电工学原理.docx
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电工学原理
一．电子仪器仪表使用
（1）
【实验目的】
1.学习正确使用数字万用表和直流稳压电源；
2.验证叠加原理及基尔霍夫定律；
3.加深对线性电路中参考方向和实际方向以及电压、电流正负的认识。
【相关知识要点】
1.叠加原理：
在任一线性网络中，多个激励同时作用的总响应等于每个激励单独作用时引起的响应之和。
叠加定理是线性电路普遍适用的基本定理，它是线性电路的重要性质之一。
应用叠加定理可以把一个复杂电路分解成几个简单电路来研究，如图1.4.1所示，然后将这些简单电路的研究结果叠加，便可求得原来电路中的电流或电压。
图1.4.1叠加定理示意图
2.基尔霍夫定律：
基尔荷夫电流定律（KCL）:
对任一节点,在任一时刻,所有各支路电流的代数和恒等于零。
即:
∑I＝0（若流入节点为正，则流出节点为负）
基尔荷夫电压定律（KVL）:
沿任一绕行回路,在任一时刻,所有支路或元件电压的代数和恒等于零。
即:
∑U＝0（若与绕行方向相同为正，则与绕行方向相反为负）
【预习与思考】
1.掌握叠加原理、基尔霍夫定律等理论。
2.计算图1.4.1中负载支路的电压UL、电流IL，将所得值记入表1.4.1中。
3.叠加原理中，两个电源同时作用时在电路中所消耗的功率是否也等于两个电源单独作用时所消耗的功率之和？
为什么？
【注意事项】
1.在使用万用表测量时，注意电压、电流、欧姆等档次的选择，切忌用电流档测电压（即与被测元件并联）。
2.一定要在电源断开的情况下，才能用万用表测电阻。
3.在使用稳压电源时，只允许按下一个琴键按钮，切勿将几个选择按钮同时压下，使几组互相独立的电源并联在同一个电压表上，而将几个电源相互短路造成仪器的损坏。
4.通电后，如UL等于零，可用电压表逐点测量电压的方法，找到故障点，分析判断是导线还是器件发生了故障，断电后，仔细检查、排除故障。
【实验设计及测试】
用数字万用表欧姆挡测试R1、R2、R3、RL，测试结果记人表1.4.1中，与标称值对照。
表1.4.1
R1
R2
R3
RL
标称值
100
200
200
300
测量值
调节稳压电源，使其一路电压源输出E1=6V，另一路电压源输出E2=9V，待用。
1.叠加原理实验
（1）先将开关S
、S
拨向“2”侧，再按实验原理电路图1.4.2接线。
（2）测量下列三种情况下负载电阻的电压值UL，并将数据记入表1.4.1中
电源E1单独作用于电路（S
拨“1”，S
拨“2”），电源E2单独作用于电路的情况（S
拨“2”，S
拨“1”），电源E1和E2同时作用于电路的情况（S
、S
都拨“1”）。
（3）测负载电流值IL：
将万用表置于直流电流档“20mA”处并串入RL支路中（注意极性），分别在a、b、c步骤情况下，测得电流值IL，并将数据记入表1.4.2中。
图1.4.2叠加原理实验电路图
表1.4.2
表1.4.2
UL/V
IL/mA
计算值
测量值
误差
计算值
测量值
误差
E1单独作用
E2单独作用
E1E2共同作用
2.基尔霍夫定律实验
（1）开关S
、S
拨向“2”侧,将实验原理电路图1.4.2中的RL支路去掉,S
、S
拨向“1”侧。
（2）KCL的验证:
用万用表直流电流200mA档分别测量I1、I2、I3,将数据记入表1.4.3中。
（3）KVL的验证:
