交流电路实验箱实验指导书.docx
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交流电路实验箱实验指导书
一、概述
交流电路实验箱是根据“电工基础”“电路原理”“电路分析”等课程所开发设计的强电类典型实验项目而设计的。
版面设有Y型和△型变换的三相灯组负载，日光灯实验组件，多绕组变压器，单相铁芯变压器，电流互感器，RLC元件组，三相电源，交流电压表，交流电流表，秒表等仪器仪表于一体。
设计合理紧凑、美观，操作使用方便。
二、主要技术性能
1、输入电源：
三相四线制，AC380V±10%，50H，180VA。
2、交流电压表：
输入：
AC0--450V
交流电流表：
输入：
AC0--2A
秒表：
0--99s
3、使用环境条件：
温度-10℃-40℃
湿度≤80％（40℃）
4、实验箱外型尺寸：
520mm×340mm×170mm
三、实验注意事项
1、根据不同的连接方法选择合适的电源（AC220V或AC380V）。
2、实验时，若发现异常现象，应立即关断电源查找原因，排除故障，切记不允许在通电的情况下查找原因。
3、实验过程中如果需要更改接线时，必须切断电源后才能拆接线，以免触电。
4、实验完毕，必须先关掉电源，拔出电源插头，并将仪器设备工具导线等按规定整理好。
四、实验项目
实验一、用三表法测量交流电路等效应参数……………………………………3
实验二、日光灯电路实验、改善功率因素实验…………………………………7
实验三、单相铁心变压器特性测试………………………………………………10
实验四、电流互感器实验…………………………………………………………12
实验五、变压器同名端判断………………………………………………………14
实验六、R、L、C元器件特性及参数测试……………………………………16
实验七、三相交流电路电压、电流的测量……………………………………20
实验八、三相交流电路功率的测量……………………………………………23
实验九、功率因数及相序的测量………………………………………………27
实验十、单相电度表实验………………………………………………………30
实验一、用三表法测量交流电路等效应参数
一、实验目的
1、学会用交流电压表、交流电流表和功率表测量元件交流等效参数的方法。
2、学会功率表的接法和使用。
二、原理说明
1、正弦交流激励下的元件值和阻抗值，可以用交流电压表、交流电流表及功率表，分别测量出元件两端的电压U，流过该元件的电流I和它所消耗的功率P，然后通过计算得到所求的各值，用交流电压表、交流电流表、功率表测量电路元件参数的方法称为三表法，是用以测量交流电路参数的基本方法。
计算基本公式：
阻抗的模
电路的功率因数
等效电阻
等效电抗
如果被测元件为一个电感线圈，则有：
如果被测元件为一个电容器，则有：
如果被测元件不是一个元件，而是一个无源一端口网络，虽然也可从U、I、P三个量中求得
，
但无法判定出X是容性还是感性。
2、阻抗性质的判别方法
在被测元件两端并联电容或串联电容的方法对阻抗性质加以判别，原理与方法如下：
（1）在被测元件两端并联电容一只适当容量的电容，若串联在电路中电流表的读数增大，则被测阻抗为容性，电流减小则为感性。
图1.1（a）中，Z为待测定的元件，C′为试验电容，（b）图是（a）图的等效电路，图中G、B为待测阻抗Z的电导和电纳，B′为并联电容C′的电纳。
在端电压有效值不变的条件下，按下面两种情况进行分析：
①设B+B′=B″，若B′增大，B″也增大则电路中电流I将单调地上升，故可判断B为容性元件。
②设B+B′=B″，若B′增大，而B″先减小而后增大，电流I也是先减小后上升，如图1.2所示，故可判断B为感性元件。
