电工学实验指导书(09版)

电工学实验

华南师范大学

物理与电信学院电路分析、电工实验室

2009．3

目 录

电工实验概述 （2） 实验一 电路元件伏安特性的测定 (6) 实验二 基尔霍夫定律的验证 （8） 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七

叠加原理验证

改善功率因数实验 三相负载的连接 常用电子元、器件的识别与检查 三相异步电动机的点动和自锁控制 11）

13） 18）

21） 26） （ （ （ （ （

电工实验概述

一﹑实验前的准备工作

1．认真预习实验指导书及教材中的有关部分，通过预习，充分了解本次实验的目有﹑原理﹑步骤和仪器的使用方法，并将实验目的﹑基本原理﹑实验电路﹑实验数据填写的表格写画在实验报告上。

2．进入实验室后，要熟悉DGJ─1型高性能电工综合实验台实验装置的结构及电源配备情况，选中本实验所用电源及接通电源时各开关动作顺序。按指导书所列仪器清单，挑选所用实验电路板及测量仪表单元板，检查所用其他仪器设备是否齐全和符合实验要求。

二﹑ 根据实验电路图，联接实验电路

1．导线的长短和两端接头种类的选择要合适，联接导线应尽可能少用，并力求简捷﹑清楚，尽量避免导线间的交叉。接头要插紧，每个接线柱上最好不要多于二个播头。图0—1画出了实验电路图及两种不同的接线方法，显然图0—1（C）接线方法较好。

2．一般应先接串联电路,后接并联回路;或先接主电路,后接辅助电路,最后接通电源电路。

3．任何负载应先经过开关和保险才能和电源联接,并根据负载电流的大小选择保险丝。

4．线路接好后,先由同组同学做好复查工作,再经经教师检查,方可接通电源。 5．实验过程中,如需改变接线,必须先切断电源,待改完线路并再次进行检查后,方可接通电源继续进行实验。

6．为避免电路过渡过程冲击电流表和功率表电流线圈而损坏仪表,一般电流表和功率表电流线圈并不接死在电路中,而是通过电流测量插口来代替它。这样既可以保护仪表不受意外损坏,并且可以提高仪表的得用率。电流测量插口是专门为电流表方便地串入电路而设计的。插口两极是用插头制成。当将电流插头插入插口时,插头的绝缘层将电路切断,又通过电流表将电路接通,从而达到测量电路电流的目的。当将插头拨出插口时,电路又自动闭合。

三﹑数据的观测与记录

观测并记录实验中的现象和数据是实验过程中最主要的步骤,必须认真仔细地进行。

1．测量数据前的试做检查

为保证实验结果的正确,接通电路以后,不要忙于马上测量数据,而要先大致试做一遍,主要观察各被测量的变化情况和出现的现象是否与理论预料结果相符,如果出现非正常情况,应及时找出原因进行处理。试做过程还可以发现仪表种类和量程选择是否合适,设备的放置及操作是否方便等。若有问题都应在正式实验之前解决。

2． 数据的测量与记录

试做无问题就可以读取数据,如果要测某一变化曲线,测量点的数目和间隔应选得合适。被测量的最大值或最小值相应的点一定要测出；在变化曲线的较弯曲处，测量点应选得密一些，变化曲线较平滑处，测量点可取得稀一些。测量点要分布在所研究的整个范围内，不要仅局限于某一小部分。测量点的选择，在试做时就要给予考虑。图0-2是合理选择测量点的一个例子。

利用指针式仪表测量数据时，目光应正对仪表（对有反射镜的仪表，在看到指针与它在镜中的影像重合时方可读数）。一般指针式仪表可读出三位有效数字，未位数字根据指针在小格中的位置来估计。

实验数据应记在事先列好的数据表格中，一定要注明被测量的名称﹑单位。保持定值的量可单独记录。

四﹑ 安全用电

1．实验中应严肃﹑认真﹑细心地进行测试，因电压一般在220-380伏左右，所以不得用手触及未经绝缘的电源或电路中的裸露部分。在接线﹑拆线和改接线路时均应切断电源。

