实验直流电单相交流电路.doc

实验一 直流电路
一、实验目的
1.学习使用数字万用表测量电阻与交、直流电压；
2.验证基尔霍夫电压定律及电流定律，加深对正方向的理解；
3.验证线性电路的叠加原理；
4.验证戴维南定理和诺顿定理，学会测量戴维南等效电路中的开路电压、诺顿等效电路中的短路电流及等效内阻的方法；
5.自拟电路验证负载上获得最大功率的条件。

二、实验原理
1.基尔霍夫定律
(1) 基尔霍夫电流定律：电路中，某一瞬间流入和流出任一节点的电流的代数和等于零，
即∑I=0。
(2)基尔霍夫电压定律：电路中，某一瞬间沿任一闭合回路一周，各元件电压降的代数和等于零 ，即∑U =0。
2.叠加原理
在具有多个独立电源的线性电路中，一条支路中的电流或电压，等于电路中各个独立电源分别作用时，在该支路中所产生的电流或电压的代数和。
值得注意的是，叠加原理只适用于电流或电压的计算，不适用于功率的计算。
3.等效电源定理
(1)戴维南定理：一个线性有源二端网络，可以用一个理想电压源和一个等效电阻串联构成的电压源等效代替。等效电压源的源电压为有源二端网络的开路电压；串联电阻为有源二端网络中所有独立电源作用为零时的无源二端网络的等效电阻。
(2)诺顿定理：一个线性有源二端网络，可以用一个理想电流源和一个等效电阻并联构成的电流源等效代替。等效电流源的源电流为有源二端网络的短路电流；并联电阻为有源二端网络中所有独立电源作用为零时的无源二端网络的等效电阻。
图1-1 功率最大传输电路
RS
RL
ES
I
4.最大功率传输
正确匹配负载电阻，可在负载上获得最大功率，
如图1-1所示，电路中功率和负载的关系可用下
式表示(其中RL为负载，可变；RS为电源内阻，不变)，

为求得RL的最佳值，应将功率P对RL求导，
即
-
E1
E2
I2
I1
I3
I4
+
+
-
R2
R1
图1-2 直流电路实验图
R3
R4
R5
A
A
A
A
A
27W
200W
60W
100W
100W
I5
C
B
12V
14V

得 RL=RS ，即为负载获得最大功率的条件。
三、实验内容与要求
1. 数字万用表的使用
使用数字万用表测量实验板上各电阻
的阻值，直流稳压电源的输出电压（可改
变输出电压大小多测量几次），实验台上
的交流电源的电压大小。
注意：用数字万用表测量电阻时，电阻不能
带电；测量不同的电量，万用表要正确换档。
2.实验电路
本实验采用图1-2所示的含有两个独立电源的线性电路。实验时要正确连接线路。
3.基尔霍夫定律
按图1-2所示电路连线，分别测出各元件两端的电压和各支路中的电流，并记录于表1-1中。用以验证基尔霍夫电流定律和电压定律。

表1-1
物理量
I1
I2
I3
I4
I5
UE1
UE2
UR1
UR2
UR3
UR4
UR5
记录值

4.叠加原理
在图1-2中，按E1和E2共同作用、E1单独作用、E2单独作用的次序，测量各支路的电流，并填入表1-2中，电流值的正负号以图1-2中各支路电流的参考方向为准。
注意：当E1单独作用时E2不起作用，对E2的处理方法是将作为E2的稳压电源关闭并拆除，另用一根导线把实验板上E2的两接线柱短接。同样E1不起作用时亦如此处理。
表1-2
次序 电流
I1
I2
I3
I4
I5
E1和E2共同作用

E1单独作用

E2单独作用

5.戴维南定理
在图1-2中，将R5支路去掉，测量有源二端网络B、C间开路电压UOC、等效内阻RO和电阻R5的数值，并将所测数据记于表1-3中。
注意：测量电阻R5时，要将电源关掉，绝对不允许带电测电阻。测量内阻RO时要使E1 与E2不起作用，具体作法参照实验内容4操作。
表1-3
物理量
UOC
RO
R5
I5
实 测
计 算
数 值

6.诺顿定理
同实验内容5，去掉R5支路，测量有源二端网络B、C之间短路电流ISC，等效电阻RO和支路电阻R5，并将所测数据记录于表1-4中。
表1-4
物理量
ISC
RO
R5
I5
实 测
计 算
数 值

