电工学-电工技术 实验指导书 电工电子实验教学中心 2018年8月
电工学-电工技术 实验指导书 电工电子实验教学中心 2018年8月
实验一 戴维南定理与诺顿定理 一、实验目的 (1)用实验来验证戴维南定理和诺顿定理 (2)学习常用直流仪器仪表的使用方法 二、内容说明 (1)任何一个线性网络，如果只研究其中一个支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作一个 含源一端口网络，而任何一个线性含源一端口网络对外部电路的作用，可用一个等效电压源来代替，该电 压源的电动势E、等于这个含源一端口网络的开路电压Uk,其等效内阻R,等于这个含源一端口网络中各电 源均为零时（电压源短接，电流源断开）无源一端口网络的入端电阻R,这个结论就是戴维南定理。 (2)如果用等效电流源来代替，其等效电流L,等于这个含源一端口网络的短路电流，其等效内电导 等于这个含源一端口网络各电源均为零时无源一端口网络的入端电导，这个结论就是诺顿定理。本实验用 图1所示线性网络来验证以上两个定理。 三、实验任务 (1)按图1接线，改变负载电阻R,分别测量出UAB和IR的数值，记于表1中。特别注意要测出R= ∞及R=0时的电压和电流值。 B 3009 I=15mA 1002 B 2002 3002 U=10V B 图1 表1 2
2 实验一 戴维南定理与诺顿定理 一、实验目的 （1）用实验来验证戴维南定理和诺顿定理 （2）学习常用直流仪器仪表的使用方法 二、内容说明 （1）任何一个线性网络，如果只研究其中一个支路的电压和电流，则可将电路的其余部分看作一个 含源一端口网络，而任何一个线性含源一端口网络对外部电路的作用，可用一个等效电压源来代替，该电 压源的电动势 Es等于这个含源一端口网络的开路电压 UK，其等效内阻 Rs 等于这个含源一端口网络中各电 源均为零时（电压源短接，电流源断开）无源一端口网络的入端电阻 R，这个结论就是戴维南定理。 （2）如果用等效电流源来代替，其等效电流 Is 等于这个含源一端口网络的短路电流 Id，其等效内电导 等于这个含源一端口网络各电源均为零时无源一端口网络的入端电导，这个结论就是诺顿定理。本实验用 图 1 所示线性网络来验证以上两个定理。 三、实验任务 （1）按图 1 接线，改变负载电阻 R，分别测量出 UAB和 IR 的数值，记于表 1 中。特别注意要测出 R= ∞及 R=0 时的电压和电流值。 B A 300Ω + R + I=15mA - ES UAB - RS 100Ω A IR B 200Ω 300Ω A - + IS GS UAB U=10V B 图 1 表 1
R(2) 0 100 300 U (V) Ig(mA) (2)测量无源一端口网络的入端电阻 将电流源去掉（开路），电压源去掉，然后用一根导线代替它（短路），再将负载电阻开路，用伏安法 或直接用万用表电阻档测量AB两点间的电阻RAB,该电阻即为网络的入瑞电阻。 (3)调节电阻箱的电阻，使其等于RB,然后将稳压电源输出电压调到Uk(步骤1时所得的开路电 压)与RAB串联如图(b)所示，重复测量UAB和IR的数值记于表2中，并与步骤1所测得的数值进行比 较，验证戴维南定理。 表2 R(Ω) 0 100 300 Qo UAB (V) IR(mA) (4)验证诺顿定理 用一电流源，其大小为实验步骤1中R短路时的电流与一等效电阻Rs并联后组成的实际电流源，接 上负载电阻，重复步骤1的测量将数据记于表3中。与步骤1所测得的数值进行比较，是否符合诺顿定理。 表3 R() 0 100 300 Uxa (V) IR(mA) 四、实验报告 (1)根据实验测得的Ua及I数据，分别绘出曲线，验证它们的等效性，并分析误差产生的原因。 (2)根据步骤1所测得的开路电压k和短路电流I,计算有源二端网络的等效内阻，与理论计算的Rs 进行比较
