电路原理交流实验箱实验指导书.docx

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电路原理交流实验箱实验指导书

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△型变化法的三相灯组负载，日光灯实验组件，单相铁心变压器，电流互感器，RLC元件组，三相四线输入接线端子，三相电流插座，三相双掷开关及各种带绝缘护套的连接插头线，数字交流电压表、数字交流电流表、智能型多功能数字功率、功率因数表等。

设计合理紧凑，操作方便。

二、技术性能指标

1、工作电源：

三相四线AC380V±10％50Hz＜180VA

2、使用环境条件：

温度-10℃-40℃

湿度＜80％

3、实验箱外型尺寸：

520mm×390mm×180mm

4、数字交流电压表：

三位半LED数码管显示，测量范围AC0～450V，精度0.5级。

5、数字交流电流表：

三位半LED数码管显示，测量范围AC0～2A，精度0.5级。

6、智能数字功率、功率因数表：

可测试：

视在功率、有功功率、无功功率、电流、电压、频率、功率因数，精度0.5级。

6.1产品的主要性能特点：

本仪表可应用于交流功率或直流功率的测量与控制。

6.2、五位LED数码管显示，前四位显示测量参数，从0.01～99.99W到1～9999KW，六档量程自动转换，最小分辨力为0.01W（10mW），末位数码管显示测量参数的单号符号。

6.3、视在功率、有功功率、无功功率、电流、电压、频率、功率因数等参数通过按钮可轮换显示。

6.4、仪表具有上、下限报警控制功能，内置继电器及蜂鸣器；用户可根据需要自行选择设置视在功率、电流、电压报警。

主要技术指标：

功率测量范围

0.01～99.99W、0.1～999.9W、1～9999W、

0.01KW～99.99KW、0.1KW～999.9KW、1KW～9999KW

电流测量范围

1.000A～9999A任意量程可设置

电压测量范围

0.1V～999.9V单量程

基本误差

±（1%量程+5个字）

环境条件

工作温度：

0℃～40℃相对湿度≤80℃RH

显示字高

LED0.56红色

三、操作方法及说明

1、将该仪器三相电源插头插入三相电源插座。

插入前，要先检查电源应是三相四线380V。

接入后面板上三相电源接线端子带电，方可引出使用。

使用时要从保险管右边“U、V、W、N”引出。

2、打开仪表部分船形开关，仪表带电工作，方可使用，电压、电流表使用时正确接入即可；功率、功率因数使用说明如下。

仪表的面板上设有5个LED指示灯、3个设定控制按狃（分别为K4、K1、K2、K3）、1个蜂鸣器自锁开关K4。

High指示灯亮：

表示上限报警控制信号输出状态。

Low指示灯亮：

表示下限报警控制信号输出状态。

有功指示灯亮：

表示仪表显示读数以KW（千瓦）为单位。

无功指示灯亮：

表示仪表显示读数为无功功率。

K1键为在设定状态下为功能设定键及确认键。

K2键在设定状态下为左右移位键（←→）；在测量状态为视在功率、有功功率、无功功率显示功能选择键。

K3在设定状态下为数字设定键和功能转换键（↑↓）；在测量状态下为功率、电压、电流、频率、功率因数显示功能选择键。

显示部分：

末位数码管为被测参数符号指示管，“P”表示功率，“H”表示频率，“C”表示功率因数，“A”表示电流，“V”表示电压。

1、在功率测量状态下，如果功率值超过9999W，仪表的●KW指示灯亮，此时仪表显示读数以KW（千瓦）为单位。

2、测量状态下，末位数码管显示“P”，仪表显示值为视在功率；按K2键●有功指示灯亮，此时仪表显示值为有功功率值；按K2键●无功指示灯亮，此时仪表显示值为无功功率值；再次按下K2键，●无功指示灯灭，表示恢复视在功率测量。

3、测量状态下，末位数码管显示“P”，仪表显示值为视在功率；按K3键，末尾数码管显示“U”，此时仪表显示值为电压值；按K3键，末位数码管显示“A”，此时仪表显示值为电流值；再按K3键，末位数码管显示“H”，此时仪表显示值为频率值；按K3键，末位数码管显示“C”，此时仪表显示值为功率因数值，按下K3键，末位数码管显示“P”，此时仪表显示值为功率值。

