交流穩(wěn)態(tài)電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、華 北 電 大 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告一、用三表法測(cè)量交流電路等效參數(shù)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?學(xué)會(huì)用交流電壓表、交流電流表和功率表測(cè)量元件等效參數(shù)的方法。2學(xué)會(huì)功率表的接法和使用。二、 所用儀器、設(shè)備設(shè)備名稱型號(hào)與規(guī)格設(shè)備名稱型號(hào)與規(guī)格交流電壓表0500V數(shù)字表或指針表自耦調(diào)壓器0450交流電流表05A數(shù)字表或指針表電感線圈（鎮(zhèn)流器）與日光燈配用單相功率表0450，05A阻性負(fù)載白熾燈或其他單相電能表0450，05A日光燈負(fù)載220V日光燈電容器14.7F，交流500V三、 實(shí)驗(yàn)原理 在交流電路中，負(fù)載可以是單一的R、L、C元件，也可以是R、L、C元件的串并聯(lián)組合構(gòu)成的二端網(wǎng)絡(luò)。如果只關(guān)心負(fù)載與外部

2、連接端口的特性，而對(duì)其內(nèi)部元件構(gòu)成和連接方式并不在意，則可降幅在看成是一個(gè)等效阻抗，只需確定等效阻抗的電阻，電抗以及阻抗的性質(zhì)。在交流穩(wěn)態(tài)電路中，通過(guò)用交流電壓表、交流電流表以及功率表分別測(cè)量負(fù)載電壓U、電流I和消耗的功率P，計(jì)算得到負(fù)載電壓的等效電阻、等效電抗，再判斷負(fù)載的性質(zhì)（感性、容性或阻性），從而用實(shí)驗(yàn)的方法確定待測(cè)負(fù)載的等效阻抗參數(shù)，如圖所示，這種方法稱為三表法，此為測(cè)量工頻交流電路參數(shù)的的基本法方之一。三表法測(cè)得負(fù)載的電壓、電流、功率后，計(jì)算器等效參數(shù)的基本公式為阻抗模值： 功率因數(shù)： 等效電阻： 等效阻抗： 負(fù)載成感性時(shí)的等效電感： 負(fù)載成容性時(shí)的等效電容： 四、 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

3、 按圖接線，需注意功率表的電流接線端（電流線圈）與負(fù)載串聯(lián)，電壓接線端（電壓線圈）與負(fù)載并聯(lián)。檢查接線后接通電源，旋動(dòng)調(diào)壓器升壓，使相電壓達(dá)到需要的電壓值。 1.測(cè)量阻性負(fù)載電壓、電流、功率以及功率因數(shù)； 燈泡3個(gè)（一組）2.測(cè)量感性負(fù)載電壓、電流、功率以及功率因數(shù)； 電感或鎮(zhèn)流器3.測(cè)量容性負(fù)載電壓、電流、功率以及功率因數(shù)； 電容器4.7F 或者4F4.測(cè)量串聯(lián)負(fù)載電壓、電流、功率以及功率因數(shù)；5.測(cè)量并聯(lián)負(fù)載電壓、電流、功率以及功率因數(shù)。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理繪制電壓、電流相量圖二、改善功率因數(shù)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?.熟悉功率因數(shù)表的使用方法，了解負(fù)載性質(zhì)對(duì)功率因數(shù)的影響。2.研究并聯(lián)于

4、感性負(fù)載兩端的電容器對(duì)提高功率因數(shù)的作用。3.通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步理解提高功率因數(shù)的意義。二、 所用儀器、設(shè)備設(shè)備名稱型號(hào)與規(guī)格設(shè)備名稱型號(hào)與規(guī)格日光燈220V單相功率表0450，05A電感線圈（鎮(zhèn)流器）與日光燈配用交流電壓表0500V數(shù)字表或指針表電容器0500V可調(diào)電容箱交流電流表05A數(shù)字表或指針表三、 實(shí)驗(yàn)原理1.感性負(fù)載及功率因數(shù)電力系統(tǒng)中的大多數(shù)負(fù)載是感性負(fù)載，比如常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)、日光燈等。感性負(fù)載的功率因數(shù)都比較低，在電壓一定而又需輸送較高有功功率時(shí)，只能提高電流值，這樣對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行是不利的；一是使電源的容量得不到充分利用，二是較大電流引起輸電線上的損耗功率很大，使得輸電效率大大降低

