电工基础实验指导书本校.docx
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电工基础实验指导书本校
实验一熟悉电工实验设备2
实验二电路元件伏安特性的测试9
实验三叠加定理实验12
实验四戴维南定理15
实验五交流参数的测定19
实验六感性负载功率因数的提高22
实验七示波器和信号发生器的使用——典型电信号的测试25
实验八一阶动态电路暂态过程的研究28
实验九串联谐振电路特性的研究32
实验十互感电路的研究37
实验十一三相交流电路电压、电流的测量41
实验十二三相电路相序及功率的测量44
实验一熟悉电工实验设备
一、实验目的
1、安全用电常识
2、熟悉实验台上各数字表的使用方法、及布局情况
3、熟悉恒压流、恒流源,数据采集器的使用方法
4、掌握指针式、电压表、电流表的使用方法，要求读数要迅速
5、掌握指针式电压表、电流表内阻的测试方法
二、实验原理
（一）、安全用电
电能为人类造福，但若不能安全使用，也能给人类带来灾难。
如违反电气操作规程，不设安全保护引起的触电事故，电气线路过载、过热引起的火灾事故等都时有发生。
为了更好地利用电能，减少事故，必须了解一些安全用电的常识和技术。
4.5.1安全用电常识
1．安全电流与安全电压
通过人体的电流达5mA时，人就会有所感觉，达几十毫安时往往会使人麻痹而不能自觉脱离电流，因此通过人体的电流一般不能超过7～10mA，当通过人体的电流在30mA以上时就有生命危险。
36V以下的电压，一般情况下不会在人体中产生危险电流，故把36V以下的电压称为安全电压。
电压称为安全电压。
当然，触电的后果还与触电持续时间以及电流流过人体的部位有关，触电时间愈长愈危险。
2．几种触电的方式
常见的触电方式如图4-14所示。
其中图（a）所示双线触电最危险，因为此时人体承受
的是电源线电压。
图（b）是电源中性点接地（电源中点接地称为工作接地）时的单相触电，
人体承受电源相电压，即使电源中点不接地，若人体触及系统中一相也很危险，如图（c）所示，由于导线与大地之间存在分布电容，电流会经人体和另外两相分布电容构成
通路。
在高压系统中，该电容电流足以危及人身安全，因此也是很危险的。
4.5.2防止触电的安全技术
为了防止触电事故的发生，必须采取相应措施。
1．严格执行有关规定
对电力线路进行严格的电气和机械强度的设计及施工验收，并按规定保证其对建筑物及
大地的安全距离，避免人体触及。
2．使用安全电压
对人体经常接触的电气设备应尽量使用36V以下的安全电压，如行灯、机床照明灯使用的电压都是36V；在潮湿和危险的环境，如坑道内施工、锅炉内检修时照明则应使用更低的24V或12V电压。
对于工作电压大于安全电压而人体又不可避免会触及的电气设备，如电动机等，必须采用接地保护或接零保护。
3．接地保护
将电气设备的外壳用足够粗的金属线或钢筋与接地体可靠连接起来，称为接地保护。
接地保护适用于中性点不接地的供电系统，如图4-15所示。
当电动机某相绕组因绝缘损坏发生碰壳时，由于电动机外壳通过接地体与大地有良好接触，所以人体触及带电外壳时，人体相当于接地体的一条并联支路。
由于人体电阻（大于1kΩ）比接地体电阻R0（规定不大于4Ω）大得多，几乎没有电流流过人体，从而避免了图4-14（c）所示的触电事故。
4．接零保护
把电气设备的外壳和电源的零线接起来，称为接零保护，如图4-16所示。
接零保护适用于电源中性点接地的三相四线（或五线）制供电系统，当设备发生碰壳事故时，相电压经过机壳到零线形成单相短路，该短路电流迅速将故障相熔丝熔断，切断电源，保障了人身安全。
图4-16（a）是保护零线与工作零线共用的三相四线制系统，图4-16（b）是将保护零线PE与工作零线N分开的三相五线制系统。
PE线是专用保护线，正常情况下无工作电流流过，所以该系统比三相四线制系统更安全、可靠。