由以上分析可见，当B为容性元件时，对并联电容C′值
无特殊的要求；而当B为感性元件时，
B′＜│2B│才有判定为感性的意义。
B′＜│2B│时，电流单调上升，与B为容性时相同，并不能说明电路是感性的，因此B′＜│2B│是判定电路性质的可靠条件，由此得判定条件为：
（2）与被测元件串联一个适当容量的电容，若被测阻抗的端压下降，则判定为容性，端压上升则为感性，判定条件为：
式中X为被测阻抗的电抗值，C′为串联实验电容值，此关系式可自行证明。
判断待定元件的性质，除上述借助于实验电容C′测定法外还可以利用该元件电流、电压间的相位关系，若i超前于u，为容性；i滞后于u，则为感性。
3、功率表的结构、接线与使用。
功率表（又称为瓦特表）是一种动圈式仪表，其电流线圈与负载串联，（两个电流线圈可串联或并联，因而可得两个电流量限），其电压线圈与负载并联，有三个量限。
功率表的正确接法：
为了不使功率表指针反向偏转，在电流线圈和电压线圈的一个端钮上标有“*”标记，连接功率表时，对有“*”标记电流线圈一端，必须接在电源一端，另一端接至负载端，对有“*”标记电压线圈一端，可以接电流线圈任一端，另一端应接到负载的另一端。
如此功率表指针就一定能正向偏转。
图1.3（a）所示连接，称并联电压线圈前接法，功率表读数中包括了电流线圈的功耗，它适用于负载阻抗远大于电流线圈阻抗的情况。
图1.3（b）所示连接，称并联电压线圈后接法，功率表读数中包括了电压线圈的功耗，它适用于负载阻抗远小于功率表电压支路阻抗的情况。
图1.3
三、实验设备
1、交流电路实验箱1台
2、交流电压表1台
3、交流电流表1台
4、功率表1台
四、实验内容
测试线路如图1.4所示
图1.4
1、按图1.4接线，并经指导老师检查后，方可接通市电电源。
2、分别测量25W白炽灯（R），15W日光灯镇流器（L）和4.7цF电容器（C）的等效参数。
要求R和C两端所加电压为220V；L中流过电流小于0.4A。
3、测量L、C串联与并联后的等效参数。
4、用并联试验电容的方法判别LC串联和并联后阻抗的性质。
被测阻抗
测量值
计算值
电路等效参数
U
（V）
I
（A）
P
（W）
cos
Z
（Ω）
cos
R
（Ω）
L
（mH）
H
（μf）
15W白炽灯
电感线圈L
电容器C
L与C串联
L与C并联
5、观察并测定功率表电压并联线圈前接法与后接法对测量结果的影响
五、实验注意事项
1、本实验直接用市电220V交流电供电，实验中要特别注意人身安全，不可用手直接触摸通电线路的裸露部分，以免触电，进实验室应穿绝缘鞋。
2、功率表要正确接入电路，读数时应注意量程和标度尺的折算关系。
3、功率表不能单独使用，一定要有电压表和电流表监测，使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量限。
4、电感线圈L中流过电流不得超过0.4A。
六、实验报告
1、根据实验数据，完成各项计算。
2、分析功率表并联电压线圈前后接法对测量结果的影响。
3、总结功率表的使用方法。
实验二、日光灯电路实验、改善功率因素实验
一、实验目的
1、熟悉日光灯的电路接线。
2、验证提高感性负载功率因数的方法。
二、原理说明
1、日光灯电路及其原理说明：
（1）日光灯电路如图2.1所示，它由日光灯管，镇流器和启辉器主要部件组成。
A、灯管是一根玻璃管，其内壁涂有荧光粉，两端各有一个阳极和灯丝，前者为镍丝，后者为钨丝，二者焊在一起，管内充有惰性气体和水银蒸气。
B、启辉器又封在充有惰性气体的玻璃泡内的双金属片和静触片组成，双金属片和静触片都具有触头。
C、镇流器是一个带铁心的电感线圈。
（2）工作原理：