3 RL（Ω） 0 100 300 ∞ UAB（V） IR（mA） （2）测量无源一端口网络的入端电阻 将电流源去掉（开路），电压源去掉，然后用一根导线代替它（短路），再将负载电阻开路，用伏安法 或直接用万用表电阻档测量 AB 两点间的电阻 RAB，该电阻即为网络的入端电阻。 （3）调节电阻箱的电阻，使其等于 RAB，然后将稳压电源输出电压调到 UK（步骤 1 时所得的开路电 压）与 RAB串联如图（b）所示，重复测量 UAB和 IR 的数值记于表 2 中，并与步骤 1 所测得的数值进行比 较，验证戴维南定理。 表 2 R（Ω） 0 100 300 ∞ UAB（V） IR（mA） （4）验证诺顿定理 用一电流源，其大小为实验步骤 1 中 R 短路时的电流与一等效电阻 RS并联后组成的实际电流源，接 上负载电阻，重复步骤 1 的测量将数据记于表 3 中。与步骤 1 所测得的数值进行比较，是否符合诺顿定理。 表 3 RL（Ω） 0 100 300 ∞ UAB（V） IR（mA） 四、实验报告 （1）根据实验测得的 UAB及 IR数据，分别绘出曲线，验证它们的等效性，并分析误差产生的原因。 （2）根据步骤 1 所测得的开路电压 UK和短路电流 Id,计算有源二端网络的等效内阻，与理论计算的 RAB 进行比较
实验二 日光灯电路及功率因数提高方法的研究 一、实验目的 (1)熟悉日光灯的接线，做到能正确迅速联接电路 (2)通过实验了解功率因数提高的意义 (3)学习功率表的使用 二、内容说明 日光灯由灯管A,镇流器L(带铁芯电感线圈)，启动器S组成。当接通电源后，启动器内发生辉光放 电，双金属片受热弯曲，触点接通，将灯丝预热使它发射电子，启动器接通后辉光放电停止，双金属片冷 却，又把触点断开，这时镇流器感应出高电压加在灯管两端使日光灯管放电，产生大量紫外线，灯管内壁 的荧光粉吸收后幅射出可见的光，日光灯就开始正常工作。启动器相当一只自动开关，能自动接通电路（加 热灯丝)和开断电路（使镇流器产生高压，将灯管击穿放电）镇流器的作用除了感应高压使灯管放电外， 在日光灯正常工作时，起限制电流的作用，镇流器的名称也由此而来，由于电路中串联着镇流器，它是一 个电感量较大的线圈，因而整个电路的功率因数不高。 负载功率因数过低，一方面没有充分利用电源容量，另一方面又在输电电路中增加损耗，为了提高功 率因数，一般最常用的方法是在负载两端并联一个补偿电容器，抵消负载电流的一部分无功分量。在日光 灯接电源两端并联一个可变电容器，当电容器的容量逐渐增加时，电容支路电流L。也随之增大，因【超前 电压U90°，可以抵消电流I:的一部分无功分量I,结果总电流I逐渐减小，但如果电容器C增加过多（过 补偿)。Ics>I总电流又将增大(I>I2)。 四、实验任务 首先设计一个电路，能提高日光灯电路的功率因数，并研究提高电路功率因数的方法，并用仿真软件 进行仿真，电路正常运行后，按下述步骤进行： (1)将日光灯及可变电容箱元件按参考的实验图1所示电路连接。在各支路串联接入电流表插座