金属外壳的单相电器，如电饭煲、电冰箱之类的家用电器，必须使用三眼插座和三极插头，如图4-16（b）所示。
这些电器使用时外壳能可靠接零，可保证人体触及时不会触电。
必须强调指出，对于中性点接地的供电系统，负载只能采用接零保护，接地保护不能有效地防止触电事故。
如图4-17所示，当设备绝缘损坏时，接地电流：
其中UP为系统相电压，R0和R0'分别为保护接地和工作接地的接地电阻。
若系统电压为380/220V，R0=R0'=4W，则接地电流：
对于容量较大的设备，其工作电流也较大，因此设定的熔断器或继电保护的额定电流也比较大，该接地电流可能不足以使熔断器熔丝熔断或使继电保护动作，这样，设备外壳将长时间带电，其对地电压：
显然，该电压对人体是不安全的。
5．利用各种联锁、信号、标志防止触电
电气设备设置联锁，当设备的防护罩打开时，能自动切断连在其上的电源，防止触电。
在危险的场合设置信号、声、光报警，或“高压危险”等标志；在检修线路时，应挂上“正在工作，请勿合闸”的标志，作为警示。
4.5.3电气火灾及防火措施
1．引起电气火灾的原因
电气火灾常起因于电路自燃：
电路或电气设备因受潮使其绝缘程度降低，造成漏电起火；电路过载甚至短路时熔丝未起作用，造成线路和设备温度升过高，使绝缘熔化燃烧。
其次电气设备没按规定安装灭弧罩、防护板等造成电火花、电弧，引起周围易燃物燃烧等也是电气火灾的重要原因。
2．防止电气火灾的安全措施
（1）不私拉乱接电线，避免造成短路。
（2）要保持必要的防火间距及良好的通风。
（3）要有良好的过热、过电流保护，并且不能随意增加用电设备，以免造成线路超负
荷运行。
（4）增加线路容量时要核算导线截面是否符合要求。
一般是根据导线的安全载流量、
线路电压损失以及导线的机械强度确定导线截面。
对于室内低压电气线路，由于线路不长，且多是固定在墙上或地面，所以常常只根据载流量以及室内线路允许的最小截面来确定导线截面。
各种导线的允许温升决定了它的安全载流量I，线路工作电流IL及导线配用熔丝电流IRN之间满足关系：
I＞IRN≥IL
此时，线路才是安全的。
导线的安全载流量和配用熔丝的额定电流如表4-1所示。
若线
路中某些设备对电压的要求比较高，则按安全载流量选择了导线之后，还要进行电压损失校验。
4.5.4发生触电及电气火灾的急救措施
无论是触电还是电气火灾及其他电气事故，首先应切断电源，拉闸时要用绝缘工具，需切断电线时要用带绝缘套的钳子从电源的几根相线、零线的不同部位剪开，以免造成电源短路。
对已脱离电源的触电者要用人工呼吸或胸外心脏挤压法进行现场抢救，以赢得送医院抢救的时救的时间，但千万不能打强心针。
在发生火灾不能及时断电的场合，应采用不导电的灭火剂（如四氯化碳、二氧化碳干粉等）带电灭火。
若用水灭火，则必须切断电源或穿上绝缘鞋。
电气事故重在预防，一定要按照有关操作规程和用电规定办事，这样才能从根本上杜绝电气事故。
（二）电工仪表介绍
1、用仪表测量一个电量时，仪表的指示值A，与被测量的实际值A之间，不可避免地存在一定的误差。
误差有两种表示方法，即
绝对误差Δ=Ax-A0
相对误差Δ=
通常称仪表的绝对误差△与量程A的比值的百分数为基本误差，最大基本误差即最大绝对误差△与量程A的比值的百分数为仪表的准确度
δ=
仪表的级别就是仪表准确度的等级。
根据国家标准，批示仪表在有效量程范围内和规定使用条件下测量时，其基本误差不得超过相应的准确度级别。
国标规定电压表、电流表的准确度有若干等级，各等级所对应的最大基本误差如表1.1所示。
仪表的准确度等级应该定期进行校验。
最简单的校验仪表的方法是比较法。
选取一块比较校表的准确度等级高1~2级的仪表作为标准表，将两者同时接入电路中（图1.1）。
在表的整个刻度范围内，逐点比较被校表与标准表的差值，并做出校正曲线，如图1.2所示，横坐标是被校表的读数A，纵坐标△是被校表读数A与标准表读数之差。