用万用表直流电压20V档测量Uec、E1、E2、Ude,将数据记入表1.4.3中（注意绕行方向与电压极性）。
表1.4.3
I1/mA
I2/mA
I3/mA
∑I
Uec/V
E1/V
E2/V
Ude/V
∑U
测量值
计算值
误差/％
【实验报告要求】
1.完成表中测量值，根据图中参数计算各理论值。
2.分析误差，并指出产生误差的因素？
3.为什么电流表不能与电路并联？
电压表不能与电路串联？
【扩展实验内容】
戴维南定理实验
对图1.4.2电路中a、b两点左侧电路进行戴维南等效变换。
（1）测量开路电压Uo：
将S
、S
置“1”，测RL断开时的Uab＝Uo，记入表1.4.4中。
（2）测量等效电阻Ro：
将S
、S
置于“2”，用万用表测Rab＝Ro，记入表1.4.4中。
（3）用测得的Uo和Ro，按图1.4.3组成戴维南等效电路，测出IL和UL并填入表1.4.4中。
开路电U0=V
负载电流IL=mA
等效内阻R0=Ω
负载电压UL=V
与表1.4.2中UL、IL测量值比较ΔU=ΔI=
表1.4.4
图1.4.3戴维南等效电路图
二．电子仪器仪表使用
（2）
【实验目的】
1.掌握函数信号发生器、晶体管毫伏表和双踪示波器的使用方法
2.掌握电压、频率、时间和相位差的测量方法。
【相关知识要点】
1.常用电子仪器功能及使用时的注意事项。
2.正弦交流电路中U与Um的关系。
【预习与思考】
1.阅读常用电子仪器使用说明
2.示波器能测量正弦交流信号的有效值还是峰值？
【实验内容】
1.练习用示波器测12V直流电压
⑴设定示波器基准，选择DC耦合方式和适当的Y轴灵敏度，选择触发信号源为CH1。
连接示波器测试线，从CH1通道输入12V直流电压。
打开实验箱电源开关，由坐标刻度读取信号幅值格数，数据记入表1.5.1中。
⑵选择AC耦合方式，观察波形显示变化情况。
表1.5.1
被测信号
Y轴格数/灵敏度
X轴格数/灵敏度
（周期）
X轴格数/灵敏度
（脉冲宽度）
+12V
–12V
校准信号
2.练习用示波器测试示波器的校准信号（频率为1kHZ，幅值为0.6V）
⑴设定示波器基准，选择DC耦合方式和适当的Y轴灵敏度和X轴灵敏度，选择触发信号源为CH2。
连接示波器测试线，从CH2通道输入校准信号，由坐标刻度读取信号幅值、周期、脉冲宽度格数，数据记入表1.5.1中。
⑵分别选择AC耦合方式和按下[INV]，观察波形显示变化情况。
⑶同时观察CH1、CH2通道信号，选择DC耦合方式，调整示波器基准，按下[ADD]键，观察CH1、CH2两通道信号相加的情况。
3.用函数信号发生器输出一频率为1KHZ，峰值电压为1V的正弦波。
4.以该正弦波作输入信号，测试图1.5.1所示被测电路输入、输出信号的电压幅值、频率、周期和相位差。
相位差的测法如图1.5.2所示，图中T为周期，D为相位差。
数据记入表1.5.2中。
图1.5.1示波器、函数发生器的使用图1.5.2相位差的测试
表1.5.2
波形
峰值（V）
有效值（V）
频率（Hz）
周期（ms）
相位差（°）
ui
uo
5.函数信号发生器，观察输出信号波形的变化情况。
6.按函数信号发生器[ATT]（衰减）键，观察输出信号幅值的变化情况。
【实验报告要求】
总结基本实验仪器的使用方法。
三．荧光灯功率因数的提高
【实验目的】
1.了解荧光灯电路的工作原理，掌握荧光灯电路的安装方法;
2.学习有功功率的测量方法;
3.观察电感性负载并联电容器对提高电路功率因数的作用。
【相关知识要点】