4 实验二 日光灯电路及功率因数提高方法的研究 一、实验目的 （1）熟悉日光灯的接线，做到能正确迅速联接电路 （2）通过实验了解功率因数提高的意义 （3）学习功率表的使用 二、内容说明 日光灯由灯管 A，镇流器 L（带铁芯电感线圈），启动器 S 组成。当接通电源后，启动器内发生辉光放 电，双金属片受热弯曲，触点接通，将灯丝预热使它发射电子，启动器接通后辉光放电停止，双金属片冷 却，又把触点断开，这时镇流器感应出高电压加在灯管两端使日光灯管放电，产生大量紫外线，灯管内壁 的荧光粉吸收后幅射出可见的光，日光灯就开始正常工作。启动器相当一只自动开关，能自动接通电路（加 热灯丝）和开断电路（使镇流器产生高压，将灯管击穿放电）镇流器的作用除了感应高压使灯管放电外， 在日光灯正常工作时，起限制电流的作用，镇流器的名称也由此而来，由于电路中串联着镇流器，它是一 个电感量较大的线圈，因而整个电路的功率因数不高。 负载功率因数过低，一方面没有充分利用电源容量，另一方面又在输电电路中增加损耗，为了提高功 率因数，一般最常用的方法是在负载两端并联一个补偿电容器，抵消负载电流的一部分无功分量。在日光 灯接电源两端并联一个可变电容器，当电容器的容量逐渐增加时，电容支路电流 Ic 也随之增大，因 Ic 超前 电压 U90°，可以抵消电流 IG的一部分无功分量 IGL，结果总电流 I 逐渐减小，但如果电容器 C 增加过多（过 补偿）。ICS＞ICL总电流又将增大（I3＞I2）。 四、实验任务 首先设计一个电路，能提高日光灯电路的功率因数，并研究提高电路功率因数的方法，并用仿真软件 进行仿真，电路正常运行后，按下述步骤进行： （1）将日光灯及可变电容箱元件按参考的实验图 1 所示电路连接。在各支路串联接入电流表插座
再将功率表接入线路，按图接线并经检查后，接通电源，电压增加至220V. 220v A 图1 (2)改变可变电容箱的电容值，先使C=0,测日光灯单元（灯管、镇流器）二端的电压及电源电压， 读取此时灯管电流I6及功率表读数P。 (3)逐渐增加电容C的数值，测量各支路的电流和总电流。电容值不要超过6μF,否则电容电流过 大。 (4)绘出I=f(c)的曲线，分析讨论。 五、实验结果 电容 总电压U UL UA 总电流 IG 功率P COSΦ (μF) (V) (V) (V) I (mA) (mA) (mA (W) 0 1 2 4 6 六、实验报告 绘出总电流=f(C)曲线，COSΦ=f(c)曲线，并分析讨论提高日光灯电路功率因数的方法
5 再将功率表接入线路，按图接线并经检查后，接通电源，电压增加至 220V. * w UL IG * A L IC S 220v C UA A 图 1 （2）改变可变电容箱的电容值，先使 C=0，测日光灯单元（灯管、镇流器）二端的电压及电源电压， 读取此时灯管电流 IG及功率表读数 P。 （3）逐渐增加电容 C 的数值，测量各支路的电流和总电流。电容值不要超过 6μF，否则电容电流过 大。 （4）绘出 I=f（c）的曲线，分析讨论。 五、实验结果 电容 （μF） 总电压 U （V） UL （V） UA （V） 总电流 I（mA） IC (mA) IG (mA 功率 P （W） COSΦ 0 1 2 4 6 六、实验报告 绘出总电流 I=f（C）曲线，COSΦ=f（c）曲线，并分析讨论提高日光灯电路功率因数的方法
七、注意事项 (1)日光灯电路是一个复杂的非线性电路，原因有二，其一是灯管在交流电压接近零时熄灭，使电流 间隙中断，其二是镇流器为非线性电感。 (2)日光灯管功率（本实验中日光灯标称功率20W)及镇流器所消耗功率都随温度而变，在不同环境 温度及接通电路后不同时间中功率会有所变化。 (3)电容器在交流电路中有一定的介质损耗。 (4)日光灯启动电压随环境温度有所改变，一般在180V左右可启动，日光灯启动时电流较大（约0.64）， 工作时电流约0.37A,注意仪表量限选择 (5)本实验中日光灯电路标明在D04实验板上，实验时将双向开关扳向“外接220V电源”一侧，当 开关扳向“内接电源”时由内部已将220V电源接至日光灯作为平时照明光源之用。灯管两端电压及镇流 器两端电压可在板上接线插口处测量。 (6)功率表的同名端联结在一起，否则功率表中模拟指针反向偏转。 (7)使用功率表测量必须按下相应电压、电流最限开关。 (8)本实验如数据不符理论规律首先检查供电电源波形是否过份畸变，因目前电网波形高次谐波份量 相当高，如能装电源进线滤波器是有效措施。 6
