實(shí)驗(yàn)五三相交流電路

1、實(shí)驗(yàn)五 三相交流電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)三相負(fù)載做星形的方法，驗(yàn)證線、相電壓，線、相電流之間的關(guān)系。2研究三相四線制中線的作用。3學(xué)習(xí)使用三瓦特計(jì)法測(cè)量三相負(fù)載的總功率。二、實(shí)驗(yàn)原理與說明1三相電路中電壓和電流的測(cè)量圖3-1 星形接法三相電路三相電路中的電源和負(fù)載均有星形連接和三角形連接兩種連接方式。當(dāng)負(fù)載作星形連接時(shí)，三相電路有三相三線制和三相四線制供電形式；當(dāng)負(fù)載作三角形連接時(shí)，只有三相三線制一種供電形式。三相電路中的電源和負(fù)載均有對(duì)稱和不對(duì)稱兩種情況。本實(shí)驗(yàn)只研究三相電源對(duì)稱且為星形連接，三相負(fù)載作星形連接和三角形連接時(shí)的情況。本實(shí)驗(yàn)中的三相電源是由三相市電（線電壓380V）通過三相調(diào)壓器

2、提供的。三相調(diào)壓器是由三臺(tái)相同的單相調(diào)壓器、在星形連接方式下組成的，每個(gè)單相調(diào)壓器的調(diào)節(jié)電壓的滑塊都固定在同一根轉(zhuǎn)軸上，旋轉(zhuǎn)手柄即改變滑塊位置時(shí)，能同時(shí)調(diào)節(jié)其副邊的三相輸出電壓，并保證三相電壓的對(duì)稱，相電壓的調(diào)節(jié)范圍是0-250V（對(duì)應(yīng)的線電壓為0-450V）三相調(diào)壓器的連線端較多，接線時(shí)務(wù)必核對(duì)清楚，不可弄錯(cuò)。三個(gè)輸入端連向外供三相電源，三個(gè)輸出端連向負(fù)載，調(diào)壓器的中性點(diǎn)與外供電源的中線相接。在合上和斷開三相電源前，調(diào)壓器的手柄位置需回零。1）三相負(fù)載星形連接在三相電路中，當(dāng)負(fù)載做星形連接時(shí)（如圖3-1），不論是三線制還是四線制，相電流恒等于線電流即。線電壓與相電之間的關(guān)系為：，負(fù)載星形連接

3、的三相三線制電路在圖3-1電路中，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，即為負(fù)載星形連接的三相三線制電路，當(dāng)負(fù)載對(duì)稱即時(shí)，星形負(fù)載的相電流、相電壓、線電壓均對(duì)稱，相、線電壓的相量圖如圖3-2(a)所示。此時(shí)線電壓的有效值是相電壓有效值的，即，電源的中性點(diǎn)和負(fù)載的中性點(diǎn)為等位點(diǎn)，即。圖3-2 負(fù)載星形連接的三相三線制電路、相、線電壓相量圖(a)負(fù)載對(duì)稱 (b)負(fù)載不對(duì)稱當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，負(fù)載的線電壓仍對(duì)稱，但負(fù)載相電流、相電壓不再對(duì)稱，圖3-2(b)是這種情況下的負(fù)載的相、線電壓的相量圖，可看出負(fù)載線、相電壓之間倍的關(guān)系不復(fù)存在，兩中性點(diǎn)和不為等位點(diǎn)，即，稱中性點(diǎn)發(fā)生位移。負(fù)載星形連接的三相四線制電路在圖3-1電路中，當(dāng)

4、開關(guān)閉合時(shí)，電路的兩個(gè)中性點(diǎn)和之間連接一根導(dǎo)線（稱為中性線）則成為三相四線制電路，中線電流等于三個(gè)線電流的相量和，即。不論負(fù)載是否對(duì)稱，均有，。當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，電路的情況和對(duì)稱的三相三線制相同，即相電壓、線電壓、相電流均對(duì)稱，且中線電流。當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，線電壓仍對(duì)稱，在中性線阻抗足夠小時(shí)，各相負(fù)載電壓也仍對(duì)稱，但相（線）電流不對(duì)稱，且中線電流不為零，即。中性線的作用就是使星形連接的不對(duì)稱負(fù)載的相電壓對(duì)稱。圖3-3 三角形接法三相電路某一相負(fù)載短路與開路情況在圖3-1電路中，如果相負(fù)載短路，即時(shí)，當(dāng)電路為三線制接法（斷開）時(shí)，相成了中性點(diǎn)，則負(fù)載的各相電壓為：，即、相負(fù)載電壓為電源的線電壓，將使這