7.最大功率传输条件测试
首先参照原理简述中的说明推导出负载获得最大功率的条件，然后自拟电路，自制表格，并进行测试。

四、实验设备
实验中使用的设备见表1-5。
表1-5
名称
规格与型号
数量
实验电路板
参数见电路图1-2
1块
数字万用表
MS8217
1块
直流稳压电源
EM1719A
2台
直流毫安表
C65-Ma, 0-300mA,6档
1块
注：数字万用表、直流稳压电源的使用方法详见第三章。

五、实验报告要求
1.实验题目、目的、内容(包括实验电路图和实验数据表格)；
2.整理所有的测量数据，记于相应的表格中，并根据要求进行计算；
3.根据实验数据，可选择任一回路、节点或支路，验证基尔霍夫定律、戴维南定理、叠加原 理，分析产生误差的原因；
4.画出最大功率传输实验的电路图、必要的测量表格，写出推导过程，画出P=f(RL)曲线，说明实验结果；
5.分析实验中遇到的问题及解决办法，写出实验后的一些体会。

六、注意事项
1.严禁电源短路，换接线路时要将稳压电源关闭；
2.根据被测对象随时转换万用表的测试按键、表笔插孔及面板按键；
3.测量电流时要将表串接在电路中，严禁同电源并联；
4.测量电阻时，要切断电源，严禁带电测量电阻；
5.测量电流或电压时，如发现表针反转，应把两个接线端子上的接线予以对调。

七、思考题
1.错把电流表当电压表使用，会产生什么结果?就图1-2的具体电路加以分析。
2.能不能用叠加原理进行功率计算?为什么?
3.叠加原理、戴维南定理使用条件是什么?

实验二 单相交流电路的研究
一、实验目的
1.通过对R、L、C的串联、并联及混联电路的实验，了解正弦交流电路中，总电压、电流和各部分电压、电流之间的相量关系；
2.了解电容器与电感性负载并联提高功率因数的概念和意义；
3.学习单相正弦交流电路中电压、电流及功率的测量方法。

二、实验原理
1.R-L-C串联电路
R-L-C串联电路是一个典型的交流电路，它可以简单明了地说明交流电路中电压和电流及各部分电压之间的相量关系。其电路图及相量图如图2-1(a)和(b)所示，

图2-1 RLC串联电路
R
C
.
I
U
.
.
UR
.
UC
.
UL
（a）
（b）
.
UC
UR
UL
U
I
.
.
.
.
j
+
-
XL
+
+
+
-
-
-

其电流电压关系为
U=UR+UL+UC=Rİ+jXLİ-jXCİ=İ(R+jXL-jXC)=İZ
2.功率的测量
交流电路的有功功率不仅与电压、电流有效值的乘积有关，而且还与负载的功率因数有关，即
P=UIcosφ
单相交流电路的功率，一般用功率表测量，功率表的原理结构图如图2-2(a)所示。
功率表内有两个线圈，一个是电流线圈，测量时与所测元器件串联连接，另一个是电压线圈，测量时与所测元器件并联连接。图2-2(b)所示为单相功率测量的接线图，其电压、电流的量程均需选择大于实测电压、电流的大小。功率表的使用方法详见第二章第三节。
*
*
*
*
RL
U
.
.
I
(a) 原理图
(b) 测量图
图2-2 单相功率测量接线图
公共端
电压线圈
电流线圈

三、实验内容与要求
图2-3 RC串联电路
R
C
I
U
.
.
UR
.
UC
.
.
UL
XL
R
I
U
.
.
UR
.
图2-4 RL串联电路
.
UL
XL
R
I
U
.
.
UR
.
图2-5 RLC串并联电路
C
.
IL
IC
.
-
+
-
-
+
-
-
+
+
-
+
+
根据实验室提供的实验设备完成以下实验内容的设计：

1.R-C串联电路（图2-3，取R=120W，C=30mF）：
设计实验方案，根据测量数据了解RC串联电路中，各部分电压和电流之间的相量关系。测量数据记录在表2-1中，并与理论计算值进行比较。
表2-1
物理量
U
I
UR
UC
测 值

