电工学实验指导书

实验一 叠加原理的验证

一、实验目的

验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加性和齐次性的认识和理解。

二、原理说明

叠加原理指出：在有多个独立源共同作用下的线性电路中，通过每一个元件的电流或其两端的电压，可以看成是由每一个独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

线性电路的齐次性是指当激励信号（某独立源的值）增加或减小K 倍时，电路的响应（即电路中各电阻元件上的电流和电压值）也将增加或减小K 倍。

三、实验设备

四、实验内容

实验线路如图1-1所示，用DGJ-03挂箱的“基尔夫定律/叠加原理”线路。

1. 将两路稳压源的输出分别调节为12V 和6V ，接入U 1和U 2处。

2. 令U 1电源单独作用（将开关K 1投向U 1侧，开关K 2投向短路侧）。用智能直流电压表和毫安表（接电流插头）测量表1-1所示各电压及电流，并将测量数据记入表1-1。

3. 令

U 2电源单独作用（将开关K 1投向短路侧，开关K 2投向U 2侧），重复实验内容2的测量和记录。

4. 令U 1和U 2共同作用（开关K 1和K 2分别投向U 1和U 2侧）， 重复上述的测量和记录。

4

U U 2

510Ω1K Ω

图 1-1

表1-1

5. 将原U2=6V调至2U2=12V，重复实验内容3的测量和记录，数据记入表1-1中的最后一行。

6. 将R5（330Ω）换成二极管1N4007（即将开关K3投向二极管侧），重复实验内容1～5的测量过程，数据记入表1-2。

7. 分别按下故障1、故障2、故障3设置键，重复实验内容4（U1=12V和U2=6V共同作用，开关K3投向R5侧）的测量和记录，数据记入表1-3。根据测量结果判断出故障的性质。表1-2

五、实验注意事项

1. 用电流插头测量各支路电流时，或者用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确判断测得值的“＋、－”号后，记入数据表格。

2. 注意仪表量程的及时更换。

六、预习思考题

1. 在叠加原理实验中，要令U1、U2分别单独作用，应如何操作？可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？

2. 实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠加原理的叠加性与齐次性还成立吗？为什么？

七、实验报告

1. 根据实验内容1～5的测量数据，进行分析、比较，归纳、总结实验结论，即验证线性电路的叠加性与齐次性。

2. 通过实验内容6及分析表格1-2的数据，你能得出什么样的结论？

3. 通过实验内容7及分析表格1-3的数据，判断出各故障的性质。

实验二 正弦稳态交流电路相量及功率因数改善的研究 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. 通过测量电路功率，进一步掌握功率表的使用方法。

3. 掌握改善交流电路功率因数的方法。

二﹑原理说明

（一）. 交流电路中电压、电流相量之间的关系

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∑i =0和∑u =0 。 2．图2-1所示的RC 串联电路，在正弦稳态信号U 的激励下，U R 与U C 保持有900的相位差，即当R 阻值改变时，U R 的相量轨迹是一个半园。U 、U C 与U R 三者形成一个直角的电

压三角形，如图2-2所示。R 值改变时，可改变ϕ角的大小，从而达到移相的目的。

（二）功率因数的提高

在正弦交流电路中，只有纯电阻电路，平均功率P 和视在功率S 是相等的。若电路中含有电抗元件并在非谐振状态时平均功率总是小于视在功率。平均功率与视在功率之比称为功率因数，即

U

图2-1

图2-2 图2-3

p UICOS COS S UI

ϕ

λϕ

===

可见功率因数是电路阻抗角φ的余弦值，并且电路中的阻抗角越大，功率因数越低；反之，电路阻抗角越小，功率因数越高。

功率因数的高低反映了电源容量被充分利用的情况。负载的功率因数低，会使电源容量不能充分利用；同时，无功电流在输电线路中造成损耗，影响整个输电网的效率。因此，提高功率因数成为电力系统需要解决的重要课题。

实际应用电路中，如图2-3所示，负载多为感性负载，提高功率因数通常用电容补偿法，即在负载两端并联补偿电容。容量为：

122

(tan tan )P

C U

ϕϕω=

- 其中1ϕ为补偿前的功率因数角，2ϕ为补偿前的功率因数角。加入电容后，电路的总电流i 是电容电流i C 和负载电流i L 的矢量和。电容的电流和负载电流相位差大于900，适当的电容可使输入电流i 降低。但当补偿的电容量过大时，使电路由感性变为容性，反使输入电流i 增大。

三、实验设备

四、实验内容

1．按图2-3接线。R 为220V ﹑15W 的白炽灯泡，电容器为4.7UF/450V 。经指导教师检查后，接通实验台220V 电源。记录U ﹑U R ﹑U C 值，验证电压三角形关系。

表2-1

图2-4

2.在实验台中选择镇流器与开关、电流测量插口，用15W灯泡作电阻R,并联电容器,输入接220V,连接成图2-4所示电路。

3.闭合开关K，此时灯泡应亮，从0起逐步增大电容量，分别测量输入电压U、总电流I、负载灯管电流I L、电容器电流I C、功率P。将数值填入表2-2。

表2-2

电容

0 1μFμFμFμF

（μF）

测试项

U(V)

I(m A)

I C(m A)

I L(m A)

P

COS=(P/UI)

五、实验报告

1.根据表3-1中的数据，在坐标纸上绘出I L = f ( C )。I C = f ( C )。I= f ( C )。

COSφ = f ( C )等曲线。

2.从测量数据中，求出灯泡等效电阻。镇流器等效电阻，镇流器电感。

3.回答以下问题：

（1）在表2-1中U R和U C的代数和为什么大于U?