2．闭合或断开闸刀开关时应迅速果断，

同时用

目光监视仪表和电机设备有无异常现象。例如，有无指针反偏或超量程现象，有无发热﹑冒烟﹑电机转速过高等现象。如果有这些现象应立即切断电源，停止实验，并进行检查。

3．电源接通后，应培养单手操作习惯，能用单手操作的尽量不用双手操作，以防双手触及线电压电路。

4．万一出现某种事故，应迅速切断电源，本实验台上有一桔红色“急停”按钮，按下此钮将会迅速切断电源（在正常情况下不要随便按动此钮，以影响实验的正常进行）。

五﹑ 实验总结与报告

1．实验后，应先核对实验数据是否齐全﹑合理，并经教师审核，以便在电路拆除前有核对和重新测量的机会。拆除线路前应首先切断所有电源，然后逐一拆除线路，并将仪器﹑工具﹑导线放置整齐。

2．实验报告的内容应包括： （1）实验目的与要求。

（2）实验原理（主要画出实验电路及写出计算公式）。

（3）整理实验数据，计算实验结果及绘制特性曲线。实验曲线应绘制在坐标纸上，并标明坐标轴所代表的物理量 ﹑单位。绘制曲线时，应用光滑细线条连接，不能用曲折线连接，不要强求曲线通过所有的实验数据点。图0-3给出了

（A） （B） 图0-3实验曲线的绘制

二种绘制实验曲线的方法，其中图0-3（A）的绘制方法是正确的。

（4）回答实验指导书中提出的间题；总结实验中的心得体会和对实验的改进意见。

3

．实验报告与上述要求相差较大时，指导教师可退还学生，并指定学生重

做。实验报告应在做下一个实验前交给指导教师批阅，逾期不交者应停止参加下一个实验。

六﹑关于有效数字及实验数据的运算处理

在许多情况下，测量仪表的指示位置不一定恰好与表盘刻度线相符合，这就需要用估计法来读取最后一位数，这个估计出来的数字称为存疑数字（或欠准数字），超过一位存疑数字的估计是没有意义的。存疑数字前面的几位数字称为可靠数字。可靠数字加上未位的存疑数字称为有效数字。在记录有效数字时应注意以下几点：

1．有效数字的位数与小数点无关。例如1326与13.26都是四位有效数字。 2．“0”在数字之间或数字之未，均算作有效数字，在数字之前不算是有效数字。例如1.05﹑4.50都是三位有效数字，而0.45﹑0.015只是二位有效数字。还要注意3.5和3.50的意义是不同的，前者中的“3”是可靠数字，“5”是存疑数字；后者“3”和“5”均可靠数字，“0”是存疑数字。故3.50中的“0”是不能省略的。

3．对于较大的数，有效数字的记法采用指数形式，以10的方次前面的数字代表有效数字。例如：4.5×102 ，5.8×103 等分别为二位及三位有效数字 5.80×103 不能与成5.8×103 。对于很小的数，例如：0.0036可写成3.6×10-3 。

4．进行数字运算时，应注意只保留一位存疑数字，它后面数字完全可以省去，在去掉第二位存疑数字时要用四舍五入的方法。 例子． 44.6+3.67=？

式中第一个数的“6”是存疑数字，第二个数的“7”是存疑数字（在数字下面加一横表示），做加法时有

44．6

48．因为44.6中的“6”是存疑数字，所以“6”加“6”进位后的“2”也一定是存疑的，而它后面的“7”更是存疑数了。舍去第二位存疑数字时，按四舍五入的原则，“7”应进上一位，故

44．6 + 3 .67=48.3 例2． 12.36×1.35=？

式中有疑数字有四位，应只保留一位，去掉第二位存疑数字“8”时，应进上一位﹑故 12．36×1.35=16.7

一般说来，几个数相乘或相除时，最后结果的有效数字位数与几个数中有效数字位数最少的那个数相同。

实验一 电路元件伏安特性的测定

一、 实验目的

（1） 熟悉直流电流电压表、电流表及万用表的使用方法 （2） 增强对线性、非线性电阻及电源伏安特性的感性认识。 （3） 学会绘制实验曲线。

二、 实验原理

电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件的电流之间的函数关系。线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律，其伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线；非线性电阻元件的阻值不是常量，其器伏安特性不是直线。 实际电源的伏安特性是指实际电压源（或实际电流源）的输出电压、电流关系曲线。由于直流稳压电源的内阻很小，可近似看作恒压源。

测量电压时应该将电压表并联在被测元件两端，测量电流时应该将电流表串联在被测电路中，测量直流时应严格注意选择正确的极性和合适的量程。

三、 实验设备

四、 实验内容

1. 元件伏安特性的测试

（1）将200Ω电阻作为待测元件R1,按图1-1(a)所示电路接线，将稳压电源输出电压调至0V,逐步改变输出增加到10V,每隔2V，记下电压表和对应电流

表读数，填入表1-2.

