电工电子综合实验 1.docx
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电工电子综合实验1
电工电子综合实验（Ⅰ）
裂相（分相）电路
摘要本文研究如何将单相交流电源分裂成多相交流电源的问题。
本文主要利用电容元件两端的电压相位落后于通过它的电流相位90°这一性质设计出裂相（分相）电路，从而实现把单相交流电源分别分裂成相位差为90°的两相电源和相位差为120°对称的三相电源的目的。
本文同时研究了裂相后的电源接入不同性质负载时负载的电压、功率变化情况，从而证明所设计的电路在空载时功耗最小。
关键词裂相单相交流电源两相电源三相对称电源
引言本论文主要是对利用单相交流电源得到具有一定相位差的多相交流电源的研究。
正文
一．实验材料与设备装置
本实验利用Multisim11软件进行仿真，所有数据均通过仿真得到。
1.实验器材：
（1）裂两相电路
一个单相交流电压源（220V/50Hz）、两个50Ω电阻、两个63.66μF电容、导线、万用表、示波器、功率表若干，此外还有不同阻值电阻、电容、电感若干；
（2）裂三相电路
一个单相交流电压源（220V/50Hz）、四个1KΩ电阻、一个1.83μF电容、一个5.513μF电容、导线、万用表、示波器、功率表若干，此外还有不同阻值电阻、电容、电感若干；
2.实验方法
（1）裂两相电路
将电源U分裂成U1和U2两个输出电压，如图所示为RC桥式分相电路，它将输入电压Us分裂成U1和U2两个输出电压，且使U1和U2相位差程90°。
图
（1）图
（2）
如图
（1），
（2）所示电路中输出电压U1和U2分别与输出电压Us为
==
对输入电压US而言，输出电压U和U的相位为
ψ1=
ψ2=
由此ψ2+90°=
若==
则必有ψ1ψ2=90°
一般而言，ψ1和ψ2与角频率无关，为使U1和U2相等，可令==1
实验过程
单相交流电压源（220V/50Hz）、R1=R2=50Ω、C1=C2=63.66ΜF
电路图如下图所示
波形图如下图所示
两相输出空载时电压有效值分别为U1=155.566V，U2=155.561V，满足电压相等且为150×﹙1±4％﹚V；相位差满足90°×﹙1±2％﹚。
电压与负载的关系：
1）两负载相等，且为电阻性
R3/Ω
200
300
400
500
600
700
800
900
1k
R4/Ω
200
300
400
500
600
700
800
900
1k
U3/V
137.435
143.176
146.162
147.99
149.224
150.112
150.782
151.306
151.726
U4/V
137.43
143.172
146.158
147.986
149.219
150.108
150.778
151.301
151.722
P3/W
94.441
68.331
53.408
43.802
37.113
32.191
28.419
25.437
23.021
P4/W
94.436
68.327
53.405
43.799
37.111
32.189
28.417
25.436
23.019
R3/Ω
1.1k
1.2k
1.3k
1.4k
1.5k
2k
3k
4k
5k
R4/Ω
1.1k
1.2k
1.3k
1.4k
1,5k
2k
3k
4k
5k
U3/V
152.071
152.359
152.603
152.813
152.995
153.633
154.275
154.596
154.79
U4/V
152.067
152.355
152.599
152.808
152.99
153.629
154.27
154.592
154.785
P3/W
21.023
19.344
17.914
16.680
15.605
11.802
7.934
5.975
4.792
P4/W
21.022
19.343
17.913
16.679
15.604
11.801
7.933
5.975
4.792
R3/Ω
10k
50k
200k
R4/Ω
10k
50k
200k
U3/V
155.177
155.488
155.546
U4/V
155.173
155.483
155.542
P3/mW
2408
483.531
120.973
P4/mW
2408
483.502
120.966
电压——负载（两负载相等，且为电阻性）特性曲线
负载为阻性时，随着负载的增加，电压逐渐增加并趋于平稳
功率——负载（两负载相等，且为电阻性）特性曲线
负载为阻性时随着负载的增加，功耗逐渐减小，当负载开路时，功耗达到最小
2）两负载相等，且为容性
C3/μF
0
0.1
0.3
0.5
1
2
3
4
5
C4/μF
0
0.1
0.3
0.5
1
2
3
4
5
U3/V
155.566
155.444
155.2
154.956
154.349
153.142
151.945
150.758