当日光灯刚接通电源时，启辉器的两个触头是断开时，电路中没有电流，电源电压全加在起辉器的两个触头之间产生辉光放电，电流通过起辉器，灯丝和镇流器构成通路，对灯丝加热，灯丝发出大量电子。
起辉器放电时产生大量的热量，使双金属片受热膨胀至使触头闭合，导致放电结束。
双金属片冷却后两触头断开，通路被切断，在触头被切断的瞬间镇流器产生相当高的自感电动势与电源电压串联加在灯管的两端，启动管内的水银蒸气放电，这时辐射出的紫外线照到管内壁的荧光粉上发出白光。
灯管放电后，电源电压大部分加在镇流器上，灯管两端电压（既启辉器两触头之间的电压）较低，不能使起辉器光线光放电，因而其触头不能再接触。
在电网交流电的作用下，灯管两端的灯丝和阳极之间电位不断地发生变化，一端为正电位时另一端为负电位。
负电位端发射电子，正电位端吸收电子，从而形成为电流通路。
2、功率因数的提高：
（1）功率因数：
对于一个无源二端网络，如下图2.2所示，它所吸收的功率P=UIcosφ，其中cosφ称为功率因数。
功率因数的大小决定放电电压和电流之间的相位差，即决定于该二端网络的等值负阻抗的复角φ。
图2.2
（2）提高功率因数的方法：
提高功率因数，就是设法补偿电路的无功电流分量。
对于感性负载，可以并联一个电容器使流过电容的无功电流分量与流过电感负载的电流无功分量互相补偿，以减少电压和电流之间的相位差，从而提高功率因数。
3、提高功率因数的实际意义：
作为动力系统主要用户的工厂，其负载如感应电动机，变压器都是感性的，它们的功率因数较低。
低功率因数的负载时动力系统的运行会产生不良的影响。
例如不能充分利用电源的容量，同时由于一定的负载功率需要较大的电流，因而增加了输电线的损耗，降低了传输效率。
提高功率的功率因数，就克服上述不良影响，具有实际意义。
三、实验设备
1、交流电压表1台
2、交流电流表1台
3、功率表1台
4、交流电路实验箱1台
四、实验内容
1、日光灯实验电路。
（1）按图2.2所示连接电路（电容先不接入）。
接通电源，观察日光灯发光过程。
（2）灯管点燃以后，记录电流I、功率P，并分别测量灯管两端的电压UD和镇流器两端的电压UL。
（3）计算视在功率S、无功功率Q和功率因数cosφ。
2、日光灯改善功率因数的电路。
（1）并入电容C，接入AC220V，将电容由1μF、2.2μF、4.7μF逐渐增大，观察电流I和功率P的变化情况。
（2）计算每次的视在功率S、无功功率Q和功率因数cosφ。
五、注意事项
1、日光灯启动电流较大，必须使连线正确并牢靠，以保护瓦特表。
2、接好电路，一定要检查无误后才可接通电源，以免损坏日光灯管。
六、实验报告
1、根据实验数据，完成各项计算。
2、提高感性负载的功率因数的方法是什么？
3、写出实验报告。
实验三、单相铁芯变压器特性测试
一、实验目的
1、通过测量，计算变压器的各项参数。
2、学会测绘变压器的空载特性与外特性。
二、原理说明
1、如图3.1所示测试变压器参数的电路，由各仪表读得变压器原边（AX-设为低压侧）的U1、I1、P1及副边（ax-设为高压侧）的U2、I2，并用万用表R×1档测出原、副绕组的电阻R1和R2，即可算得变压器的各项参数值。
电压比：
电流比：
原边阻抗：
副边阻抗：
阻抗比：
负载功率：
耗损功率
功率因数
原边线圈铜耗：
副边铜耗
铁耗
图3.1
2、变压器空载特性测试
铁心变压器是一个非线形元件，铁心中的磁感应强度B决定于外加电压的有效值U，当副边开路（既空载）时，原边的励磁电流I10与磁场强度H成正比。
在变压器中，副边空载时，原边电压与电流的关系称为变压器的空载特性，这与铁芯的磁化曲线（B-H）曲线是一致的。
三、实验设备
1、交流电压表1台
2、交流电流表1台
3、功率表1台
4、交流电路实验箱1台
四、实验内容
