實(shí)驗(yàn)十五-交流電路功率的測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)十五-交流電路功率的測(cè)量作者：日期：2實(shí)驗(yàn)十五交流電路功率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)交流電路中功率及功率因數(shù)的測(cè)定方法；2加深對(duì)功率因數(shù)概念的理解，進(jìn)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(diǎn)；3學(xué)習(xí)一種提高交流電路功率因數(shù)的方法儀器和用具負(fù)載（鐵芯電感為40W日光燈鎮(zhèn)流器，阻值為300左右的變阻器）、電動(dòng)型瓦特表（低功率因數(shù)瓦特表D34-W型額定電流為0.5A、1A，額定電壓為150V、300V、600V，功率因數(shù)cos0.2）、鐵磁電動(dòng)型交流電壓表、電磁型電流表、電容（0.5F、lF、2F、4F、10F各一個(gè)）、調(diào)壓變壓器、示波器、音頻信號(hào)發(fā)生器.MF-20型晶體管萬用表、雙刀雙

2、擲開關(guān)兩個(gè)等實(shí)驗(yàn)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(shí)間改變?cè)诮涣麟娐分?，由于電壓和電流都隨時(shí)間變化，因而它O圖C.13.1URI們的乘積也隨時(shí)間變化，這種功率稱為瞬時(shí)功率p設(shè)交流電路中通過負(fù)載的瞬時(shí)電流i為iIsint（C.13.1）m負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓u為uUsint（C.13.2）m則瞬時(shí)功率puiUIsintsint（C.13.3）mm平均功率3P1UmImsintsintdtT1Tpdt0TT01T20TUmIm1coscos2tdt1T11其中第二項(xiàng)積分為零，所以PUIcosdtUIcosUIcos（C.13.4）T02mm2mm平均功率不僅和

3、電流、電壓的有效值有關(guān)，并和功率因數(shù)cos有關(guān)由圖C.13.1所示可知PUIcosUI（C.13.5）R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與電流有效值的乘積稱為總功率，也稱視在功率S，即SUI（C.13.6）故PUIcoscos（C.13.7）SUI功率因數(shù)cos就是電源送給負(fù)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(cè)量功率的方法很多，最常用的是瓦特表，此外示波器也可測(cè)量功率（示波器適用于測(cè)量高頻情況下較小的功率）二、瓦特表測(cè)量功率及功率因數(shù)1瓦特表測(cè)功率本實(shí)驗(yàn)采用電動(dòng)型瓦特表，電動(dòng)型瓦特表的測(cè)量機(jī)構(gòu)示意圖如圖C.13.2所示電動(dòng)型瓦特表內(nèi)部測(cè)量

4、機(jī)構(gòu)有兩個(gè)線圈，線圈A為固定線圈，它與負(fù)載串聯(lián)而接人電路，通過固定線圈的電流就是負(fù)載電圖C.13.2電動(dòng)型儀表測(cè)量機(jī)構(gòu)示意圖1固定線圈；2可動(dòng)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(dòng)圈，線圈本身電阻很小，往往與擴(kuò)程用的高電阻相串聯(lián)，測(cè)量時(shí)與負(fù)載相并聯(lián)，動(dòng)圈支路兩端的電壓就是負(fù)載電壓U，因此14動(dòng)圈又稱電壓線圈，它與指針相連使用時(shí)電路聯(lián)接見圖C.13.3（a）、（b），負(fù)載小時(shí)瓦特表電流線圈外接，按圖C.13.3(a）連接；負(fù)載大時(shí)瓦特表電流線圈內(nèi)接，按圖C.13.3（b）連線瓦特表能測(cè)量負(fù)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(chǎng)，

5、電壓支路的電流通過位于固定線圈中間的動(dòng)圈B并使動(dòng)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(dòng)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(kuò)程電阻來實(shí)現(xiàn)IIUZUU1A600VIU1A600VI圖C.13.3瓦特表接線圖2功率因數(shù)的測(cè)定及提高功率因數(shù)的方法根據(jù)PUIcos可知，若用瓦特表測(cè)出它的功率，而用交流電壓表與交流安培表同時(shí)測(cè)出它的電壓、電流值則可求得功率因數(shù)：cosPUI（C.13.8）一般用的電設(shè)備多數(shù)呈電感性的，這種電感性的負(fù)載造成功率因數(shù)的降低，當(dāng)負(fù)載的端電壓一定時(shí)，功率

