单相交流电路.docx
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单相交流电路
第四章单相交流电路
4.1实训概要
通过实训学习,加深理解正弦交流电路的基本概念,掌握正弦交流电路中的电阻、电感和电容元件的电压和电流的关系,以及功率关系。
掌握用功率表、电压表、电流表测定交流电路元件参数的方法。
4.1.1实训总体要求
1、深入理解正弦交流电路的基本特性和基本分析方法;
2、掌握正弦交流电路中的电阻、电感和电容元件的电压和电流的关系,以及功率关系;
3、通过实训学习,掌握用功率表、电压表、电流表测定交流电路元件参数的方法。
4.1.2实训重点
1、正弦交流电路的特性,正弦交流电路的基本分析方法;
2、正弦交流电路中的电阻、电感和电容元件的电压和电流的关系,以及功率关系;
3、掌握用功率表、电压表、电流表测定交流电路元件参数的方法。
4.1.3实训知识准备
1、认真复习正弦交流电的基本概念;
2、掌握正弦交流电路的基本分析方法;
3、掌握非正弦周期性信号的基本分析和基本计算;
4、认真学习单相交流电路的实验方法。
4.1.4实训考核标准
1、是否掌握正弦交流电路的特性,正弦交流电路的基本分析方法;
2、是否掌握正弦交流电路中的电阻、电感、电容的电压和电流关系,以及功率关系;
3、是否掌握用功率表、电压表、电流表测定交流电路参数的实验方法。
4.2实训案例操作分析
4.2.1案例题目正弦交流电路参数的测定
4.2.2实训目的
1、深入理解正弦交流电路的特性以及电流、电压之间相互关系;
2、掌握使用交流电压表、电流表、功率表测量交流电路参数的方法;
3、学习正弦交流电路的实验研究方法;
4、掌握仪器仪表的使用技术。
4.2.3实训原理
1、在交流电路中,测量负载等值参数的方法很多,可用欧姆表、电感或电桥直接测得,也可用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出U、I、P三个量后,再通过计算得出,这种测量方法称为三表法,它是测量交流电路等值参数的基本方法。
其关系式为:
阻抗的模|Z|=U/I;
功率因数cosφ=P/UI;
等效电阻R=P/I2=|Z|cosφ;
等效电抗X=|Z|sinφ。
2、无源一端口网络的等值参数的测量,同样采取上述方法,分别测出U、I、P三个量后再进行计算,但算出的X值是等值容性,还是等值感性,需用下述方法来确定:
①功率因数表测量法,接功率因数表(功率因数表的接法与功率表相同)直接测出,超前为容性,滞后为感性。
②示波器观察法,用示波器直接观察电压和电流波形的相位超前或滞后来确定。
3、仪表内阻对测量结果影响的测量,上述交流参数的测量、计算是在忽略仪表内阻的情况下得出的。
当三块表都接入测量电路时,三块表的内阻对测量结果会有影响。
为分析比较,实验可采用电流表外接和电压表外接两种接线方式进行。
4、实验采取监视电流调压的方法,为了确保人身、设备安全,整个实验操作采用电压从零起调,监视电流达到给定值后,再测量电压的方法进行。
所以每次测试前后,调压器都要保证从0起调,并退回0位。
4.2.4实训仪器和设备
表2.4.1仪器仪表及元器件一览表
序号
名称
型号
规格
数量
备注
1
多路稳压电源
YB1731
或SS1791
1
直流0-32V
2
单相调压器
0-250V
0.5KVA,2A
1
3
指针万用表
MF-47
或500型
1
4
数字万用表
UT-52
或DT-9909
1
5
交流电流表
T51型
0.5级
1
T77型
6
交流电压表
T51型
0.5级
1
T77型
7
单相电度表
T51型
0.5级
1
T77型
8
数字电感电容表
LC-6043型
1
L:
1MH-2OHC:
1PF-200μF
9
仪表专用线
4
4.2.5实训内容和步骤
1、用三表法分别测量R、L、C三个元件的等值参数:
(1)用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出U、I、P三个量后,再通过计算得出,这种测量方法称为三表法,它是测量交流电路等值参数的基本方法,R、L、C电路的等值参数通常用三表法进行测量。
(2)测量分别采用图2.4.1和图2.4.2所示电流表外接的两种不同电路,将电流表接线,检查无误后,进行测试,并算出电路参数。
图2.4.1
图2.4.2
(2)然后再按图2.4.3和图2.4.4所示电压表外接两种不同电路,将电压表接线,检查无误后,进行测试,再算出电路各参数。
图2.4.3
图2.4.4
(3)为了确保人身、设备的安全,整个实验操作采取监视电流调电压的方法进行,保证电压从零起调的同时,必须监视电流为给定值后,再对应测量电压,所以每次测试前后,调压器都要保证从0起调,并退回0位。
(4)直接测量法,分别用万用表欧姆档、数字电感电容表等,测量R、L、C电路等值参数U、I、P值,将结果记录下来,以便进行比较。
4.2.6实训思考题
1、掌握交流电路参数的测试方法,如何用三表法测量电路参数U、I、P值?
