电工学实验讲义.docx

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电工学实验讲义

准备实验基本电工仪表和电子仪器的使用

一．实验目的

1.熟悉实验台上仪表的使用及布局；

2.熟悉恒压源与恒流源的使用及布局；

3.掌握电压表、电流表内电阻的测量方法；

4.初步掌握用双踪示波器观察信号波形和读取波形参数的方法。

．实验原理

通常，用电压表和电流表测量电路中的电压和电流，而电压表和电流表都具有一定的内阻，分别用RV和RA表示。

如图0-1所示，测量电阻R2

两端电压U2时，电压表与R2并联，只有电压表内阻RV无穷大，才不会改变电路原来的状态。

如果测量电路的电流I，电流表串入电路，要想不改变电路原来的状态，电流表的内阻RA必须等于零。

但实际使用的电压表和电流表一般都不能满足上述要求，即它们的内阻不可能为无穷大或者为零，因此，当仪表接入电路时都会使电路原来的状态产生变化，使被测的读数值与电路原来的实际值之间产生误差，这种由于仪表内阻引入的测量误差，称之为方法误差。

显然，方法误差值的大小与仪表本身内阻值的大小密切相关，我们总是希望电压表的内阻越接近无穷大越好，而电流表的内阻越接近零越好。

可见，仪表的内阻是一个十分关注的参数。

通常用下列方法测量仪表的内阻：

1．用‘分流法’测量电流表的内阻

设被测电流表的内阻为RA，满量程电流为Iｍ，测试电路如图0-2所示,首先断开开关Ｓ,调节恒流源的输出电流Ｉ，使电流表指针达到满偏转,即I＝IA＝Iｍ。

然后合上开关S,并保持I值不变,调节电阻箱Ｒ的阻值,使电流表的指针指在1/2满量程位置，即

则电流表的内阻

。

2．用‘分压法’测量电压表的内阻

设被测电压表的内阻为RV，满量程电压为Uｍ，测试电路如图0-3所示,首先闭合开关Ｓ,调节恒压源的输出电压U，使电压表指针达到满偏转,即U＝UV＝Uｍ。

然后断开开关S,并保持U值不变,调节电阻箱Ｒ的阻值,使电压表的指针指在1/2满量程位置，即

则电压表的内阻

。

图0-1电路中，由于电压表的内阻RV不为无穷大，在测量电压时引入的方法误差计算如下：

R2上的电压为：

若R1=R2，则U2=U/2

现用一内阻RV的电压表来测U2值，当RV与R2并联后，

，以此来代替上式的R2,则得

绝对误差为

若

，则得

相对误差

电压表和电流表在使用中还要注意电表的量程，被测量的特性（直流还是交流）等。

在测量交流电路时，不仅需要数值，有时还需要了解信号的变化，这就需要用到示波器了

3．双踪示波器

双踪示波器是一种用途很广的电子测量仪器，它既能直接显示电信号的波形，又能对电信号进行各种参数的测量。

现着重指出下列几点：

1）、双踪示波器一般有五种显示方式，即“通道1”、“通道2”、“叠加”三种单踪显示方式和“交替”“断续”二种双踪显示方式。

“交替”显示一般适宜于输入信号频率较高时使用。

“断续”显示一般适宜于输入信号频率较低时使用。

2）、触发方式开关通常先置于“自动”调出波形后，若被显示的波形不稳定，可置触发方式开关于“常态”，通过调节“触发电平”旋钮找到合适的触发电压，使被测试的波形稳定地显示在示波器屏幕上。