149.581
U4/V
155.561
155.439
155.195
154.951
154.344
153.137
151.94
150.753
149.576
C3/μF
6
7
8
9
10
11
12
13
14
C4/μF
6
7
8
9
10
11
12
13
14
U3/V
148.415
147.259
146.114
144.98
143.857
142.744
141.642
140.552
139.472
U4/V
148.41
147.255
146.11
144.975
143.852
142.74
141.638
140.548
139.468
C3/μF
15
16
17
18
C4/μF
15
16
17
18
U3/V
138.404
137.346
136.299
135.264
U4/V
138.399
137.342
136.295
135.259
电压——负载（两负载相等，且为容性）特性曲线
负载为容性时，随着电容的减小，电压逐渐增加，并趋于平稳
3）两负载相等，且为感性
L3/mH
50
60
70
80
90
100
110
120
130
L4/mH
50
60
70
80
90
100
110
120
130
U3/V
91.619
113.895
135.858
156.385
174.446
189.348
200.856
209.146
214.666
U4/V
91.616
113.891
135.854
156.38
174.441
189.343
200.85
209.14
214.66
L3/mH
140
150
200
250
300
400
500
1000
1500
L4/mH
140
150
200
250
300
400
500
1000
1500
U3/V
217.968
219.591
215.552
206.774
199.147
188.475
181.783
168.384
163.982
U4/V
217.962
219.584
215.546
206.767
199.141
188.469
181.778
168.382
163.977
电压——负载（两负载相等，且为感性）特性曲线
负载为感性时，随着电感的增加，电压现增加再降低
2）裂三相电路
将单相电源US分裂成三项UOA、UOB、UOC互成120°的对称电压，其原理如图（3）、图（4）所示
图（3）图（4）
从相量图中可见，B和C两点的轨迹是在圆周上变化。
只要使电流I2与I1相位差程60°；使电流I3与I1相位差程30°，则可使电压UA、UB、UC成对称三相电压。
可利用公式
==
实验过程
单相交流电压源（220V/50Hz）、R1=R11=R2=R3=1KΩ、C2=1.837μF、C3=5.513μF
电路图如下图所示
波形图如下图所示
三相输出空载时电压有效值分别为UOA=110V，UOB=110V，UOC=110V,满足电压相等且为110×﹙1±4％﹚V；相位差满足120°×﹙1±2％﹚。
电压与负载的关系：
1）负载相等，且为电阻性
R/kΩ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
UOA/V
99.157
105.899
107.856
108.686
109.113
109.362
109.519
109.625
109.699
UOB/V
68.956
83.422
90.129
94.074
96.691
98.561
99.966
101.061
101.94
UOC/V
81.732
94.487
99.562
102.217
103.828
104.902
105.665
106.234
106.674
POA/W
9.832
5.607
3.878
2.953
2.381
1.993
1.713
1.502
1.337
POB/W
4.755
3.480
2.708
2.212
1.870
1.619
1.428
1.277
1.155
POC/W
6.680
4.464
3.304
2.612
2.156
1.834
1.595
1.411
1.264
R/kΩ
10
20
50
500
1000
10000
UOA/V
109.754
109.935
109.99
110
110
110
UOB/V
102.66
106.12
108.391
109.835
109.918
109.992
UOC/V
107.023
108.558
109.438
109.945
109.972
109.997
POA/mW
1205
604.289
241.954
24.200
12.100
1.210
POB/mW
1054
563.071
234.972
24.128
12.082
1.210
POC/mW
1145
589.245
239.534
24.176
12.094
1.210
