09机械电工技术实验指导书.docx
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09机械电工技术实验指导书
实验一 基本电工仪表的使用及测量误差的计算
一、实验目的
1.熟悉实验台上各类电源及各类测量仪表的布局和使用方法。
2.掌握指针式电压表、电流表内阻的测量方法。
3.熟悉电工仪表测量误差的计算方法。
二、原理说明
1.为了准确地测量电路中实际的电压和电流，必须保证仪表接入电路后不会改变被测电路的工作状态。
这就要求电压表的内阻为无穷大；电流表的内阻为零。
而实际使用的指针式电工仪表都不能满足上述要求。
因此，当测量仪表一旦接入电路，就会改变电路原有的工作状态，这就导致仪表的读数值与电路原有的实际值之间出现误差。
误差的大小与仪表本身内阻的大小密切相关。
只要测出仪表的内阻，即可计算出由其产生的测量误差。
以下介绍几种测量指针式仪表内阻的方法。
2.用“分流法”测量电流表的内阻
如图1-1所示。
A为被测内阻（RA）的直流电流
表。
测量时先断开开关S，调节电流源的输出电流I
使A表指针满偏转。
然后合上开关S，并保持I值不
变，调节电阻箱RB的阻值，使电流表的指针指在1/2
满偏转位置，此时有
IA＝IS＝I/2
∴RA＝RB∥R1
可调电流源
R1为固定电阻器之值，RB可由电阻箱的刻度盘上读得。
图1-1
3.用分压法测量电压表的内阻。
如图1-2所示。
V为被测内阻（RV）的电压表。
测量时先将开关S闭合，调节直流稳压电源的
输出电压，使电压表V的指针为满偏转。
然后
断开开关S，调节RB使电压表V的指示值减半。
此时有：
RV＝RB＋R1
电压表的灵敏度为：
S＝RV/U（Ω/V）。
式
中U为电压表满偏时的电压值。
4.仪表内阻引起的测量误差（通常称之为方可调稳压源
法误差，而仪表本身结构引起的误差称为仪表基图1-2
本误差）的计算。
（1）以图1-3所示电路为例，R1上的电压为
R11
UR1＝───U，若R1＝R2，则UR1＝─U。
R1＋R22
现用一内阻为RV的电压表来测量UR1值，当
RVR1
RV与R1并联后，RAB＝───，以此来替代
RV＋R1
RVR1
────
RV＋R1
上式中的R1，则得U'R1＝──────U图1-3
RVR1
───＋R2
RV＋R1
RVR1
────
RV＋R1R1
绝对误差为△U＝U'R1－UR1＝U（─────—－────）
RVR1R1＋R2
───＋R2
RV＋R1
－R21R2U
化简后得△U＝─────────────────
RV（R21＋2R1R2＋R22）＋R1R2（R1＋R2）
U
若R1＝R2＝RV，则得△U＝－─
6
U'R1－UR1-U/6
相对误差△U％＝─────×100％＝──×100％＝－33.3%
UR1U/2
由此可见，当电压表的内阻与被则电路的电阻相近时，测量的误差是非常大的。
（2）伏安法测量电阻的原理为：
测出流过被测电阻RX的电流IR及其两端的电压降UR，则其阻值RX=UR/IR。
实际测量时，有两种测量线路，即：
相对于电源而言，①电流表A（内阻为RA）接在电压表V（内阻为RV）的内侧；②A接在V的外测。
两种线路见图1-4（a）、（b）。
由线路（a）可知，只有当RX＜＜RV时，RV的分流作用才可忽略不计，A的读数接近于实际流过RX的电流值。
图（a）的接法称为电流表的内接法。
由线路（b）可知，只有当RX＞＞RA时，RA的分压作用才可忽略不计，V的读数接近于RX两端的电压值。
图（b）的接法称为电流表的外接法。
实际应用时，应根据不同情况选用合适的测量线路，才能获得较准确的测量结果。
以下举一实例。
在图1-4中，设：
U=20V，RA=100Ω，RV=20KΩ。
假定RX的实际值为10KΩ。
如果采用线路（a）测量，经计算，A、V的读数分别为2.96mA和19.73V，故
RX=19.73÷2.96=6.667（KΩ）,相对误差为：
（6.667－10）÷10×100=－33.3（%）
如果采用线路（b）测量，经计算，A、V的读数分别为1.98mA和20V，故
RX=20÷1.98=10.1（KΩ）,相对误差为：
（10.1－10）÷10×100=1（%）
（a）（b）
图1-4
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
二路
左中
2
可调恒流源
0~500mA
1
左中
3
指针式万用表
MF-47或其他
1
自备
4
可调电阻箱
0~9999.9Ω
1
DGJ-05
5
电阻器
按需选择
DGJ-05
四、实验内容
1.根据“分流法”原理测定指针式万用表（MF-47型或其他型号）直流电流1mA和10mA档量限的内阻。
线路如图1-1所示。
RB可选用DGJ-05中的电阻箱（下同）。
被测电流表量限
S断开时的表读数（mA）
S闭合时的表读数（mA）
RB（Ω）
R1（Ω）
计算内阻RA
（Ω）
1mA
10mA
2.根据“分压法”原理按图1-2接线，测定指针式万用表直流电压1V档量限的内阻。
被测电压表
量限
S闭合时表读数（V）