1.荧光灯电路简介
大多数荧光灯电路包括灯管、镇流器和启辉器三个器件，如图2.1.2所示。
灯管内壁涂有荧光粉,管内抽真空后充有惰性气体氩和少量汞蒸气,灯管两端各有一根灯丝。
镇流器是一个具有铁芯的电感线圈,它的作用是帮助灯管启动并在灯管启燃后起降压、限流作用。
电感线圈具有一定的电阻,铁芯也有一定的铁耗,故镇流器要消耗一部分有功功率。
启辉器是一个小型氖气泡,有一个固定电极和一双层金属片构成的可动电极。
两电极与一个小电容并联。
电路启动之初，220V交流电压全部加在启辉器两个电极之上,使其产生辉光放电，可动电极受热膨涨，与固定电极接触，从而接通灯丝电路，使灯丝通过较大电流，迅速加热并发射大量热电子。
启辉器两电极接通后电压降为零，辉光放电停止，双金属片因温度下降而复原,电路断开。
此时，加到灯管两端的电压使灯管内的电子形成高速电子流，撞击气体分子，使之电离而产生弧光放电并射出紫外线，管壁内所涂荧光粉因受紫外线激发而发出荧光灯特有的可见光。
灯管启燃后，灯管上的电压降低于启辉器辉光放电电压，启辉器不能再发生辉光放电，因而失去作用。
研究证明，产生气体放电时的荧光灯是一个非线性电阻,其电流、电压基本同相,电流波形近似为正弦波,电压波形近似为矩形波，它含有50Hz基波和3、5、7等高次谐波,故用电压表（在50Hz正弦波下校准）测量荧光灯电路的电压时,有一定误差。
2.功率因数的提高
由于镇流器具有较大电感,故荧光灯电路是一个感性负载电路。
对于这样的感性负载电路,常采用并联电容器的方法来提高电路的功率因数。
以流过电容器的容性电流，补偿负载中的感性电流，提高负载电路的功率因数。
此时虽然负载消耗的有功功率不变，但输电线路上的总电流减小，线路损耗减小，因此提高了电源设备的利用率和减少了线路的能量损耗。
由于荧光灯电路的非线性，其电流中含有高次谐波，并联电容器不能对其感性无功电流进行全补偿，即功率因数不能提高到1。
3.功率测量方法
功率表具有电流线圈和电压线圈，功率表所测得的功率P=UIcos
，U为功率表电压所跨接电压的有效值；I为流过功率表电流线圈的电流有效值；
为此电压和电流之间的相位差。
功率表接入电路的方法如图2.1.1所示，图中RV为电压线圈支路的分压电阻。
功率表的电流线圈必须串入线路中，且电流线圈的非“*”号端应接至负载端。
电压线圈必须并联接入电路，其“*”端必须与该功率表电流线圈所在的相线相接，而非“*”号端应接至负载的另一端（否则电网的全电压基本上作用在这两个线圈之间，会引起线圈相互作用而产生较大的静电误差，并且可能导致线圈间绝缘击穿）。
如果接线方式正确，而读数为负（或指针反偏），说明实际功率输送的方向与预测的相反。
这时，只要把电流线圈两端位置交换即可。
为了减少测量误差，必须正确选择功率表的联接方法。
图2.1.1（a）所示的联接，功率读数中包括了电流线圈的功率损耗，适用于负载阻抗远大于电流线圈阻抗的情况，这种接法称为电压线圈前接法；图2.1.1（b）所示的连接，功率读数中包括了电压线圈支路的功率损耗，适用于负载阻抗远小于功率表电压线圈支路阻抗的情况，这种接法称为电压线圈后接法。
（a）（b）
图2.1.1功率表的接线方式
【预习与思考】
1.熟悉荧光灯电路的工作原理，明确电路中各电流、电压的情况。
2.复习有关交流并联电路及提高功率因数的内容。
3.在实验中，并入电容之后,灯管中流过的电流和消耗的功率变不变？
总功率因数变不变？
【注意事项】