2、功率表的工作原理是什么?
如何正确接线、读数及测量?
3、如何用示波器观察电流与电压波形?
4、为什么调压器的输入、输出端不能接错,为什么使用后要及时退回0位?
5、电压表、电流表的工作原理是什么?
如何正确接线、读数及测量?
4.2.7注意事项
1、正确选择仪表量程,电流表量程要大于或等于计算电流的最大值;电压表量程要大于或等于计算电压的最大值,而且电流表与功率表电流量程要一致,电压表与功率表电压量程要一致;
2、电容的电压不能超过允许值,电阻的功率不能超过允许值,否则极易损坏元器件;
3、正确连接与使用调压器,为了实验的安全,调压器输出端与输入端绝对不能接反,并且要始终保证调压器从0起调和用后退回0位;
4、改接电路一定要在断电情况下进行,用电感、电容表直接测量电感、电容值时,更要注意断电和对器件进行放电后进行;
5、为了防止触电,进行测试操作时,要保证手始终只摸拿绝缘部分。
4.2.8实训报告要求
1、实训名称:
正弦交流电路参数的测定;
2、实训目的:
请参阅4.2.2;
3、实训原理:
简单说明原理,并附上实验电路图或实验原理图,请参阅4.2.3;
4、实训仪器、仪表、设备:
列表写明仪器仪表的名称、型号、规格、数量等,请参阅4.2.4仪器仪表及元器件一览表;
5、实训内容和步骤:
①根据实验数据计算各被测元件参数值,并比较电压表内接与外接两种方法测试结果是否相同,分析产生误差的原因;
②画出电流表、电压表、功率表三表法测量交流参数时,采用电压表外接与电流表外接的实际电路图;
③分别画出微分电路、积分电路输出波形,并指出随电阻R值的不同,波形有何变化。
6、思考题:
通过实训全过程,结合教材,对4.2.6实训思考题,进行回答;
7、注意事项:
请参阅4.2.7。
4.3实训项目一感性电路功率因数的提高
4.3.1实训目的
1、通过实验加深感性电路的理解,研究提高感性负载功率因数的方法;
2、掌握日光灯工作的基本原理和正确的接线方法;
3、验证感性电路电流相量的关系;
4、熟练掌握仪器仪表的使用。
4.3.2实训原理
1、日光灯是一种感性负载,它是由灯管A、镇流器L(带铁芯电感线圈)和启辉器S组成,可以把它看成是一个等值电感L和一个等值电阻R串联而成的电路,如图2.4.5所示:
图2.4.5
2、接通电源后,启辉器内发生辉光放电,双金属片受热弯曲,触点接通,将灯丝预热,使它发射电子。
启辉器接通后,辉光放电停止,双金属片受冷却,又把触点断开,这时镇流器感应出高电压加在灯管两端使日光灯管放电,产生大量紫外线,灯管内壁的荧光粉吸收后,幅射出可见光,日光灯就开始正常工作。
3、启辉器相当一只自动开关,能自动接通电路(加热灯丝)和开断电路(使镇流器产生高压,将灯管击穿放电)。
4、镇流器的作用除了感应高压使灯管放电外,在日光灯正常工作时,起限制电流的作用,镇流器的名称也由此而来。
由于电路中串联着镇流器,它是一个电感量较大的线圈,因而整个电路的功率因数不高。
5、为了提高功率因数,最常用的方法是在日光灯接电源两端并联一个可变电容器,当电容的容量逐渐增加时,电容支路电流Ic也随之增大,因Ic超前电压90°,可以抵消电流IG的一部分无功分量IGL,结果总电流I逐渐减小。
但如果电容器C增加过多(过补偿),
ICS>IGL,总电流又将增大,I3>I2。
4.3.3实训仪器和设备
表2.4.2仪器仪表及元器件一览表
序号
名称
型号
规格
数量
备注
1
交流稳压电源
220V
0.5KVA,2A
1
2
功率表
T51型
0.5级
1
T77型
3
指针万用表
MF-47
1
或500型
4
数字万用表
