《電路分析實驗教程》課件-第6章

第6章正弦交流電路實驗實驗9

RC移相電路的測試實驗10交流等效參數(shù)的測量實驗11日光燈電路與功率因數(shù)的提高實驗12最大功率傳輸與匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實驗13三相電路的觀測實驗14互感電路的測試

實驗9RC移相電路的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握移相電路的測試方法。

(2)掌握相位差的測量方法。

(3)加深對“移相”概念的理解，了解移相電路的用途。二、實驗原理與說明

1.RC移相電路1

RC

移相電路如圖6.1(a)所示，輸出電壓與輸入電壓

之間的相位差θ隨可調(diào)電阻R的改變而改變。當(dāng)R由0→∞時，移相電路輸入電壓與輸出電壓的移相范圍和特點可以用相量圖來說明。圖6.1RC移相電路1首先畫相量圖，為了敘述方便起見，以輸入電壓為參考相量。由于是RC支路，因此電流相量超前，電阻上的電壓與同相，電容電壓比滯后90°。又根據(jù)KVL，電壓方程為，顯然，這三個電壓構(gòu)成電壓三角形,如圖6.1(b)所示。當(dāng)R改變時，和就要改變，但三個電壓始終保持直角三角形。由幾何關(guān)系可知，隨R的變化，直角三角形頂點的軌跡是個半圓。

當(dāng)R→0時，與趨于同相；當(dāng)R→∞時，比

滯后趨于90°。所以，和的移相范圍是0°~90°,并且比滯后。另外，輸出電壓的幅值將由大變小。

2.RC移相電路2

第二種RC

移相電路如圖6.2(a)所示，常用于可控硅觸發(fā)電路中。當(dāng)R由0→∞時，移相電路輸入電壓與輸出電壓

的移相范圍和特點可以用相量圖來說明。

先畫相量圖，畫法基本上與RC

移相電路1相同，只不過多了一條電阻支路。它由兩個相同的電阻r串聯(lián)，因此，B點必是輸入電壓的中點。顯然A點是三角形的頂點，于是輸出電壓的相量就是從A到B的相量,如圖6.2(b)所示。當(dāng)R→0時，與趨于同相；當(dāng)R→∞時，比

超前趨于180°。所以，和的移相范圍是0°~180°。并且比超前。另外，輸出電壓

的幅值為半徑，即輸出電壓Uo始終是輸入電壓Ui的一半。圖6.2RC移相電路2

3.RC移相電路3

第三種RC移相電路如圖6.3(a)所示，常用于雷達指示器電路中。當(dāng)調(diào)節(jié)時，各點到地（參考點）的電位、、、的有效值相等，依次相差90°，可以用相量圖來說明。圖6.3RC移相電路3先畫相量圖，畫法基本上與RC

移相電路2相同，只不過多了一條RC支路。由于兩個相同的電阻r串聯(lián)，因此，0點必是輸入電壓的中點。顯然2點是上三角形的頂點，4點是下三角形的頂點,如圖6.3(b)所示。

當(dāng)時，2點到0的電位將與垂直。當(dāng)

時，4點到0的電位將與垂直。這樣，1、2、3、4點分別到0的電位、、、依次相差90°,并且有效值均為半徑，即有效值相同，是輸入電壓Ui的一半。三、實驗內(nèi)容

1.RC移相電路1的測試

對圖6.1所示RC移相電路1，調(diào)節(jié)電阻R（從小到大），用示波器觀察ui和uo的波形。測出ui和uo相位差,以及ui、uR

和uo的最大值，并填表6-1。驗證移相范圍和電壓三角形。

2.RC移相電路2的測試

按圖6.2所示RC移相電路2接線，調(diào)節(jié)電阻R（從小到大），用示波器觀察ui和uo的波形。測出ui和uo相位差,以及uo最大值，并填表6-2。驗證移相范圍和uo的大小不變。

3.RC移相電路3的測試

按圖6.3所示RC移相電路3接線，調(diào)節(jié)電阻R1和R2（從小到大），用示波器觀察電位u1至u4的波形。依次測出電位u1

至u4之間的相位差以及最大值。驗證當(dāng)時，電位、、、依次相差90°，并且它們的有效值是輸入電壓Ui的一半。四、實驗步驟和方法

1.實驗內(nèi)容1的步驟

(1)按圖6.1所示電路在電路板上接線，電路中的電源頻率、電阻的值和電容的值可由學(xué)生自己選取。電源頻率不要太高，為幾百赫茲。

(2)電路接線完后，激勵為信號發(fā)生器，用示波器觀察ui和uo的波形。

(3)當(dāng)調(diào)節(jié)R時，測出ui和uo相位差以及ui、uR和uo最大值,也可用數(shù)字萬用表測量各電壓的有效值。將測量數(shù)據(jù)填入表6-1中。

(4)這項實驗的目的有兩個，一是改變電阻R觀察ui和uo的相位差；二是驗證電壓三角形的關(guān)系。

2.實驗內(nèi)容2的步驟

(1)按圖6.2所示電路在電路板上接線，實驗方法與實驗內(nèi)容1相同，這里只是多了一條電阻支路。

(2)在測量時，用示波器觀察ui和uo的波形，應(yīng)注意選好公共接地點。

(3)當(dāng)調(diào)節(jié)R時，將測量數(shù)據(jù)填入表6-2中。

(4)這項實驗的目的是改變電阻R觀察ui和uo的相位差，驗證移相范圍較大并且輸出電壓的大小不變。

3.實驗內(nèi)容3的步驟

(1)按圖6.3所示電路在電路板上接線，實驗方法與實驗內(nèi)容2相同。

(2)分別調(diào)節(jié)R1和R2，使電位、、、

依次相差90°。每兩個波形進行比較，記下它們的波形。

(3)測量這時的電阻R1和R2的值，以便驗證。

(4)這項實驗的目的是改變電阻R1和R2觀察四個電壓的相位差，驗證移相90°后參數(shù)之間的關(guān)系，輸出電壓的大小不變且是電源電壓的一半。五、實驗注意事項