S断开时表读数（V）
RB
（KΩ）
R1
（KΩ）
计算内阻RV（KΩ）
S
（Ω/V）
1V
3.用指针式万用表直流电压1V档量程测量图1-3电路中R1上的电压U’R1之值，并计算测量的绝对误差与相对误差。
U
R2
R1
R1V
（KΩ）
计算值UR1
（V）
实测值U’R1
（V）
绝对误差
ΔU
相对误差
（ΔU/U）×100%
1.2V
10KΩ
50KΩ
五、实验注意事项
1.在开启DG04挂箱的电源开关前，应将两路电压源的输出调节旋钮调至最小（逆时针旋到厎），并将恒流源的输出粗调旋钮拨到2mA档，输出细调旋钮应调至最小。
接通电源后，再根据需要缓慢调节。
2.当恒流源输出端接有负载时，如果需要将其粗调旋钮由低档位向高档位切换时，必须先将其细调旋钮调至最小。
否则输出电流会突增，可能会损坏外接器件。
3.电压表应与被测电路并接，电流表应与被测电路串接，并且都要注意正、负极性与量程的合理选择。
4.实验内容1、2中，R1的取值应与RB相近。
5.本实验仅测试指针式仪表的内阻。
由于所选指针表的型号不同，本实验中所列的电流、电压量程及选用的RB、R1等均会不同。
实验时应按选定的表型自行确定。
六、思考题
1.根据实验内容1和2，若已求出0.5mA档和2.5V档的内阻，可否直接计算得出5mA档和10V档的内阻？
2.用量程为10A的电流表测实际值为8A的电流时，实际读数为8.1A，求测量的绝对误差和相对误差。
七、实验报告
1.列表记录实验数据，并计算各被测仪表的内阻值。
2.分析实验结果，总结应用场合。
3.对思考题的计算。
4.其他（包括实验的心得、体会及意见等）。
实验二 电压源与电流源的等效变换
一、实验目的
1.掌握电源外特性的测试方法。
2.验证电压源与电流源等效变换的条件。
二、原理说明
1.一个直流稳压电源在一定的电流范围内，具有很小的内阻。
故在实用中，常将它视为一个理想的电压源，即其输出电压不随负载电流而变。
其外特性曲线，即其伏安特性曲线U＝f（I）是一条平行于I轴的直线。
一个实用中的恒流源在一定的电压范围内，可视为一个理想的电流源。
2.一个实际的电压源（或电流源），其端电压（或输出电流）不可能不随负载而变，因它具有一定的内阻值。
故在实验中，用一个小阻值的电阻（或大电阻）与稳压源（或恒流源）相串联（或并联）来摸拟一个实际的电压源（或电流源）。
3.一个实际的电源，就其外部特性而言，既可以看成是一个电压源，又可以看成是一个电流源。
若视为电压源，则可用一个理想的电压源Us与一个电阻Ro相串联的组合来表示；若视为电流源，则可用一个理想电流源Is与一电导go相并联的组合来表示。
如果这两种电源能向同样大小的负载供出同样大小的电流和端电压，则称这两个电源是等效的，即具有相同的外特性。
一个电压源与一个电流源等效变换的条件为：
Is＝Us／Ro，go＝1/Ro或Us＝IsRo，Ro＝1/go。
如图5-1所示。
图5-1
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可调直流稳压电源
0~30V
1
左中
2
可调直流恒流源
0~500mA
1
左中
3
直流数字电压表
0~300V
1
上左
4
直流数字毫安表
0~500mA
1
上左
5
万用表
1
自备
6
电阻器
51Ω，200Ω
510Ω，1KΩ
DGJ-05
7
可调电阻箱
0~99999.9Ω
1
DGJ-05
8
实验线路
四、实验内容
1.测定直流稳压电源与实际电压源的外特性
（1）按图5-2接线。
Us为＋12V直流稳压电源（将R0短接）。
调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数。
图5-2 图5-3
R2（Ω）
1000
800
600
400
200
100
0
U（V）
I（mA）
（2）按图5-3接线，虚线框可模拟为一个实际的电压源。
调节R2，令其阻值由大至小变化，记录两表的读数。
R2（Ω）
1000
800
600
400
200
100
0
U（V）
I（mA）
2.测定电流源的外特性
按图5-4接线，Is为直流恒流源，调节其输出为10mA，令Ro分别为1KΩ和∞（即接入和断开），调节电位器RL（从0至1KΩ），测出这两种情况下的电压表和电流表的读
数。
自拟数据表格，记录实验数据。
3.测定电源等效变换的条件
先按图5-5（a）线路接线，记
录线路中两表的读数。
然后利用图
5-5（a）中右侧的元件和仪表，按图
5-5（b）接线。
调节恒流源的输出电流
或∞
IS，使两表的读数与5-5（a）时的数值
相等，记录Is之值，验证等效变换
条件的正确性。
图5-4
（a）（b）
图5-5
五、实验注意事项
1.在测电压源外特性时，不要忘记测空载时的电压值，测电流源外特性时，不要忘记测短路时的电流值，注意恒流源负载电压不要超过20伏，负载不要开路。
2.换接线路时，必须关闭电源开关。
3.直流仪表的接入应注意极性与量程。
六、预习思考题
1.通常直流稳压电源的输出端不允许短路，直流恒流源的输出端不允许开路，为什么？