5、。因此一般在電力系統(tǒng)中，總希望負(fù)載能夠盡可能運(yùn)行在較高的功率因數(shù)下。實(shí)際中，往往通過(guò)在感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容的方法來(lái)適當(dāng)?shù)靥岣吖β室驍?shù)，提高后的功率因數(shù)一般能達(dá)到0.80.85。有些感性負(fù)載的功率因數(shù)非常低，在采取提高功率因數(shù)的措施后，其總的功率因數(shù)仍可能較低。本實(shí)驗(yàn)以燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器組成的日光燈電路作為負(fù)載，由于鎮(zhèn)流器是一帶鐵心的繞組，因此整個(gè)電路是感性負(fù)載，其功率因數(shù)較低，一般在0.5以下。2.日光燈的工作原理 日光燈的鎮(zhèn)流器在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高電壓以電離燈管內(nèi)氣體使日光燈導(dǎo)通，而在正常工作時(shí)，又能限制燈管的電流。啟輝器相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，其內(nèi)部有兩個(gè)電極（雙金屬動(dòng)片、固定片）兩電極間并聯(lián)一個(gè)

6、小容量電容器。啟動(dòng)過(guò)程中，較低的電壓加在啟輝器兩端，產(chǎn)生輝光放電，雙金屬動(dòng)片因放電而受熱伸直，與固定片接觸，之后放電停止，雙金屬片冷卻復(fù)位，兩電極分離。 日光燈管兩端各有一小阻值的燈絲電極，玻璃管壁內(nèi)涂有熒光物質(zhì)，管內(nèi)抽真空后再充 進(jìn)微量的惰性氣體和少量汞。兩端燈絲之間加有髙壓電時(shí)，管內(nèi)產(chǎn)生弧光放電，水銀蒸氣受 激發(fā)輻射大量紫外線，管壁上的熒光粉在紫外線的激發(fā)下，輻射出可見(jiàn)光。日光燈電路開(kāi)關(guān)接通或升高電壓時(shí)，電壓加在鎮(zhèn)流器、燈絲電阻和啟輝器上，燈管兩端的電壓不足以使其產(chǎn)生弧光放電。啟輝器兩電極間產(chǎn)生輝光放電，隨后動(dòng)片受熱變形與固定片接觸，輝光放電停止，動(dòng)片冷卻收縮復(fù)位，斷開(kāi)所接回路。此時(shí)由于回

7、路突然斷開(kāi)，鎮(zhèn)流器（帶鐵心的電感線圈）上產(chǎn)生較高的自感電壓，高電壓加在燈管兩端，使管內(nèi)產(chǎn)生弧 光放電、激發(fā)熒光粉輻射出可見(jiàn)光。日光燈 正常工作時(shí)，燈管兩端的電壓低于啟輝器的 動(dòng)作電壓，啟輝器不再動(dòng)作。實(shí)際上，日光燈電路是電阻與電感的串 聯(lián)電路，3.電路原理在感性負(fù)載兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙菘梢蕴?高整個(gè)電路的功率因數(shù)，如下圖所示 四、 實(shí)驗(yàn)方法與步驟1.按下圖接好實(shí)驗(yàn)電路和儀表。2.電容器處于斷開(kāi)狀態(tài)下，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓手柄調(diào)壓至U=220V，測(cè)量I、P、功率因數(shù)。3.加并聯(lián)電容，保持電源電壓U=220V不變，找到總電流最小的一點(diǎn)，可近似看成諧振點(diǎn)（功率因數(shù)=1、電流I的最?。y(cè)量此時(shí)的I 、 P、功

