电器理论基础.docx
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电器理论基础
电器理论基础
实验指导书
王宣东贾申利
西安交通大学电器教研室
2012年3月
目录
实验一导体的发热试验1
一、实验目的1
二、实验设备1
三、实验内容5
四、实验注意事项6
五、实验报告要求6
实验二直流电弧特性试验7
一、实验目的7
二、实验设备7
三、实验线路8
四、实验内容8
五、实验报告要求9
实验三交流电弧特性试验10
一、实验目的10
二、实验设备10
三、实验线路10
四、实验内容12
五、实验报告要求12
实验四电弧的演示试验13
一、水中碳电弧放电实验13
二、电弧在磁场作用下的运动15
实验一导体的发热试验
电器中使用的材料在温度超过一定的范围后，其机械强度和绝缘强度会明显下降，使用寿命会降低。
为了保证电器工作的可靠性及一定的使用寿命，各国家的技术标准对电器各部分的极限允许温升都有明确的规定。
发热的研究在电器设计中对于缩小体积、减轻重量、节约原材料等方面有重要意义。
本试验为设计型实验。
一、实验目的
1、求取不同负载条件下导体的发热曲线和冷却曲线；
2、测量不同导体的发热规律，加强对热时间常数的感性认识；
3、学习使用热电偶测量温升的方法。
二、实验设备
本实验所需主要设备如表1-1所示。
表1-1导体发热试验主要设备明细表
序号
名称
型号及规格
数量
1
导体温升试验装置
自制
1
2
温度控制仪
AI-501T
1
3
自耦调压器
220V3~5A
1
4
交流电流表
1T1-A型0~75A
1
5
电流变压器
0~220V；2.5V，75A
1
6
热电偶
康铜—铜
2
7
连接导线
1.5mm2
若干
2.5mm2
16mm2
8
测试用铜片
d=0.5mm
1
d=0.2mm
1
本实验主要设备实物如下图所示：
温控仪电源
接线端子
温控仪热电偶
接线端子
温度测试仪
电流表接线端子
交流电流表
导体温升实验装置
电流变压器专用导线
1、温度测试仪：
1AI-501T是单显及三位式调节功能的智能化数字仪表，测量精度达到0.5级，可以支持热电偶、热电阻及线性电压（电流）输入，内置热电偶、热电阻数字化非线性修正表格，使用时应首先设定正确的参数。
2温控仪接通电源后，按“
”键并保持2秒以上，直到显示“Loc”参数的符号为止，将“Loc”改为“808”，再按“
”键即可进入参数设置状态。
按“
、
、
”等键可以修改参数值。
3试验使用参数如表1-2所示：
表1-2温度测试仪参数
参数
含义
说明
dF
回差（死区、滞坏）
用于避免因测量输入值波动而导致报警输出产生频繁通断的误动作。
采用默认设置。
Sn
输入规格
设定值为0
dIP
小数点位置
dIP=1，显示格式为0000.0
dIL
输入下限显示值
默认设置
dIH
输入上限显示值
默认设置
Sc
主输入平移修正
默认设置
4本次试验时，温度测试仪参数已经设定完成。
2、热电偶：
1热电效应：
同一金属材料上不同空间位置的两点间温度不同时，这两点间将会出现电位差，这一现象称为热电效应。
2热电偶：
不同的金属材料在相同的温差下热电势不同。
把两根不同材料的金属丝A和B绞在一起，一端直接相连，就构成了热电偶，金属丝A和B就是热电极。
3使用方法：
如图1－1所示：
热电极直接连在一起的一端贴在被测物体的表面，称为热端；另一端与测量仪表连接，称为冷端。
由于两根热电极的让热电效应不同，当被测物体温度变化时，它们的冷端之间就会产生电位差，也就是热电势。
4采用热电偶可以把被测物体与现场环境间的温度差转变为热电势，热电偶测量的是被测物体表面的温升，只有在冷端被置于0℃环境时，由热电偶测得的才是真实温度。
图1-1热电效应原理图
3、自耦调压器：
1自耦调压器实物如图1-2a所示，单相自耦调压器的工作原理如图1-2b所示。
它是一种电压连续可调的自耦变压器，由线圈、电刷、手轮、刻度盘以及底座和外罩组成。
