电器学原理实验指导书1012.docx
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电器学原理实验指导书1012
电器学原理实验指导书
电子信息实验教学中心
2010年9月
实验要求及注意事项
（一）实验前的准备。
在进入实验室进行实验操作之前，必须认真地预习实验指导书及教材中的相关部分，做到明确实验原理、实验目的和任务；熟悉实验线路，实验步骤、操作程序；了解并掌握本次实验的仪器设备及其技术性能。
在此基础上写好实验预习报告，列出记录实验数据的表格。
牢牢记住本次实验应该注重的问题，以防在实验操作中损坏实验设备和实验仪表。
经实验教师检查并能准确回答实验中应注意的问题之后，才能进入实验室进行实验。
（二）实验中同组学生应有明确的实验分工，分别担任接线、查线、操作、观察、记录等工作，使实验进行的井然有序，不忙不乱。
防止出现一人操作，他人观看的现象，更不允许在实验室随意走动、乱动设备、大声喧哗。
如有发生，不听劝阻，防碍他人实验，实验教师有权停止其实验，并逐出实验室。
（三）实验时，首先应将本次实验所用设备和仪表、实验电路板安排在合适的位置上，以便于接线、操作、读取数据和观察波形为原则。
接线应清楚整齐以便于检查，导线应力求少用并要尽量避免交叉，每个接线柱上不应联接三根以上导线。
按实验电路图接好线路后，本组同学首先要检查线路联接是否正确，发现错误应立即纠正。
然后再请实验教师检查，确认无误后方可接通电源进行实验。
决不准许未经检查线路正确与否，就草率接通电源以造成实验设备和仪表的损坏。
线路检查无误后，于正式实验前可大致试做一遍。
试做时可不必仔细读取数据和描绘曲线，目的在于观察实验现象的变化、仪表量程的选取、设备位置是否合适、操作是否方便。
如有异常现象出现，如异味、冒烟、发热或打火等现象，应立即断开电源，查找原因并及时处理。
联接线路时一般应先接串联电路，后接并联电路，先接主电路，后接辅助电路，最后接通电源。
接通电源时按实验要求逐次接通开关。
在电路过渡过程中，为避免过渡过程冲击电流表和功率表的电流线圈而造成仪表换坏，一般电流表和功率表电流线圈不能固接在电路中，而是通过电流插口或试触法来替代。
这样既可保护仪表不受意外损坏，又能提高仪表利用率。
（五）、经过试作无问题后，可正式进行实验。
按照本次实验的目的内容、实验步骤进行有序操作。
实验中应按实验要求有目的地调整实验参数，正确读取数据和描绘曲线。
测绘曲线时测量点的间隔和数目要选得合适，被测量的极大值和极小值对应点的数据一定要测出。
在曲线的弯曲部分应多选几个测量点。
测量点的分布要在所研究整个范围内，不要局限于某一个小范围内，也不要超出研究范围。
实验数据应记录在事先准备好的表格中，实验曲线的测量点应在事先准备好的坐标纸上标记。
（六）、注意安全用电。
实验中电源电压一般在220-380V左右，所以实验中不得用手触及未经绝缘的金属裸露部分，即使是在低压情况下也不例外。
实验中应养成单手操作的习惯，能单手操作尽量不用双手操作。
闭合或断开闸刀开关应迅速果断，同时用目光监视仪表设备有无异常，如有异常应立即切断电源，停止实验进行检查。
（七）、实验工作结束后，先切断电源，但暂时不要拆线，认真检查实验内容和实验结果。
确认无一疏漏，实验结果经实验教师检查无误后，方可拆除线路。
将实验设备归复原位、整理导线、清理实验台面后经教师允许方可离开实验室。
（八）、实验报告的编写。
编写实验报告是将实验结果进行总结、分析和提高的阶段。
实验一、常用低压电器的认识与使用-------------------5
实验二、低压电器控制电路实验-----------------------8
实验三、断路器延时保护特性的测试-------------------15
实验四、断路器瞬时保护特性的测试-------------------17
实验一常用低压电器的认识与使用
[实验目的和要求]
1、了解常用低压电器的种类
2、了解低压电器标牌参数的意义
3、掌握常用低压电器的使用方法
[实验内容]
1、认识断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等低压电器
2、认识各种低压电器的标牌及标牌上参数的意义
3、学习断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等低压电器的使用方法
[主要实验仪器与器材]
1、万用表一只
2、断路器、互感器、接触器、继电器、常闭按钮开关，常开按钮开关等各一只
3、电线若干
[实验原理]
电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通或断开电路，断续或连续地改变电路参数，以实现电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备。
电器按其工作电压等级可分为高压电器和低压电器。
低压电器通常指工作在交流电压1200V及其以下或直流电压1500V及其以下的电路中的电器。
这里介绍几种常用的低压电器。
断路器