1.由于电压较高，接拆线路必须断电，线路接好后，必须经教师检查后才可接通电源，在操作过程中，要注意人身和设备安全。
2.镇流器必须与灯管串联接入电路，以免烧坏灯管。
3.通电后，如荧光灯不亮，可用电压表逐点测量电压的方法，找到故障点，分析判断是导线还是器件发生了故障，断电后，仔细检查、更换故障器件。
【实验内容】
1.按原理图2.1.2组成实验电路，经老师检查后才能合上交流220V开关Q，电容箱的全部开关置于“断”，测出U、Ｕ灯、Ｕ镇、Ｉ、Ｉ灯、ＩC、电路总功率Ｐ、镇流器消耗的功率Ｐ镇，数据记入表2.1.1中。
图2.1.2荧光灯电路原理图
2.将并联电容由零逐渐增大，测出相应的电流值，数据记入表2.1.2中。
3.测出电流Ｉ最小时的Ｕ、Ｕ灯、Ｕ镇、Ｉ、Ｉ灯、ＩC、Ｐ、Ｐ镇,数据记入表2.1.1中。
表2.1.1
U/V
U镇/V
U灯/V
I/A
I灯/A
IC/A
P/w
P镇/W
COSф
未并电容
并入电容
电流最小时
表2.1.2
C/μF
1
2
3
4
5
6
7
8
9
I/A
IC/A
【实验报告要求】
1.利用所测数据，计算功率因数，并说明改善功率因数的意义。
2.荧光灯并联电容器后电路总电流减小，但电容超过某一数值后，总电流为什么又会增大?
四．三相负载电路研究
【实验目的】
1.掌握对称三相电路线电压与相电压、线电流与相电流的关系；
2.观察不对称星形电路中的中点移位现象，了解中线的作用；
3.学习测量三相电路的有功功率。
【相关知识要点】
1.不对称三相负载作Y联接时,必须采用三相四线制接法，而且中线必须牢固联接，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，会导致三相负载电压的不对称，致使负载轻的那一相的相电压过高，使负载遭受损坏；负载重的一相相电压又过低，使负载不能正常工作。
尤其是对于三相照明负
载，无条件地一律采用三相四线制接法。
2.当不对称负载作△接时，IL≠
Ip，但只要电源的线电压UL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。
3.三相有功功率测量
⑴三相负载消耗的总功率应等于各相负载消耗功率之和。
因此用瓦特表按图2.2.1所示分别测量三相负载的功率相加，这种方法称为三瓦计法测量三相功率。
⑵三相三线制供电系统中，无论三相负载是否对称，也无论负载是Y接还是△接，都可用瓦特表按图2.2.2所示分别测量三相负载的功率相加，这种方法称为二瓦计法测量三相功率。
图2.2.1三瓦计法测量三相功率图2.2.2二瓦计法测量三相功率
【预习与思考】
1.复习三相电路的有关内容；
2.三相电路有功功率的测量方法；
3.中线能接保险丝吗？
【注意事项】
1.接拆线路必须断电，线路接好后，必须经教师检查后才可接通电源；
2.在操作过程中，要注意人身和设备安全。
3.功率表的电流线圈要串联在电路中，电压线圈要并联在电路中。
【实验内容】
1.三相负载星形联接电压、电流测量
将三相调压器的旋柄置于输出为0V的位置（即逆时针旋到底），按图2.2.3联接实验电路。
经检查无后，方可开启实验台电源，然后调节调压器的输出，使输出的三相线电压为220V，并按下述内容完成各项实验。
⑴负载对称（每相负载开启三盏灯）：
在有中线、无中线两种情况下，测量线电压、
相电压、线电流（相电流）、中线电压和中线电流，数据记人表2.2.1中，观察有无中线两种情况下各相灯泡亮度是否一致。