8、率因數(shù)、 I燈、IC。（5uF左右）4.當(dāng)小于諧振電容時(shí)，重復(fù)步驟3，測(cè)兩組數(shù)（C不同）。5.當(dāng)大于諧振電容時(shí)，重復(fù)步驟3，測(cè)兩組數(shù)（C不同）。注意：每次應(yīng)在U=220V時(shí)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果連同U及C值一并記入表中。五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理計(jì)算幾種情況下的電路等效參數(shù) 作出各電流對(duì)電容的曲線、電源提供的無(wú)功對(duì)電容的曲線，及功率因數(shù)對(duì)電容的曲線。繪制電壓、電流相量圖六、 討論與結(jié)論實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須注意幾點(diǎn)以確保實(shí)驗(yàn)安全順利的完成，第一，日光燈回路一定要接鎮(zhèn)流器，否則極易燒壞日光燈；第二，發(fā)現(xiàn)接線錯(cuò)誤時(shí)，必須先將電壓調(diào)到零、斷開(kāi)電源、改接線后再送電。由C-圖可知隨著電容值的逐步升高，先逐步升高后逐步下

9、降當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)處的值為1，電路處于諧振狀態(tài)。根據(jù)繪制的相量圖可知，本實(shí)驗(yàn)的基本目的基本達(dá)成，在容性狀態(tài)下，電流超前電壓一個(gè)相位，在感性狀態(tài)下，電流落后電壓一個(gè)相位。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于電壓的不穩(wěn)定，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)量有一定的影響，但在實(shí)驗(yàn)誤差的允許范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可靠的。本次實(shí)驗(yàn)要求我們組員的動(dòng)手能力，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須細(xì)致的檢查接線狀態(tài)并且注意實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)，否則會(huì)造成實(shí)驗(yàn)儀器的損壞，接線錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)當(dāng)斷開(kāi)電壓，按照正確的實(shí)驗(yàn)步驟檢查排除故障后再送電。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)我們學(xué)會(huì)了不同功率因數(shù)下的電路的表現(xiàn)狀態(tài)并且通過(guò)計(jì)算理論值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，在一定的誤差內(nèi)，兩者基本相等，這是我們更加了解了功率因數(shù)這一物理量

10、以及對(duì)正弦電壓激勵(lì)下的電路有了更深的認(rèn)識(shí)。三、RLC串聯(lián)諧振電路的研究一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙螅?） 用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量RLC串聯(lián)電路中不同頻率下的、,并繪制頻率電壓曲線。（2） 改變R、L、C值，重復(fù)步驟（1），分析元件參數(shù)變化對(duì)電路的影響。（3） 加深理解電路發(fā)生諧振的特點(diǎn)，掌握電路品質(zhì)因數(shù)（Q）的物理意義及測(cè)定方法。二、 所用儀器、設(shè)備設(shè)備名稱型號(hào)與規(guī)格數(shù)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)臺(tái)掛箱信號(hào)發(fā)生器1臺(tái)TFG2006 DDS交流毫伏表EM2182 雙通道數(shù)字毫伏表2塊示波器SS-7802A 雙蹤示波器1臺(tái)Tektornix TDS1002 數(shù)字式可存儲(chǔ)雙蹤示波器RLC串聯(lián)諧振電路 三、實(shí)驗(yàn)原理(1）在如

11、圖a所示的正弦穩(wěn)態(tài)RLC串聯(lián)電路中，當(dāng)正弦交流信號(hào)源的頻率改變時(shí)，電路中的感抗、容抗隨之而變，電路中的電流也隨之變化。取電阻上的電壓作為響應(yīng)， 以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)（因不變，也可以為縱坐標(biāo)），繪出頻率特性曲線（即諧振曲線），如圖b所示。 圖a 圖b (2）在頻率特性曲線的頂點(diǎn)處，電路呈純阻性，電路阻抗的模最小，此時(shí)的頻率稱為諧振頻率。輸入電壓的有效值為定值時(shí)，電路中的電流達(dá)到最大值，且與輸人電壓同相位。從理論上講，此時(shí)，。但在實(shí)際電路中，由于元件參數(shù)并不是理想?yún)?shù)，尤其是電感元件有一定的等效電阻，而非理想的純電感，所以實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)并不完全與理論值相符。（3）電路品質(zhì)因數(shù)Q值的兩種測(cè)量方法