(1)在實驗室取得電阻后應(yīng)用萬用表測量其阻值，合理選用可調(diào)電阻器、電容的值。

(2)每個同學(xué)的電路中的電阻值、電容值可能選得不一樣，但實驗結(jié)論應(yīng)是相同的。

(3)實驗前應(yīng)對所有電路進行理論計算，這樣才能達到較好的效果。

(4)在測量輸出電壓與輸入電壓之間的相位差時，一定要注意公共端的選取。

(5)在測量電壓的大小時，可用兩種方法，即在示波器上讀取最大值和用數(shù)字萬用表測有效值。六、預(yù)習(xí)要點

(1)什么是移相器？什么是相位差？

(2)理解三種移相器的原理和相量圖。

(3)進行所有電路的理論計算，特別是容抗的計算，這樣選擇可調(diào)電阻的范圍就有依據(jù)。

(4)明確實驗要達到的目的、實驗內(nèi)容、以及實驗步驟和方法。

(5)制訂實驗測試方案，畫出移相電路與儀器的連接圖。

(6)列出需要的元件清單。七、實驗報告要求

(1)畫出實驗原理電路圖，標上參數(shù)。

(2)敘述實驗內(nèi)容和步驟，給出各種理論計算的實驗測量的數(shù)據(jù)和波形。

(3)給出實驗得出的結(jié)論。

(4)進行測量誤差分析。

(5)寫出本次實驗的心得體會。八、實驗設(shè)備

(1)GOS-62020MHz雙軌跡示波器或TDS1002型數(shù)字式存儲示波器1臺。

(2)EE1641B1函數(shù)信號發(fā)生器或EE1641D函數(shù)信號發(fā)生器1塊。

(3)數(shù)字萬用表1個。

(4)電阻、可調(diào)電阻、電容元件若干。

(5)電路板1塊。實驗10交流等效參數(shù)的測量

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)學(xué)習(xí)交流電壓表、交流電流表和功率表的使用方法。(2)學(xué)會用三表法測量元件的交流等效參數(shù)的方法。

(3)學(xué)會用串、并聯(lián)電容的方法來判別負載的性質(zhì)。

(4)學(xué)習(xí)測量交流電下元件的伏安關(guān)系。二、實驗原理與說明

1.測量交流電路參數(shù)的三表法

我國供電系統(tǒng)采用頻率為50Hz的正弦交流電，常稱它為工頻交流電。電路中的感抗、容抗是隨頻率變化的，在工頻交流電下電路元件的阻抗就稱為其交流等效參數(shù)。

用交流電壓表、電流表和功率表分別測量元件或二端無源網(wǎng)絡(luò)的端電壓U、流過的電流I及消耗的有功功率P后，再通過計算的方法可得到元件或無源網(wǎng)絡(luò)的交流等效參數(shù)，這種方法習(xí)慣上稱為三表法。所用的計算式為其中，|Z|為阻抗的模;cos為功率因數(shù);R為等效電阻;X為等效電抗。根據(jù)X，可以計算電感量和電容量的大小。

2.判斷阻抗性質(zhì)的方法

元件的阻抗可能是感性的，也可能是容性的，但由U、I、P的測量值或參數(shù)的計算式還無法判斷阻抗的性質(zhì)。實際中可采用下述方法決定阻抗的性質(zhì)。

(1)在被測元件的兩端并聯(lián)一個試驗電容器，若總電流增大，則被測元件為容性；若總電流減小，則為感性。這種方法的原理和試驗電容器的計算方法，可以用相量圖加以說明。被測阻抗并聯(lián)電容的電路如圖6.4(a)所示。若被測阻抗是容性的，相量圖如圖6.4(b)所示。并聯(lián)電容后的總電流′比原阻抗中的電流要大。若被測阻抗是感性的，相量圖如圖6.4(c)所示。這時所畫出的相量圖是一種特殊情況，即并聯(lián)電容后的總電流′與原阻抗中的電流相同?？梢?，當(dāng)電容中的電流進一步增加，則′比就要大；當(dāng)電容中的電流減少，則′比就要小。因此，選取適當(dāng)?shù)碾娙莶⒙?lián)，使總電流變小，才能判斷阻抗是感性的。根據(jù)相量圖可知即有試驗電容的值應(yīng)為圖6.4阻抗性質(zhì)的判斷及相量圖

(2)串聯(lián)電容的方法也可以判斷阻抗的性質(zhì)。

與被測阻抗串聯(lián)一個適當(dāng)?shù)脑囼炿娙荩舯粶y阻抗的端電壓下降，則阻抗是容性的；若被測阻抗的端電壓上升，則阻抗是感性的。試驗電容選取應(yīng)為

XC<|2X|

即有

(3)用功率因數(shù)表測量cos和阻抗角，若讀數(shù)超前，則阻抗為容性；若讀數(shù)滯后，則阻抗為感性。

在本實驗中采用功率因數(shù)表測量或并接試驗電容的方法來判斷被測阻抗的性質(zhì)。具體做法是將一試驗小電容器與被測元件并聯(lián)，在并接的同時觀察電流表的變化趨勢。

對交流等效參數(shù)的測量，除可采用三表法外，還可用交流電橋以及數(shù)字多用表直接測出。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，目前也較多地采用數(shù)字式儀器儀表快速便捷地測出元件參數(shù)。