2.电压源与电流源的外特性为什么呈下降变化趋势，稳压源和恒流源的输出在任何负载下是否保持恒值？
七、实验报告
1.根据实验数据绘出电源的四条外特性曲线，并总结、归纳各类电源的特性。
2.从实验结果，验证电源等效变换的条件。
3.心得体会及其他。
实验三 正弦稳态交流电路相量的研究
一、实验目的
1．研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。
2.掌握日光灯线路的接线。
3.理解改善电路功率因数的意义并掌握其方法。
二、原理说明图11-1
1.在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得
各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两
端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔
霍夫定律，即ΣI＝0和ΣU＝0。
2.图11-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信
号U的激励下，UR与UC保持有90º的相位差，即当图11-2
ֹ
R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半圆。
U、UC与UR三者形成一个直角形的电压三
角形，如图11-2所示。
R值改变时，可改
变φ角的大小，从而达到移相的目的。
3.日光灯线路如图11-3所示，图中A
是日光灯管，L是镇流器，S是启辉器，图11-3
C是补偿电容器，用以改善电路的功率因数（cosφ值）。
有关日光灯的工作原理请自行翻阅有关资料。
三、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
交流电压表
0～500V
1
上右
2
交流电流表
０～5A
1
上右
3
功率表
1
DGJ-07-1
4
自耦调压器
1
左上
5
镇流器、启辉器
与40W灯管配用
各1
DGJ-04
6
日光灯灯管
40W
1
屏内
7
电容器
1μF,2.2μF,4.7μF/500V
各1
DGJ-05
8
白炽灯及灯座
220V，15W
1~3
DGJ-04
9
电流插座
3
DGJ-05
图17-3
四、实验内容
1.按图11-1接线。
R为220V、15W的白炽灯泡，电容器为4.7μF/450V。
经指导教师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器输出（即U）调至220V。
记录U、UR、UC值，验证电压三角形关系。
测量值
计算值
U（V）
UR（V）
UC（V）
U’（与UR，UC组成Rt△）
（U’=
）
△U=U’－U（V）
△U/U（%）
2.日光灯线路接线与测量。
图11-4
按图11-4接线。
经指导教师检查后接通实验台电源，调节自耦调压器的输出，使其输出电压缓慢增大，直到日光灯刚启辉点亮为止，记下三表的指示值。
然后将电压调至220V，测量功率P，电流I，电压U，UL，UA等值，验证电压、电流相量关系。
测量数值
计算值
P（W）
Cosφ
I（mA）
U（V）
UL（V）
UA（V）
r（Ω）
Cosφ
启辉值
正常工作值
3.并联电路──电路功率因数的改善。
按图11-5组成实验线路。
图11-5
经指导老师检查后，接通实验台电源，将自耦调压器的输出调至220V，记录功率表、电压表读数。
通过一只电流表和三个电流插座分别测得三条支路的电流，改变电容值，进行三次重复测量。
数据记入下页表中。
电容值
测量数值
计算值
（μF）
P（W）
COSφ
U（V）
I（mA）
IL（mA）
IC（mA）
I’（A）
Cosφ
0
1
2.2
4.7
五、实验注意事项
1.本实验用交流市电220V，务必注意用电和人身安全。
2.功率表要正确接入电路。
3.线路接线正确，日光灯不能启辉时，应检查启辉器及其接触是否良好。
六、预习思考题
1.参阅课外资料，了解日光灯的启辉原理。
2.在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮（DGJ-04实验挂箱上有短接按钮，可用它代替启辉器做一下试验。
）或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？
3.为了改善电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小，此时感性元件上的电流和功率是否改变？
4.提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？
所并的电容器是否越大越好？
七、实验报告
1.完成数据表格中的计算，进行必要的误差分析。
2.根据实验数据，分别绘出电压、电流相量图，验证相量形式的基尔霍夫定律。
3.讨论改善电路功率因数的意义和方法。
4.装接日光灯线路的心得体会及其他。
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