计 算

2.R-L-C串联电路（图2-1，取R=120W，C=15mF，XL=100W）：
设计实验方案，根据测量数据了解R-L-C串联电路中，各部分电压和电流之间的相量关系。测量数据记录在表2-2中，并与理论计算值进行比较。
表2-2
物理量
U
I
UR
UL
UC
测 值

计 算

3.R-L串联电路（图2-4，取R=120W，XL=100W）：
设计实验方案，根据测量数据了解RL串联电路中，各部分电压和电流之间的相量关系。测量数据记录在表2-3中，并与理论计算值进行比较。
表2-3
物理量
U
I
UR
UL
测 值

计 算

4.R-L-C串并联电路（图2-5）：
以3的内容为基础，并联电容，电容器容量分别选择4mF、8mF、10mF、12m、16mF、20mF，分别进行实验观察电路中各个物理量的变化。设计实验方案，记录并联电容后电压和电流测量结果，测量数据记录在表2-4中。
表2-4
电容量物理量
4mF
8mF
10mF
12mF
16mF
20mF
I

IC

5. 采用内容4的电路，测量电路的总功率、电阻上的功率、电感上的功率和电容上的功率, 测量数据记录在表2-5中,并分析并联电容后对电路总有功功率的影响。
表2-5
次序 物理量
1
C=0mF
2
C=8mF
3
C=12mF
4
C=20mF
P

PR

PL

PC

R1
C
.
I
U
.
.
UR2
.
UC
.
UL
+
-
XL
+
+
+
-
-
-
R1
R2
+
-
UR1
.
图2-6 RLC混联电路

*6.混联电路（图2-6，取R1=R2=120W，C=30mF，XL=100W）：
设计一个R，L，C串并联混合电路实验
方案，测量数据记录在表2-6，根据测量数据
了解R、L、C串并联混合电路中，各部分电
压和电流之间的相量关系。

表2-6
物理量
U
UR1
UL
UR2
UC
I
IL
IC
测 值

计 算

四、实验设备
实验室提供实验用单相交流电源电压为36V。
实验室可提供的设备见表2-7。
表2-7
设 备 名 称
规格与型号
数量
电 阻
240W，250W
2只
电 感 器
0-50-100W
1组
电 容 器
1mF-2mF-4mF-8mF-10mF-20mF
1组
交流电流表
T51, 0-250mA-500mA-1000mA
1块
交流电压表
T51,0-75-150-300-600V
1块
功 率 表
D51,0-75-150-300-600V,0.5-1A
1块
注：请阅读附录一，了解实验台及设备情况。

五、实验报告要求
1.实验题目、目的、内容(包括设计的实验电路和实验数据表格)。
2.整理实验数据，填入各个表格中，根据要求进行计算，并画出相应的相量图，分析实验的准确性。
3.回答思考题。
4.对实验中出现的不符合理论上的现象进行分析说明。

六、注意事项
1.电路中测电流的地方须接电流插孔盒，电流表须固定接电流表插头。绝对禁止用电流表测
量电压。
2.实验中每次电源开关合闸前，电压表与电流表要脱离实验线路，防止电压或电流冲击电表。
3.接线、拆线、改换电路时，须先断开电源和对电容器进行放电。
4.注意功率表的正确使用方法，请阅读实第二章第三节。

七、思考题
1.实验内容4中，当电容量增加时，总电流怎样变化?为什么? RL支路的电流变化吗?为什么?
2.并联电容可提高功率因数，而电路的有功功率是否改变?为什么?
3.在实验内容5中，测得电路总功率和电阻上消耗的功率不相等，为什么?

附：电流插孔盒和电流表插头的使用介绍
在测电流时，为安全方便起见，采用电流插孔盒和电流表插头。如图2-7所示，电流插孔盒的插孔中，有一对金属片，两个金属片平时是接通的，就相当于一根导线接入线路。电流表插头的两根接线端接在电流表的两接线柱上，把电流
图2-7 电流插孔盒的结构
表插头插入电流插孔盒中，两金属片分开，电流表就
被串联接在电路中。实验时，把插孔盒分别串联接入
被测支路中，插头接在电流表两接线端上，测哪条支
路电流，电流表插头就插在相应的插孔盒中，就可测
出相应支路的电流值。既安全又方便。