电压——负载（负载相等，且为电阻性）特性曲线
功率——负载（负载相等，且为电阻性）特性曲线
2）负载相等，且为容性
C/μF
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1
2
3
4
UOA/V
110.023
110.079
110.148
110.212
110.258
109.949
106.717
102.085
97.407
UOB/V
108.443
106.776
105.02
103.197
101.329
91.948
76.324
65.369
57.476
UOC/V
108.549
107.196
105.945
104.795
103.744
99.653
94.063
89.005
84.059
C/μF
5
10
20
30
40
50
100
200
UOA/V
93.04
75.94
55.216
43.074
35.187
29.691
16.573
8.763
UOB/V
51.509
35.02
22.551
16.944
13.624
11.404
6.291
3.316
UOC/V
79.378
61.191
41.444
31.181
24.935
20.748
11.234
5.84
电压——负载（负载相等，且为容性）特性曲线
随着电容值的不断增大,UA,UB,UC都不断减小,直到减小为零,这是因为电容越大,对交流的阻抗越小,当电容为无穷大时,阻抗为零
3）负载相等，且为感性
L/H
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
UOA/V
94.801
114.417
127.84
135.975
140.543
143.036
144.435
145.305
145.938
UOB/
V
38.915
49.17
57.921
65.246
71.564
77.268
82.603
87.679
92.519
UOC/
V
52.013
59.666
63.446
64.556
64.469
64.338
64.873
66.406
68.985
L/H
2.5
2.7
3
3.5
4
5
10
20
30
UOA/V
145.817
144.446
142.149
138.195
134.508
128.447
115.367
111.137
110.448
UOB/
V
124.021
124.624
124.714
123.853
122.692
120.826
118.067
115.702
114.234
UOC/
V
119.74
123.755
128.029
131.984
133.63
133.852
126.156
118.319
115.451
L/H
40
50
100
1000
UOA/V
110.234
110.141
110.029
110.001
UOB/
V
113.337
112.746
111.443
110.151
UOC/
V
114.031
113.192
111.558
110.151
电压——负载（负载相等，且为感性）特性曲线
二．实验结果分析及结论
（一）实验结果分析
本论文研究了如何将单相交流电源分裂成相位差为90°的两相电源和相位差为120°的对称三相电源，并测量证明了电压与负载以及功耗与负载的关系，从而证明了所设计电路在空载时功耗最小。
具体结论为：
1.负载为组形势时，负载越大，得到的电压越稳定，越接近理论值。
当空载时，负载趋于无穷大，此时功耗最小。
2.负载为容性时，负载越小，得到的电压越稳定，越接近理论值。
3.负载为感性时，电压先随负载的增大而增大，而后随负载的增大而减小。
4.裂相为三项电路中，当裂相后所接负载较小时，三相两端的电压相差较大（第三相和前两相电压的差别尤为明显）；但随着负载的逐渐变大，三相两端的电压差距在逐渐缩小，这点由电压—负载特性曲线也可以看出来。
这是和裂二相实验不同的地方。
（二）裂相（分相）电路的用途
在实际生活中，虽然大部分的民用供电线路中有一条火线，一条零线，相电压为220V，但是在某些特殊场合，我们也希望用单相电源对三相用电器进行供电，此时就需要裂相电路了。
例如，对于使用小功率单相电机的家用电器，如家用洗衣机、电风扇等，若将单相异步电动机换为三项异步电动机，由于其负载较为稳定，使用裂相电路可大大改善其性能，并且能够获得一定的社会经济效益。
还用在电子电路中，有时由于电路性能指标的需要，也要用到裂相电路。
三．致谢
本文能够顺利完成离不开电工电子实验教学的老师们和同学们对我的帮助，在此，我向帮助过我的老师们和同学们表示诚挚的感谢！
四．参考文献
[1]《电工仪表与电路实验技术》（马鑫金编著.机械工业出版社2007.8）
[2]《电路》（黄锦安主编.机械工业出版社2007.8）
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