5、兩相燈組所加電壓超燈的額定電壓，而被燒壞；當(dāng)電路為四線制法（閉合）時(shí)，相短路電流很大，將燒斷熔斷器、相不受影響。因此對(duì)于星形接法三相電路，無論是三線制或是四線制都不允許出現(xiàn)相負(fù)載短路情況。如果相負(fù)載開路，即，當(dāng)電路為三線制接法時(shí)，、相負(fù)載、相串聯(lián)接在電源的線電壓上，兩相電流相同。兩相負(fù)載上的電壓，決定于兩燈組電阻的比值，如果組燈電阻大于組，則相電壓有可能高于燈的額定電壓而被燒壞。因此星形接法三相三線制不對(duì)稱負(fù)載電路，不允許出現(xiàn)某相負(fù)載開路情況；當(dāng)電路為四線制接法時(shí)，、相不受影響。（a）負(fù)載對(duì)稱 （b）負(fù)載不對(duì)稱圖3-4 負(fù)載三角形連接三相電路相、線電流相量圖2三相電路有功功率測(cè)量三相負(fù)載所吸收

6、的總功率等路相負(fù)載消耗功率之和，即。1）三瓦特計(jì)法對(duì)于三相四線制電路，可用三個(gè)功率表同時(shí)測(cè)量三相負(fù)載消耗的功率，相加得到三相電路的有功功率。也可用一個(gè)功率表分別測(cè)量各相負(fù)載的功率，再求和。當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，可只用一個(gè)功率表測(cè)量任一相的功率，將表的示值乘以3倍即得到三相電路的總功率。測(cè)量每相功率時(shí)，功率表的接法如圖3-5所示。圖3-5 三相四線制電路三瓦特計(jì)法功率測(cè)量電路三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、步驟與方法1三相負(fù)載星形連接（三相四線制供電）電壓、電流測(cè)量用掛箱DGJ-04按圖3-1連接實(shí)驗(yàn)線路，將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為零伏的位置（即逆時(shí)針旋到底），經(jīng)檢查線路連接正確后，方可開啟實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，調(diào)節(jié)調(diào)壓器，

7、使其輸出的線電壓為220V，斷電待用。1）有中線，對(duì)稱負(fù)載，合上開關(guān)即連接中線，各相分別接入三個(gè)15W燈泡相并聯(lián)的負(fù)載，分別測(cè)量各相負(fù)載的線電壓、相電壓、線電流和中線電流，記入表3-1中。2）無中線，對(duì)稱負(fù)載，斷開開并，各相負(fù)載不變，重復(fù)測(cè)量并記錄各相負(fù)載的線電壓、相電壓、線電流、電源與負(fù)載中性點(diǎn)間的電壓，觀察中線對(duì)星形連接對(duì)稱負(fù)載是否有影響。3）有中線，不對(duì)稱負(fù)載。合上開關(guān)，相接入的15W燈泡并聯(lián)數(shù)分別為1、2、3個(gè)，重復(fù)測(cè)量并記錄1）中各量。4）無中線，不對(duì)稱負(fù)載，斷開開關(guān)，各相負(fù)載同3），重復(fù)測(cè)量2）中各量、觀察各相燈的明暗變化程度，以此了解中線的作用。表3-1 星形連接三相電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

