2015年機械與汽車工程學院-電工與電子技術實驗指導書

電工與電子技術實驗指導書聊城大學物機械與汽車工程學院2015年11月目錄基爾霍夫定律和疊加原理的驗證……………...……………1戴維南定理的驗證和最大功率傳輸條件的測定……………...……………4日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高……...………………9三相電路的研究…………………...………11實驗一基爾霍夫定律和疊加原理的驗證一、實驗目的1.驗證基爾霍夫定律的正確性，加深對基爾霍夫定律的理解。2.驗證線性電路疊加原理的正確性，加深對線性電路的疊加性和齊次性的認識和理解。3.學會用電流插頭、插座測量各支路電流。二、原理說明基爾霍夫定律是電路的基本定律。測量某電路的各支路電流及每個元件兩端的電壓，應能分別滿足基爾霍夫電流定律（KCL）和電壓定律（KVL）。即對電路中的任一個節(jié)點而言，應有ΣI＝0；對任何一個閉合回路而言，應有ΣU＝0。運用上述定律時必須注意各支路或閉合回路中電流的正方向，此方向可預先任意設定。疊加原理指出：在有多個獨立源共同作用下的線性電路中，通過每一個元件的電流或其兩端的電壓，可以看成是由每一個獨立源單獨作用時在該元件上所產(chǎn)生的電流或電壓的代數(shù)和。線性電路的齊次性是指當激勵信號（某獨立源的值）增加或減小K倍時，電路的響應（即在電路中各電阻元件上所建立的電流和電壓值）也將增加或減小K倍。三、實驗儀器序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1直流可調(diào)穩(wěn)壓電源0~30V二路DG042萬用表1自備3直流數(shù)字電壓表0~200V1D314直流數(shù)字毫安表0~200mV1D315電位、電壓測定實驗電路板1DG056迭加原理實驗電路板1DG05四、實驗內(nèi)容實驗線路如圖1-1相同，用DG05掛箱的“基爾霍夫定律/疊加原理”線路。圖1-11.實驗前先任意設定三條支路和三個閉合回路的電流正方向。圖1-1中的I1、I2、I3的方向已設定。三個閉合回路的電流正方向可設為ADEFA、BADCB和FBCEF。2.將兩路穩(wěn)壓源的輸出分別調(diào)節(jié)為12V和6V，接入U1和U2處。。3.熟悉電流插頭的結構，將電流插頭的兩端接至數(shù)字毫安表的“＋、－”兩端。4.將電流插頭分別插入三條支路的三個電流插座中，讀出并記錄電流值。5.用直流數(shù)字電壓表分別測量兩路電源及電阻元件上的電壓值，記錄之。表1-16.令U1電源單獨作用（將開關K1投向U1側(cè)，開關K2投向短路側(cè)）。用直流數(shù)字電壓表和毫安表（接電流插頭）測量各支路電流及各電阻元件兩端的電壓，數(shù)據(jù)記入表1-2。7.令U2電源單獨作用（將開關K1投向短路側(cè)，開關K2投向U2側(cè)），重復實驗步驟6的測量和記錄，數(shù)據(jù)記入表1-2。8.令U1和U2共同作用（開關K1和K2分別投向U1和U2側(cè)），重復上述的測量和記錄，數(shù)據(jù)記入表1-2。9.將U2的數(shù)值調(diào)至＋12V，重復上述的測量和記錄，數(shù)據(jù)記入表1-2。表1-2五、實驗注意事項1.本實驗線路板系多個實驗通用，本次實驗中不使用電流插頭。DG05上的K3應撥向330Ω側(cè)，三個故障按鍵均不得按下。但需用到電流插座。2．所有需要測量的電壓值，均以電壓表測量的讀數(shù)為準。U1、U2也需測量，不應取電源本身的顯示值。3.防止穩(wěn)壓電源兩個輸出端碰線短路。4.