常用的低压断路器俗称自动空气开关，是低压配电网中的主要器件开关之一，它不仅可以接通和分断正常负载电流、电动机工作电流和过载电流，而且可以接通和分断短路电流。
主要用在不频繁操作的低压配电线路或开关柜中作为电源开关使用，并对线路、电器设备及电动机等实行保护，当它们发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时，能自动切断线路，起保护作用。
低压断路器按结构形式分有万能框架式、塑料外壳式和模块式三种。
智能化断路器的特征则是采用了以微处理器或单片机为核心的智能控制器（智能脱扣器），智能化断路器原理框图如下所示。
互感器
互感器按比例变换电压或电流的设备。
互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或10A，均指额定值），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。
互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。
分为电压互感器和电流互感器两大类。
电压互感器:
按原理分为电磁感应式和电容分压式两类。
前者多用于220千伏（kV）及以下各种电压等级；后者则一般用于110kV以上的电力系统，在330～765kV超高压电力系统中应用较多。
按用途，电压互感器又分为测量用和保护用两类。
①电磁感应式电压互感器。
工作原理与变压器相同。
基本结构也是铁芯和原、副绕组。
特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。
电压互感器本身阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增加而烧毁线圈。
为此，电压互感器原边接有熔断器，副边接地，以免原、副边绝缘损坏时，副边出现对地高电位而造成事故。
电磁感应式电压互感器的等值电路与变压器的等值电路相同。
②电容分压式电压互感器。
在电容分压器的基础上制成。
电容式电压互感器多与电力系统载波通信的耦合电容器合用，以简化系统，降低造价。
此时，它还需满足通信运行上的要求。
电流互感器:
工作原理、等值电路与一般变压器相同，只是其原边绕组串联在被测电路中，且匝数很少；副边绕组接电流表、继电器电流线圈等低阻抗负载，近似短路。
原边电流（即被测电流）和副边电流取决于被测线路的负载，与电流互感器副边负载无关。
电流互感器运行时，副边不允许开路。
因为在这种情况下，原边电流均成为励磁电流，将导致磁通和副边电压大大超过正常值而危及人身及设备安全。
因此，电流互感器副边回路中不允许接熔断器，也不允许在运行时未经旁路就拆卸电流表及继电器等设备。
接触器
接触器是一种用于频繁地接通或断开交直流主电路、大容量控制电路等大电流电路的自动切换电器，其特点是用小电流来控制大电流。
接触器按驱动触头系统的动力不同分为电磁接触器、气动接触器、液压接触器等。
新型的真空接触器与晶闸管交流接触器正在逐步使用。
交流接触器的结构如下所示：
智能化接触器的主要特征是装有智能化电磁系统，并具有与数据总线及与其他设备之间互相通信的功能，其本身还具有对运行工况自动识别、控制和执行的能力。
智能化接触器是对接触器的整个动态工作过程进行实时控制，根据动作过程中检测到的电磁系统的参数，如线圈电流、电磁吸力、运动位移、速度和加速度、正常吸合门槛电压和释放电压参数，进行实时数据处理，并依此选取事先存储在控制芯片中的相应控制方案以实现“确定”的动作，从而同步吸合、保持和分断3个过程，保证触头开断过程的电弧能量最小，实现3个过程的最佳实时控制。
继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
在我国低压电器型号是按产品种类编制的，产品型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，其组合方式如下：
[实验步骤]
1、认识断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等低压电器。
熟悉常用低压电器工作原理。
2、认识各种低压电器的标牌及标牌上参数的意义。
观察各种低压电器的外形，记录其铭牌数据，同时指出型号中数字的意义。
3、学习断路器、互感器、接触器、继电器、按钮开关等低压电器的使用方法。
熟悉断路器、互感器、继电器、按钮开关等低压电器的使用方法。
按下图连接电路，观察接触器动作及红绿指示灯亮暗的情况。
实验二低压电器控制电路实验
[实验目的和要求]
1、了解电机控制电路的原理
2、掌握电机控制电路的连接方法
3、了解一般控制电路的原理和连接方法
[实验内容]
1、理解电机控制电路、电机保护电路、电机正反转控制电路的原理
2、学习电机控制电路的连接方法
3、测试电机控制电路的功能
[主要实验仪器与器材]
1、电工实验台一台
2、三相异步电机一台
3、万用表，示波器。
4、电线若干
[实验原理]
异步电机直接起动-点动控制，其电路如图一所示：
图一步电机直接起动-点动控制
其动作过程如下：