4、报警：

显示到达设置值后，High指示灯亮：

表示上限报警控制信号输出状态；或Low指示灯亮：

表示下限报警控制信号输出状态；蜂鸣器发出报警音，同时表内继电器吸合或断开，输出控制信号。

四、使用注意事项

1、根据不同的连接方法选择合适的电源（220V或380V）。

2、实验时，不使用的仪表可以暂时关掉，减少不必要的损耗。

3、接线一定要经过三刀双掷开关，以防出现问题时及时切断电源。

4、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。

5、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。

6、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。

五、实验项目

实验一、用三表法测量交流电路等效应参数

实验二、日光灯电路实验、改善功率因素实验

实验三、单项铁心变压器特性测试

实验四、电流互感器实验

实验五、变压器同名端判断

实验六、R、L、C元器件特性及参数测试

实验七、三相交流电路电压、电流的测量

实验八、三相交流电路功率的测量

实验九、功率因数及相序的测量

实验一用三表法测量电路等效参数

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的交流等效参数的方法。

2、学会功率表的接法和使用。

二、实验原理

1、正弦交流信号激励下的元件值或阻抗值，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，这种方法称为三表法，是用以测量50Hz交流电路参数的基本方法。

计算的基本公式为：

阻抗的模:

电路的功率因数

等效电阻

等效电抗

或

（a）（b）

图1-1并联电容测量法

2、阻抗性质的判别方法：

可用在被测元件两端并联电容或将被测元件与电容串联的方法来判别。

其原理如下：

（1）在被测元件两端并联一只适当容量的试验电容,若串接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'为试验电容器。

（b）图是（a）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"先减小而后再增大，电流I也是先减小后上升，如图1-2所示，则可判断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│是判断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试验电容，若被测阻抗的端电压下降，则判为容性，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'为串联试验电容值，此关系式可自行证明。

图1-2

判断待测元件的性质，除上述借助于试验电容C'测定法外，还可以利用该元件的电流i与电压u之间的相位关系来判断。

若i超前于u，为容性；i滞后于u，则为感性。

3、本实验所用的功率表为智能交流功率表，其电压接线端应与负载并联，电流接线端应与负载串联。

三、实验设备

1、交流电压表1

2、交流电流表1

3、单相功率表1

4、镇流器（电感线圈）1

5、电容器1μF,4.7μF/450V1

6、白炽灯15W/220V3

四、实验内容与步骤

测试线路如图1-3所示。

1、按图1-3接线，并经指导教师检查后，方可接通市电电源。

2、分别测量15W白炽灯（R）、30W日光灯镇流器（L）和4.7μF电容器（C）的等效参数。

要求R和C两端所加电压为220V，L中流过的电流小于0.4A。

图1-3

3、测量L、C串联与并联后的等效参数。

被测

阻抗

测量值

计算值

电路等效参数

U

（V）

I

（A）

P

（W）

COSφ

Z

（Ω）

COSφ

R

（Ω）

L

（H）

C

（μF）

15W白炽灯R

电感线圈L

电容器C

L与C

串联

L与C

并联

4、验证用串、并试验电容法判别负载性质的正确性。

实验线路同图1-3，但不必接功率表，按下表内容进行测量和记录。

被测元件

串1μF电容

并1μF电容

串前端电压

（V）

串后端电压

（V）

并前电流

（A）

并后电流

（A）

R

（三只15W白炽灯）

C（4.7μF）

L（1H）

五、注意事项

1、本实验直接用220V交流电源供电，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。

2、自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高。

每次改接实验线路、及实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。

必须严格遵守这一安全操作规程。

3、实验前应详细阅读智能交流功率表的使用说明书，熟悉其使用方法。

六、思考题

1、在50Hz的交流电路中，测得一只铁心线圈的P、I和U，如何算得它的阻值及电感量？

2、如何用串联电容的方法来判别阻抗的性质？

试用I随X'C（串联容抗）的变化关系作定性分析，证明串联试验时，C'满足

。

七、实验报告

1、根据实验数据，完成各项计算。

2、完成预习思考题1、2的任务。

实验二日光灯电路实验、改善功率因数实验

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。

图2-1

（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

2、交流电流表1

3、功率表1

4、日光灯管（15W）1

5、电容（1μF、2.2μF、4.7μF）各1

6、镇流器1

7、启辉器1

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，以保护功率表。

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。

实验三单项铁心变压器特性测试

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

2、交流电流表1

3、功率表1

4、变压器（36V/220V,50VA）1

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

2、电流互感器1

3、白炽灯15W/220V2

四、实验内容

1）按图4-2所示连接电路，N1通过灯泡负载（接入一盏的15W/220V白炽灯）接入AC220V，N2的接线端子1、2连接，接入电流表，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（串联两盏白炽灯），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

2、变压器（36V/220V，50VA）1

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1、3连接，用交流电压表测量U23、U24、U34的电压，判别变压器的同名端。

图5-2

（2）拆去1、3的连线，将2、3连接，用交流电压表测量U13、U14、U34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。

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。

图6-3

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、交流毫伏表1

2、双踪示波器1

3、函数信号发生器1

4、频率计1

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=（镇流器），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

2、交流电流表1

3、白炽灯15W/220V9

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