8、負(fù)載開燈盞數(shù)中線線 電 壓相 電 壓中性點(diǎn)電壓線 電 流電線電流A相B相C相對(duì)稱333有333無不對(duì)稱123有123無5）無中線、不對(duì)稱負(fù)載特例，在4）的基礎(chǔ)上，使相開路，觀察兩相燈亮度的變化。3三瓦特計(jì)法測(cè)量有中線星形連接三相電路負(fù)載有功功率1）負(fù)載對(duì)稱，先將調(diào)壓器調(diào)至OV輸出后斷電，用DGJ-04掛箱，按圖3-1連接三相對(duì)稱負(fù)載，再按圖3-5先將功率表、電流表、電壓表接入電路的B相，注意功率表的端接出B相的電源側(cè)，非端與電壓表的一端接在中線上。線路中接入電流表和電壓表是用來監(jiān)視該相的電流和電壓，不要超過功率表電流和電壓的量程。經(jīng)檢查后通電，讀出并記錄功率表的示數(shù)，然后分別將三只表換接到A相

9、和C相進(jìn)行測(cè)量和。注意每次換表必須在斷電下操作。2）負(fù)載不對(duì)稱，在1）接線的基礎(chǔ)上，將A、B、C相接入的燈泡數(shù)改為1、2、3，重復(fù)1）的操作，分別測(cè)量并記B、A、C的功率。表3-3 三瓦特計(jì)法測(cè)量有線星線連接三相負(fù)載功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)負(fù)載情況開 燈 盞 數(shù)測(cè) 量 數(shù) 據(jù)計(jì)算值A(chǔ)相B相C相對(duì)稱333不對(duì)稱123四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1本實(shí)驗(yàn)采用三相交流市電、線電壓為380V，實(shí)驗(yàn)時(shí)要注意人身安全，不可觸及導(dǎo)電部件，防止意外事故發(fā)生。2每次接線完畢，必須認(rèn)真檢查，確認(rèn)正確之后方能接通電源。必須嚴(yán)格遵守先斷電，再接線、改線、撥動(dòng)開關(guān)，后通電；先斷電，后拆線的實(shí)驗(yàn)操作原則。3每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完畢之后，均需將三相調(diào)壓器

10、旋柄調(diào)回零位后斷電。五、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)三相電路有關(guān)知識(shí)，三相負(fù)載功率的測(cè)量方法，閱讀本實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)內(nèi)容，畫出實(shí)驗(yàn)線路圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。2三相星形連接不對(duì)稱負(fù)載在無中線情況下，當(dāng)某相負(fù)載開路或短路時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況？如果接上中線，情況又如何？3. 說明三相四線制電路中線的作用，為什么中線上不允許裝保險(xiǎn)絲？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1根據(jù)不對(duì)稱負(fù)載星形連接有中線電路、的測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算中線電流值，并與其測(cè)量值作比較。2說明不對(duì)稱負(fù)載星形連接無中線電路、C相斷開前后，A、B相泡燈亮度變化情況，原因是什么？3根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)測(cè)量三相電路功率各種方法的適用條件。實(shí)驗(yàn)四 一階電路的響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究一階RC電路的零輸入

11、響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)的變化規(guī)律和特點(diǎn)。2學(xué)習(xí)示波器的基本工作原理，用其觀察波形、測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)的方法。3進(jìn)一步掌握微分電路和積分電路的概念。二、實(shí)驗(yàn)原理與說明1零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)含有儲(chǔ)能元件的電路稱為動(dòng)態(tài)電路。當(dāng)動(dòng)態(tài)電路的特性可以用一階微分方程描述時(shí)，稱該電路為一階電路。對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)的動(dòng)態(tài)電路，當(dāng)電路結(jié)構(gòu)或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，電路中會(huì)引起過渡過程。電路的過渡過程有零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)和全響應(yīng)三種情況。1）零輸入響應(yīng)，圖4-1為一階RC電路，當(dāng)開關(guān)S先置于2使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，在時(shí)刻S由2扳向1，電路引起零輸入響應(yīng)，有。此暫態(tài)過程為電容放電過程、放電曲線如圖4-2(b)所示，電路的