3.功率表的使用方法

平均功率的測量通常是在頻率低于幾百赫茲的時候，使用有兩個分離的線圈功率表來進行。

功率表的符號如圖6.5(a)、(b)所示。其中一個線圈是用粗線繞成，電阻很小的固定線圈為電流線圈；另一個線圈是用很多細線繞成，電阻較高的可動線圈為電壓線圈。電壓線圈和電流線圈上標有“·”、“*”或“±”，稱為兩個線圈的同名端，是功率表的極性標志。

測量單口網(wǎng)絡(luò)的功率時，電路連接如圖6.5(c)所示。電流線圈測電流因而串聯(lián)在電路中，電壓線圈測電壓因而并聯(lián)在電路中。標有“·”的接法根據(jù)電路的參考方向而定。

圖6.5平均功率的測量(a)國外功率表符號；(b)國內(nèi)功率表符號；(c)功率表連接三、實驗內(nèi)容

1.用三表法測量元件的交流等效參數(shù)

按圖6.6所示電路接線，分別用三表法測量40W白熾燈

R、30W日光燈鎮(zhèn)流器L和4.7μF電容器C（注意電容器的耐壓）的等效參數(shù),并將RLC串聯(lián)和并聯(lián)后把測量數(shù)據(jù)記錄于表6-3中。圖6.6三表法的實驗線路

2.用串聯(lián)和并聯(lián)試驗電容的方法判別阻抗的性質(zhì)

將上述RLC元件串聯(lián)、RLC元件并聯(lián)作為被測阻抗，選試驗電容C′分別與被測阻抗串聯(lián)和并聯(lián)來判別阻抗的性質(zhì),并將測量數(shù)據(jù)填于表6-4中。

3.白熾燈的伏安關(guān)系的測量

在圖6.6中用白熾燈作負載，改變電源電壓，將三個表的數(shù)據(jù)填入表6-5中。四、實驗步驟和方法

1.實驗內(nèi)容1的步驟

(1)按圖6.6所示電路接線，先測給定的R、L、C的交流等效參數(shù)，測量數(shù)據(jù)填于表6-3中。三個表同時測量一次，為了減小誤差，三個表測量時再分別測量一次。

(2)分別將RLC串聯(lián)、并聯(lián)作為被測元件，三個表測量的測量數(shù)據(jù)填于表6-3中。

2.實驗內(nèi)容2的步驟

(1)按圖6.6所示電路接線，將RLC串聯(lián)作為被測阻抗，測出U、I、P。計算出X，按選取試驗電容，將C′與被測阻抗串聯(lián)，測量被測阻抗上的電壓,填在表6-4中。若被測阻抗的端電壓下降，則阻抗是容性的；若被測阻抗的端電壓上升，則阻抗是感性的。

(2)將RLC串聯(lián)作為被測阻抗，測出U、I、P。按選取試驗電容，將C′與被測阻抗并聯(lián)，測量總的電流,填在表6-4中。若總電流增大，則被測元件為容性；若總電流減小，則被測元件為感性。

(3)由于40W白熾燈R、30W日光燈鎮(zhèn)流器L是不可改變的，為了得到感性阻抗或容性阻抗，只有通過選取電容C來實現(xiàn)。C的選取可以通過實驗或理論計算獲得。

3.實驗內(nèi)容3的步驟

(1)按圖6.6所示電路接線，將白熾燈作為被測阻抗。

(2)將調(diào)壓器的電壓從0開始調(diào)節(jié)，從小到大至230V，測出U、I、P，填入表6-5中。五、實驗注意事項

(1)實驗開始前，調(diào)壓器的調(diào)節(jié)手柄應(yīng)處于零位。每項實驗完成之后，先將調(diào)壓器手柄調(diào)至零位，再斷開電源。

(2)實驗時應(yīng)記錄所用儀表的量程和內(nèi)阻，以便對實驗數(shù)據(jù)進行分析及對測量結(jié)果加以修正。

(3)因?qū)嶒炿娫措妷褐苯硬捎檬须?20V的交流電，須注意人身和設(shè)備的安全，不允許用手直接觸摸通電線路的裸露部分，以免觸電。六、預(yù)習(xí)要點

(1)正弦交流電路中阻抗的定義，阻抗有幾種表示形式以及阻抗的等效模型。

(2)什么是感性、容性和阻性電路？如何判別？

(3)在50Hz的交流電路中，已測得鐵芯線圈的P、U和I，如何計算鐵芯線圈的電阻值和電感值?

(4)用三表法測參數(shù)時，為什么在被測元件兩端并接或串聯(lián)試驗電容可以判斷元件的性質(zhì)?請用相量圖加以說明。

(5)試分析采用在被測元件兩端并接試驗電容以判斷元件性質(zhì)這一方法的適用性。

(6)熟悉白熾燈的伏安關(guān)系測量方法。七、實驗報告要求

(1)畫出實驗原理電路圖，標上參數(shù)，說明實驗步驟。(2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)填寫相應(yīng)表格，完成各項計算，并畫出白熾燈的伏安關(guān)系曲線。

(3)給出實驗得出的結(jié)論，總結(jié)測量電路交流等效參數(shù)的方法。

(4)進行測量誤差分析。

(5)寫出本次實驗的心得體會。八、實驗設(shè)備

(1)交流電壓表1個。

(2)交流電流表1個。

(3)功率表1個。

(4)自耦調(diào)壓器1臺。

(5)40W白熾燈若干。

(6)電容器（耐壓大于等于450V）若干。

(7)日光燈配件1套

實驗11日光燈電路與功率因數(shù)的提高

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)進一步熟悉功率表的使用及三表法測負載交流等效參數(shù)的方法。

(2)了解日光燈電路的工作原理。

(3)掌握提高感性負載功率因數(shù)的原理和方法。二、實驗原理與說明

1.日光燈電路的工作原理

常用的日光燈電路如圖6.7所示。日光燈管內(nèi)壁涂有熒光粉，兩端各有一燈絲，燈絲用鎢絲制成，用以發(fā)射電子，燈管內(nèi)充有惰性氣體（如氬氣）和少量水銀。鎮(zhèn)流器是一個帶