2当调压器电刷借于手轮主轴和刷架的作用，沿线圈的磨光表面滑动时，就可以连续地改变匝数比，从而使输出电压平滑地从零调节到最大值。
图a自耦调压器实物图图b单相调压器原理图
图1-2自耦调压器
4、电流变压器：
1也称大电流发生器，是一种降压变压器，适用于频率50Hz的电器设备的电流负载试验及升温试验。
2工作原理：
输出功率=输入功率
3技术参数：
输入电压：
0~110V，0~220V（串联）；
输出电流：
0~75A，0～150A（并联）；
输出电压：
0~2.5V，0～5V（并联）。
5、专用导线：
1导线可通过的电流的大小与导线的横截面积有关；
2导线可承载的最大电压与它的外包装材料的绝缘系数和厚度有关；
3在导线外绝缘材料不被它所承载的电压击穿时，不管电压值为多高，它所能通过的最大安全电流值是一样的。
4导线选取的基本原则：
A.导线横截面积在10mm2及以下：
铜导线：
1mm2，5~8A；
铝导线：
1mm2，3~5A。
B.导线横截面积在10mm2以上及100mm2以下：
16mm2、25mm2乘以4；
35mm2、50mm2乘以3；
70mm2、95mm2乘以2.5。
C.导线横截面积在100mm2以上：
乘以2。
D.高温场所使用乘以系数0.9（85摄氏度以内）。
三、实验内容
1、设计试验线路并绘制原理接线图；
2、热电偶的制作：
使用康铜、铜、玻璃丝管、紫铜片、焊锡、电烙铁、502胶等物品，制作热电偶；
3、测试导体的发热和冷却规律：
选择被试导体厚度为0.5mm、0.2mm，分别通过电流为20A、40A、50A时，测试导体的发热和冷却曲线（选作两组）。
四、实验注意事项
1、根据回路中电流的大小合理选择导线；
2、试验开始前，确保调压器回零；
试验时，应缓慢调节调压器，使输出电流达到所要求的值；
3、试验开始阶段，温度上升很快，要求每10秒记录一次，约为1分钟；然后每分钟记录一次直到每分钟温度变化不超过0.1℃，认为温度达到稳定为止，大约15~20分钟；
4、测试导体的冷却过程时，开始阶段，温度下降很快，要求每10秒记录一次，约为1分钟；然后每分钟记录一次直到每分钟温度变化不超过0.1℃，认为温度达到稳定为止，大约15~20分钟。
五、实验报告要求
1、绘制实验原理图；
2、做出被试导体厚度为0.5毫米，通过电流为50A时，导体的发热和冷却曲线，并说明冷却曲线和发热曲线的关系；
3、做出被试导体厚度为0.2毫米，通过电流为20A时，导体的发热曲线，用作图法求热时间常数并说明热时间常数的物理意义。
4、分析试验产生的误差。
实验二直流电弧特性试验
一、实验目的
1、观察不同条件下电弧的外形；
2、求取直流电弧的伏安特性。
二、实验设备
本实验所需设备如下表所示：
序号
名称
型号及规格
数量
1
电弧试验装置
自制
1
2
碳棒
Φ8mm
2
3
铜棒
Φ8mm
2
4
直流电流表
551型0～15A（30A）
1
5
直流电压表
T10-V0～150V
1
6
滑线式变阻器
BX8-114.5A45Ω
1
9
变阻器
ZX2-2110.1A21Ω
2
本实验所用的电弧试验装置实物如图2-1所示：
图2-1电弧试验装置
三、实验线路
试验线路如图2-2所示。
1和2是两个电极，它们通过可变电阻器R和滑线式变阻器Rf接到直流电源上。
将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧。
通过电弧的电流从直流电流表A读取，电弧两端的电压降从直流电压表V读取。
调节可变电阻R，便可改变电弧电流，从而求得电弧电压和电弧电流的关系（即所谓直流电弧的伏安特性）。
其中：
Rf为滑线式变阻器，额定电流为4.5A，电阻为0～45Ω；
R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子（R1～R7），每两个端子间的电阻值为3.5Ω。
图2-2直流电弧试验线路
四、实验内容
1、观察不同材料作为电极时电弧的燃烧情况；