12、零輸入響應(yīng)與初始狀態(tài)成正比。圖4-1 一階RC電路圖4-2 一階RC電路的電容電壓充放電曲線及時(shí)間常數(shù)2）零狀態(tài)響應(yīng)，當(dāng)開關(guān)S在1位置，使電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，在時(shí)刻S由1板向2，電路引起零狀態(tài)響應(yīng)，有。此暫態(tài)過程為電容充電過程，充電曲線如圖4-2(a)所示，電路的零狀態(tài)響應(yīng)與激勵(lì)成正比。3）全響應(yīng)一階RC電路的全響應(yīng)，是指電源激勵(lì)和電容元件初始狀態(tài)均不為零時(shí)電路的響應(yīng)，是零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的疊加。將圖4-1電路的線斷開，該電容C的初始電壓。全響應(yīng)= 零輸入響應(yīng)+ 零狀態(tài)響應(yīng)上式可改寫為全響應(yīng)= 穩(wěn)態(tài)分量+瞬態(tài)分量，全響應(yīng)與激勵(lì)不存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。2方波激勵(lì)下的響應(yīng)1）方波信號(hào)可以看成是一系

13、列階躍信號(hào)與延時(shí)階躍信號(hào)的疊加。當(dāng)方波的半周期遠(yuǎn)大于電路的時(shí)間常數(shù)時(shí)，可以認(rèn)為方波某一邊沿（上升或下降沿）到來時(shí)，前一邊沿所引起的暫態(tài)過程已結(jié)束。這樣，電路對(duì)上升沿的響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng)；對(duì)下降沿的響應(yīng)就是零輸入響應(yīng)。因此，方波激勵(lì)下的響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng)和零輸入響應(yīng)交替出現(xiàn)反復(fù)重復(fù)的過程。故可以利用普通示波器來觀察、分析零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)，如圖4-3(a)所示。圖4-3 一階RC電路方波激勵(lì)的響應(yīng) (a)情況 (b) 情況2）當(dāng)方波的半周期等于小于一階RC電路的時(shí)間常數(shù)時(shí)，在某一邊沿到達(dá)時(shí)，前一邊沿所引起的暫態(tài)過程沒有結(jié)束，即沒有過渡到它的穩(wěn)定狀態(tài)。是電源激勵(lì)和電容元件的初始狀態(tài)均不為零的響

14、應(yīng)，即電路的全響應(yīng)，如圖4-3(b)所示。上升沿到來時(shí)電容的初始值，下降沿到來時(shí)電容的初始值?？梢杂萌憫?yīng)表達(dá)式：來求電容C充、放電的初始值、：上升沿到來時(shí)，當(dāng)時(shí)，則（4-1）；下降沿到來時(shí)，當(dāng)時(shí)則（4-2），將其代入（4-1）式得，（4-3）則 （4-4）3時(shí)間常數(shù)及其測(cè)量對(duì)于圖4-3(a)所示方波激勵(lì)情況，零狀態(tài)響應(yīng)表達(dá)式為即電容電壓由按指數(shù)規(guī)律衰減而趨于零；零輸入響應(yīng)表達(dá)式為，即電容電壓由OV按指數(shù)規(guī)律上升而趨近于。下表是以上兩種響應(yīng)電容電壓相對(duì)值與的關(guān)系。表4-1 一階RC電路的零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)的的關(guān)系零輸入響應(yīng)的0.3680.1350.0500.0180.0070.002零狀態(tài)

15、響應(yīng)的0.6320.8650.950.9820.9930.998由表4-1看出一階RC電路的這兩種響應(yīng)的暫態(tài)過程經(jīng)過的時(shí)間就可認(rèn)為已結(jié)束而到達(dá)了穩(wěn)定狀態(tài)。因此，一階RC電路在方波激勵(lì)下，只要滿足（即）就可以用示波器觀察到交替出現(xiàn)的零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)的波形。通過顯示的波形可以測(cè)量出電路的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于電容的充電曲線，下降到初值的36.8%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即也為值，如圖4-2所示。4微分電路和積分電路圖4-4 (a)微分電路 (b)積分電路（a） （b）圖4-5 (a)微分電路輸入、輸出波形(b)積分電路輸入、輸出波形圖4-4(a)為微分電路，當(dāng)激勵(lì)方波周期T與電路的時(shí)間常數(shù)滿足，且時(shí)，則，即輸出電壓