鐵芯的電感線圈，在電路中起限流、降壓作用圖6.7日光燈電路啟輝器的結(jié)構(gòu)是將兩個不同熱膨脹系數(shù)的雙金屬片材料做成的觸點封入一個小型玻璃泡殼內(nèi)，稱為輝光放電管或氖泡。并在其兩端并聯(lián)一個小電容，它可以消除開關(guān)火花和燈管產(chǎn)

生的無線電干擾。啟輝器用在電感鎮(zhèn)流器日光燈電路中，起一個自動開關(guān)的作用。

當(dāng)日光燈管正常工作時，兩端由于內(nèi)部氣體導(dǎo)通而使電壓低到約為50～100V，但在正常工作之前，要使燈管內(nèi)部氣體導(dǎo)通，需要燈管兩端的電壓超過1000V。

日光燈電路的工作原理可分為三個階段：

(1)當(dāng)電源接通時，啟輝器是斷開的，220V的交流電加在啟輝器上，其管內(nèi)產(chǎn)生強電流輝光放電，彎曲的金屬片被加熱，于是使彎曲電極趨于伸直，啟輝器接通，此時電源通過鎮(zhèn)流器和燈的燈絲形成了串聯(lián)電路，一個相當(dāng)強的預(yù)熱電流迅速地對燈絲予以加熱。

(2)在金屬片觸及一二秒后，當(dāng)雙金屬片接觸時，由于接觸片之間沒有電壓，因此輝光放電消失。然后接觸片開始冷卻，在一段很短的時間后它們靠彈性分離，使電路斷開。由于電路呈電感性，當(dāng)電路突然中斷時，在燈的兩端會產(chǎn)生持續(xù)時間約1ms的600～1500V的脈沖電壓，其確切電壓取決于燈的類型。這個脈沖電壓很快地使充在燈內(nèi)的氣體和蒸氣電離，電流即在兩個相對的發(fā)射電極之間通過，使日光燈開始發(fā)光。

(3)日光燈正常發(fā)光后，燈管兩端電壓約降到100V以下，不再滿足啟輝器導(dǎo)通的條件，此時交流電不再經(jīng)過啟輝器，這時將啟輝器刪除也不會影響日光燈的正常工作。

因此，啟輝器用于在日光燈電路中瞬間斷開使電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，以致有足夠大的電壓激發(fā)燈管發(fā)亮。鎮(zhèn)流器則是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的元件，激發(fā)燈管發(fā)亮后抑制電流的增大，起到限流的作用。

值得注意的是，在電子鎮(zhèn)流器日光燈電路中是不用啟輝器的。

2.感性負載功率因數(shù)的提高

功率因數(shù)低的根本原因在于生產(chǎn)和生活中的交流用電設(shè)備大多是感性負載，如三相異步電動機的功率因數(shù)在輕載時為0.2~0.3，滿載時為0.8~0.9；日光燈的功率因數(shù)為0.45~0.55；

電冰箱的功率因數(shù)為0.55左右。為了提高功率因數(shù)，必須保證負載原來的運行狀態(tài)，即負載兩端的電壓、電流和負載的有功功率保持不變。根據(jù)這些原則，提高功率因數(shù)的方法往往采用在負載兩端并聯(lián)電容。設(shè)圖6.8(a)所示感性負載，其端電壓為，有功功率為P。圖6.8(b)是并聯(lián)電容后電路的相量圖。圖6.8提高功率因數(shù)的措施從相量圖可知：

(1)在未并聯(lián)電容C前，線路上的電流與負載上的電流相同，即。

(2)并聯(lián)電容C后，線路上的總電流等于負載電流和電容電流之和，即。從相量圖看出，線路上的電流變小。它滯后于電壓的角度是，這時功率因數(shù)為cos

,顯然，<

1，故cos

>cos

1，即功率因數(shù)提高了。

3.補償電容的計算

可以用功率三角形的方法推導(dǎo)出求電容值的一般公式。設(shè)感性負載的有功功率為P，功率因數(shù)為cos

1,接電容器后要使功率因數(shù)提高到cos。因為并聯(lián)電容前后負載的P是不變的，所以功率三角形的水平邊不變。并聯(lián)電容前后的功率三角形如圖6.9所示。圖6.9電容值的計算根據(jù)功率三角形，原感性負載的無功功率為并聯(lián)電容后的無功功率為故應(yīng)補償?shù)臒o功功率為因為QC=ωCU2，所以上式為端口功率因數(shù)由cos

1提高到cos所需要并聯(lián)的電容值,并聯(lián)的電容也稱補償電容。此實驗用日光燈電路來模擬RL串聯(lián)電路。實際上，燈管和鎮(zhèn)流器的端電壓都不是正弦波，因而我們的測量和計算都是近似的，但是這個實驗?zāi)芎芎玫卣f明功率因數(shù)的意義和提高它的必要性。三、實驗內(nèi)容

1.日光燈電路的接線及測量

在無電的情況下按如圖6.10所示日光燈的實驗電路接線，先不接補償電容。日光燈的等效電路如圖6.11所示，完成表6-6中的測量和計算。圖6.10日光燈實驗電路圖6.11日光燈的等效電路

2.感性負載的功率因數(shù)提高在如圖6.10所示日光燈實驗電路中并聯(lián)補償電容C，測出表6-7所示各項數(shù)據(jù)，并填入表中。四、實驗步驟和方法

1.實驗內(nèi)容1的步驟

(1)日光燈啟輝時的測量。

按圖6.10的實驗電路接線。經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后接通電源，調(diào)節(jié)自耦調(diào)壓器的輸出，使其輸出電壓緩慢增大，直到日光燈剛啟輝點亮為止，測量表6-6中各值，并記錄在表中，從而可計算出表中的等效參數(shù)。

