电容器1μF/600V、2.2μF/600V、4.7μF/600V1组
4启辉器1只
5导线全封闭式若干

3.2.4 预习要求
（1） 复习RC串联电路和功率因数的提高的相关内容。
（2） 了解功率表的原理和使用，参阅有关内容。
（3） 了解日光灯电路的组成和工作原理。
（4） 实验电路的总电压U·、灯管电压U·R及镇流器电压U·Lr之间存在着什么关系？
（5） 提高日光灯电路的功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？所并联电容的电容值是否越大越好？
（6） 并联电容后，日光灯支路的电流I·Lr是否改变？电路的总有功功率P是否改变？为什么？
（7） 分析表39中各列数据的变化规律，哪些是不变的？哪些是变化的？应该怎么变化？
3.2.5 实验步骤
1. RC串联电路电压三角形的测量

(1) 用两只220V、15W的白炽灯泡(并联)和4.7μF/450V电容器串联组成如图34(a)所示的实验电路，将自耦调压器的输出电压调至220V。测量U、UR、UC值，记入表38中。



表38电压三角形的测量值



白炽灯盏数

测量值计算值

U/VUR/VUC/VU/V


2
1

(2) 改变电阻R的阻值(用一只灯泡)，重复(1)的内容，验证UR相量轨迹。



日光灯电路
实验





2. 日光灯电路及其功率因数的提高
(1) 先打开电源，将电压调至220V，关断电源待用。按图36(a)接好实验电路，检查电路无误后打开电源，观察日光灯的点亮过程和启辉器的动作情况。
(2) 分别测量未接入电容和接入不同电容时的各种参数，完成表39。




表39不同补偿电容时的参数测量值



测试条件U
/VULr
/VUR
/VI
/AILr
/AIC /AP
/WPLr
/WPR
/W计算

cosφ

C=0
C=1μF
C=2.2μF
C=3.2μF
C=4.7μF
C=7.9μF

注： 功率表除了可测功率之外，还可以同时测量电压和电流，在测量表39的数据时，U、I、P可同时测量，ULr、ILr、PLr可同时测量，UR、PR可同时测量(此时电流仍为ILr)，最后单独测量IC。

3.2.6实验总结
（1） 根据表39中的实验数据，在同一张方格纸上画出日光灯电路提高功率因数的电压、电流相量图。 
（2） 根据实验原理中计算参数的方法，结合表39每一行的实验数据，分别计算日光灯管的等效电阻值R、镇流器的电感L和电阻r，取这些计算值的平均值作为最后的结果。
（3） 讨论改善电路功率因数的意义和方法。
3.2.7注意事项
（1） 在实验操作过程中，应防止触电，注意安全。

（2） 为了保护仪表，日光灯起动时不要将仪表接入电路，待日光灯正常工作后进行测量。
（3） 如电路接线正确，日光灯仍不能起动时，应检查启辉器及其接触是否良好。
（4） 不允许把两根短导线对接后作为一根长导线使用。
3.3三相交流电路
3.3.1实验目的

(1) 验证三相对称负载星形、三角形连接时，线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系。
(2) 了解不对称负载星形连接时中线的作用。
(3） 学习三相功率的测量方法。
3.3.2实验原理简述
三相负载根据其额定值和电源电压，可作星形(
Y
)连接或三角形(△)连接，如图37、图38所示。对称三相负载作Y连接时，Ul=3UP，Il=IP。中线电流IO=0，可以不接中线。对称三相负载作△连接时，Ul=UP，Il=3IP。Ul、UP分别为线电压和相电压，Il、IP分别为线电流和相电流。



图37三相负载星形接法



图38三相负载三角形接法

不对称三相负载作Y形连接时，中线电流IO≠0，必须有中线。这时仍有Ul=3UP，即负载上的相电压仍对称。如果无中线，则Ul≠3UP，负载较小(即负载阻抗较大)的那一相相电压较高，相电压不对称，使负载不能正常工作。因此，照明电路都采用有中线的三相四线制(Y0)接法。为了防止中线断开，不允许在中线上安装熔断器和开关。
不对称三相负载作△连接时，Il≠3IP。这时只要电源3个线电压对称，不对称负载的3个相电压仍对称，对电气设备没有影响。
三相负载消耗的总功率等于每相负载消耗的功率之和，所以对于任何三相负载，都可以采用三瓦特表法测定功率。三瓦特表法就是用3只瓦特表分别测量每相负载的功率，然后相加； 在负载不变的情况下，也可以用一只瓦特表依次测量各相负载功率，然后相加即得三相总功率。
当负载对称时，每相的有功功率相等，所以只要用一个瓦特表测出任意一相的功率再乘以3，即得三相总功率。这种测量功率的方法叫一瓦特表法，如图39所示。以上方法在实际应用中很不方便，所以较少采用。对于三相三线制电路，不论负载是否对称，是星形接法还是三角形接法，都可以采用二瓦特表法测量其功率，因此二瓦特表法得到了广泛的应用。下面以星形接法的三相对称负载为例，说明二瓦特表法的原理。
三相电路的瞬时功率的求解过程如下： 
因为p=pA+pB+pC=uAiA+uBiB+uCiC

iA+iB+iC=0

所以p=uAiA－uCiA+uBiB－uCiB
=uACiA+uBCiB
=p1+p2

因此平均功率为


P=P1+P2=UACIAcosα+UBCIBcosβ


其中，α为U·AC、I·A之间的相位差角； β为U·BC、I·B之间的相位差角。

因此用两个瓦特表可以测量三相功率，其接法如图310所示。第1个功率表W1 的读数为P1=UACIAcosα，第2个功率表W2的读数P2=UBCIBcosβ。但要注意，两个功率表