試驗十五交流電路功率的測量

1、實驗十五 交流電路功率的測量實驗?zāi)康? .學習交流電路中功率及功率因數(shù)的測定方法；2 .加深對功率因數(shù)概念的理解，進一步了解交流電路中電阻、電容、電感等元件消耗功率的特點；3 .學習一種提高交流電路功率因數(shù)的方法.儀器和用具負載（鐵芯電感為 40 W日光燈鎮(zhèn)流器，阻值為 300 Q左右的變阻器）、電動型瓦特表 （低功率因數(shù)瓦特表 D34 - W型額定電流為 0.5 A、1A ,額定電壓為150 V、300 V、600V ,功率因數(shù)COS小=0.2）、鐵磁電動型交流電壓表、電磁型電流表、電容（0.5然人l代k2代限4然k10F各一個）、調(diào)壓變壓器、示波器、音頻信號發(fā)生器.MF-20型晶體管萬用表

2、、雙刀雙擲開關(guān)兩個等.實驗原理一、交流功率及功率因數(shù)，/U在直流電路中、功率就是電壓和電流的乘積，它不隨時間.一12改變.在交流電路中，由于電壓和電流都隨時間變化，因而它0團co, UR I圖 C.13.1們的乘積也隨時間變化，這種功率稱為瞬時功率p .設(shè)交流電路中通過負載的瞬時電流i為i = I m sin d（C.13.1）負載兩端的瞬時電壓 u為U =U m sin cot +（9（C.13.2 ）則瞬時功率p = u i =Um 1m sin cot Jsin（ t + 6）（C.13.3）平均功率1T 1 TT o pdt = T o Um1msin( cot pin (cot +

3、9(C.13.4 )(C.13.5 )圖C.13.2電動型儀表測量機構(gòu)示意圖1.固定線圈；2.可動線圈；3、4.支架;5.指針；6.游絲流，因此稱固定線圈 A為瓦特表的電流線圈;線圈B為動圈，線圈本身電阻很小，往往與擴= ；(UmIm g boS (|) C0S(23t + 小班其中第二項積分為零，所以-1 T 11 一P = 1 -U mI m cos Mt = -U m I m cos（|）= UI cos &平均功率不僅和電流、電壓的有效值有關(guān)，并和功率因數(shù)cos小有關(guān).由圖C.13.1所示可知P=UI cosMUrI故平均功率也就是電路中電阻上消耗的功率，也稱有用功率.由于電壓

4、與電流有效值的乘積稱為總功率，也稱視在功率S ,即S=UI（C.13.6 ）故P UI cos Gco c = cos 巾（C.13.7 ）S UI功率因數(shù)cos小就是電源送給負載的有用功率P和總功率S的比值，它是反映電源利用 率大小的物理量.測量功率的方法很多，最常用的是瓦特表，此外示波器也可測量功率（示波器適用于測 量高頻情況下較小的功率）.二、瓦特表測量功率及功率因數(shù)1 .瓦特表測功率本實驗采用電動型瓦特表，電動型瓦特表的測量機構(gòu)示意圖如圖 C.13.2所示.電動型瓦特表內(nèi)部測量機構(gòu)有兩個線圈，線圈A為固定線圈，它與負載串聯(lián)而接人電路，通過固定線圈的電流就是負載電U1，因此程用的高電阻相

5、串聯(lián)，測量時與負載相并聯(lián)，動圈支路兩端的電壓就是負載電壓動圈又稱電壓線圈，它與指針相連.使用時電路聯(lián)接見圖C.13.3 (a)、(b),負載小時瓦特表電流線圈外接，按圖C.13.3(a )連接；負載大時瓦特表電流線圈內(nèi)接，按圖 C.13.3 ( b)連線.瓦特表能測量負載功率的原理在于：電流通過固定的電流線圈產(chǎn)生接近均勻的固定磁場，電壓支路的電流通過位于固定線圈中間的動圈B并使動因產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)， 偏轉(zhuǎn)角的大小與流經(jīng)瓦特表的電流、電壓及二者之間相角的余弦乘積成正比，即與功率成正比，因而可借固定于動圈轉(zhuǎn)軸上的指針直接指示功率值.瓦特表的量程轉(zhuǎn)換，由改變固定線圈的串聯(lián)和并聯(lián)及電壓支路之附加擴程電阻來實現(xiàn)