图2.2.3三相负载星形联接电路原理图
表2.2.1
线电压
（V）
相电压
（V）
线（相）电流
（A）
中线电流
中点移位电压
UAB
UBC
UCA
UA
UB
UC
IA
IB
IC
IN
UN´N
对称负载
有中线
无中线
不对称负载
有中线
无中线
⑵负载不对称（A、B、C相各开启1、2、3盏灯）：
在有中线、无中线两种情况下，
测量线电压、相电压、线电流（相电流）、中线电压和中线电流，数据记人表2.2.1中，观察有无中线两种情况下各相灯泡亮度是否一致。
2.负载星形连接三相有功功率测量
⑴用三瓦表法测三相有功功率，数据记人表2.2.2中。
⑵用二瓦表法测三相有功功率，数据记人表2.2.2中。
表2.2.2
负载情况
三瓦计法
二瓦计法
PA/W
PB/W
PC/W
P/W
P1/W
P2/W
P/W
对称负载
不对称负载
【实验报告要求】
1.用实验数据说明在什么情况下电压、电流的线、相之间有
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.计算三相总功率。
五．异步电动机的能耗制动
【实验目的】
1.熟悉异步电动机能耗制动的原理，接线及操作方法；
2.了解控制系统中各种保护及自锁、互锁环节的作用；
3.学习能耗制动控制系统的调节方法；
4.学习分析故障、排除故障的方法。
【相关知识要点】
由于电动机的转动部分有惯性，在电源切断后，电动机还会继续转动一定时间才能停止。
为了缩短辅助工时，提高生产效率，就要求电动机断电以后能够迅速停车，这就需要对电动机进行制动。
异步电动机有能耗制动、反接制动及发电反馈制动等制动方式，本实验只研究能耗制动。
在图2.10.1中，
为自锁触头，它保证起动按钮松开后电动机继续运转。
为互锁触头，它保证通入三相交流时断开直流电，通入直流电时先断开三相交流电。
图中包含以下保护环节：
失压保护：
电动机运行时突遇停电，接触器线圈失电，电动机停止运转。
当电源恢复供电时，不按起动按钮，电动机不会自行起动。
它能避免因电动机自行起动而造成人身、设备事故。
短路保护：
由熔断器FU实现。
当电路发生短路时，FU熔断，整个电路断开。
过载保护：
由热继电器KH实现。
当电动机发生过载时，经一定时间后，KH的常闭触头断开控制电路；排除故障后按下KH的复位按钮，为继续工作做好准备。
1.能耗制动是在电机断开三相交流电以后，在定子绕组中通入直流电，产生一个恒定磁场，转子在持续转动中切割这个恒定磁场的磁通而产生感应电流，转子感应电流与磁场作用产生与转子转动方向相反的制动转矩，其实质是把转子转动的动能转变成电能消耗在转子电路中，故称为能耗制动（或动能制动）。
2.定子绕组的直流电阻很小,因而在直流电路中串入限流电阻,以免直流电流过大使定子绕组过热损坏。
直流电流的大小还将影响制动所需时间，故此电阻的大小应按需要调节。
3.电机停止转动后，应及时断开直流电源，通常用时间继电器来实现，根据电机所需的停车时间调节时间继电器的延时，使电机刚一停稳，继电器立即释放，切断直流电源。
【实验仪器及设备】
1.异步电动机1台
2.交流接触器2只
3.时间继电器1只
4.滑线电阻1只
5.热继电器1只
6.复合按钮2只
【预习要求】
1.熟悉时间继电器结构、工作原理。
2.弄清能耗制动的原理和制动过程中各电器的动作和作用。
【思考题】
1.为什么交流电和直流电不能同时接入电机定子绕组中?
2.电动机通入直流电能够制动,通入单相交流电能否起制动作用?