从校正曲线可查出被校表读数的校正量△。
根据△最大值的绝对值与量程之比的百分数，确定被校表的准确度等级。
若算出δ=1.9%，则被校表的准确度等级为2.0级。
2、引起电压表、电流表测量误差的原因很多，本实验只计论由仪表内阻不理想引起的误差。
在实际电路测量中，需将电压表与欲测电压的支路并联，电流表与欲测电流的支路串联（图1.3）。
在理想情况下，测量仪表的接入不应该影响被测电路的工作状态，以保证测量结果不失真。
这要求电流表的内阻为零，电压表的内阻为无穷大。
但实际使用中的电压表、电流表都达不到理想情况，因此，当仪表接入时，会改变被测电路的工作状态，使测得的结果与被测电路的实际值产生误差。
图1.1比较法校验仪表电路
图1.2被校表校正曲线
3、电流表内阻的测量可采用“分流法”。
如图1.4（a）所示，安培表为被测电流表，内阻设为R。
首先断开开关S，调节电流源的输出电流I，使安培表指针满偏转。
然后后上开关S，并保持I值不变，调节可变电阻R，使安培表的指针指在1/2满偏转位置，此时有电压表内阻的测量可采用“分压法”。
如图1.4（b）所示，测量原理与分流法测电流表内阻类似
图1.3电压与电流的测量
4、若电流表或电压表的内阻不理想，可采用同一量程两次测量法减小由此造成的误差。
（略）
三、实验内容及步骤
1、用“分流法”测试直流电流表的内阻
A、按图1.4（a）连线，图中电流表用MF10直流电流1mA档，10mA档，电阻R1为1K，R为电阻箱，R的取值范围≤2K。
B、断开后，调节IS，使电流表满编后，合上S，调节R使电流表指针指在1/2满偏位置上，注意要保持IS值不变。
因为IA=IR=1/2（IS）所以RA=R∥R1
电流表内阻测量
被测表量限
S断开时电流表满偏时IS
S合上时IS
RA
1mADC
10mADC
C、测试数据填下表，用键盘将表格内测试的原始数据上传到教师机中。
2、用分压法测试电流、电压表的内阻
A、按图1.4b连线，图中电压表用MF10直接电压2.5V档，10V档电阻R1，为200K左右，R≤100K
B、断开S，调节US使电压表满编后合上S，调节使电压表指针指在1/2满偏位置上，注意要保持VS值不变。
C、测试数据填下表，用键盘将表格内原始数据上传到教师机中
电压表内阻测量
被测表量限
S断开时电流表满偏时VS
S合上时VS
RA
DC2.5V
DC10V
四、预习与思考
1、用量程为10A的电流表测试实际值为8A电流时，仪表读数为8.1A，求测量的绝对误差和相对误差？
2、据实验内容1和2，已求出MF10万用表10mA档和10V档的内阻，可否直接计算出100mA档和250V档的内阻来？
3、如图1.5（a）（b）为伏安法测量电阻的两种电路，被测电阻的实际值为RX，电压表的内阻为RV，电流表的内阻为RA，求两种电路测电阻RX的相对误差。
五、实验报告要求
1、做出直流电流表（MF10万用表1mA，10mA档）的内阻报告。
2、做出直流电压表（MF10万用表2.5，10V档）的内阻校验报告。
六、实验设备
1、被校验的MF10万用表1台，±0.5%的电阻箱一台
2、标准电压表、电流表（数字或误差±0.5%）各一块
3、恒压流0—30V、恒流源0—200mA（数字式）各一台
4、普通电阻箱一台
七、实验注意事项
1、恒流源不允许开路，恒压流不许短路
2、电流表、电压表，不允许三次过量程
3、电压表并联测量，电流表串联测量
4、以上若出现问题，教师机自动记录时间次数并扣实验成绩分数
实验二电路元件伏安特性的测试
一、实验目的
1、学会识别常用电路元件的方法
2、掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法
3、掌握实验台上直流电工仪表和设备的使用方法。
二、实验原理及说明