用指針式電壓表或電流表測量電壓或電流時，如果儀表指針反偏，則必須調(diào)換儀表極性，重新測量。此時指針正偏，可讀得電壓或電流值。若用數(shù)顯電壓表或電流表測量，則可直接讀出電壓或電流值。但應注意：所讀得的電壓或電流值的正確正、負號應根據(jù)設定的電流參考方向來判斷。5.用電流插頭測量各支路電流時，或者用電壓表測量電壓降時，應注意儀表的極性，正確判斷測得值的＋、－號后，記入數(shù)據(jù)表格。6.注意儀表量程的及時更換。六、預習思考題1.根據(jù)圖1-1的電路參數(shù)，計算出待測的電流I1、I2、I3和各電阻上的電壓值，記入表中，以便實驗測量時，可正確地選定毫安表和電壓表的量程。2.實驗中，若用指針式萬用表直流毫安檔測各支路電流，在什么情況下可能出現(xiàn)指針反偏，應如何處理？在記錄數(shù)據(jù)時應注意什么？若用直流數(shù)字毫安表進行測量時，則會有什么顯示呢？3.在疊加原理實驗中，要令U1、U2分別單獨作用，應如何操作？可否直接將不作用的電源（U1或U2）短接置零？七、實驗報告1.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選定節(jié)點A，驗證KCL的正確性。2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，選定實驗電路中的任一個閉合回路，驗證KVL的正確性。3.誤差原因分析。4.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表格，進行分析、比較，歸納、總結實驗結論，即驗證線性電路的疊加性與齊次性。5.心得體會及其他。實驗二戴維南定理的驗證和最大功率傳輸條件的測定一、實驗目的1.驗證戴維南定理的正確性，加深對該定理的理解。2.掌握測量有源二端網(wǎng)絡等效參數(shù)的一般方法。3.掌握負載獲得最大傳輸功率的條件。4.了解電源輸出功率與效率的關系。二、原理說明1.任何一個線性含源網(wǎng)絡，如果僅研究其中一條支路的電壓和電流，則可將電路的其余部分看作是一個有源二端網(wǎng)絡（或稱為含源一端口網(wǎng)絡）。戴維南定理指出：任何一個線性有源網(wǎng)絡，總可以用一個電壓源與一個電阻的串聯(lián)來等效代替，此電壓源的電動勢Us等于這個有源二端網(wǎng)絡的開路電壓Uoc，其等效內(nèi)阻R0等于該網(wǎng)絡中所有獨立源均置零（理想電壓源視為短接，理想電流源視為開路）時的等效電阻。Uoc（Us）和R0稱為有源二端網(wǎng)絡的等效參數(shù)。2.有源二端網(wǎng)絡等效參數(shù)的測量方法(1)開路電壓、短路電流法測R0在有源二端網(wǎng)絡輸出端開路時，用電壓表直接測其輸出端的開路電壓Uoc，然后再將其輸出端短路，用電流表測其短路電流Isc，則等效內(nèi)阻為UocR0＝──Isc如果二端網(wǎng)絡的內(nèi)阻很小，若將其輸出端口短路圖2-1則易損壞其內(nèi)部元件，因此不宜用此法。(2)伏安法測R0用電壓表、電流表測出有源二端網(wǎng)絡的外特性曲線，如圖2-1所示。根據(jù)外特性曲線求出斜率tgφ，則內(nèi)阻△UUocR0＝tgφ＝──＝──?！鱅Isc也可以先測量開路電壓Uoc，圖2-2Uoc－UN則內(nèi)阻為R0＝────。IN(3)半電壓法測R0如圖2-2所示，當負載電壓為被測網(wǎng)絡開路電壓的一半時，負載電阻（由電阻箱的讀數(shù)確定）即為被測有源二端網(wǎng)絡的等效內(nèi)阻值。(4)零示法測UOC圖2-3在測量具有高內(nèi)阻有源二端網(wǎng)絡的開路電壓時，用電壓表直接測量會造成較大的誤差。