（2）改变图1-1（a）的连接如图1-1(B) 电路所示，按上述步骤重做一次，

并将测量数据填入表1-3.

2、电源伏安特性的测定

（1）按图1-2所示电路接线，图中用可变电阻箱作可调电阻。

（2）断开开关S，通过测量电压UAC，并调节直流稳压电源，使电源电压的输出为15V；合上开关S，调节电阻箱使电流表指示分别为10mA、20mA、30mA、40mA、50mA，并测量相应的电压值UAC，将测试数据记入表1-4。

五、 实验报告

1.根据实验内容与步骤，记录各项测试数据。 2.用坐标纸分别绘制电阻、电压源的伏安关系。

3.根据测量数据，用公式表示电阻、电压源的端电压U与电流的关系。 4.讨论表1-2和表1-3的数据有何差别？为什么会出现这些差别？

5. 总结直流电压表和电流表的使用方法和使用中要注意的问题。

实验二 基尔霍夫定律的验证 一、实验目的

1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对KCL、KVL的认识和理解。 2.理解电路中参考点的含义，掌握电位的测量方法。

二、实验原理说明

电路中某点到参考点（也称零电位点或接地点）之间的电压称为该点的电位，参考点选定后，电位是个绝对量；电压是两点电位之差，是个相对量。

基尔霍夫电流定律（KCL）：任一时刻，流入电路中任一点的各个支路电流的代数和为零。即∑I = 0。在列KCL方程时，电流的参考方向指向节点的，则该电流项前取“+”号，否则取“-”号。

基尔霍夫电流定律（KVL）：任一时刻，沿电路任一回路绕行一圈，各段电压的代数和为零。即∑U = 0。在列KVL方程时，若某段电压的参考方向与回路绕行方向相同时，则该电压项前取“+”号，否则取“-”号。

四、实验内容及要求 按图２－１所示连接好实验电路，

各条支路中都串接一个电流插孔，以便测量个支路电流，将稳压电源的输出调至US1＝12Ｖ，US2＝６Ｖ，电路中R1

＝R2＝200Ω，R3＝100Ω.

（１）电位测量

①以Ａ点为参考点用万用表测试Ｂ﹑Ｃ﹑Ｄ点的电位。

图2-1基尔霍夫定律验证电路

将万用表红棒置于待测点Ｂ，将黑棒置

于参考点Ａ，测量电压U2。如果指针反偏，说明Ａ点的实际电位高于Ｂ点电位，

立即对调表棒测试电压UAB ，则UB＝UBA＝－UAB。Ｃ点和Ｄ点的电位用同样方法进行测量。

②同样方法，以Ｂ点为参考点用万用表测试Ａ﹑Ｃ﹑Ｄ点电位。

将以上测量结果填于表２－１，并计算电压UCA﹑UAB﹑UAD（UCA ＝UC－UA，UAB ＝UA＝UB，UAD ＝UA－UD）。

（２）验证KCL

电流I1、 I2、 I3参考方向如图2-1所示，测量I1、 I2、 I3时，如果电流表指针反偏，说明仪表极性接反，调换插棒在电流表上的两个接线脚，即可重新测量。应注意I1、 I2、 I3的数值正负取决于其实际方向与参考方向的关系。由节点电压法可知节点电压UAB＞０，因此，电流I3的实际方向应由Ａ到Ｂ（所以I3为负值）。先测量I3，再测量I1和I2与I3比较后可判断I1、 I2的实际方向。 US2分别取6V，12V，US1保持15V，分别测量个支路电流值，并与用公式计算值进行比较，将结果填入表２－２

（３）验证ＫＶＬ

电路及元件参数同上，万用表分别测量UAB、UBC、 UCA、 UAD、UDB、UBA的值，并计算回路Ⅰ和Ⅱ的∑U，将结果填入表2-3

五、实验报告

1．记录实验内容步骤与实测结果，说明电路中两点的电压与参考点的选择有无关系。

2．用格式计算各支路电流I1、I2、I3,并与测量值进行比较。

3．根据实验数据表格，进行分析﹑比较，归纳﹑总结实验结论，即验证基尔霍夫定律的正确性。

实验三 叠加原理的验证

一、实验目的

验证线性电路叠加原理的正确性，加深对线性电路的叠加原理的认识和理解。

二、原理说明

叠加原理指出：在有多个独立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独立源单独作用时在该元件上所产生的电流或电压的代数和。