按下按键（SB）＝＞线圈（KM）通电＝＞触头（KM）闭合＝＞电机转动；按钮松开＝＞线圈（KM）断电＝＞触头（KM）打开＝＞电机停转。
异步电机直接起动-连续运行，电机控制如图二所示：
图二电机连续运行控制电路
该电路有自保的功能，当按下按钮（SB），线圈（KM）通电，电机起动；同时，辅助触头（KM）闭合，即使按钮松开，线圈保持通电状态，电机连续运转。
异步机的直接起动-过载保护，其控制电路如图三所示：
图三电机过载保护控制电路
电机点动控制电路简单，但其直接起动时产生的电流冲击和转矩冲击会对电网、电动机本身及其负载机械设备带来不利影响，对于容量较大的电动机，这些危害也就尤为严重，简单的解决办法采用降压起动。
启动是先降低它的工作电压，以减少启动电流对线路负载的冲击，待启动后再切换回电动机的额定工作电压，这种方式叫软起动。
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter，实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。
当采用单片机等智能设备来控制三相电压使其慢慢上升，就可实现电机的智能控制。
[实验步骤]
1、点动控制电路
（1）按图一接好实验电路，并接入钳形表和互感器及示波器（注意示波器的地线的连接）。
（2）检查无误后，调节调压器，降低电压到表中的值,按起动按钮SB，记录起动电流，通过观察示波器中的波形并记录。
启动电压（V）
90
100
110
120
130
140
150
160
启动电流（A）
（3）放开起动按钮SB，观察电机的工作情况。
2、单向运行的控制电路
（1）按图二接好实验电路，并接入电流表和测速表。
（2）检查无误后，调节调压器，降低电压到表中的值,按起动按钮SB。
（3）调节输出电压到150V,而后慢慢上升电压，记录电机的工作电流和转速。
电压（V）
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
电流（A）
转速（rpm）
（4）按下常闭按钮SB1，观察电机的工作情况。
3、可逆运转控制电路
按图四接好实验电路，检查无误后，按下述步骤控制电机的正、反转实验。
图四电机可逆转控制电路
（1）正转控制，合上开关QS，按下正转起动按钮SBF，观察电动机的转动方向。
（2）按下反转起动按钮SBR，观察电动机的转动方向。
[思考题]
（1）由表一的结论可得应该如何设计智能软启动器？
（2）示波器为什么要用隔离变压器来提供电源？
（3）由表二可得什么结论？
实验三断路器延时保护特性的测试
[实验目的和要求]
1、加深理解断路器延时保护特性的概念
2、了解断路器延时保护的原理
3、了解断路器延时保护特性的测试方法
[实验内容]
1、观察断路器结构，理解延时保护原理
2、等效法测试断路器延时保护特性
[主要实验仪器与器材]
1、断路器、互感器、交流接触器各一只
2、控制变压器、调压器各一台
3、万用表、电流表各一只
4、导线若干
[实验原理]
低压断路器又称自动开关，它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。
它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合，而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，获得了广泛的应用。
低压断路器由操作机构、触点、保护装置（各种脱扣器）、灭弧系统等组成。
结构如下图所示：
a）原理图b）剖面图c）实物图
1-主触头2-自由脱扣机构3-过电脱扣器4-分励脱扣器
5-热脱扣器6-欠电压脱扣器7-起动按钮
低压断路器的主触点是靠手动操作或电动合闸的。
主触点闭合后，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。
过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。
当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。
当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片上弯曲，推动自由脱扣机构动作。
当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放。
也使自由脱扣机构动作。
分励脱扣器则作为远距离控制用，在正常工作时，其线圈是断电的，在需要距离控制时，按下起动按钮，使线圈通电，衔铁带动自由脱扣机构动作，使主触点断开。
低压断路器性能的主要指标有分断能力和保护特性。
分断能力是指开关在指定的使用和工作条件及在规定的电压下接通和分断的最大电流值（kA）。
保护特性主要分为过电流保护、过载保护和欠电压保护三种。
这里主要讨论断路器的过电流保护和过载保护。
短路时要求能在几毫秒内检测出来，断路器应在0．2s以内可靠断开和分断短路电流。
作为过载长延时特性，并不要求塑壳断路器快速切断故障线路，而是要求它能与被保护设备的过载热特性有良好的配合，当过载电流时间过长，就会引起设备元件超过允许的温升，缩短寿命。