（1）按图3.1接线，AX为低压绕组，ax为高压绕组，AC220V接至高压绕组，低压绕组接1k/2W的电阻，检查无误后，方可进行实验。
（2）记录变压器的低压绕组的电流I1、电压U1和高压绕组的电流I2、电压U2。
（3）改变低压绕组所接负载的阻值，分别测出两个1k/2W串联或并联时的电流和电压。
（4）根据所得数据绘出变压器的特性曲线。
五、注意事项
在联结电路时，必须分清变压器初、次级线圈的接线端子，不能接错，更不能短接。
六、实验报告
1、根据所得数据绘出变压器的特性曲线。
2、根据所得数据，计算变压器的各项参数。
3、写出实验报告。
实验四、电流互感器实验
一、实验目的
1、了解电流互感器的工作原理。
2、测定电流互感器的变流比。
二、原理说明
电流互感器是根据变压器的原理制成的。
它主要是用来扩大测量交流电流的量程。
电流互感器的原绕组的匝数很少（只有一匝或几匝），它串联在被测电路中。
副绕组的匝数较多，它与安培计或其它仪表及继电器的电流线圈相接。
根据变压器原理，可认为：
式中Ki是电流互感器的变换系数。
利用电流互感器可将大电流变换为小电流。
安培计的读数I2乘上变换系数Ki既为被测的大电流I1（在安培计的刻度上可直接标出被测电流值）。
电流互感器的接线图及其符号如图4.1所示。
图4.1
三、实验设备
1、交流电流表1台
2、交流电路实验箱1台
四、实验内容
1）按图4.2所示连接电路，N1通过灯泡负载（接入一盏220V25W的灯泡）接入AC220V，N2的接线端子1、2连接，接如电流表，观测电流互感器的两个绕组的电流变化。
图4.2
（2）依次连接接线端子1、3；1、4，观测电流互感器的两个绕组的电流变化。
（3）改变灯泡负载的大小（串联两盏灯泡），观测电流互感器的两个绕组的电流变化。
五、注意事项
在连接电流互感器时，副绕组电路是一般不允许开路，以免副边电压过高危险。
六、实验报告
1、根据所得数据，计算电流互感器的变换系数。
2、写出实验报告。
实验五、变压器同名端的判断
一、实验目的
学会判定变压器同名端的测定方法。
二、原理说明
判定变压器同名端通常采用下面两种实验方法。
1、交流法
用交流法测定绕组极性的电路如图5.1（a）所示。
将两个绕组1-3和2-4的任意两端（如3和4）联结在一起，在其中一个绕组（如1-3）两端加一个比较低的便于测量的电压。
用伏特计分别测量1、2两端的电压U12和两绕组的电压U13及U24。
如果U12的数值是两绕组电压之差，则1和2是同极性端。
如果U12是两绕组电压之和，则1和4是同极性端。
2、直流法
用直流法测定绕组极性的电路如图5.1（b）所示。
当开关S闭合瞬间，如果毫安计的指针正向偏转，则1和2是同极性端；反向偏转时，则1和4是同极性端。
图5.1
三、实验设备
1、交流电压表1台
2、交流电路实验箱1台
四、实验内容
用交流法判别变压器的同名端。
（1）按图5.2接线，将N1端接入AC220V，然后将4、5连接，用交流电压表测量U34、U35、U56的电压，判别变压器的同名端。
（2）拆去4、5的连线，将4、6连接，用交流电压表测量U34、U35、U56的电压，判别变压器的同名端。
五、注意事项
在连接线路时，应严格按照实验规定，严禁将变压器次级输出端短路。
六、实验报告
1、总结变压器同名端的判定方法。
2、写出实验报告。
实验六、R、L、C元器件特性及参数测试
一、实验目的
1、验证电阻、电抗、容抗与频率之间的关系，测定R~f，XL~f与XC~f特性曲线。
2、加深理解R、C、L元件端电压与电流间的相位关系。
二、原理说明
1、在正弦交变信号作用下，电阻元件R两端电压与流过的电流有关系式：
U=RI
在信号源频率f较低情况下，略去附加电感及分布电容的影响，电阻元件的阻值与信号源频率无关，其阻抗频率特性R~f如图6.1。