12、。方法一是根據(jù)公式測(cè)定，與分別為諧振時(shí)電容器C和電感線圈L上的電壓。方法二是通過(guò)測(cè)量諧振曲線的通頻帶寬度，再由式求得。式中為諧振頻率。和是失諧時(shí)，即輸出電壓的幅度下降到最大值的時(shí)的上、下頻率點(diǎn)。電路的品質(zhì)因數(shù)Q值越大，曲線越尖銳，通頻帶越窄，電路的選擇性越好。在恒壓源供電時(shí)，電路的品質(zhì)、選擇性與通頻帶只決定于電路本身的參數(shù)，而與信號(hào)源無(wú)關(guān)。四、 實(shí)驗(yàn)方法與步驟1.按電路圖組成監(jiān)視、測(cè)量電路（R1）2.找出電路的諧振頻率f0。方法一：將毫伏表接在電阻R兩端，將信號(hào)源的頻率由小逐漸變大，當(dāng)UR的讀數(shù)為最大時(shí)，此時(shí)的頻率值即為電路的諧振頻率f0 ，測(cè)量此時(shí)的UL與UC之值。方法二：先按實(shí)驗(yàn)給定元件參

13、數(shù)值計(jì)算出諧振頻率的理論值，在此頻率附近測(cè)量R的電壓值，當(dāng)UR的讀數(shù)為最大時(shí)，頻率計(jì)上的頻率值即為電路的實(shí)驗(yàn)諧振頻率。3.在諧振點(diǎn)兩側(cè)，按頻率遞增或遞減，依次各取8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量出U0、UL、UC值，記入數(shù)據(jù)表格。f (kHz)U0(V)UL(V)UC(V)Ui=3V C= R= L= f0= Q=五、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)處理 六、討論與結(jié)論R=255歐姆的數(shù)據(jù)顯然是不正常的。仔細(xì)觀察圖表后，我們發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤集中在頻率在2900赫茲到3300赫茲之間的數(shù)據(jù)。一開(kāi)始是懷疑實(shí)驗(yàn)操作有誤，不過(guò)又發(fā)現(xiàn)，其實(shí)是上下數(shù)據(jù)顛倒了，于是通過(guò)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)一個(gè)一個(gè)交換和，最終得出是頻率（赫茲）在2950、3050、3

14、100、3200顛倒。然后重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖得：曲線平滑正常。由數(shù)據(jù)處理的圖像可知電路的諧振頻率在3000Hz左右，為了更好的找出電路在諧振頻率下的工作狀態(tài)、減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)當(dāng)早3000Hz左右的頻率下將頻率進(jìn)行更小的劃分以準(zhǔn)確的找出諧振頻率。理論下的電路諧振狀態(tài)是電路的輸入阻抗的虛部為零，因此電路此時(shí)處于一個(gè)電阻性狀態(tài)下，電壓與電流同相，電路處于諧振狀態(tài)。在本實(shí)驗(yàn)中，Ul和有效值即電壓表的測(cè)量值大小相等。在諧振狀態(tài)下，電容與電感發(fā)生串聯(lián)諧振，電路呈現(xiàn)電阻性，電容與電感的串聯(lián)部分相當(dāng)于短路處理，電源電壓全部加在電阻兩端，電容兩端的電壓與電感兩端的電壓大小相等，相位相差180度，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)，Q值越大，曲線越尖銳，電路對(duì)非諧振頻率信號(hào)的一直能力越強(qiáng)，選擇性越好；反之，Q值很小時(shí)，在諧振頻率附近，電流變化不大，曲線的頂部形狀比較平緩，選擇性越差。在恒壓源供電時(shí)，電路的品質(zhì)、選擇性與通頻帶只決定于電路本身的參數(shù)，而與信號(hào)源無(wú)關(guān)。七：實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)我們學(xué)會(huì)了如何測(cè)定電路的品質(zhì)因數(shù)，并且對(duì)諧振下的電路狀態(tài)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)Q值有了進(jìn)一步的了解。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)需要隊(duì)員既要做到明確分工又要做到團(tuán)結(jié)合作，高效率高質(zhì)量的完成實(shí)驗(yàn)。在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，尤其是