任一二端元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系U=f（I）来表示，即用U—I平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该元件的伏安特性曲线。
1、线性电阻器的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图2—1中a所示，该直线的斜率等于该电阻器的电阻值。
2、一般的白炽灯在工作时灯丝处于高温状态，其灯丝电阻随着温度的升高而增大，通过白炽灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大，一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可相差几倍至十几倍，所以它的伏安特性如图2—1中b曲线所示。
3、一般的半导体二极管是一个非线性电阻元件，其特性如图2—1中c曲线。
正向压降很小（一般的锗管约为0.2~0.3V，硅管约为0.5~0.7V），正向电流随正向压降的升高而急骤上升；而反向电压从零一直增加到十多至内十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零。
可见，二级管具有单向导电性，但反向电压加得过高，超过管子的极根据值，则会导致管子击穿损坏。
4、稳压二极管是一种特殊半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性较特别，如图2—1中d曲线。
在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当电压增加到其一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。
三、实验内容及步骤
1、测定线性电阻器的伏安特性
按图2—2接线，调节稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加，一直至10V，记下相应的电压表和电流表的读数，RL为EEL—06（EEL—18组件）的十进制可变电阻箱。
U（V）
0
2
4
6
8
10
I（mA）
2、测定非线性白炽灯泡的伏安特性
将图2—2中的RL换成一只6.3V的灯泡，重复2的步骤
U（V）
0
2
4
6
8
10
I（mA）
3、测定半导体二极管的伏安特性
按图2—3接线，R为限流电阻器，取200Ω（十进制可变电阻箱），测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，二极管VD的正向压降可在0~0.75V之间取值。
特别是在0.5~0.75之间更应多取几个测量点。
作反向特性实验时。
只需将图2~3中的二极管VD反接，且其反向电压可加到30V。
正向特性实验数据
U（V）
0
0.2
0.4
0.45
0.5
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
反向特性实验数据
U（V）
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
I（mA）
4、测定测压二极管的伏安特性
只要将图2—3中的二极管IN4007换成稳压二极管2CW51（最大电流为20mA），重复实验内容4的测量。
正向特性实验数据
U（V）
0
0.2
0.4
0.45
0.5
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
反向特性实验数据
U（V）
0
-1.5
-2
-2.5
-2.8
-3
-3.2
-3.5
-4
I（mA）
四、预习与思考题