在观察电弧的燃烧情况时，滑线式变阻器的阻值应该一直在最小位置，可变电阻器应在R1、R7上接线。
2、求取弧长约为2mm和0.5mm时，电流在10A以下的直流电弧伏安特性（碳电极，试验时电流由10A逐渐减小）；
1电流在5～10A时，滑线式变阻器的阻值应该一直保持在最小位置，可变电阻器应分别在R1、R5（电流约为9A），R1、R6（约7.5A），R1、R7（约6A）上接线。
2将可变电阻器接在R1、R7上不动，迅速调节滑线式变阻器，使回路电流值小于5A后再开始试验记录。
3、求取当碳电极接触时电流约为6A和9A两种情况下的直流电弧临界长度；
滑线式变阻器的阻值应该一直保持在最小位置，可变电阻器应分别在R1、R5（电流约为9A），R1、R7（约6A）上接线。
4、观察测量电弧伏安特性的精确方法。
五、实验报告要求
1、描述不同材料电极时，直流电弧阳极斑点、阴极斑点和弧柱的外形及其运动情况；
2、做出弧长约为2mm和0.5mm时直流的伏安特性，并说明由此得出什么结论；
3、说明6A和9A两种情况下直流电弧临界长度不同的原因。
实验三交流电弧特性试验
一、实验目的
1、观察不同条件下电弧的外形；
2、求取交流电弧的伏安特性。
二、实验设备
本实验所需设备如下表所示
序号
名称
型号及规格
数量
1
电弧试验装置
自制
1
2
碳棒
Φ8mm
2
3
铜棒
Φ8mm
2
4
交流电流表
T15-A0~15A
1
5
有铁心电抗器
3.4Ω10.4mH
1
6
变阻器
ZX2-2110.1A21Ω
1
7
示波器
TDS2012
1
SR-071B
1
8
滑线式变阻器
BX8-114.5A45Ω
1
BX7-1620A2Ω
1
三、实验线路
1、电阻性负载：
试验线路如图3－1所示。
1和2是两个电极，它们通过可变电阻器R、交流电流表A和滑线式变阻器Rf接到交流电源上。
将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧，电弧的各种特性用示波器进行观察。
示波器的通道1（CH1）上显示的是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示的是电弧电流波形。
2、感性负载：
试验线路如图3－2所示。
电极1和2通过电阻Rf、交流电流表A和电感L接到交流电源上。
将电极1和2接触后再缓慢分开，电极之间就产生电弧，电弧的各种特性用示波器进行观察。
示波器的通道1（CH1）上显示的是电弧电压波形；通道2（CH2）上显示的是电弧电流波形。
3、交流电弧的伏安特性：
将数字示波器换TDS2012为模拟示波器，接线方法不变，选择X-Y模式，
为X，
为Y，即可在示波器上看到交流电弧电压和电弧电流的关系。
图3-1交流电弧试验线路——电阻负载
图3-2交流电弧试验线路——电感负载
其中：
Rf为滑线式变阻器，额定电流为20A，电阻为0～2Ω；
R为可变电阻器，额定电流为10.1A，共有7个接线端子（R1～R7），做交流电弧试验时接线在R1、R7两个端子间，电阻值为21Ω。
四、实验内容
1、观察电流约为10A时，不同负载性质情况下交流电弧的电压、电流波形和伏安特性，并进行描绘；
2、学习测量交流电弧伏安特性的精确方法。
五、实验报告要求
绘出不同负载性质情况下，交流电弧的电压、电流波形和伏安特性，并指出它们有何不同。
实验四电弧的演示试验
一、水中碳电弧放电实验
1、实验装置：
采用一台ZX7-120型号的非晶态逆变式直流电焊机作为产生电弧的电流源，电焊机的输入电压为220V工频交流电压，可以输出20～150A连续可调的直流电流。
装置采用两根不锈钢棒作为电极柱，在其下端分别设有用来安装石墨电极的孔和螺纹。
装置的阴极固定在支架上，阳极通过旋转调节手柄的方式可以沿着一个平滑轨道进行水平方向的移动。
烧杯中盛放蒸馏水作为碳电弧放电的介质。
水中碳电弧放电装置实物如图4－1所示：
图4-1水中碳电弧放电装置
2、实验原理：
在水中碳电弧的燃烧过程中，阳极石墨棒中的一部分碳元素在电弧的高温下与水发生反应：