6 七、注意事项 （1）日光灯电路是一个复杂的非线性电路，原因有二，其一是灯管在交流电压接近零时熄灭，使电流 间隙中断，其二是镇流器为非线性电感。 （2）日光灯管功率（本实验中日光灯标称功率 20W）及镇流器所消耗功率都随温度而变，在不同环境 温度及接通电路后不同时间中功率会有所变化。 （3）电容器在交流电路中有一定的介质损耗。 （4）日光灯启动电压随环境温度有所改变，一般在 180V 左右可启动，日光灯启动时电流较大（约 0.6A）, 工作时电流约 0.37A,注意仪表量限选择. （5）本实验中日光灯电路标明在 D04 实验板上，实验时将双向开关扳向“外接 220V 电源”一侧，当 开关扳向“内接电源”时由内部已将 220V 电源接至日光灯作为平时照明光源之用。灯管两端电压及镇流 器两端电压可在板上接线插口处测量。 （6）功率表的同名端联结在一起，否则功率表中模拟指针反向偏转。 （7）使用功率表测量必须按下相应电压、电流最限开关。 （8）本实验如数据不符理论规律首先检查供电电源波形是否过份畸变，因目前电网波形高次谐波份量 相当高，如能装电源进线滤波器是有效措施
实验三三相交流电路 一、实验目的 (1)学会三相负载星形和三角形的连接方法，掌握这两种接法的线电压和相电压，线电流和相电流 的测量方法。 (2)观察分析三相四线制中，当负载不对称时中线的作用。 二、内容说明 将三相阻容负载（实验图1）各相的一端X、Y、Z连接在一起接成中点，A、B、C CA=2μ Ca=2μ Y C=2μ 图1 (或U、V、W)分别接于三相电源即为星形连接，这时相电流等于线电流，如电源为对称三相电压，则 因线电压是对应的相电压的矢量差，在负载对称时它们的有效值相差√3倍，即 U楼=√3U相 这时各相电流也对称，电源中点与负载中点之间的电压为零，如用中线将两中点之间连接起来，中线 电流也等于零，如果负载不对称，则中线就有电流流过，这时如将中线断开，三相负载的各相相电压不再
7 实验三 三相交流电路 一、实验目的 （1）学会三相负载星形和三角形的连接方法，掌握这两种接法的线电压和相电压，线电流和相电流 的测量方法。 （2）观察分析三相四线制中，当负载不对称时中线的作用。 二、内容说明 将三相阻容负载（实验图 1）各相的一端 X、Y、Z 连接在一起接成中点，A、B、C CA=2μ CB=2μ A X B Y CC=2μ C Z 图 1 （或 U、V、W）分别接于三相电源即为星形连接，这时相电流等于线电流，如电源为对称三相电压，则 因线电压是对应的相电压的矢量差，在负载对称时它们的有效值相差 3 倍，即 U 线= 3 U 相 这时各相电流也对称，电源中点与负载中点之间的电压为零，如用中线将两中点之间连接起来，中线 电流也等于零，如果负载不对称，则中线就有电流流过，这时如将中线断开，三相负载的各相相电压不再
对称，各相电灯出现亮、暗不同的现象，这就是中点位移引起各相电压不等的结果。 如果将实验图1的三相负载的X与B、Y与C、Z与A分别相连，再在这些连接点上引出三根导线至三相 电源，即为三角形连接法。这时线电压等于相电压，但线电流为对应的两相电流的矢量差，负载对称时， 它们也有√3倍的关系，即 I线=√5I相 若负载不对称，虽然不再有√3倍的关系，但线电流仍为相应的相电流矢量差，这时只有通过矢量图方 能计算它们的大小和相位。 三、实验任务 电路图： IA -a 0 0 N Q N2 N N 图2 (1)将三相阻容负载按星形联接（如图2所示），接至三相对称电源。 (2)测量有中线时负载对称和不对称的情况下，各线电压、相电压、线电流、相电流和中线电流的 数值。 (3)拆除中线后，测量负载对称和不对称，各线电压、相电压、线电流、相电流和中线电流的数值。 P