如果不计线圈本身的电阻RL，又在低频时略去电容的影响。
可将电感元件视为纯电感，有关系式
感抗
感抗随信号源频率而变，阻抗频率特性XL~f如图6.1。
在低频时略去附加电感的影响，将电容元件视为纯电容，有关系式
感抗
容抗随信号源频率而变，阻抗频率特性XC~f如图6.1。
2、单一参数R、L、C阻抗频率特性的测试电路如图6.2所示。
图6.2
图中R、L、C为被测元件，r电流取样电阻。
改变信号频率，测量R、L、C元件两端电压UR、UL、UC，流过被测元件的电流则可由r两端电压除以r得到。
3、元件的阻抗角（即相位差φ）随输入信号的频率变化而改变，同样可用作实验方法测得阻抗角的频率特性曲线φ~f。
用双踪示波器测量阻抗角（相位差）的方法。
将欲测量相位差的两个信号分别接到双踪示波器YA和YB两个输入端。
调节示波器的有关旋钮，使示波器屏幕上出现大小适中、稳定的波形，如图6.3所示，荧光屏上数得水平方向一个周期占n格，相位差占m格，则实际的相位差φ（阻抗角）为：
三、实验设备
1、交流电路实验箱1台
2、交流毫伏表1台
3、双踪示波器1台
4、函数信号发生器1台
5、频率计1台
四、实验内容
1、测量单一参数R、L、C元件的阻抗频率特性。
实验线路如图6.4所示，取R=1kΩ，L=1.1H，C=1цf，通过导线将函数信号发生器输出的正弦波信号接至电路输入端，作为激励源u，并用交流毫伏表测量，使激励电压的有效值为U=3V，并在整个实验过程中保持不变。
图6.4
改变信号源的输出频率从200HZ逐渐增5kHZ（用频率计测量），按照图6.4分别连接线路，用交流毫伏表分别测量UR、UL、UC，记录数值，并计算得到各频率点时的R、XL与XC之值。
2、用双踪示波器观察RL串联和RC串联电路在不同频率下阻抗角的变化情况。
五、注意事项
该实验使用的仪表比较多，实验时要正确使用各种仪表。
六、实验报告
1、根据实验数据，在方格纸上绘制R、L、C三个元件的阻抗频率特性曲线，从中得出结论。
2、根据实验数据，在方格纸上绘制RL串联、RC串联电路的阻抗角频率特性曲线，并总结、归纳出结论。
实验七、三相交流电路电压、电流的测量
一、实验目的
1、掌握三相负载作星形连接，三角形连接的方法，验证这两种接线下线、相电压，线、相电流之间的关系。
2、充分理解三相四线供电系统中中线的作用。
二、原理说明
三相电路中的电流有相电流与线电流之分，每相负载中的电流称为相电流表示为IP，每根线中的电流称为线电流表示为IL。
1、三相负载接成星形（又称“Y”接法）：
线电压UL是相电压Up的
倍。
线电流IL等于相电流Ip，
既UL=
UpIL=Ip
中性线电流
，
当三相负载对称时流过中线的电流IO=0，所以可以省去中线。
2、当对称三相负载作△形连接时：
有UL=Up，IL=
Ip。
不对称三相负载作Y连接时，必须采用三相四线制接法，即Y接法。
而且中线必须牢固连接，以保证三相不对称负载的每相电压维持不变。
倘若中线断开，会导致三相负载电压的不对称，致使负载轻的一相的相电压过高，使负载遭受损坏，负载重的一相的相电压过低，使负载不能正常工作。
尤其是对于三相照明负载，无条件的一律采用Y接法。
对于不对称负载作△接法时，I1≠
Ip，但只要电源的线电压Ui对称，加在三相负载上的电压仍是对称的，对各项负载工作没有影响。
三、实验设备
1、交流电压表1台
2、交流电流表1台
3、交流电路实验箱1台
四、实验内容
1、三相负载星形连接（三相四线制供电）
按图7.1连接实验电路，即三相灯组负载接成星形接法。
1、三相负载星形连接（三相四线制供电）
按图7.1连接实验电路，即三相灯组负载接成星形接法。
（1）三相负载平衡时，每相都接入两盏灯泡，检查无误后接入电源。