16、近似與方波激勵(lì)的微分成比例，輸入、輸出波形如圖4-5(a)所示。圖4-4(b)為積分電路，當(dāng)，且時(shí)，則，即輸出電壓與方波激勵(lì)的積分近似成比例，輸入、輸出波形如圖4-5(b)所示。圖4-6 一階、二階動(dòng)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)三、實(shí)驗(yàn)任務(wù)、步驟與方法實(shí)驗(yàn)電路為DGJ-03掛箱上的一階、二階動(dòng)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)板，它上面的所有元件，都是通過開關(guān)接入線路的，可以構(gòu)成本實(shí)驗(yàn)用的各種一階RC電路。使用時(shí)需認(rèn)清R、C元件的布局及其標(biāo)稱值，各開關(guān)的通斷位置等。1方波激勵(lì)下的零輸入和零狀態(tài)響應(yīng)從電路板上選取、組成如圖4-4(a)所示的一階RC電路，為信號(hào)發(fā)生器提供的方波信號(hào)，用示波器的兩個(gè)通道CH 1、CH2同時(shí)顯示和的波形。觀

17、察的變化規(guī)律，根據(jù)充、放電曲線分別測(cè)量出時(shí)間常數(shù)值，與計(jì)算值作比較，并用方格紙按圖4-3(a)的形工描繪和的波形。2方波激勵(lì)下的全響應(yīng)令上述電路的、和和不變，用示波器的CH1、CH2同時(shí)顯示、的波形，觀察的變化規(guī)律，并用方格紙按圖4-3 (b)形式描繪和的波形，測(cè)量（示波器輸入耦合方式為DC）。3微分電路令、組成圖4-4(a)所示的微分電路，的和不變，用示波器同時(shí)觀察、的波形，并用方格紙按圖4-5(a)的形式描繪和的波形。增大R值定性觀察波形的變化，當(dāng)R增至1M時(shí)該電路是否還是微分電路。測(cè)量R=100、1k、10k時(shí)，微分尖脈沖幅度和其底部寬度見圖4-5a自擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。4積分電路令、組成如

18、圖4-4(b)所示積分電路，令的，用示波器同時(shí)觀察和的波形，并用方格紙按圖4-5(b)的形式描繪和的波形。四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)接線時(shí)應(yīng)將信號(hào)發(fā)生器和示波器的接地端與實(shí)驗(yàn)電路的激勵(lì)和響應(yīng)的公共端連在一起。2用示波器的雙通道觀察波形時(shí)建議用CH1輸入端接方波激勵(lì)信號(hào)，用CH2輸入端接響應(yīng)，保持這樣的連接順序，方便于示波器的調(diào)節(jié)與波形觀察。用CH1通道作內(nèi)觸發(fā)源（連接方波的通道）這是因?yàn)榉讲ㄐ盘?hào)邊沿陡峭，利于獲得穩(wěn)定的掃描起點(diǎn)，觀察波形時(shí)應(yīng)合理選擇垂直靈敏度和掃描時(shí)間因數(shù)，使顯示波形的幅度足夠大，周期數(shù)適當(dāng)（一般1-2個(gè)周期）。當(dāng)需定量測(cè)量波形幅度或時(shí)間參數(shù)時(shí)應(yīng)將垂直靈敏度微調(diào)或掃描時(shí)間因數(shù)微調(diào)分

19、別置于校正位置（CAL），并利用垂直或水平位移旋鈕，將幅度測(cè)量基準(zhǔn)線或時(shí)間測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)置于屏前坐標(biāo)格某一水平或垂直坐標(biāo)線上。雙蹤顯示輸入輸出波形時(shí)，一般應(yīng)將輸入波形置于屏的上方。3利用DGJ-03掛箱上實(shí)驗(yàn)電路板組成各項(xiàng)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，注意將所有不用元件的接入開關(guān)斷開。五、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備1低頻信號(hào)發(fā)生器 EE1021 1臺(tái)2雙蹤示波器 6502 1臺(tái)3動(dòng)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)板1個(gè) DGJ-03六、預(yù)習(xí)要求1復(fù)習(xí)教材RC電路響應(yīng)內(nèi)容，閱讀指導(dǎo)書中本實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)內(nèi)容，熟悉信號(hào)源，示波器的基本使用方法，畫出微分電路數(shù)據(jù)記錄表格。2計(jì)算圖4-3(b)電路，當(dāng)、時(shí)的時(shí)間常數(shù)值，如果方波頻率，它是否為該電路的零輸入和零狀態(tài)