1、线性电阻与非线性电阻的概念是什么？
电阻器与二极管的伏安特性有何区别？
2、设某器件伏安特性曲线的函数式为I=f（V），试问在逐点绘制曲线时，其坐标变量应如何放置？
3、稳压二极管与普通二极管有何区别，其用途如何？
五、实验报告
1、根据各实验结果数据，分别在方格纸上绘制出光滑的伏安特性曲线。
（其中二极管和稳压管的正、反向特性均要求画在同一张图中，正、反向电压可取为不同的比例尺）
2、根据实验结果，总结、归纳被测各元件的特性
3、必要的误差分析
4、心得体会及其他。
六、实验设备
1、万用表
2、直流数字毫安表
3、恒压源0~30V
4、EEL—06组件（EEL—18组件）
5、直流数字电压表
七、实验注意事项
1、测二极管正向特性时，稳压电源输出应由小至大逐渐增加，应时刻注意电流表读数不超过25mA，稳压源输出端切勿碰线短路。
2、进行不同实验时，应先估算电压和电流值，合理选择仪表的量程，勿使仪表超量程，仪表的极性亦不可接错。
实验三叠加定理实验
一、实验目的
1、验证叠加定理，加深对定理的理解
2、通过实验对强化参考方向的掌握和运用能力
3、强化、电压表、电流表的使用方法
二、实验原理与说明
1、叠加定理
对于一个具有唯一解的线性电路，由几个独立电源共同作用所形成的各支路电流或电压，是各个独立电源分别单独作用时在各相应支路中形成的电流或电压的代数和。
图3.1所示实验电路中有一个电压源US及一个电流源IS。
设US和IS共同作用在电阻R1上产生的电压、电流分别为U1、I1，在电阻R2上产生的电压、电流分别为U2、I2，如图3.1（a）所示。
为了验证叠加定理，令电压源和电流源分别作用：
（1）设电压源US单独作用时（电流源支路开路）引起的电压、电流分别为U′、
、
、
，如图3.1（b）所示；
（2）设电流源单独作用时（电压源支路短路）引起的电压、电流分别为
、
、
、
，如图3.1（c）所示。
这些电压、电流的参考方向均已在图中标明。
验证叠加定理，即验证（3.1）式成立。
图3.1
U1=
＋
U2=
＋
I1=
＋
（3.1）
I2=
＋
4、电压、电流的实际方向与参考方向的对应关系
参考方向是为了分析、计算电路而人为设定的。
实验中测量的电压、电流的实际方向，由电压表、电流表的“正”端所标明。
在测量电压、电流时，若电压表、电流表“正”端与参考方向的“正”一致，则该测量值为正值，否则为负值
5、故障分析与检查排除
（1）实验中常见故障
①连线：
连线错、接触不良、断路或短路；
②元件：
元件错或元件值错，包括电源输出错；
③参考点：
电源、实验电路、测试仪器之间公共参考点连接错误等等。
（2）故障检查
故障检查方法很多，一般是根据故障类型，确定部位，缩小范围，在小范围内逐点检查，最后找出故障点并给予排除。
简单实用的方法是用万用表（电压挡或电阻档）在通电或断电状态下检查电路故障。
①通电检查法：
用万用表的电压档（或电压表），在接通电源情况下，根据实验原理，电路某两点应该有电压，万用表测不出电压；某两点不应该有电压，而万用表测出了电压；或所测电压值与电路原理不符，则故障即在此两点间。
②断电检查法：
用万用表的电阻挡（或欧姆表），在断开电源情况下，根据实验原理，电路某两点应该导通无电阻（或电阻极小），万用表测出开路（或电阻极大）；某两点应该开路（或电阻很大），但测得的结果为短路（或电阻极小），则故障即在此两点间。
三、实验内容及步骤
1、验证叠加定理
（1）实验电路如图3.2所示，图中IS=15mA，E2=US=12V，R1=R3=R4=510Ω，R2=1kΩ，R5=330Ω，A1、A2、A3为电流插座。
使用电键S1、S2分别控制IS、US在电路中作用与否，自行规定参考方向，用电压表测量表3.1中各电压值；用电流表连接电流插头，分别插入电流插座A1、A2，测量表3.1中各电流值（有关电流插头、插座的使用请见附录A.9），验证叠加定理的正确性。