UT-52
或DT-9909
1
5
交流电流表
T51型
0.5级
1
T77型
6
交流电压表
T51型
0.5级
1
T77型
7
日光灯
20W
220V
1
全套
8
可变电容器
450V
C:
0-10μF
或可变电容箱
9
数字电感电容表
LC-6043型
1
L:
1MH-2OHC:
1PF-200μF
10
电流表插座
1
4.3.4实训内容和步骤
1、日光灯电路是一个复杂的非线性电路,原因有二,其一是灯管在交流电压接近零时熄灭,使电流间隙中断,其二是镇流器为非线性电感。
日光灯管功率及镇流器所消耗功率都随温度而变,在不同环境温度中,功率会有所变化,此外,电容器在交流电路中有一定的介质损耗。
2、将日光灯及可变电容器按图2.4.6所示电路连接。
在各支路串联接入电流表插座,再将功率表接入线路,按图接线,检查无误后,接通电源,电压增加至220V。
图2.4.6
3、改变可变电容器的电容值,先使C=0,测日光灯单元(灯管,镇流器)二端的电压及电源电压,读取此时灯管电流IG及功率表读数P。
4、逐渐增加电容C的数值,测量各支路的电流和总电流。
电容不要超过6μF否则电容电流过大。
5、完成实验数据测试,将实验结果填入表2.4.3内,并根据实验结果绘出总电流I=F(C)的曲线。
表2.4.3实验结果
电容
(μf)
总电压U(V)
UL(V)
UA(V)
总电流I(mA)
IC(mA)
IG(mA)
功率P(W)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
4.3.5实训思考题
1、如何用三表法测量交流电路参数U、I、P值?
2、日光灯的工作原理是什么?
如何正确接线?
3、如何提高日光灯的功率因数?
4.3.6注意事项
1、日光灯启动电压,一般在180V左右。
日光灯启动时,电流较大(约0.6A),日光灯工作电流约0.37A,注意仪表量限选择;
2、功率表的同名端按标准接法联结在一起,否则功率表中模拟指针表将发生反向偏转,数字表则无显示;
3、测量时,要注意电压极性,电流的方向,并标出+、-号;
4、在填写实验记录时,电路名称要与各点标号对应。
4.3.7实训报告要求
1、实训名称:
感性电路功率因数的提高
2、实训目的:
请参阅4.3.2;
3、实训原理:
简单说明原理,并附上实验电路图或实验原理图,请参阅4.3.3;
4、实训仪器、仪表、设备:
列表写明仪器仪表的名称、型号、规格、数量等,请参阅4.3.3仪器仪表及元器件一览表;
5、实训内容和步骤:
(1)记录实验数据,根据实验数据做出COSФ=f(c),I=f(c)的曲线;
(2)计算不同情况下的功率因数,说明功率因数变化的原因;
(3)分析计算功率因数最大时的电容值;
(4)请参阅4.3.4。
6、思考题:
通过实训全过程,结合教材,对4.3.5实训思考题,进行回答;
7、注意事项:
请参阅4.3.6。
4.4实训项目二正弦交流电路功率的测定
4.4.1实训目的
1、深入理解正弦交流电路的特性和电流、电压和功率之间相互关系;
2、掌握使用交流电压表、电流表、功率表测量交流电路等效参数的方法;
3、掌握功率表的基本原理和正确方法;
4、掌握仪器仪表的使用技术。
4.4.2实训原理
1、在交流电路中,测量负载等值参数的方法很多,通常是用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出U、I、P三个量后,再通过计算得出,这种测量方法称为三表法,它是测量交流电路等值参数的基本方法。