过载电流愈大，断路器的动作愈快；过载电流（超过1．3倍额定电流）愈小，断路器的动作愈慢，称为过载长延时反时限特性。
其中瞬时特性和短延时特性适用于短路动作，而长延时特性适用于过载保护。
配电用塑壳断路器的过载长延时特性标准要求：
在+40℃的环境温度下，按额定电流的大小采用规定截面和长度的导线，额定电流J≤63A，各极同时通1．05倍额定电流（1．05J），断路器lh内不应脱扣，将电流上升到1．30倍额定电流（1．30J＼），断路器lh内应脱扣；额定电流J>63A，各极同时通1．05J，断路器2h内不应脱扣，将电流上升到1．30J，断路器2h内应脱扣。
为了提高断路器出厂检测的速度，一般采用等效法来检测断路器的长延时特性。
根据公式：
根据公式及特性曲线，可以加大输入各级电流与额定电流的倍数，如两倍额定电流时，脱扣时间为30～450s。
若要更短的时间来检测长延时特性，只要扩大试验电流，如采用三倍、四倍或五倍额定电流等，但最多不能超过七倍额定电流，因为这已快接近瞬时动作电流。
同时，采用额定电流倍数大的条件校验，在时间上虽然快了，但对断路器的热元件、双金属片、脱扣力等各种参数要求也比较高，否则，易产生不稳定；采用低倍整定时，如采用1.6倍、1.7倍校验，虽时间较慢，但因其接近于1.30倍，易达到稳定。
国内生产厂家多为低倍校验，但一般不会低于1.50倍或1.45倍，因为再低的话，不仅时间太长，而且在常温下，几乎等同于1.30倍在+40℃的试验，就不是快速、等效的校验了。
[实验步骤]
1、观察断路器结构，理解延时保护原理。
2、等效法测试断路器长延时保护特性。
（1）电路功能测试。
按电路图搭建好电路，断路器接20A。
接入电压表和互感器（注意互感器不能空载）,输入电压为220V，调节调压器，完成下表。
Vin
10
20
30
40
50
60
70
Vout
I
Vin为调压器显示电压，Vout为调压器输出电压，I为断路器流过的电流
（2）长延时保护特性测试。
连接好电路，断路器分别为6A，10A，20A，完成下表，并画出相应断路器的特性曲线。
注意：
脱扣后的断路器应降温后才能继续实验。
额定电流
6A
10A
20A
电流倍数
1.4
1.45
1.5
1.55
1.4
1.45
1.5
1.55
1.4
1.45
1.5
1.55
脱扣时间
实验四断路器瞬时保护特性的测试
[实验目的和要求]
1、加深理解断路器瞬时保护特性的概念
2、了解断路器瞬时保护的原理
3、了解断路器瞬时保护特性的测试方法
[实验内容]
1、观察断路器结构，理解瞬时保护原理
2、等效法测试断路器瞬时保护特性
[主要实验仪器与器材]
1、断路器、互感器、交流接触器各一只
2、变压器、调压器各一台
3、万用表、电流表、峰值电流表各一只
4、数字存储示波器一台
5、导线若干
[实验原理]
当电路发生短路时，短路电流引起电器设备绝缘损坏和产生强大的电动力，使电机和电路中的各种电器设备产生机械性损坏，因此当电路出现短路电流时，必须迅速而可靠的断开电源，其结构原理如下：
塑壳断路器的瞬时测试标准：
电流整定值是额定电流的10倍，当测试电流8倍额定电流（8In）时，断路器在规定时间0．2s不脱扣；测试电流达到12倍额定电流（12In）时，断路器在规定时间0．2s内脱扣。
断路器瞬时脱扣器的动作时间为0.02s左右。
瞬时或短时过电流脱扣器的整定电流应能躲开线路的尖峰电流。
使用时，所选断路器的瞬时或短延时脱扣器整定电流Ir2应大于线路尖峰电流。
配电断路器可按不低于尖峰电流1.35倍的原则确定，电动机保护电路当动作时间大于0.02s时可按不低于1.35倍起动电流的原则确定，如果动作时间小于0.02s，则应增加为不低于起动电流的1.7~2倍。
这些系数是考虑到整定误差和电动机起动电流可能变化等因素而加的。
[实验步骤]
1、观察断路器结构，理解瞬时保护原理
2、测量断路器瞬时保护特性。
按上图搭建好电路，分别测量断路器6A、10A、20A。
接入电压表和互感器（注意互感器不能空载）,输入电压为220V，调节调压器，完成下列表格。
断路器为6A:
U（V）
40
50
60
65
70
75
80
85
90
95
I（A）
脱扣情况
波形
断路器为10A:
U（V）
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100
I（A）
脱扣情况
波形
断路器为20A:
U（V）
50
60
65
70
75
80
85
90
95
100
I（A）
脱扣情况
波形
*U为调压器输出电压，I为断路器上的瞬时电流有效值，由示波器上波形的最大值计算。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.
NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.
Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.
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