8 对称，各相电灯出现亮、暗不同的现象，这就是中点位移引起各相电压不等的结果。 如果将实验图 1 的三相负载的 X 与 B、Y 与 C、Z 与 A 分别相连，再在这些连接点上引出三根导线至三相 电源，即为三角形连接法。这时线电压等于相电压，但线电流为对应的两相电流的矢量差，负载对称时， 它们也有 3 倍的关系，即 I 线= 3 I 相 若负载不对称，虽然不再有 3 倍的关系，但线电流仍为相应的相电流矢量差，这时只有通过矢量图方 能计算它们的大小和相位。 三、实验任务 电路图: IA U U1 U N1 V V IB V1 W N2 N W IC W1 N ˊ N3 I0 图 2 （1）将三相阻容负载按星形联接(如图 2 所示),接至三相对称电源。 （2）测量有中线时负载对称和不对称的情况下，各线电压、相电压、线电流、相电流和中线电流的 数值。 （3）拆除中线后，测量负载对称和不对称，各线电压、相电压、线电流、相电流和中线电流的数值
IAB & Ic N +Ic 图3 观察各相灯泡的亮暗，测量负载中点与电源中点之间的电压，分析中线的作用。 (4)将三相灯泡接成三角形连接（如图3所示），测量在负载对称及不对称时的各线电压、相电压、 线电流、相电流的读数，分析它们互相间的关系。 四、实验结果 9
9 IA U U1 IAB U N1 V V V1 IB IBC W N2 W W1 IC N3 ICA 图 3 观察各相灯泡的亮暗，测量负载中点与电源中点之间的电压，分析中线的作用。 （4）将三相灯泡接成三角形连接(如图 3 所示)，测量在负载对称及不对称时的各线电压、相电压、 线电流、相电流的读数，分析它们互相间的关系。 四、实验结果
(1)星形连接 人测量值 线电压(W) 相电压(W) 线（相）电流(A) 中线 中点 电流 电压 负载 状态 UAB Usc UcA UA 么 Ue Ic Io 负 有 中 对 无 线 负 中 对 无 线 (2)三角形连接 负载 线电压V 相电流A 线电流(A) 线电流/相电流(A) 情况 U Uac Ues IA Ic Ie I//IA In/Ipc Ic/Ica 负载 对称 负载 不对 称 五、实验报告 (1)由实验数据分析中线的作用： (2)根据三角形连接，在负载对称及不对称时的各线电压、相电压、线电流、相电流读数，分析 它们互相间的关系。 六、注意事项 (1)阻容负载中每相有1只2μF电容和2只220V25W白炽灯泡，分别由三只开关控制变换接线，两 o
10 （1）星形连接 测量值 负载 状态 线电压(V) 相电压(V) 线（相）电流(A) 中线 电流 中点 电压 UAB UBC UCA UA UB UC IA IB IC I0 UNNˊ 负 载 对 称 有 中 线 无 中 线 负 载 不 对 称 有 中 线 无 中 线 （2）三角形连接 负载 情况 线电压 V 相电流 A 线电流(A) 线电流/相电流(A) UAB UBC UCA IAB IBC ICA IA IB IC IA/IAB IB/IBC IC/ICA 负载 对称 负载 不对 称 五、实验报告 （1）由实验数据分析中线的作用； （2）根据三角形连接，在负载对称及不对称时的各线电压、相电压、线电流、相电流读数，分析 它们互相间的关系。 六、注意事项 （1）阻容负载中每相有 1 只 2μF 电容和 2 只 220V 25W 白炽灯泡，分别由三只开关控制变换接线，两