(2)日光燈正常工作時的測量。

將電壓調(diào)至220V，使日光燈正常工作，測量表6-6中各值，并記錄在表中,從而可計算出表中的等效參數(shù)。

(3)取下啟輝器，觀察日光燈是否會熄滅。

(4)取下啟輝器后，斷開電源，再重新接通電源，觀察日光燈是否會亮。若不亮，可用一根絕緣良好的導(dǎo)線短路啟輝器插口，約1、2秒后，除去導(dǎo)線，觀察日光燈是否發(fā)光。

2.實驗內(nèi)容2的步驟

(1)改變并聯(lián)電容器（補償電容）的電容值，進行多次重復(fù)測量,將各次實驗記錄填入表6-7中。

(2)比較并找到測量總電流相對最小的一個值，必要時需要將幾個電容器并聯(lián)連接，將電容值和測量的各項內(nèi)容填入表6-7中。五、實驗注意事項

(1)本實驗用市電220V，務(wù)必注意用電和人身安全。實驗操作要嚴格按照先斷電，后接線（拆線），經(jīng)檢查，再通電的安全操作規(guī)范進行。

(2)功率表要按并聯(lián)接入電壓線圈、串聯(lián)接入電流線圈的正確接法接入電路。

(3)線路接線正確，日光燈不能啟輝時，應(yīng)檢查啟輝器及其接觸是否良好。

(4)并聯(lián)電容值取0值時，只要斷開電容的聯(lián)線即可，千萬不能兩線短路，這會造成電源短路的！六、預(yù)習(xí)要點

(1)熟悉日光燈的工作原理，啟輝器和鎮(zhèn)流器的作用。

(2)在日光燈的等效電路圖6.11中，已知US、UR、UL、

I和P，如何計算出等效參數(shù)R、r、XL？

(3)了解功率因數(shù)的含義，提高功率因數(shù)的意義。

(4)了解感性負載提高功率因數(shù)的方法和提高功率因數(shù)的措施。

(5)掌握并聯(lián)電容器能提高功率因數(shù)的原理，電容值的計算方法。

(6)思考并聯(lián)電容器的電容值越大是否功率因數(shù)就越大。

(7)思考提高功率因數(shù)為什么只采用并聯(lián)電容器的方法，而不采用串聯(lián)電阻或串聯(lián)電容的方法。七、實驗報告要求

(1)畫出實驗原理電路圖和日光燈的等效電路。

(2)利用表6-6的測量數(shù)據(jù)，畫出日光燈電路中各電壓和電流的相量圖。

(3)并聯(lián)電容后，利用表6-7的測量數(shù)據(jù)，畫出有補償電容電流的全相量圖。

(4)利用表6-7的測量數(shù)據(jù)，畫出功率因數(shù)cos

與電容C的關(guān)系曲線，總電流I與功率因數(shù)cos

的關(guān)系曲線。

(5)給出實驗得出的結(jié)論。

(6)進行測量誤差分析。

(7)寫出本次實驗的心得體會。八、實驗設(shè)備

(1)交流電壓表1個。

(2)交流電流表1個。

(3)功率表1個。

(4)自耦調(diào)壓器1臺。

(5)40W白熾燈若干。

(6)電容器（耐壓大于等于450V）若干。

(7)日光燈配件1套。

實驗12最大功率傳輸與匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解電源與負載間功率傳輸?shù)年P(guān)系。

(2)掌握負載獲得最大功率傳輸?shù)臈l件與應(yīng)用。

(3)匹配電抗網(wǎng)絡(luò)的分析與設(shè)計。二、實驗原理與說明

1.最大功率傳輸

一個實際的電源，它產(chǎn)生的總功率通常由兩部分組成，即電源內(nèi)阻所消耗的功率和輸出到負載上的功率。在電子與通信領(lǐng)域中，通常由于信號電源的功率較小，因此總是希望在負載上能獲得的功率越大越好，這樣可以最有效地利用信號源能量，從信號源中獲取最大功率。如圖6.12(a)所示電路，負載ZL是可變的，問在什么條件下負載ZL能從正弦穩(wěn)態(tài)電路中獲得最大的平均功率PLmax。應(yīng)用戴維南定理，這個問題可以簡化為圖6.12(b)所示的戴維南等效電路。負載ZL如何從信號源獲得最大功率。圖6.12最大功率的傳輸電路戴維南電壓和阻抗ZTh分別為信號源電壓和內(nèi)阻抗，其中ZTh=RTh+jXTh，它們是一定的。設(shè)ZL=RL+jXL，并且RL、XL均可獨立變化。當(dāng)RL、XL變化時，RL、XL滿足什么條件，負載能得到最大功率。因（6.1）為使功率PL=I2RL最大，即（6.2）其中，UTh、RTh和XTh為固定值，而RL和XL是獨立變量。因此，要求PL最大就必須求出使和均為

0的RL和XL。由式（6.2）得（6.3）（6.4）由式（6.3）可知，令可得

XL=－XTh

（6.5）

由式（6.4）可知，令可得（6.6）綜合考慮式（6.5）和式（6.6），負載獲得最大功率的條件為或（6.7）最大功率傳輸?shù)臈l件為：負載阻抗等于戴維南阻抗的共軛復(fù)數(shù)，即。這時負載的最大功率為（6.8）稱這種狀態(tài)為共軛匹配或最佳匹配。只有當(dāng)ZL等于ZTh的共軛復(fù)數(shù)時，最大功率才能傳輸?shù)絑L上。而在有些情況下，這是不可能的。首先，RL和XL可能被限制在一定的范圍內(nèi)，這時，RL和XL的最優(yōu)值應(yīng)是調(diào)整XL使其盡可能地接近－XTh，同時調(diào)整RL使其盡可能地接近。當(dāng)負載是純電阻，即ZL=RL時，負載獲得最大功率的條件由式（6.6）中XL=0得（6.9）純電阻負載的最大功率傳輸?shù)臈l件為：負載電阻等于戴維南阻抗的模，即RL=|ZTh|。當(dāng)負載ZL=RL+jXL中的RL不變、XL可變時，負載獲得最大功率的條件應(yīng)為式（6.5）。當(dāng)負載ZL=RL+jXL中的XL不變、RL可變時，負載獲得最大功率的條件應(yīng)為式（6.6）。