F

图2-1

三、实验设备

四，实验内容

实验线路如图2-1所示，用DG05桂箱的“基尔夫定律/叠加原理”线路。 1．将两路稳压源的输出分别调节为12V和6V，接入U1和U2处。 2．令U1电源单独作用（将开关K1投向U1侧，开关K2投向短路侧。）用直流数字电压表和毫安表（接电流插头）测量各支路电流及各电阻元件两端的电压，数据记入表2-1。

表2-1

3．令U2电源单独作用（将开关K1投向短路侧，开关K2投向U2侧），重复实验步骤2的测量和记录，数据记入表2-1。

4．令U1和U2共同作用（开关K1和K2分别投向U1和U2侧），重复上述的测量和记录，数据记入表2-1。

5．将U2的数值调至﹢12V，重复上述第3项的测量并记录，数据记入表2-1。

五，实验注意事项

1．用电流插头测量各支路电流时，或者用电压表测量电压降时，应注意仪表的极性，正确叛断测得值的“﹢，-”号后，记入数据表格。

2．注意仪表量程的及时更换。

六，预习思考题

在叠加原理实验中，要令U1，U2分别单独作用，应如何操作？可否直接将不作用的电源（U1或U2）短接置零？

七， 实验报告

1．根据实验数据表格，进行分析﹑比较，归纳﹑总结实验结论，即验证线性电路的叠加原理。

2．各电阻器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，进行计算并作结论。

实验四 改善功率因数实验

一﹑实验目的

1. 研究正弦稳态交流电路中电压、电流相量之间的关系。 2. 通过测量电路功率，进一步掌握功率表的使用方法。 3.掌握改善交流电路功率因数的方法。

二﹑原理说明

（一）. 交流电路中电压、电流相量之间的关系

1．在单相正弦交流电路中，用交流电流表测得各支路的电流值，用交流电压表测得回路各元件两端的电压值，它们之间的关系满足相量形式的基尔霍夫定律，即 I=0和 U=0 。

2．图3-1所示的RC串联电路，在正弦稳态信号U的激励下，UR与UC保持有900的相位差，即当R阻值改变时，UR的相量轨迹是一个半园。U、UC与UR三者形

成一个直角的电压三角形，如图3-2所示。R值改变时，可改变 角的大小，从而达到移相的目的。

（二）2.功率因数的提高

在正弦交流电路中，只有纯电阻电路，平均功率P和视在功率S是相等的。

图3-1

图3-2

图

3-3

电路中含有电抗元件并在非谐振状态时平均功率总是小于视在功率。平均功率与视在功率之比称为功率因数，即

pUICOS

COS

SUI

可见功率因数是电路阻抗角φ的余弦值，并且电路中的阻抗角越大，功率因数越低；反之，电路阻抗角越小，功率因数越高。

功率因数的高低反映了电源容量被充分利用的情况。负载的功率因数低，会使电源容量不能充分利用；同时，无功电流在输电线路中造成损耗，影响整个输电网的效率。因此，提高功率因数成为电力系统需要解决的重要课题。

实际应用电路中，如图3-3所示，负载多为感性负载，所以提高功率因数通常用电容补偿法，即在负载两端并联补偿电容。容量为：

C

P

(tan 1 tan 2) 2

U

其中 1为补偿前的功率因数角， 2为补偿前的功率因数角。加入电容后，电路的总电流I是电容电流IC和负载电流IL的矢量和。电容的电流和负载电流相位差大于900，适当的电容可使输入电流I降低。但当补偿的电容量过大时，使电路由感性变为容性，反使输入电流I增大。

三、实验设备

四、实验内容

1．按图3-1接线。R为220V﹑15W的白炽灯泡，电容器为4.7UF/450V。经指导教师检查后，接通实验台电源。记录U﹑UR﹑UC值，验证电压三角形关系。

图3-4

2.在实验台中选择镇流器与开关、电流测量插口，用15W灯泡作电阻R,并联电容器连接成图3-4所示电路。

3.闭合开关K，此时灯泡应亮，从0起逐步增大电容量，分别测量输入电压U、总电流I、负载灯管电流IL、电容器电流IC、功率P。将数值填入表3-2。

表3-2

五、实验报告

1.根据表3-1中的数据，在坐标纸上绘出IL = f ( C )。IC = f ( C )。I= f ( C )。

COSφ = f ( C ) 等曲线。

2.从测量数据中，求出灯泡等效电阻。镇流器等效电阻，镇流器电感。 3.回答以下问题：

（1）在表3-1中UR 和UC 的代数和为什么大于U?