图3.2验证叠加定理电路图
US与IS共同作用
UR1=
UR2=
IR1=
IR2=
US单独作用
U′R1=
U′R2=
I′R1=
IR2=
IS单独作用
U″R1=
U″R2=
I″R1=
IR2=
叠加结果
J
J
J
J
表3.1验证叠加定理
四、预习与思考
1、复习与本实验有关的定理、定律等。
简述实验目的、实验原理；认真预习实验内容，画出实验电路图。
2、测量电压、电流时如何设置参考方向，如何判断数据前的正负号？
负号的意义是什么？
3、进行叠加定理实验，不作用的电压源、电流源怎样处理？
为什么？
五、注意事项
1、使用指针式仪表时，要特别关注指针的偏转情况，及时调换表的极性，防止指针打弯或损坏仪表。
2、测量电压、电位、电流时，不但要读出数值来，还要判断实际方向，并与设定的参考方向进行比较，若不一致，则该数值前加“－”号。
3、进行叠加定理实验，电压源单独作用时，不作用的电流源应从电路中拿掉，并保持该支路开路状态；电流源单独作用时，不作用的电压源应从电路中拿掉，并保持该支路短路状态。
六、实验报告要求
将表3.1的数据代入（3.1）式，验证叠加定理。
七、实验设备
1、实验用实验板一套，箱号为EEL-51。
2、直流电压源、直流电流源各一台。
3、直流电压表、直流电流表各一块。
4、电流插头、插座三套。
实验四戴维南定理
——有源二端网络等效参数的测定
一、实验目的
1、验证载维南定理的正确性，加深对该定理的理解
2、掌握测量有源二端网络等效参数的一般方法
3、进一步学会使用电压表、电流表、Ω表
二、实验原理
1、任何一个线性含源网络，如果仅研究其中一条支路的电压和电流，即可将电路的其余部分看作是一个有源二端网络（或称为含源一端口网络）。
戴维南定理指出：
任何一个线性有源网络，总可以用一个等效电压来代替，该电压源的电动势ES等于这个有源二端网络的开路电压UOC，其等效内阻RO等于该网络中所有独立源均置零（理想电压源视为短接，理想电流源视为开路）时的等效电阻REq，ES和R0称为有源二端网络的等效参数。
2、有源二端网络等效参数的测量方法
（1）开路电压、短路电流法
在有源二端网络输出端开路时，用电压表直接测其输出端的开路电压U0C，然后再将其输出端短路，测其短路电流ISC，则内阻为
R0=
（2）伏安法
用电压表、电流表测出有源二端网络的外特性如图4.1所示。
根据外特性曲线索出斜率tgφ，则内阻
R0=tgφ=
=
用伏安法，主要是测量开路电压及电流为额定值I时的输出端电压值UN，则内阻为
R0=
若二端网络的内阻值很低时，则不宜测其短路电流。
（3）半电压法
如图4.2所示，当负载电压为被测网络开路电压一半时，负载电阻（由电阻箱的读数确定）即为被测有源二端网络的等效内阻值。
（4）零示法
在测量具有高内阻有源二端网络的开路电压时，用电压表进行直接测量会造成较大的误差，为了消除电压表内阻的影响，往往采用零示测量法，如图4.3所示。
零示法测量原理是用一低内阻的稳压电源与被测有源二端网络进行比较，当稳压电源的输出电压与有源二端网络的开路电压相等时，电压表的读数将为“0”，然后将电路断开，测量此时稳压电源的输出电压，即为被测有源二端网络的开路电压。
（5）用高阻抗数字表直接测试开路电压，因为数字表灵敏度，每伏阻抗可达1000K以上，故可以直接测量。
三、注意事项
1、注意测量时，电流表量程的更换
2、步骤“4”中，电源置零时不可将稳压源短接。
3、用万用表直接测Req时，网络内的独立源必须先置零，以免损坏万用表，其次，欧姆档必须经调零后再进行测量。
4、改接线路时，要关掉电源。
5、原始数据，每个表格填完后上转到教师机中。
四、实验设备
1、直流电压表、电流表
2
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