2.匹配網(wǎng)絡(luò)分析與設(shè)計

當(dāng)信號源中的電壓和內(nèi)阻RS不變，且負載電阻RL也不變時，要使負載RL獲得最大功率，就必須設(shè)計一個匹配電抗網(wǎng)絡(luò)，如圖6.13所示。圖6.13匹配網(wǎng)絡(luò)匹配電抗網(wǎng)絡(luò)的計算如下：

RL、jX2并聯(lián)支路的阻抗為令求得X2為解得（6.10）求得X1為（6.11）上式表明，電抗X1與X2互為負數(shù)，即它們是性質(zhì)不同的元件，當(dāng)X1取正為電感時，X2為負，必是電容。

若內(nèi)阻RS=100Ω，負載電阻RL=1000Ω，X1取為電感、X2取為電容。設(shè)信號源電壓=100∠0°V，角頻率

ω=1000rad/s。計算結(jié)果如下：電感為電容為F=3μF最大功率為計算表明，如果選擇L=0.3H，C=3μF，圖6.13所示電路從信號源兩端以右單口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗等于100Ω,它可以獲得25W的最大功率，由于其中的電感和電容平均功率為零,根據(jù)平均功率守恒定理，這些功率將被RL=1000Ω的負載全部吸收。三、實驗內(nèi)容

1.最大功率傳輸

實驗線路如圖6.14所示。電源電壓有效值為15V，頻率f=800Hz，電阻R1和R2選1kΩ左右，電感元件L=30mH，電容元件C和可調(diào)電阻RL由實驗室提供。

設(shè)，其中RTh=R1‖R2。選取兩個不同的電容元件C1、C2。每次接上一個電容后，調(diào)節(jié)RL測量其上的電壓，計算負載RL的功率PL，驗證當(dāng)RL=R0時功率PL最大，即XC與XL最接近時功率PL最大。測量和計算的數(shù)據(jù)填于表6-8中。圖6.14實驗原理圖

2.匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

設(shè)內(nèi)阻RS=100Ω，負載電阻RL=200Ω，信號源電壓

=15∠0°V，角頻率ω=5000rad/s。要使負載RL獲得最大功率，設(shè)計一個匹配電抗網(wǎng)絡(luò)，如圖6.15所示。圖6.15匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計四、實驗步驟和方法

1.實驗內(nèi)容1的步驟

(1)對如圖6.14的實驗電路先自行選取電阻值，電阻值選

1kΩ左右的值。選取兩個電容，接近1μF即可，可調(diào)電阻器為1kΩ左右。

(2)按圖6.14所示電路在電路板上接線，每接一個電容，調(diào)節(jié)電阻RL，測量其電壓UL，計算PL填入表6-8中。改變電阻RL的值應(yīng)先確定R0的值，使RL=R0首先測量，然后改變RL增加或減少后再測量幾次。

(3)在RL=R0附近可以多測幾次，找出最大功率時RL的值，與理論值比較。

(4)不接電容時，最大功率的條件應(yīng)是等模匹配，即

。使RL=|Z0|首先測量，然后改變RL增加或減少后再測量幾次。

(5)在RL=|Z0|附近可以多測幾次，找出最大功率時RL的值，與理論值比較。

2.實驗內(nèi)容2的步驟

(1)先理論計算L和C的值，計算公式見式（6.10）和式（6.11）。

(2)按圖6.15所示電路在電路板上接線，接通電源，再用電壓表測量電路中負載上的電壓，計算負載的功率與理論值比較。

(3)沒有匹配網(wǎng)絡(luò)時，用電壓表測量電路中負載上的電壓，計算負載的功率與有匹配網(wǎng)絡(luò)時的負載功率進行比較。五、實驗注意事項

(1)在實驗室取得電阻后應(yīng)用萬用表測量其阻值。

(2)每個同學(xué)的電路中，電源電壓值和電阻值可能選得不一樣，但實驗結(jié)論應(yīng)是相同的。

(3)實驗前應(yīng)對所有電路進行理論計算，這樣以便與測量結(jié)果比較并選用儀表的量程。

(4)可調(diào)電阻器的值可根據(jù)二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻確定。

(5)電路接線完經(jīng)檢查無誤后才可接通電源。改接或拆線時應(yīng)先斷開電源。六、預(yù)習(xí)要點

(1)什么是最大功率傳輸？什么是有限制的最佳匹配？什么是等模匹配？

(2)什么是匹配網(wǎng)絡(luò)？計算匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的原理和方法。

(3)熟悉實驗電路的理論計算，匹配網(wǎng)絡(luò)的理論計算。

(4)明確實驗要達到的目的、實驗內(nèi)容，以及實驗步驟和方法。

(5)擬定測試方案和預(yù)期可能出現(xiàn)的誤差。七、實驗報告要求

(1)畫出實驗原理電路圖，標上參數(shù)。

(2)敘述實驗內(nèi)容和步驟，給出各種理論計算的實驗測量的數(shù)據(jù)。

(3)給出實驗得出的結(jié)論。

(4)進行測量誤差分析。

(5)寫出本次實驗的心得體會。八、實驗設(shè)備

(1)信號發(fā)生器1臺。

(2)數(shù)字萬用表1個。

(3)電阻元件若干。

(4)電容元件若干。

(5)可調(diào)電阻器1個。

(6)電路板1塊。實驗13三相電路的觀測

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)三相負載作星形連接和三角形連接時，在對稱和不對稱的情況下相電壓和線電壓的關(guān)系、相電流和線電流的關(guān)系。(2)比較三相供電方式中，三相三線制和三相四線制的