3.本实验电路中有无自锁环节？
若有，由哪些触动点组成？
它们各起什么作用？
4.若按下SB2后，控制电器制动正常，但电机未被制动，这是什么故障？
应从哪些地方去寻找故障点？
【注意事项】
1.接线之前将制动电阻置最大位置，以防制动电阻RZ值太小，制动电流过大，使电机绕组过热。
2.电路必须严格检查，决不允许同时接通交流和直流两个电源。
3.时间继电器的延时应调整到电机刚一停下即断开直流电源的位置。
【实验设计及测试】
1.选定电器并按图2.10.1接线。
2.小组成员检查并经指导老师复查同意后，接通电源。
3.闭合Q3，操作SBI、SB2，观察各电器动作是否正常。
若不正常，应排除故障。
4.闭合Q1，启动电机。
待运转平稳后，按下SB2，观察自由停车的情况。
5.闭合Q2并启动电机，待运转平稳后，按下SB2，观察能耗制动的情况。
若停车时间较长，可适当减小RZ阻值，增大制动电流，使电动机在一秒内停稳即可。
6.调节时间继电器的延时时间,使电动机刚一停稳即切除直流电源。
图2.10.1异步电动机能耗制动接线图
【实验报告要求】
1.写出电机铭牌。
2.回答思考题1、2、3、4。
六
（1）．PLC基本操作练习
【实验目的】
1.了解S7-200可编程序控制器的系统组成；
2.学习STEP7Micro/WINV3.1编程软件的使用方法；
3.熟悉基本指令的应用；
4.利用编程软件监控程序运行。
【注意事项】
1.每个网络只能输入一行指令。
2.程序上、下载时，必须给PLC上电，并将CPU方式开关置于STOP状态。
【实验内容及步骤】
1.基本练习
（1）硬件接线
将PLC与计算机用PC／PPI电缆连接；
将CPU224的RUN／STOP开关拨到STOP位置（或TERM位置）；
将24V直流稳压源的正负极对应接在CPU224的24V直流电源端子上；检查PLC上状态指示灯是否黄灯亮（表示处于停止状态）。
（2）进入编程状态
打开计算机电源，双击桌面上V3.1STEP7MicroWIN图标，进入STEP7MicroWINV3.1编程环境；
单击菜单命令“工具→选项”，选择编程语言类型（选择梯形图语言）和指令集（选择SIMATIC）；
单击菜单命令“PLC→类型”，确定PLC的CPU类型（选择CPU224）；
（3）输入程序
选择MAIN主程序，在Network1中开始输入如图5.2.1所示起停控制程序。
从快捷工具栏或指令树中选择相应符号，完成梯形图的输入（可练习修改、复制、粘贴、删除、插入等）。
给各符号加元件号：
逐个选择？
？
？
，输入相应的元件号。
将图5.2.1程序转换成语句表程序。
为梯形图5.2.1进行网络注释——“起停控制程序”。
保存程序：
在菜单栏中文件（File）—保存（Save），输入文件名，保存。
图5.2.1起停控制程序
（4）编译程序
使用菜单“PLC→编译（Compile）”或“PLC→全部编译（CompileAll）”命令，或者用工具栏按钮“
”或“
”执行编译功能。
编译完成后在输出窗口会显示相关的结果，以便于修改。
（5）下载程序
输出窗口显示程序编译无错误后，使用菜单“File（文件）→下载（Download）”，或按工具栏按钮“
”执行下载。
（6）运行和调试程序
程序下载成功后，将CPU上的RUN／STOP开关拨到RUN位置；CPU上的黄色STOP状态指示灯灭，绿色指示灯亮；（如CPU上的RUN／STOP开关处于TERM状态，也可单击工具栏中的“
”）。
接通I0.0对应的开关，观察运行结果并记录。
接通I0.1对应的开关，观察运行结果并记录。
（7）监控程序
程序在运行时可以用菜单命令中“排错（Debug）”—“程序状态（ProgramStatus）”或者工具栏按钮“
”对程序状态监控进行监控。
接通/断开I0.0、I0.1对应的开关，观察梯形图有何变化，并作记录。
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