為了消除電壓表內(nèi)阻的影響，往往采用零示測量法，如圖2-3所示.。零示法測量原理是用一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測有源二端網(wǎng)絡進行比較，當穩(wěn)壓電源的輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡的開路電壓相等時，電壓表的讀數(shù)將為“0”。然后將電路斷開，測量此時穩(wěn)壓電源的輸出電壓，即為被測有源二端網(wǎng)絡的開路電壓。3.電源與負載功率的關系圖2-4可視為由一個電源向負載輸送電能的模型，R0可視為電源內(nèi)阻和傳輸線路電阻的總和，RL為可變負載電阻。圖2-4圖10-1負載RL上消耗的功率P可由下式表示：圖2-4圖10-1當RL=0或RL=∞時，電源輸送給負載的功率均為零。而以不同的RL值代入上式可求得不同的P值，其中必有一個RL值，使負載能從電源處獲得最大的功率。負載獲得最大功率的條件根據(jù)數(shù)學求最大值的方法，令負載功率表達式中的RL為自變量，P為應變量，并使dP/dRL=0，即可求得最大功率傳輸?shù)臈l件：當滿足RL=R0時，負載從電源獲得的最大功率為：這時，稱此電路處于“匹配”工作狀態(tài)。匹配電路的特點及應用在電路處于“匹配”狀態(tài)時，電源本身要消耗一半的功率。此時電源的效率只有50%。顯然，這對電力系統(tǒng)的能量傳輸過程是絕對不允許的。發(fā)電機的內(nèi)阻是很小的，電路傳輸?shù)淖钪饕笜耸且咝仕碗姡詈檬?00%的功率均傳送給負載。為此負載電阻應遠大于電源的內(nèi)阻，即不允許運行在匹配狀態(tài)。而在電子技術領域里卻完全不同。一般的信號源本身功率較小，且都有較大的內(nèi)阻。而負載電阻（如揚聲器等）往往是較小的定值，且希望能從電源獲得最大的功率輸出，而電源的效率往往不予考慮。通常設法改變負載電阻，或者在信號源與負載之間加阻抗變換器（如音頻功放的輸出級與揚聲器之間的輸出變壓器），使電路處于工作匹配狀態(tài)，以使負載能獲得最大的輸出功率。三、實驗儀器序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1可調(diào)直流穩(wěn)壓電源0～30V1DG042可調(diào)直流恒流源0～500mA1DG043直流數(shù)字電壓表0～200V1D314直流數(shù)字毫安表0～200mA1D315萬用表1自備6可調(diào)電阻箱0～99999.9Ω1DG097電位器1K/2W1DG098戴維南定理實驗電路板1DG059最大功率傳輸條件測定電路板1DG05四、實驗內(nèi)容被測有源二端網(wǎng)絡如圖3-5(a)。(a)圖2-5(b)1.戴維南定理的驗證實驗內(nèi)容(1).用開路電壓、短路電流法測定戴維南等效電路的Uoc、R0和諾頓等效電路的ISC、R0。按圖2-5(a)接入穩(wěn)壓電源Us=12V和恒流源Is=10mA，不接入RL。測出UOc和Isc,并計算出R0。（測UOC時，不接入mA表。）表2-1Uoc(v)Isc(mA)R0=Uoc/Isc(Ω)(2).負載實驗按圖2-5(a)接入RL。改變RL阻值，測量有源二端網(wǎng)絡的外特性曲線。表2-2U（v）I（mA）(3).驗證戴維南定理：從電阻箱上取得按步驟“1”所得的等效電阻R0之值，然后令其與直流穩(wěn)壓電源（調(diào)到步驟“1”時所測得的開路電壓Uoc之值）相串聯(lián)，如圖2-5(b)所示，仿照步驟“2”測其外特性，對戴氏定理進行驗證。表2-3U（v）I（mA）2、最大功率傳輸條件的測定實驗的內(nèi)容(1).