有时，由于选择了较慢的扫描速率，显示屏上将会出现闪烁的光迹，但被测信号的波形不在X轴方向左右移动，这样的现象仍属于稳定显示。

3）、适当调节“水平位移”开关及“垂直位移”开关使屏幕上显示

一～二个周期的被测信号波形。

在测量幅值时，应注意将“垂直微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底。

在测量周期时，应注意将“水平微调”旋钮置于“校准”位置，即顺时针旋到底。

还要注意“扩展”旋钮的位置。

根据被测波形在屏幕坐标刻度上垂直方向所占的格数（div或cm）与“Y轴灵敏度（垂直位移）”开关指示值（v/div）的乘积，即可算得信号幅值的实测值。

根据被测信号波形一个周期在屏幕坐标刻度水平方向所占的格数（div或cm）与“扫速（水平位移）”开关指示值（t/div）的乘积，即可算得信号频率的实测值。

三．实验设备

1．直流数字电压表、直流数字电流表

2．恒压源（双路0～30V可调）

3．恒流源（0～200ｍＡ可调）

4．双踪示波器

5．函数信号发生器

四．实验内容

1．根据‘分流法’原理测定直流电流表1mA和10mA量程的内阻（选做）

实验电路如图0-2所示，其中R为电阻箱，用

100Ω、

10Ω、

1Ω、三组串联，1mA电流表用表头和电位器RP2串联组成，10mA电流表由1mA电流表与分流电阻并联而成（具体参数见实验一），两个电流表都需要与直流数字电流表串联（采用20mA量程档），由可调恒流源供电，调节电位器RP2校准满量程。

实验电路中的电源用可调恒流源，测试内容见表0-1，并将实验数据记入表中。

表0-1电流表内阻测量数据

被测表量程

（mA）

S断开，调节恒源，使I＝IA＝Iｍ（mA）

S闭合，调节电阻R，

使IR＝IA＝Iｍ/2（mA）

（Ω）

计算内阻RA

（Ω）

2．根据‘分压法’原理测定直流电压表1V和10V量程的内阻（选做）

实验电路如图0-3所示，其中R为电阻箱，用

1ｋΩ、

100Ω、

10Ω、

1Ω四组串联，1V、10V电压表分别用表头、电位器RP1和倍压电阻串联组成（具体参数见实验一），两个电压表都需要与直流数字电压表并联，由可调恒压源供电，调节电位器RP1校准满量程。

实验电路中的电源用可调恒压源，测试内容见表0-2，并将实验数据记入表中。

表0-2电压表内阻测量数据

被测表量程

（V）

S闭合，调节恒压源，使U＝UV＝Uｍ（V）

S断开，调节电阻R，使UR＝UV＝Uｍ/2（V）

（Ω）

计算RV

（Ω）

3．方法误差的测量与计算（选做）

实验电路如图0-1所示，其中R1＝300Ω，测量出R2两端的电压U2之值，并计算测量的绝对误差和相对误差，实验和计算数据记入表0-3中。

表0-3方法误差的测量与计算

计算值U2

实测值U’2

绝对误差U=U0-U’2

相对误差U/U2100

4．示波器的使用

4．1、用机内校正信号对示波器进行自检。

1）扫描基线调节

将示波器的显示方式开关置于“单踪”显示（CH1或CH2），输入耦合方式开关置“GND”，触发方式开关置于“自动”。

开启电源开关后，调节“辉度”、“聚焦”等旋钮，使荧光屏上显示一条细而且亮度适中的扫描基线。

然后调节“水平位移”（

）和“垂直位移”（

）旋钮，使扫描线位于屏幕中央，并且能上下左右移动自如。

2）测试“校正信号”波形的幅度、频率

将示波器的“校正信号”通过专用电缆线引入选定的CH1（或CH2），将Y轴输入耦合方式开关置于“AC”或“DC”，触发源选择开关置“内”，内触发源选择开关置“CH1”或“CH2”。