6、因數(shù)越低輸電線路上的電流越大，導(dǎo)線上的壓降也越大，因此導(dǎo)致電能損耗增加，傳輸效率降低要提高傳輸效率，必須提高功率因數(shù)解I2決的方法是在負(fù)載兩端并聯(lián)電容性負(fù)載如圖C.13.3所示的負(fù)OU載若是電感性負(fù)載，通過它的電流I的相位落后于電壓的相11II位，設(shè)兩者的相位差為外，在未并聯(lián)電容前II，并聯(lián)電容圖C.13.4112后電源供給的總電流I變?yōu)镮II，由于負(fù)載的電壓U不變，則電流I的大小和相位121不變，通過電容的電流I超前負(fù)載兩端的電壓，如圖C.13.4所示12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5而總的功率因數(shù)cos得到了提高而提高功率因數(shù)可以提高電源的有用功

7、率3使用瓦特表的注意事項(xiàng)（1）必須正確接線一定要遵守“發(fā)電機(jī)端”的接線規(guī)則從瓦特表的工作原理可知，瓦特表有兩個(gè)獨(dú)立交路為了使接線不致發(fā)生錯(cuò)誤，通常在電流支路的一端（簡(jiǎn)稱電流端）和電壓支路的一端（簡(jiǎn)稱電壓端）標(biāo)有“*”，“”或“”等特殊標(biāo)記，一般稱它們?yōu)椤鞍l(fā)電機(jī)端”瓦特表正確接線規(guī)則如下：）瓦特表標(biāo)有“*”號(hào)的電流端鈕（即電流線圈的“發(fā)電機(jī)端必須接至電源的一端，而另一電流端鈕則接負(fù)載端電流線圈是串聯(lián)接入電路中的瓦特表中標(biāo)有“*”號(hào)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(jī)端鈕（即標(biāo)有“*”的兩個(gè)端鈕）一定要接到電源同一側(cè)，而另一個(gè)電壓端鈕則跨接到負(fù)載的另一端瓦特表的電壓支路是并

8、聯(lián)接人電路的，否則電表指針反轉(zhuǎn)瓦特表在工作時(shí)I、U、P都不能超過它們的量程，否則易燒壞儀表（2）使用時(shí)，儀表水平放置，并盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)電流導(dǎo)線或強(qiáng)磁場(chǎng)地點(diǎn)，以免使儀表產(chǎn)生附加誤差（3）如果瓦特表的接線正確，但發(fā)現(xiàn)指針反轉(zhuǎn)（例如：負(fù)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(kuò)程電阻的相對(duì)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(diǎn)，并且斷開電源，手切勿觸及金屬部分本實(shí)驗(yàn)采用電感性負(fù)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

9、.5A和1A，額定電壓為150V、300V、600V，功率因數(shù)為0.2）瓦特表的正確讀數(shù)：瓦特表的標(biāo)度尺只標(biāo)有分格數(shù)，而并不標(biāo)明瓦特?cái)?shù)，這是由于瓦特表一般是多量限的，在選用不同電流量限和電壓量限時(shí)，每一分格都代表不同的瓦特?cái)?shù)，每一格所代表的瓦特?cái)?shù)稱為瓦特表的分格常量，可按下式計(jì)算瓦特表分格常量：cUmImcosm（單位為瓦每格）（C.13.9）式中：U所使用瓦特表的電壓額定值；mI所使用瓦特表的電流額定值；m6cos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值在面板上標(biāo)明，例如D34-W型瓦特表cos0.2；瓦特表指針最大偏轉(zhuǎn)所指示的格數(shù)m在測(cè)量時(shí)，讀得瓦特表的偏轉(zhuǎn)格數(shù)后乘上瓦特

10、表相應(yīng)的分格常量，就等于被測(cè)功率的數(shù)值：Pc（單位為瓦）（C.13.10）式中：P被測(cè)功率的瓦特?cái)?shù)；c瓦特表分格常量；瓦特表指針偏轉(zhuǎn)指示格數(shù)普通用的瓦特表的使用、測(cè)量與計(jì)算方法和上完全相同，所不同的是以上計(jì)算公式中cos1三、用示波器測(cè)量功率和功率因數(shù)用示波器測(cè)量功率的原理在于：負(fù)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(cè)功率的優(yōu)點(diǎn)在于：可以適用較高頻率、正弦和非正弦電壓的情況；同時(shí)用示波器可以測(cè)量到小至103W的微小功率，這些優(yōu)點(diǎn)是瓦特表所沒有的測(cè)量電路如圖C.13.（a）所示ZK1YRLCBCSDyEOAdxFX(圖負(fù)載Z上的電壓接至Y軸，電容C上的電壓接