特點，了解三相四線制電路中中線的作用以及中性點位移的概念。

(3)學(xué)習(xí)測定相序的方法。

(4)學(xué)習(xí)測量三相電路功率的方法。二、實驗原理與說明

1.三相負載的星形連接

（1）對稱Y負載。

在三相負載Y接法的情況下，線電流等于相電流，即

。線電壓的有效值是相電壓有效值的倍，即，線電壓超前相電壓30°。相量圖如圖6.16

所示。

對稱三相電路接有Ｙ形負載時，兩中性點之間的電壓為零，中線電流為零，所以，有無中線結(jié)果一樣。圖6.16對稱三相電壓相量圖（2）不對稱Y負載。當(dāng)對稱三相電源接不對稱三相負

載時，若無中線，則將產(chǎn)生負載的中性點位移，相量圖如圖6.17所示。當(dāng)中性點位移時，會造成各相電壓分配不平衡，可能使某相負載由于過壓而損壞，而另一相負載則由于欠壓而不能工作。

為了解決這個問題，供電系統(tǒng)一般采用三相四線制，即有中線。它把電源中心與負載中心強制重合，即使負載不對稱，也能保證負載上的電壓對稱。但因為這時中線有電流，所以各相負載分配時應(yīng)盡量使各相負載對稱，以減小中線

電流。圖6.17中性點位移相量圖

2.三相負載的三角形連接

（1）對稱△負載。在對稱三相負載△接法的情況下，線電壓等于相電壓，即。線電流的有效值是相電流有效值的倍，即，線電流滯后相電流30°。相量圖如圖6.18所示。

（2）不對稱△負載。在不對稱三相負載△接法的情況下，線電流、相電流不再對稱，則，但只

要電源線電壓對稱，加在三相負載上的電壓仍是對稱的，對各相負載工作沒有影響。圖6.18對稱三相電流相量圖

3.三相電路相序的測定

三相電源有正序、逆序(負序)和零序三種相序。通常情況下,三相電路是正序系統(tǒng)，即相序為A—B—C的順序。實際工作中常需確定相序，即已知是正序系統(tǒng)的情況下，指定某相電源為A相，判斷另外兩相哪相為B相和C相。相序可用專門的相序儀測定，也可用如圖6.18所示的電路確定。在此電路中，一電容器與另兩個瓦數(shù)相同的燈泡接成星形負載。由于是不對稱負載，負載的中性點發(fā)生位移，因此負載各相電壓不對稱。若指定電容所在相為A相，則燈泡較亮的相為B相，燈泡較暗的相為C相。圖6.19圖6.19中的電容為4.7μF，兩個燈泡（相當(dāng)于電阻R）為40W/220V。設(shè)相電壓為，則

求燈泡兩端的電壓。

用彌爾曼定理計算中性點之間的電壓，則B相燈泡兩端電壓為其有效值為

C相燈泡兩端電壓為其有效值為可見B相燈泡電壓要高于C相燈泡，B相燈泡要比C相燈泡亮得多。由此可判斷：若接電容的一相為A相，則B相的燈泡較亮，C相的燈泡較暗。圖6.20三相電路功率測量的二表法對于對稱的三相四線制電路，可用一只功率表測出單相功率，三相功率為單相的三倍。不對稱三相四線制要用三只功率表分別測量各相功率。三、實驗內(nèi)容

1.Y負載電路的電壓、電流的測量

按圖6.21所示實驗電路接線，三相負載可以用燈泡替代。測量數(shù)據(jù)填入表6-9中。圖6.21Y負載的三相電路實驗

2.△負載電路的電壓、電流的測量

按圖6.22所示實驗電路接線，三相負載可以用燈泡替代。測量數(shù)據(jù)填入表6-10中。圖6.22△負載的三相電路實驗

3.三相電路功率的測量

在圖6.22所示實驗電路接線后，三相負載可以用燈泡替代。用二表法測量對稱和不對稱負載的功率，數(shù)據(jù)填入表6-10中。

4.相序的測定

按圖6.19所示實驗電路接線，測定三相電路的相序。分別測量三個相電壓，與理論值加以比較。四、實驗步驟和方法

1.實驗內(nèi)容1的步驟

(1)按圖6.21所示實驗電路接線，將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為0V的位置。待檢查接線正確后，再調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。負載對稱時先后測量有中線、無中線時的線電壓、相電壓、線電流、中線電流和兩中性點的電壓。

(2)當(dāng)負載不對稱時，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。使每相接的燈泡數(shù)不同，再測量有中線、無中線時的線電壓、相電壓、線電流、中線電流和兩中性點

的電壓。

(3)將A相開路，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為380V。再測量有中線、無中線時的線電壓、相電壓、線電流、中線電流和兩中性點的電壓。

(4)將C相短路，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。再測量線電壓、相電壓、線電流、中線電流和兩中性點的電壓。

將以上的測量數(shù)據(jù)填入表6-9中。

2.實驗內(nèi)容2、3的步驟

(1)按圖6.22所示實驗電路接線，將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為0V的位置。待檢查接線正確后，再調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。負載對稱時測量線電壓

、相電流、線電流。

(2)再按圖6.20(a)或圖6.20(b)的方案接入功率表，用兩表法測量三相電路的功率。

(3)當(dāng)負載不對稱時，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。使每相接的燈泡數(shù)不同，再測量線電壓、相電流、線電流。