调节X轴“扫描速率”开关（t/div）和Y轴“输入灵敏度”开关（V/div），使示波器显示屏上显示出一个或数个周期稳定的方波波形。

a.校准“校正信号”幅度

将“y轴灵敏度微调”旋钮置“校准”位置，“y轴灵敏度”开关置适当位置，读取校正信号幅度，记入表0-4。

实测值

幅度

Up-p（V）

频率

f（KHz）

表0-4

b.校准“校正信号”频率

将“扫速微调”旋钮置“校准”位置，“扫速”开关置适当位置，读取校正信号周期，记入表0-1。

4．2、用示波器测量信号参数

调节函数信号发生器有关旋钮，使输出频率分别为100Hz、1KHz、10KHz、100KHz，有效值均为1V的正弦波信号。

改变示波器“扫速”开关及“Y轴灵敏度”开关等位置，测量信号源输出电压频率及峰峰值，记入表0-5。

信号电压频率

示波器测量值

周期（ms）

频率（Hz）

峰峰值（V）

有效值（V）

100Hz

1KHz

10KHz

100KHz

表0-5

改变函数信号发生器，是输出信号分别为不同频率的三角波、锯齿波等，观察输出波形，并描绘之。

五．实验注意事项

1．实验台上的恒压源、恒流源均可通过粗调（分段调）波动开关和细调（连续调）旋

钮调节其输出量，并由该组件上数字电压表、数字毫安表显示其输出量的大小。

在启动这二个电源时，先应使其输出电压调节或电流调节旋钮置零位，待实验时慢慢增大。

2.恒压源输出不允许短路，恒流源输出不允许开路。

3.电压表并联测量，电流表串入测量，并且要注意极性与量程的合理选择。

4．示波器在使用时要注意探头的衰减量。

六．预习与思考题

1．根据已知表头的参数（1ｍＡ、160Ω），计算出组成1V、10V电压表的倍压电阻和1mA、10mA的分流电阻。

2．若根据图0-2和图0-3已测量出电流表1mA档和电压表1V档的内阻，可否直接计算出10mA档和10V档的内阻？

3．用量程为10A的电流表测实际值为8A电流时，仪表读数为8.1A，求测量的绝对误差和相对误差。

4．如图0-4（a）、（b）为伏安法测量电阻的两种电路，被测电阻的实际值为R，电压表的内阻为RV，电流表的内阻为RA,求两种电路测电阻R的相对误差。

七．实验报告要求

1．根据表0-1和表0-2数据，计算各被测仪表的内阻值，并与实际的内阻值相比较；（选做）

2．根据表0-3数据，计算测量的绝对误差与相对误差；（选做）

3．画出不同频率下示波器的波形，列表写出周期、峰峰值、有效值。

4．回答思考题。

实验一克希荷夫定律的验证和线性电路叠加性的研究

一．实验目的

1．验证克希荷夫定律，加深对克希荷夫定律的理解；

2．掌握直流电流表的使用以及学会用电流插头、插座测量各支路电流的方法；

3．学习简单电路分析，初步掌握排除故障的能力；

4．探究电路叠加性，齐次性的检验方法；

5．探究和理解叠加性，齐次性的应用条件和场合。

二．原理说明

1．克希荷夫定律

克希荷夫电流定律和电压定律是电路的基本定律，它们分别用来描述结点电流和回路电压，即对电路中的任一结点而言，在设定电流的参考方向下，应有ΣI＝0，一般流出结点的电流取正号，流入结点的电流取负号；对任何一个闭合回路而言，在设定电压的参考方向下，绕行一周，应有ΣU＝0，一般电压方向与绕行方向一致的电压取正号，电压方向与绕行方向相反的电压取负号。

在实验前，必须设定电路中所有电流、电压的参考方向，其中电阻上的电压方向应与电流方向一致，见图1－2所示。

2．检查、分析电路的简单故障

电路常见的简单故障一般出现在连线或元件部分。

连线部分的故障通常有连线接错，接触不良而造成的断路等；元件部分的故障通常有接错元件、元件值错，电源输出数值（电压或电流）错等。

故障检查的方法是用用万用表（电压档或电阻档）或电压表在通电或断电状态下检查电路故障。

（1）通电检查法：

在接通电源的情况下，用万用表的电压档或电压表，根据电路工作原理，如果电路某两点应该有电压，电压表测不出电压，或某两点不应该有电压，而电压表测出了电压，或所测电压值与电路原理不符，则故障必然出现在此两点间。

（2）断电检查法：

在断开电源的情况下，用万用表的电阻档，根据电路工作原理，如果电路某两点应该导通而无电阻（或电阻极小），万用表测出开路（或电阻极大），或某两点应该开路（或电阻很大），而测得的结果为短路（或电阻极小），则故障必然出现在此两点间。

本实验用电压表按通电检查法检查、分析电路的简单故障。

3．叠加原理指出：

在有几个电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电源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

具体方法是：

一个电源单独作用时，其它的电源必须去掉（电压源短路，电流源开路）；在求电流或电压的代数和时，当电源单独作用时电流或电压的参考方向与共同作用时的参考方向一致时，符号取正，否则取负。