(2) 在图3-4中并联电容器后，总功率P是否变化？为什么？ （3）为什么并联电容器后总电流会减少？绘相量图说明。

附：功率的测量与功率表的使用

测量电路功率的功率表可用电动式仪表。

电动式功率表既可测量直流功率，也可以用来测量交流功率（有用功率）。直流电路中的规律可以用测量的直流电流和直流电压的乘积求得，而交流电路的功率一般要用功率表进行测量。

使用功率表应根据功率表上所标明的电压、电流限量，将电流线圈（固定线圈）串联在被测电路中，电压线圈（可动线圈）并联在被测电路的两端。为了减少测量误差，对于高阻抗负载，应按图1接线，功率表的电压线圈所反映的电压值包括了负载的电压和功率表电流线圈的电压。功率的读数中除了负载功率之外，还包含有仪器本身电流的功率损耗。对于低阻抗负载，应按图2接线，功率表电流线圈中的电流，包括了负载之外，还包含仪表本身电压线圈的功率损耗。

一般有功率表本身损耗引起的测量误差是跟小的，但在测量小功率和要求精确测量时，选择合适的接线方式是很重要的。

功率表本身有两个电流限量，两个或多个电压限量，以适应测量不同负载功

率的需要。表内有两个完全相同的电流线圈（定圈）。其接线端分别引出带表面上，可通过金属片将两个电流线圈串联过并联（如图3所示），并联时允许通过的电流是串联的两倍。电压线圈通过串联不同的附加电阻以扩大电压量程，（如图4所示）其中有“*”号为公共端。

图5为具有三个电压量限，两个电流量限的瓦特表的接线图。在图中，两个电流线圈互相串联，所使用的电压量限为300伏。应注意的是，电压和电流

线圈的起端（标有*号）要接在同一条电源线上。

图5

瓦特表的满刻度值是根据仪表的额定电压Um额定电流Im额定功率因数COSφ这三个常数计算出来的。如果使用瓦特表时，电压选为300伏，电流限量为2.5安，则Um= 300伏。Im=2.5安。设瓦特表的额定功率因数（标在刻度盘下方）COSφ=0.2,于是，满刻度所代表的电功率=UmImCOSφ=300 2.5 0.2=150瓦特。

瓦特表中部靠右边开关2，在正常情况下应位于“+”处，如遇瓦特表反向偏转（在用二瓦特表法测三相电路功率时会遇到此现象）时，就将开关转到“-”处，瓦特表就会向正偏转了。

实验五 三相负载的连接

一、实验目的

1.验证对称负载作星形连接时，负载线电压和负载相电压的关系。 2.了解不对称负载作星形连接时中性线的作用。

3.验证对称和不对称负载作三角形连接时，负载线电流和负载相电流的关系。

二、实验设备

三相220、127伏特电源，灯排三组，交流电压表一个，交流电流表一个，电流插口四个。

三、实验原理简述和实验步骤

三相负载作星形和三角形连接时，线电压和相电压、线电流和相电流的关系如表4-1

实验步骤如下： 1.三相负载的星形连接

图4-1

（1）按图4-1连接电路，凡是有安倍计的地方都用电流插口代替。测量测量电流时，将接有安倍计的电流插口插在该插口上即可。

（2）中性线上的开关K先接通，令三相负载对称，接通电源开关，然后测出负载相电压、线电压、相电流、中性线电流以及两个中性点间的电压，并记入表4-2中，再算出计算值。 表4-2

（3）断开中线上的开关K，重复步骤（2）中的各项测量和计算。

（4）中线上的开关再接通，令三相不对称，然后重复步骤（2）中的各项测量和计算。

（5）断开中线上的快感K，重复步骤（2）中的各项测量和计算。 2.三相负载的三角形连接

图4-2

（1）按图4-2连接电路，凡是有安倍计的地方都用电流插口代替。

（2）先使三相负载对称，接通电源后，用电压表测出负载的相电压和线电压，用安倍表测出相电流和线电流，并填入表4-2中。然后算出计算值。 （3）使三相负载不对称，重复步骤（2）。

四、思考题

1.负载作星形连接时，中性线起什么作用？中性线断开对用电器有扫描影响？ 2.负载作三角形连接时，线电流和相电流的关系式IL

负载相电压和线电压的关系式是什么？

P在什么条件下成立？

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