C+H2O=CO+H2，生成的CO和H2气体为放电电弧提供了一个类似于惰性气体的保护环境。
如图4－2所示，从阳极石墨棒蒸发出来的碳粒子一部分沿着弧柱区运动至阴极，由于阴极表面的温度相对较低，这些碳粒子在阴极表面定向沉积，沿着电弧的方向生长出多壁碳纳米管如图4－3所示。
多壁碳纳米管在阴极的生长过程遵循“开口生长”机制，即纳米管的所有生长层在生长过程中都保持开口，碳原子簇沿轴向不断增加到开口端，其中六元环的不断供应导致纳米管的生长，而五元环的引入则使纳米管封闭起来，停止生长。
而逸出弧柱区的碳粒子，则在由弧柱区向气泡壁运动的过程中，由于温度不断地降低，碳粒子逐渐形成碳链、并进一步形成六圆环为基本单元的类石墨片断，在气泡壁附近，由于气泡壁的冷壁效应，会存在很高的温度梯度，而且气泡壁的温度也很低（水的沸点，100℃），这些片断会趋于弯曲形核并生长，由于该区域内碳粒子的各向同性，最终形成球状的碳纳米洋葱，如图4－4所示。
此外，在放电过程中由于阳极烧蚀比较猛烈，会导致一些石墨颗粒或片断从阳极脱落，从而形成烧杯底部的沉淀物。
图4-2水中碳电弧放电的物理模型示意图
图4-3阴极沉积物中的多壁碳纳米管图4-4水面漂浮物中的碳纳米洋葱
3、实验过程及现象：
在蒸馏水中进行碳电弧的放电实验，电极采用纯度为99.99%的光谱纯石墨棒，阴极采用直径和长度均为20mm的石墨棒，阳极采用直径为6mm，长度为100mm的石墨棒。
首先将阴极、阳极石墨棒分别固定在相应的不锈钢电极柱上，在5000ml的烧杯里注入约4000ml的去离子水，通过调节烧杯支架的高度，将电极充分浸入水中。
在接通电源之前，将两个石墨棒电极相接触造成短路，然后打开电焊机，调节其电流至50A，然后通过旋转手柄使阳极缓慢离开阴极约1mm而产生电弧。
随着阳极石墨棒的不断烧蚀，持续调节旋转手柄，使两电极之间弧隙的距离保持恒定，使得电弧能够持续稳定燃烧。
水中电弧放电时产生了一团炽热高亮的等离子体，并且电弧放电产生的气泡不断上升，气泡中含有碳与水反应生成的气体产物。
在放电过程中，阳极石墨棒在直流电流的作用下逐渐烧蚀，所以需要通过旋转手柄给进阳极来保证电弧燃烧的稳定性。
在燃弧过程中，蒸发的碳元素一部分沉积在阴极表面，另一些漂浮在液面上或沉淀至烧杯底部，还有一部分与水反应生成气体。
当阳极碳棒的损耗将近结束时，切断电源，移开烧杯，收集产物。
实验进行完毕后，可以观察到液体中电弧放电的固体产物主要有三部分：
1、阴极表面的柱状沉积物，其直径与阳极直径相近，长度为数毫米；2、水面上的呈薄膜状的漂浮物；3、烧杯底部的沉淀物。
水中碳电弧放电燃弧过程阴极沉积物水面漂浮物
二、电弧在磁场作用下的运动
1、交变磁场：
1）实验主要装置：
电弧试验装置（如实验2所述），励磁线圈和变频器，如下图所示：
励磁线圈变频器
2）实验过程及现象：
将线圈置于铜电弧附近，使线圈轴线水平穿过弧柱中心。
采用一台变频器驱动线圈，将变频器的频率调节在5Hz，将变频器的频率调节在5Hz，它输出的正弦脉宽调制波驱动线圈产生一个低频（5Hz）的交变磁场。
根据左手定则，在每个周期中，电弧处的磁场方向保持水平前后的交替状态，电弧则分别受到向上和向下的作用力（如图4-5），从而产生明显的上下摆动。
图4-5电弧等离子体在交变磁场中的受力和运动方向示意图
2、恒定磁场：
1）实验主要装置：
如下图所示：
线圈带间隙的铜电极
2）实验过程及现象：
用细铜丝穿过带间隙的铜电极，使两个铜电极通过细铜丝连通，然后将该电极整体放入线圈中，如下图所示：
分别给线圈和带间隙的铜电极加直流电，并增大铜电极两端的电流；当电流约大于5A时，铜电极中间的细铜丝熔断，在铜电极的间隙中产生电弧，电弧在线圈产生的磁场中受力并作运动；如果选择合适的磁场方向，电弧将沿着间隙向上运动直到铜电极的开口处断开。
三、实验报告要求
1、描述电弧在磁场中运动的情况；
2、描述水中碳电弧的放电现象。
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