2、在交流电路一端口网络中,一般用功率表W测量Z的功率P,电压表,电流表分别测量Z的电压与电流,如图2.4.7所示:
图2.4.7
3、如果Z的阻抗为感性,则有:
阻抗的模|Z|=U/I功率因数cosφ=P/UI
4、由上式可计算出等值参数为:
等效电阻R=P/I2=|Z|cosφ等效电抗X=|Z|sinφ
5、如果Z是容性阻抗,则其等值参数为:
R’=|Z|cosΦC’=1/ωXc=1/ω|Z|sinφ
4.4.3实训仪器和设备
表2.4.4仪器仪表及元器件一览表
序号
名称
型号
规格
数量
备注
1
交流稳压电源
220V
0.5KVA,2A
1
2
功率表
T51型
0.5级
1
T77型
3
指针万用表
MF-47
1
或500型
4
数字万用表
UT-52
或DT-9909
1
5
交流电流表
T51型
0.5级
1
T77型
6
交流电压表
T51型
0.5级
1
T77型
7
电阻箱
20W
220V
1
全套
8
可变电容器
450V
C:
0-10μF
或可变电容箱
9
单相调压器
0-250V
0.5KVA,2A
1
10
电感线圈
1
11
变频电源
0-250V
0.5KVA,2A
1
4.4.4实训内容和步骤
1、按图2.4.7所示电路接线,在图2.4.7中,阻抗网络Z采用图2.4.8结构,如下图(图2.4.8)所示。
电容C=10μf,可用电容箱电容,T为单相变压器0-36V,副边输入端(具有L和RL)R用电阻箱。
图2.4.8
2、按图接好线路,将功率表同名端连在一起,电流量限可选0.4A,电压量选50V,正弦功率电抗(F=100Hz)输出电压逐渐增加至18V左右,增加过程中,随时观察电流表与电压表,显示值不超过功率表量限。
3、将直接测量值、中间计算量、网络等效参数等实验数据填表2.4.5内。
表2.4.5实验数据
直接测量值
中间计算量
网络等效参数
U(V)
I(A)
P(W)
Z(Ω)
Cosφ
φ
R(Ω)
L或C
4.4.5实训思考题
1、什么是三表法?
如何用三表法测量电路等效参数U、I、P值?
2、功率表的工作原理是什么?
如何正确接线、读数及测量?
3、电压表、电流表的工作原理是什么?
如何正确接线、读数及测量?
4.4.6注意事项
1、功率表的同名端,应按标准接法连在一起,否则功率表中指针表反偏而数字表无显示;
2、使用功率表测量时,必须正确选定电压量限与电流量限,否则功率表显示误差较大;
3、变频电源应选用正弦波输出,频率调节在100Hz(不采用50Hz是为了减少电网可能的同频干扰);
4、如果变频电源输出端直接接电容负载,则必须在其输出端预先串联一个5Ω左右的电阻,以防止电容冲击电流引起的不稳定。
4.4.7实训报告要求
1、实训名称:
正弦交流电路功率的测定;
2、实训目的:
请参阅4.4.2;
3、实训原理:
简单说明原理,并附上实验电路图或实验原理图,请参阅4.4.3;
4、实训仪器、仪表、设备:
列表写明仪器仪表的名称、型号、规格、数量等,请参阅4.4.3仪器仪表及元器件一览表;
5、实训内容和步骤:
①说明正弦交流电路的特性,以及电流、电压和功率之间相互关系;
②说明用交流电压表、电流表、功率表测量交流电路等效参数的方法;
③功率表的基本原理和正确方法;
④记录实验数据,将直接测量值、中间计算量、网络等效参数等实验数据填入表内,
⑤分析实验结果。
6、思考题:
通过实训全过程,结合教材,对4.4.5实训思考题,进行回答;
7、注意事项:
请参阅4.4.6。
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