6、.圖C.13.3瓦特表接線圖2 .功率因數(shù)的測定及提高功率因數(shù)的方法根據(jù)P =UI COS小可知，若用瓦特表測出它的功率，而用交流電壓表與交流安培表同時 測出它的電壓、電流值則可求得功率因數(shù):,PCOS 3 =(C.13.8 )UI一般用的電設(shè)備多數(shù)呈電感性的，這種電感性的負載造成功率因數(shù)的降低，當負載的端電壓一定時，功率因數(shù)越低輸電線路上的電流越大，導線上的壓降也越大，因此導致電能損圖 C.13.4耗增加，傳輸效率降低.要提高傳輸效率，必須提高功率因數(shù).解決的方法是在負載兩端并聯(lián)電容性負載.如圖C.13.3所示的負載若是電感性負載，通過它的電流I1的相位落后于電壓的相位，設(shè)兩者的相位差為外，

7、在未并聯(lián)電容前I =11 ,并聯(lián)電容后電源供給的總電流I變?yōu)镮 =II +I2,由于負載的電壓 U不變，則電流I1的大小和相位 .、 冗 ，一 _可不變，通過電容的電流I2超前負載兩端的電壓 金，如圖C.13.4所小.從矢量圖可以清楚看出，總電流減少了，并且它與電壓之間的相位差也減少了，因 而總的功率因數(shù)cos小得到了提高.而提高功率因數(shù)可以提高電源的有用功率.3 .使用瓦特表的注意事項（1）必須正確接線一一定要遵守“發(fā)電機端”的接線規(guī)則.從瓦特表的工作原理可知，瓦特表有兩個獨立交路.為了使接線不致發(fā)生錯誤，通常在電流支路的一端（簡稱電流端）和電壓支路的一端（簡稱電壓端）標有“*”，“土”或“

8、 ”等特殊標記，一般稱它們?yōu)椤鞍l(fā)電機端”.瓦特表正確接線規(guī)則如下：瓦特表標有“ *”號的電流端鈕（即電流線圈的“發(fā)電機端）必須接至電源的一端，而另一電流端鈕則接負載端.電流線圈是串聯(lián)接入電路中的.瓦特表中標有“ *”號的電壓端鈕可以接至電源端的任一端，但必須注意電流、電壓發(fā)電機端鈕（即標有“ * ”的兩個端鈕）一定要接到電源同一側(cè)，而另一個電壓端鈕則跨接到負載的另一端.瓦特表的電壓支路是并聯(lián)接人電路的，否則電表指針反轉(zhuǎn).瓦特表在工作時I、U、P都不能超過它們的量程，否則易燒壞儀表.（2）使用時，儀表水平放置，并盡可能遠離強電流導線或強磁場地點，以免使儀表產(chǎn) 生附加誤差.（3）如果瓦特表的接線正

9、確，但發(fā)現(xiàn)指針反轉(zhuǎn)（例如：負載含有電源反過來向外輸出 功率），則可以改變儀表上裝有的 “換向開關(guān)”，它只改變電壓線圈中電流的方向，不改變電 壓線圈與擴程電阻的相對位置，即不改變電壓支路原來的接線位置.（4）由于電源電壓較高，必須注意人身安全與儀器的安全，改接電路必須將調(diào)壓變壓器調(diào)至“零”點，并且斷開電源，手切勿觸及金屬部分.本實驗采用電感性負載、 功率因數(shù)較低，故采用低功率因數(shù)瓦特表 （D34 - W型額 定電流為0.5 A和1 A ,額定電壓為150 V、300 V > 600 V ,功率因數(shù)為0.2 ）.瓦特表的正確讀數(shù)：瓦特表的標度尺只標有分格數(shù)，而并不標明瓦特數(shù)，這是由于瓦特表一

10、般是多量限的，在選用不同電流量限和電壓量限時，每一分格都代表不同的瓦特數(shù)，每一格所代表的瓦特數(shù)稱為瓦特表的分格常量，可按下式計算瓦特表分格常量：c = U m 1 m cos "（單位為瓦每格）（C.13.9 ）om式中：Um 一所使用瓦特表的電壓額定值；I m一所使用瓦特表的電流額定值;cos小一在額定電流、額定電壓下能使指針滿刻度的額定功率因數(shù).cos小值在面板上標明，例如 D34 - W型瓦特表cos小=0.2 ；am 瓦特表指針最大偏轉(zhuǎn)所指示的格數(shù).在測量時，讀得瓦特表的偏轉(zhuǎn)格數(shù)后乘上瓦特表相應(yīng)的分格常量，就等于被測功率的數(shù)值：P = Ca （單位為瓦）（C.13.10 ）式