分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、中线电流，记录数据。
（2）三相负载不平衡时，一相接入一盏灯泡，其余两相接入两盏灯泡，检查无误后接入电源。
分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、中线电流，记录数据。
2、三相负载三角形连接（三相三线制供电）
按图7.2连接实验电路，检查无误后接入电源。
分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、线电流，记录数据。
五、注意事项
1、本实验采用三相交流电，线电压为380V，应穿绝缘鞋进入实验室。
实验时要注意人身安全，不可触及导电部分，防止意外事故发生。
2、每次接线完毕，都应由指导老师检查后，方可接通电源，必须严格遵守先接线，后通电；先断电后拆线的实验操作原则。
六、实验报告
1、用实验测得的数据验证对称三相电路中的
倍关系。
2、用实验数据和观察到的现象，总结三相四线供电系统中中线的作用。
3、不对称三角形连接的负载，能否正常工作？
实验是否能证明这一点？
4、写出实验报告。
实验八、三相交流电路功率的测量
一、实验目的
掌握用一瓦特表法、二瓦特表测量三相电路的有功功率和无功功率的方法。
二、原理说明
1、对于三相四线制供电的三相星形连接的负载（即Y接法），可用一只功率表测量各相的有功功率PA、PB、PC，三相功率之和∑P＝PA＋PB＋PC即为三相负载的总有功功率（所谓一瓦特表法就是用一只单相功率表去分别测量各相的有功功率）。
实验线路如图8.1所示。
若三相负载是对称的，则只需测量一相的功率即可，该相功率乘以3即得总的有功功率。
图8.1
2、三相三线制供电系统中，不论三相负载是否对称，也不论负载是Y接法还是△接法，都可以用二瓦特表法测量三相负载的总有功功率。
测量线路如图8.1所示。
若负载为感性或容性，且当相位差ψ＞60°时，线路中的一只功率表指针将反偏（对于数字式功率表将出现负读数），这时应将功率表电流线圈的两个端子调换（不能调换电压线圈端子），而读数应记为负值。
图8.2中二瓦特表测量法的接法是（iA、uAC）与（iB、uBC），此外，还有另外两种接法，它们是（iB、uBA）与（iC、uCA）及（iA、uAB）与（iC、uCB）。
图8.2
3、对于三相三线制供电的三相对称负载，可用一瓦特表法测的三相负载的总无功功率Q，测试原理电路如图8.3所示。
图8.3
图示功率表读数的
倍，等于对称三相电路总的无功功率。
除了上图给出的一种连接法（IA，UBC）外，还有另外两种连接法，即接成（IB，UAC）或（IC，UAB）。
三、实验设备
1、交流电压表1台
2、交流电流表1台
3、功率表1台
4、交流电路实验箱1台
四、实验内容
1、用一瓦特表法测定三相对称Y接法以及不对称Y接法负载的总功率∑P。
按图8.4连接，线路中的电流表和电压表用以监视三相电流和电压，不得超过功率表电压和电流的量限。
经指导老师检查后，接通三相电源，使输出相电压为220V，测量时首先将功率表按图接入某一相（如B相）进行测量，然后分别将功率表换到A相和C相，再进行测量，记录并进行计算。
图8.4
（1）三相负载平衡时，各相均开2盏灯，测量各相的电压U，电流I，功率P以及计算总功率∑P。
（2）三相负载不平衡时，如A相开一盏灯，B、C两相开两盏灯。
测量各相的电压U，电流I，功率P以及计算总功率∑P。
2、用二瓦特表法测量三相负载的总功率。
（1）按图8.5接线，将三相灯组负载接成Y形接法。
图8.6
①三相负载
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