按圖2-6接線，負載RL取自元件箱DG09的電阻箱。(2).按表2-4所列內(nèi)容，令RL在0~1K范圍內(nèi)變化時，分別測出UO、UL及I的值，表中UO，PO分別為穩(wěn)壓電源的輸出電壓和功率，UL、PL分別為RL二端的電壓和功率，I為電路的電流。在PL最大值附近應多測幾點。圖2-6表2-4（單位：R－Ω，U－V，I－mA，P－W）當US=Uoc和R=R0時RL1KUOULIPOPL五、實驗注意事項1.測量時應注意電流表量程的更換。2.改接線路時，要關掉電源。六、預習思考題1.說明測有源二端網(wǎng)絡開路電壓及等效內(nèi)阻的幾種方法，并比較其優(yōu)缺點。2.電力系統(tǒng)進行電能傳輸時為什么不能工作在匹配工作狀態(tài)？3.電源電壓的變化對最大功率傳輸?shù)臈l件有無影響？七、實驗報告1.根據(jù)實驗內(nèi)容1中步驟（2）、（3）分別繪出曲線，驗證戴維南定理的正確性，并分析產(chǎn)生誤差的原因。2.整理實驗內(nèi)容2中的數(shù)據(jù)，分別畫出下列各關系曲線：I~RL，UL~RL，PL~RL4.根據(jù)實驗結果，說明負載獲得最大功率的條件是什么?5.歸納、總結實驗結果。6.心得體會及其他。實驗三日光燈電路的連接及功率因數(shù)的提高一、實驗目的1．進—步熟悉日光燈的工作原理。2．學習感性負載電路提高功率因數(shù)的方法。3．學習交流電壓表、電流表的使用。二、實驗儀器序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1單相功率表D342交流電壓表0～500VD333交流電流表0～5AD324日光燈負載40W/220V1DG015電感線圈40W鎮(zhèn)流器1DG096電容器1μF，4.7μFDG09三、實驗原理及說明~220V日光燈燈管啟動器鎮(zhèn)流器FUS1~220V日光燈燈管啟動器鎮(zhèn)流器FUS1UIICIRLURLURC***圖3-1日光燈并聯(lián)電容電路S2日光燈管的內(nèi)壁涂有一層熒光粉，燈管兩端各有一組燈絲，燈絲上涂有易使電子發(fā)射的金屬粉末。管內(nèi)抽成真空，填充氬氣和少量的汞。它的啟動電壓是400~500V，啟動后管壓降只有80V左右。因此，日光燈燈管不能直接接在220V的電源上使用，而且啟動時需要高于220V的電壓。鎮(zhèn)流器和啟動器就是為滿足這個要求而設計的。UUUURURLRLXLR圖3-2日光燈等效電路日光燈工作時，燈管可以認為是一電阻負載，鎮(zhèn)流器可以認為是一個電感量較大的感性負載，兩者串聯(lián)構成一個R、L串聯(lián)電路。日光燈工作時的整個電路可用圖2等效串聯(lián)電路來表示。因電路中所消耗的功率：，故測出P、U、I后，即可求出電路的功率因數(shù)值。功率因數(shù)的高低反映了電源容量利用率的大小。電路功率因數(shù)低，說明電源容量沒有被充分利用。同時，無功電流在輸電線路上造成無用的損耗。因此，提高電路的功率因數(shù)成為電力系統(tǒng)的重要課題。功率因數(shù)較低時，可并聯(lián)適當容量的電容器來提高電路的功率因數(shù)，當功率因數(shù)等于l時，電路產(chǎn)生并聯(lián)諧振，此時電路的總電流最小。若并聯(lián)電容容量過大，則產(chǎn)生過補償。從實用和經(jīng)濟性兩方面考慮，一般功率因數(shù)提高的電路仍為電感性電路。四、實驗內(nèi)容l．按圖3-1接好線路，合上電源開關S1，斷開S2，接通電源，觀察日光燈的啟動過程。2．