在图1－1中：

叠加原理反映了线性电路的叠加性，叠加性只适用于求解线性电路中的电流、电压。

对于非线性电路，叠加性不适用。

三．实验设备

1．直流数字电压表、直流数字毫安表

2．恒压源（双路0～30V可调）

3．实验组件

四．实验内容

实验电路如图1－1所示，图中的电源US1用可调电压源中的＋12V输出端，US2用6V（＋5V）可调电压输出端（以直流数字电压表读数为准）。

实验前先设定三条支路的电流参考方向，如图中的I1、I2、I3所示，并熟悉线路结构，掌握各开关的操作使用方法。

1．熟悉电流插头的结构，将电流插头的红接线端插入数字毫安表的红（正）接线端，电流插头的黑接线端插入数字毫安表的黑（负）接线端。

2．将US1调到+12V，US2调到+6V，将开关S3向上。

确定各电流、电压的参考方向。

将测得的数据填入表1-1。

3．将US1电源单独作用（将开关S1向上，开关S2向下），测量各电流、电压的参考方向。

将测得的数据填入表1-1。

4．将US2电源单独作用（将开关S1向下，开关S2向上），测量各电流、电压的参考方向。

将测得的数据填入表1-1。

表1—1实验数据

测量项目

实验内容

US1

（V）

US2

（V）

（mA）

UAB

（V）

UBC

（V）

UCD

（V）

UAD

（V）

UDE

（V）

UEF

（V）

UFA

（V）

US1,US2共同作用

US1单独作用

US2单独作用

US1单独作用

US1,US2共同作用

5．将开关S3向下，重复步骤2~4。

将数据填入表1-2中。

表1—2实验数据

测量项目

实验内容

US1

（V）

US2

（V）

（mA）

UAB

（V）

UBC

（V）

UCD

（V）

UAD

（V）

UDE

（V）

UEF

（V）

UFA

（V）

US1,US2共同作用

US1单独作用

US2单独作用

US1单独作用

US1,US2共同作用

五．实验注意事项

1．所有需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准，不以电源表盘指示值为准。

2．防止电源两端碰线短路。

3．若用指针式电流表进行测量时，要识别电流插头所接电流表的“＋、－”极性，倘若不换接极性，则电表指针可能反偏（电流为负值时），此时必须调换电流表极性，重新测量，此时指针正偏，但读得的电流值必须冠以负号。

4．注意仪表量程的及时更换；

5．电源单独作用时，去掉另一个电压源，只能在实验板上用开关Ｋ１或Ｋ２操作，而不能直接将电源短路。

六．预习与思考题

1．根据图1－2的电路参数，计算出待测的电流I1、I2、I3和各电阻上的电压值，记入表1－2中，以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程；

2．在图1－2的电路中，A、D两结点的电流方程是否相同？

为什么？

3．在图1－2的电路中可以列几个电压方程？

它们与绕行方向有无关系？

4．实验中，若用指针万用表直流毫安档测各支路电流，什么情况下可能出现毫安表指针反偏，应如何处理，在记录数据时应注意什么？

若用直流数字毫安表进行测量时，则会有什么显示呢？

5．叠加原理中US1,US2分别单独作用，在实验中应如何操作？

可否将要去掉的电源（US1或US2）直接短接？

七．实验报告要求

1．回答思考题；

2．根据实验数据，选定实验电路中的任一个结点，验证克希荷夫电流定律（KCL）的正确性；

3．根据实验数据，选定实验电路中的任一个闭合回路，验证克希荷夫电压定律（KCL）的正确性；

4．列出求解电压UEA和UCA的电压方程，并根据实验数据求出它们的数值；

5．写出实验中检查、分析电路故障的方法，总结查找故障的体会；（选做）

6．根据表1－4实验数据，通过求各支路电流和各电阻元件两端电压，验证线性电路的叠加性与齐次性；

7．各电阻元件所消耗的功率能否用叠加原理计算得出？

试用上述实验数据计算、说明；

8．根据表1－4实验数据，当US1＝US2＝12V时，用叠加原理计算各支路电流和各电阻元件两端电压。

实验二交流串联电路和功率因数的提高

一．实验目的

1．学会使用交流数字仪表（电压表、电流表、功率表）和自耦调压器；

2．学习用交流数字仪表测量交流电路的电压、电流和功率；

3．学会用交流数字仪表测定交流电路参数的方法；

4．加深对阻抗、阻抗角及相位差等概念的理解；

5．掌握提高功率因数的方法，理解功率因数的意义。

二．原理说明

正弦交流电路中各个元件的参数值，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，是用来测量５０Hz交流电路参数的基本方法。

计算的基本公式为：

电阻元件的电阻：

或

电感元件的感抗

，电感

电容元件的容抗

，电容

串联电路复阻抗的模

，阻抗角

其中：

等效电阻

，等效电抗

本次实验电阻元件用白炽灯（非线性电阻）。

电感线圈用镇流器，由于镇流器线圈的金属导线具有一定电阻，因而，镇流器可以由电感和电阻相串联来表示。

电容器一般可认为是理想的电容元件。

在R、L、C串联电路中，各元件电压之间存在相位差，电源电压应等于各元件电压的相量和，而不能用它们的有效值直接相加。

电路功率用功率表测量，功率表（又称为瓦特表）是一种电动式仪表，其中电流线圈与负载串联，（具有两个电流线圈，可串联或并联，以便得到两个电流量程），而电压线圈与电源并联，电流线圈和电压线圈的同名端（标有*号端）必须连在一起，如图2—1所示。