11、至X軸，通常負(fù)載上的電壓是給定7的，于是在熒光屏上出現(xiàn)了一個(gè)閉合曲線，如圖C.13.5(b）所示，它是電源電壓變化一周所描繪出來的，我們?nèi)，y坐標(biāo)，回線的面積為S，負(fù)載上消耗的功率為P：PSCfKKxY（C.13.11）K與K分別為示波器的X軸和Y軸的電壓常xYy量，它等于偏轉(zhuǎn)板上加1V電壓時(shí)，光點(diǎn)沿x或y方y(tǒng)0a向的移動(dòng)距離f為頻率b當(dāng)訊號(hào)電壓為正弦訊號(hào)時(shí)，圖形為一橢圓(見xx0 x圖C.13.6)，設(shè)橢圓長(zhǎng)半軸為a,短半軸為b，則面積xxSab，所以x0abCfP（C.13.12）KKxY測(cè)出橢圓與x軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)x和光點(diǎn)的最大的橫坐標(biāo)x，就可算出功率因數(shù)0圖C.13.6正弦訊號(hào)圖形ZR

12、Lxcos（C.13.13）x0實(shí)驗(yàn)過程一、用瓦特表測(cè)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（R300左右）R、L的串聯(lián)電路作為負(fù)載，1AAV1A600VU*IDW34CVK2先不并聯(lián)電容，測(cè)出RL電路的功率P、負(fù)載的端電壓和流過負(fù)載的電流值，按（C.13.8）式求得功220VK1調(diào)壓器率因數(shù)cos2用整流式交流電壓表測(cè)出電感上的電壓UL圖C.13.7測(cè)量電路圖和電阻上的電壓U值.預(yù)先測(cè)出電感的電阻R值，計(jì)算URLRL值（URLI1RL）根據(jù)URL與U的矢量關(guān)系，作圖定出U的大小如圖C.13.8所示LL8由圖可知RLRRtgULU

13、RRLULLUURLULUL由計(jì)算的值與瓦特表所測(cè)得的值加以比較，求出它們的相對(duì)誤差3在負(fù)載兩端分別并聯(lián)1F、2F、3F、4F、5F、6F、10F、12F的電容，并記下各對(duì)應(yīng)的電壓、電流、功率值，分別計(jì)算并找出功率因數(shù)最高的電容值.圖C.13.8UURLRL與UL的矢量關(guān)系按C0LRR2L2求出使功率因數(shù)等于1的電容值C0.在負(fù)載上并聯(lián)數(shù)值等于CL0的電容，以同樣方法測(cè)出它的功率因數(shù)，并與計(jì)算值進(jìn)行比較，求其相對(duì)誤差注意：每次更換電容時(shí)，必須將調(diào)壓器電壓調(diào)至0，再將K、K斷開，并將電容12器兩端短路放電后再更換電容二、用示波器測(cè)量功率和功率因數(shù)電路按圖C.13.5（a）接線，把RL串聯(lián)電路作為

14、負(fù)載Z，電源用音頻訊號(hào)發(fā)生器：C4F，頻率f50Hz，輸出電壓U5.00V先將K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1數(shù)y，然后斷開K，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01保持y值，調(diào)節(jié)示波器使橢圓圖形位于對(duì)稱中心位置，測(cè)量橢圓長(zhǎng)半軸a、短半軸b、光0點(diǎn)最大的橫坐標(biāo)x和橢圓與x軸的交點(diǎn)坐標(biāo)x，用交流電壓檔測(cè)量U和U，光點(diǎn)最大縱0 xy坐標(biāo)之間的距離2y（它表示兩個(gè)峰一峰值的大小）0故KY22U2y0y2Uy0y同理可得xK2UX09x由測(cè)得的值代入（C.13.12）式可得P值由測(cè)得的x與x值則可求得功率因數(shù)cos值0思考題1為什么瓦特計(jì)要按負(fù)載大小選擇圖C.13.3(a)或(b）的不同接法，它和伏安法測(cè)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(fù)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(dāng)額定電流分別為0.5A、1A，額定電壓分別為150V、300V、600V滿量程時(shí)對(duì)應(yīng)的功率值，各檔的功率分格常量各為多少？4如何用示波器測(cè)量功率與功率因數(shù)