測量日光燈電路的端電壓U、燈管兩端電壓UR、鎮(zhèn)流器兩端電壓URL、電路電流I即日光燈電流IRL和電路總功率P，并計算功率因數(shù)cos，將數(shù)據(jù)填入表4-1。表3-1測量數(shù)據(jù)計算U(V)P(W)I(A)UR(V)URL(V)COS合上開關S2，將日光燈電路兩端并聯(lián)電容C。逐漸加大電容量，每改變一次電容量，都要測量端電壓U、燈管兩端電壓UR、鎮(zhèn)流器兩端電壓URL、電路電流I、日光燈電流IRL電容器電流IC和日光燈功率P。將測量數(shù)據(jù)填入表3-2。表3-2電容測量數(shù)據(jù)計算μFP(W)I(A)IRL(A)IC(A)U(V)COS14.7五、預習思考題1.熟悉日光燈的工作原理.2.了解感性負載電路提高功率因數(shù)的方法和意義.六、注意事項1．本實驗用市電220V，應注意用電安全和人身安全。2．操作中要嚴格遵守先接線，后通電，先斷電，后拆線的原則。3．如接線正確，日光燈不能啟輝時，應檢查啟輝器及其接觸是否良好。七、實驗報告1.根據(jù)U、I、P三表測定的數(shù)據(jù)，計算出cosφ。2.分析并聯(lián)電容與cosφ的關系。3.心得體會及其他。實驗四三相電路的研究一、實驗目的1.掌握三相負載作星形聯(lián)接、三角形聯(lián)接的方法。2.驗證這兩種接法下線、相電壓及線、相電流之間的關系。3.充分理解三相四線供電系統(tǒng)中中線的作用。二、原理說明1.三相負載可接成星形（又稱“Ｙ”接）或三角形(又稱"△"接)。當三相對稱負載作Y形聯(lián)接時，線電壓UL是相電壓Up的倍。線電流IL等于相電流Ip，即UL＝，IL＝Ip在這種情況下，流過中線的電流I0＝0，所以可以省去中線。當對稱三相負載作△形聯(lián)接時，有IL＝Ip，UL＝Up。2.不對稱三相負載作Y聯(lián)接時,必須采用三相四線制接法，即Yo接法。而且中線必須牢固聯(lián)接，以保證三相不對稱負載的每相電壓維持對稱不變。倘若中線斷開，會導致三相負載電壓的不對稱，致使負載輕的那一相的相電壓過高，使負載遭受損壞；負載重的一相相電壓又過低，使負載不能正常工作。尤其是對于三相照明負載，無條件地一律采用Y0接法。3.當不對稱負載作△接時，IL≠Ip，但只要電源的線電壓UL對稱，加在三相負載上的電壓仍是對稱的，對各相負載工作沒有影響。三、實驗儀器序號名稱型號與規(guī)格數(shù)量備注1交流電壓表0～500V1D332交流電流表0～5A1D323萬用表1自備4三相自耦調(diào)壓器1DG015三相燈組負載220V，15W白熾燈9DG086電流插座3DG09四、實驗內(nèi)容1.三相負載星形聯(lián)接（三相四線制供電）按圖4-1線路組接實驗電路。即三相燈組負載經(jīng)三相自耦調(diào)壓器接通三相對稱電源。將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為0V的位置（即逆時針旋到底）。經(jīng)指導教師檢查合格后，方可開啟實驗臺電源，然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V，并按下述內(nèi)容完成各項實驗，分別測量三相負載的線電壓、相電壓、線電流、相電流、中線電流、電源與負載中點間的電壓。將所測得的數(shù)據(jù)記入表4-1中，并觀察各相燈組亮暗的變化程度，特別要注意觀察中線的作用。圖4-1表4-1測量數(shù)據(jù)實驗內(nèi)容（負載情況）開燈盞數(shù)A相B相C相333333123123Y0接B相斷開13Y接B相斷開13Y接B相短路132.負載三角形聯(lián)接（三相三線制供電