本实验使用数字式功率表，连接方法与电动式功率表相同，电压、电流量程分别选450V和3A。

供电系统由电源（发电机或变压器）通过输电线路向负载供电。

负载通常有电阻负载，如白炽灯、电阻加热器等，也有电感性负载，如电动机、变压器、线圈等，一般情况下，这两种负载会同时存在。

由于电感性负载有较大的感抗，因而功率因数较低。

若电源向负载传送的功率

，当功率P和供电电压U一定时，功率因数

越低，线路电流I就越大，从而增加了线路电压降和线路功率损耗,若线路总电阻为

，则线路电压降和线路功率损耗分别为

和

；另外，负载的功率因数越低，表明无功功率就越大，电源就必须用较大的容量和负载电感进行能量交换，电源向负载提供有功功率的能力就必然下降，从而降低了电源容量的利用率。

因而，从提高供电系统的经济效益和供电质量，必须采取措施提高电感性负载的功率因数。

通常提高电感性负载功率因数的方法是在负载两端并联适当数量的电容器，使负载的总无功功率Q＝QL－QC减小，在传送的有功率功率P不变时，使得功率因数提高，线路电流减小。

当并联电容器的QC＝QL时，总无功功率Q＝0，此时功率因数

＝1，线路电流I最小。

若继续并联电容器，将导致功率因数下降，线路电流增大，这种现象称为过补偿。

三．实验设备

1．交流电压表、电流表、功率表、功率因数表

2．自耦调压器（输出可调的交流电压）

3．日光灯组件

四．实验内容

实验电路如图2－2所示，功率表的连接方法见图2－1，交流电源经调压器调压后向负载Z供电。

1．测量镇流器的参数

将图2－2电路中的Z换为镇流器，将电压U分别

调到180V和90V附近，测量电压、电流和功率，记入表2-1的

数据表格中。

表2-1镇流器参数测量数据

电压

电流

功率

180

2．测量日光灯电路

日光灯电路如图2－3所示，用该电路取代图

2－2电路中的Z，且C=0μF将电压U调到220V，

使日光灯正常发光。

测量日光灯管两端电压UR、镇

流器电压URL和总电压U以及电流和功率，并记入

表2-2的数据表格中；

输入电压

镇流器电压

灯管两端电压

电流

功率

3．用电容器组件，组合出不同的电容值，记录相应支路的电流和功率因数。

表2-3电容值与各支路电流及功率因数的关系

C（μF）

I总

IRL

五．实验注意事项

1．通常，功率表不单独使用，要有电压表和电流表监测，使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量限；

2．注意功率表的正确接线，上电前必须经指导教师检查；

3．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。

每次改接实验负载或实验完毕，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。

4．本实验用电流插头和插座测量三个支路的电流。

5．在实验过程中，一直要保持负载电压U2等于210V，以便对实验数据进行比较。

六．预习与思考题

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

2．参阅课外资料，了解日光灯的电路连接和工作原理；

3．当日光灯上缺少启辉器时，人们常用一根导线将启辉器插座的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？

4．了解功率表和功率因数表的连接方法；

5．了解自耦调压器的操作方法。

6．一般的负载为什么功率因数较低？

负载较低的功率因数对供电系统有何影响？

为什么？

7．为了提高电路的功率因数，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？

此时感性负载上的电流和功率是否改变？

8．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？

所并的电容器是否越大越好？

七．实验报告要求

1．根据实验1的数据，计算镇流器的参数（电阻R和电感L）；

2．根据实验2的数据，；计算日光灯的电阻值，画出各个电压和电流的相量图，说明各个电压之间的关系

3．根据实验3的数据，画出

与C之间的关系图。

实验三三相电路电压、电流和功率的测量

一．实验目的

1．学习三相负载的星形连接和三角形连接；

2．学会三相电路线电压与相电压，线电流与相电流的测量；

3.探究线电压与相电压，线电流与相电流有何关系；

4．学习且理解三相四线制供电系统中，中线的作用；

5．学会功率表

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