(4)再按圖6.20(a)或圖6.20(b)的方案接入功率表，用兩表法測量三相電路的功率。

(5)將CA相開路，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。再測量有線電壓、相電流、線電流。

(6)將B相斷開，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相線電壓為220V。再測量線電壓、相電流、線電流。

將以上的測量數(shù)據(jù)填入表6-10中。

3.實驗內(nèi)容4的步驟

按圖6.19所示實驗電路接線，取電容為4.7μF，兩個燈泡（相當(dāng)于電阻R）為40W/220V。

將三相調(diào)壓器的旋柄置于輸出為0V的位置，待檢查接線正確后，再調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出，使輸出的三相相電壓為120V。觀察兩個燈泡的亮度,再確定三相電源的相序。五、實驗注意事項

(1)在合上和斷開電源前，調(diào)壓器的旋柄應(yīng)回零。

(2)若每相負載為單個額定電壓為220V的白熾燈泡，特別是Y形接法無中線時，由于中性點位移，燈泡上電壓有可能超過220V，故實驗中應(yīng)注意負載端線電壓不可超過220V。

(3)注意實驗線路中開關(guān)的作用和正確接法。

(4)本實驗中三相電源電壓較高，必須嚴格遵守安全操作規(guī)程，以保證人身和設(shè)備的安全。六、預(yù)習(xí)要點

(1)什么是對稱的三相電路？對稱的三相電路有什么特點？中線的作用是什么？

(2)什么是不對稱的三相電路？什么是中性點位移？

(3)對稱或不對稱三相電路的理論分析。

(4)熟悉三相電路的功率及測量。

(5)進行三相電路的相序、相序測定電路的分析。

(6)明確實驗要達到的目的、實驗內(nèi)容，以及實驗步驟和方法。七、實驗報告要求

(1)畫出實驗原理電路圖，標上參數(shù)。

(2)敘述實驗內(nèi)容和步驟，給出各種實驗測量的數(shù)據(jù)。

(3)給出實驗結(jié)論，由實驗結(jié)果說明星形電路的三相三線制和三相四線制的特點。

(4)說明三相四線制電路中中線的作用。

(5)說明三相電路功率的測量方法。

(6)說明相序測定電路的原理和測量方法。

(7)寫出本次實驗的心得體會。八、實驗設(shè)備

(1)三相調(diào)壓器1臺。

(2)三相燈組負載3套。

(3)數(shù)字萬用表1個。

(4)電容4.7μF(耐壓大于等于450V）1個。

(5)功率表2個。

(6)閘刀開關(guān)若干。實驗14互感電路的測試

一、實驗?zāi)康?/p>

(1)掌握測定互感線圈同名端的方法。

(2)掌握互感電路的互感系數(shù)、自感系數(shù)的測定方法。

(3)理解變壓器的變壓、變流和變換阻抗的三大作用。

(4)了解變壓器特性的測試方法。二、實驗原理與說明

1.判斷互感線圈同名端的方法

（1）直流法。

同名端也可以用實驗方法測定，其測試電路如圖6.23所示。虛框內(nèi)為待測的一對互感線圈，把其中一個線圈通過開關(guān)S接到一個直流電源（如干電池），把一個直流電壓表接到另一線圈。當(dāng)開關(guān)S突然閉合時，就有隨時間增長的電流i1流入線圈端鈕1，即di1/dt>0。如果此時電壓表指針正向偏轉(zhuǎn)，由于電壓表的正極連接在線圈端鈕2，這就表明端鈕2為高電位端。由于同名端的瞬時極性是相同的，由此可判定端鈕1和端鈕2是同名端。圖6.23同名端的直流實驗測定（2）交流法。互感電路同名端也可利用交流電來測定，將線圈1的1′端與線圈2的2′端用導(dǎo)線連接（如圖6.24所示），在線圈1兩端加以交流電壓u1，用電壓表分別測1及1′兩端與1、2兩端的電壓，設(shè)分別為U11′與U12，由于U12是兩個線圈端電壓之差。如果U12>U11′，則用導(dǎo)線連接的兩個端點(1′與2′)應(yīng)為異名端（即1′與2以及1與2′為同名端）；反之，1與2為同名端。圖6.24同名端的交流實驗測定

2.自感系數(shù)和互感系數(shù)的測量

（1）自感系數(shù)的測量。實際測量鐵芯變壓器線圈的自感系數(shù)時，常用電壓表、電流表和電阻表來測量，如圖6.2

5所示。由于已知鐵芯線圈是RL串聯(lián)電路，先將副邊開路，此時副邊對原邊無互感作用。用萬用表歐姆擋測得線圈電阻R1，再測得原邊電壓U1和電流I1，線圈的阻抗為因而可計算得L1。用同樣的方法可求得L2。（2）互感系數(shù)的測量。如圖6.25所示，當(dāng)互感線圈的一方接通電源時，另一方將會產(chǎn)生互感電壓，副邊開路電壓就是互感電壓。圖6.25互感的實驗測定由U2=UM=ωMI1

可得互感系數(shù)為所以，只要測出U2和I1即可計算出M?；ジ芯€圈的耦合系數(shù)為

3.變壓器的三大作用

鐵芯變壓器在一定條件下可近似為理想變壓器，如圖6.26所示，其原邊和副邊的伏安關(guān)系可表示為,式中，稱為匝數(shù)比。這表明，變壓器可以變換電壓和電流。圖6.26變壓器的電路理想變壓器除了有變換電壓、電流的作用，也有變換阻抗的作用。在圖6.26的電路中，設(shè)理想變壓器副邊接負載阻抗ZL，則從原邊端口看進去的等效阻抗為上式表明，當(dāng)副邊接阻抗ZL時，對原邊來說，相當(dāng)于在原邊接一個值為ZL/n2的阻抗,即理想變壓器有變換阻抗的作用。

4.變壓器的外特性

變壓器的外特性是指在保持變壓器輸入電壓不變的情況