11、中：P一被測功率的瓦特數(shù)；C瓦特表分格常量；a瓦特表指針偏轉(zhuǎn)指示格數(shù).普通用的瓦特表的使用、測量與計算方法和上完全相同，所不同的是以上計算公式中cos 小=1 .三、用示波器測量功率和功率因數(shù)用示波器測量功率的原理在于：負載上所消耗的有功功率的數(shù)值正比于示波器熒光屏上 顯示的閉合回線的面積.用示波器測功率的優(yōu)點在于：可以適用較高頻率、正弦和非正弦電壓的情況；同時用示 波器可以測量到小至10 3 W的微小功率，這些優(yōu)點是瓦特表所沒有的.測量電路如圖C.13. （a）所示.負載Z上的電壓接至 Y軸，電容C上的電壓接至 X軸，通常負載上的電壓是給定的，于是在熒光屏上出現(xiàn)了一個閉合曲線，如圖 C.13

12、.5（b ）所示，它是電源電壓變化一周所描繪出來的，我們?nèi)?x, y坐標，回線的面積為 S,負載上消耗的功率為P：(C.13.11 )c SCfP =Kx KyKx與Ky分別為示波器的 X軸和Y軸的電壓常4y量，它等于偏轉(zhuǎn)板上加 1V電壓時，光點沿 x或y方向的移動距離.f為頻率.當訊號電壓為正弦訊號時，圖形為一橢圓（見圖C.13.6）,設(shè)橢圓長半軸為a,短半軸為b,則面積V。x。I*x0S = 70b ,所以汨bCfP 二Kx Ky(C.13.12 )測出橢圓與x軸交點的橫坐標x和光點的最大的橫坐標x0 ,就可算出功率因數(shù)F x cos 小=一(C.13.13 )圖C.13.6正弦訊號圖形x

13、。實驗過程、用瓦特表測員功率和功率因數(shù)1 .電路按圖C.13.7接線上為鐵芯電感（40W日光燈的鎮(zhèn)流器），R為變阻器的全電阻值（R =300。左右）.R、L的串聯(lián)電路作為負載,先不并聯(lián)電容，測出RL電路的功率P、負載的端電壓和流過負載的電流值， 按（C.13.8 ）式求得功率因數(shù)cos 4Z2 .用整流式交流電壓表測出電感上的電壓Ul和電阻上的電壓Ur值.預先測出電感的電阻 Rl值，計算Url值（Url =LRl）.根據(jù)Url與UL的矢量關(guān)系，作圖定出Ul的大小.如圖C.13.8所示.由圖可知Ul UlcdLtg。=Urrl Ur UrlR Rl由計算的 M直與瓦特表所測得的M直加以比較，求出

14、它們的相對誤差.3 .在負載兩端分別并聯(lián) 1 M F、2 M F、3 M F、4 M F、圖C.13.8Ur與UL的矢量關(guān)系按Co =l(R + Rl 2 +(12求出使功率因數(shù)等于1的電容值Co .在負載上并聯(lián)數(shù)值等于Co5 M F、6 m F、10 m F、12然F的電容，并記下各對應(yīng)的電壓、 電流、功率值，分別計算并找出功率因數(shù)最高的電容值.的電容，以同樣方法測出它的功率因數(shù)，并與計算值進行比較，求其相對誤差.注意：每次更換電容時，必須將調(diào)壓器電壓調(diào)至0,再將K1、K2斷開，并將電容器兩端短路放電后再更換電容.二、用示波器測量功率和功率因數(shù)電路按圖 C.13.5 (a)接線，把 RL串聯(lián)

15、電路作為負載 Z ,電源用音頻訊號發(fā)生器：C =4 mF,頻率 f =50Hz ,輸出電壓 U = 5.00V .先將Ki開關(guān)短接，使電容短路，輸出電壓調(diào)至 5.00V ,記下示波器y軸的偏轉(zhuǎn)格 數(shù)%,然后斷開Ki,將電容接入電路，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的電壓輸出，使y軸的偏轉(zhuǎn)格數(shù)仍保持yo值，調(diào)節(jié)示波器使橢圓圖形位于對稱中心位置，測量橢圓長半軸a、短半軸b、光點最大的橫坐標xo和橢圓與x軸的交點坐標x',用交流電壓檔測量 Ux和Uy,光點最大縱 坐標之間的距離2yo (它表示兩個峰一峰值的大小).故2、, 2U y . 2U yKy = -7=2yoyo同理可得xo由測得的值代入(C.13.12 )式可得P值.由測得的X0與x '值則可求得功率因數(shù) cos M直.思考題1 .為什么瓦特計要按負載大小選擇圖C.13.3(a)或(b)的不同接法，它和伏安法測電阻的接法有否相似之處？2 .為什么提高功率因數(shù)要在RL負載兩端并聯(lián)一電容？是否并聯(lián)任何電容值均能提高功率因數(shù)？3 .試指出D34-W型低功率因數(shù)瓦特表當額定電流分別為0.5 A、1A ,額定電壓分別為150 V、300V、600 V滿量程時對應(yīng)的功率值，各檔的功率分格常量各為多少？4 .如何用示波器