(2) 在图2-4中并联电容器后，总功率P是否变化？为什么？

（3）为什么并联电容器后总电流会减少？绘相量图说明。

六、实验注意事项

1. 本实验用交流市电220V，务必注意用电安全。每次连接实验电路前请关闭电源。

2. 功率表要正确接入电路。

七、预习思考题

读本实验所附“单相智能功率、功率因数表使用指南”（P7）。

2. 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？

3. 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？并联的电容器是否越大越好？

附：DGJ-07-1单相智能功率、功率因数表使用指南

（1）按接线原理图，接好线路。

（2）接通电源，或按“复位”键后，面板上各LED数码管将显示“0”，表示测试系统已准备就绪，进入初始状态。

（3）面板上五个按键，在实际测试过程中只用到“复位”、“功能”、“确认”三个键。

①“功能”键：是仪表测试与显示功能的选择键。若连续按动该键5次，则LED数码管将显示5种不同的功能指示符号，5个功能符分述如下：

②“确认”键：在选定上述5个功能之一后，按一下“确认”键，LED数码管将显示该功能下的测试结果数据。例如，选定COS功能→按“确认”键→显示功率因数值，其中C表示负载为容性，L表示负载为感性。

④“复位”键：在任何状态下，只要按一下此键，系统便恢复到初始状态。

实验三三相交流电路负载的连接及测量

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，验证这两种接法电路的线电压与相电压及线电流与相电流之间的关系。

2. 充分理解三相四线制供电糸统中中线（零线）的作用。

二﹑原理说明

1. 三相负载可接成星形（又称“Y”形）或三角形（又称“△”形）。当三相对称负载作星形

连接时，线电压U L是相电压U P

倍。线电流I L等于相电流I P，即

P

L

P

L

I

I

U

U=

=3

在这种情况下，流过中线的电流I N=0，所以可以省去中线。

当对称三相负载作三角形形联接时，U L=U P，I L

= I P。

2. 不对称三相负载作星形连接时，必须采用三相四线制接法，即Y0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对称不变。

若中线断开，将会导致三相负载电压不对称，负载轻（功率小）的相电压过高，使负载遭受损坏；负载重（功率大）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，无条件地一律采用Y0接法。

3. 当不对称负载作三角形联接时，I L

I P，但只要电源的线电压U L对称，加在三相

负载上的电压仍是对称的，对各相负载工作没有影响。

三﹑实验设备

四﹑实验内容

1. 三相负载星形连接（三相四线制供电）

按图3-1连接实验电路。经检查接线确认无误后方可开启实验台电源，然后调节三相调压器的输出，使线电压为

．．．．220V。按表3-1内容完成各项实验，即分别测量三相负载的线电压、相电压、线电流、相电流﹑中线电流﹑电源与负载中点间的电压。将所测得的数据记入表3-1中，并观察各相灯组亮暗的变化程度，特别要注意观察中线的作用。

表3-1

2. 负载三角形联接（三相三线制供电）

按图3-2改接线路，经检查接线确认无误后接通三相电源，并调节调压器，使其输出线电压为220V ，并按表3-2的内容进行测试。

表3-2

N C N

图3-1

～ U L =220V 图3-2

～ U L =220V

五﹑实验注意事项

1. 本实验采用三相交流市电，线电压为380V ，应穿绝缘鞋进实验室。实验时要注意人身安全，不可触及导电部件，防止意外事故发生。

2. 每次接线完毕，同组同学应自查一遍，然后由指导教师检查后，方可接通电源，必须严格遵守先断电﹑再接线﹑后通电；先断电﹑后拆线的实验操作原则。

3. 星形负载作短路实验时，必须首先断开关中线．．．．．．．．．

，以免发生短路事故。 六﹑预习思考题

1. 三相负载根据什么条件作星形或三角形连接?

2. 复习三相交流电路有关内容，试分析三相星形连接不对称负载在无中线情况下，当某相负载开路或短路时会出现什么情况？如果接上中线,情况又如何?

3．本次实验中为什么要通过三相调压器将380V 的市电线电压降为220V 的线电压? 七﹑实验报告

，总结三相四线供电糸统中中线的作用。

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．根据不对称负载三角形联接时的相电流值作相量图，并求出线电流值，然后与实验测得的线电流作比较、分析。

*实验四三相异步电动机的基本控制电路

一、实验目的

1. 掌握三相异步电动机的点动控制电路连接方法；

2. 掌握三相异步电动机的直接起、停控制电路连接方法；

3. 掌握三相异步电动机的正反转控制电路连接方法。

二、实验内容

参见教材P272～P274中图（b）所示电路，分别完成三相异步电动机的点动控制、直接起、停控制和正反转控制电路连接。经认真检查接线无误后，接通三相交流电源（U L=380V），观察电动机（Y形接法）的运行情况。

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