新电工学实验指导书.doc

实验一 基本元件的伏安特性的测试（第3周周6）
一、实验目的： （一班1，2节；二班3，4节）
1、 学习万用表和直流毫安表的使用方法。
2、 练习用万用表、伏安法测量电阻值。
3、 学习测试电压、电流的基本方法。
4、 掌握线性电阻和非线性电阻的概念。
二、 原理：
电阻有专门制作的电阻元件，还有寄生电阻（或叫固有电阻），如导线、电灯泡、电机、电感线圈、仪表壳等都具有电阻，只不过有大有小而已。小于1欧的电阻称为小电阻，如导线的电阻、我们使用的电子沙盘上的插孔与导线的接触电阻，仅有几个毫欧；大于1欧姆小于0.1兆欧的称为中值电阻，这种电阻在工作中遇到的机会较多，如电灯泡、镇流器、一般的电阻器、电位器、小电机绕组、还有电流表、电压表测量线圈的电阻；大于0.1兆欧的电阻称为大电阻，如导线的外皮、接线柱的外壳、绕制变压器和电机绕组的漆包线上的绝缘漆、仪表的外壳、电子沙盘的基板。根据其特性又可分为线性电阻和非线性电阻。如常用的电阻器、电位器都属于线性电阻；二极管、三极管、电灯泡的电阻值不是常数，可被抽象为非线性电阻。
由于电阻值相差甚大，其测量工具及测量方法也有所不同，在物理学实验中已有详细介绍。在此，我们用直接测量法和间接测量法练习中值电阻的测量。
什麽是直接测量法哪？顾名思义就是直接测量要测的那个物理量。测量电阻所用的工具有欧姆表、万用表、电桥。在这里只练习用万用表测电阻的方法，如果你用的是指针式万用表，先选好倍率档位，再作欧姆调零：将两只表笔短接，转动调零电位器，使指针指向0W刻度，即可测试，被测电阻的阻值等于表针指出的刻度数乘以所选档位的倍数。以后，每更换一个档位都要重新调零。如果你用的是数字万用表，要注意表内电池电压正常否，选好欧姆档位直接测试，液晶屏上显示的数值就是被测电阻的阻值。关于万用表的介绍请参看附录二。
关于间接测量法，就是先测出其他物理量，再通过计算来获得所要的物理量。在此，我们给电阻两端加上电压，然后测出电阻两端的电压和流过电阻中的电流，根据欧姆定律R=U/I即可算出其阻值。这种测量法叫伏安法。
电阻器与电位器的知识参看附录一：常用电路元件及器件介绍。
元件的伏安特性
电阻器与电位器的伏安特性：是以施加在它两端的电压及流过该元件的电流之间的关系来表征的。常以伏安特性或来表示。
线性电阻的阻值是常数，它两端的电压与流过的电流成正比，电阻器与电位器属于线性电阻。伏安特性曲线是一条通过原点的直线，如图1-1所示。它表明了线性电阻的、的比值R是一个常数，其大小与、的大小及方向无关。这说明线性电阻对不同方向的电流或不同极性的电压其性能是一样的，这种性质称为双向导电性.
非线性电阻的阻值不是常数，如电灯泡、二极管、稳压二极管等都可以抽象为一个非线性电阻元件，它们的伏安特性曲线不是直线而是曲线，如图1-2所示。本实验中加入非线性电阻的测试，仅仅为了与线性电阻相比较，以说明非线性的概念，实验对象选择了二极管，并不是为了研究它的完整特性，所以，只测其正向特性以说明问题。

i
i
u
u
0
0
图1-1 线性电阻伏安特性曲线 图1-2 非线性电阻的伏安特性曲线

电压与电流的测量
在本实验中的电量都是直流量。直流电压是有极性的，直流电流是有方向性的，直流测量仪表也是有极性的。在此，用万用表测电压，用毫安表测电流。
用万用表测量直流电压，首先调节万用表的旋钮指向DCV的合适的档位（即选择量程），这时万用表相当于一只直流电压表，测量时通过两只表针临时并联在被测电路的两端，红表棒一端为正极，要连高电位一侧，黑表棒一端为负极，要连到低电位一侧，连接反了表针会反偏。
测量电流的毫安表是通过电流插头、插座串联在被侧电路中的，要保证电流从毫安表的正极流入，负极流出，否则，表针反偏。毫安表是在测量时临时串入电路的，不是固定接入的，这样可一表多用。在DZ-I型电子沙盘上有四个电流插口（电流插口在电路中的表示符号如图1-5所示），在需要测量电流的每条支路中要各串入一个电流插口。测量电流时，将电流插头插入电流插孔内，电流表就串入电路中了。电流插头是用双面复
图1-5电流插口 图1-6电流插头

铜板做的，涂红色标记的一侧焊接了一条红线，接到毫安表的正极测量端子上，另一侧的导线接到负极测量端子上。插入电流插口后若表针反偏时，拔出插头反过来再插入即可。由此，还可以确定电流在电路中的实际方向。

三、 实验内容及步骤：

图1-7 测线性电阻伏安特性的电路
元件伏安特性的测量
1、 测量线性电阻的伏安特性
取R=200W的电阻作为被测元件，2.2KW的电位器作分压器。按图1-8接好线路（实验用直流电源可用直流稳压电源，也可用干电池组）。根据表1-4中给定的参考电压值，测出对应的电流值并记录。

VD
图1-8 测二极管伏安特性的电路
表1-4 电阻的伏安特性的测量结果
（v）
0.5
1
2
3
4
5
（mA）

2、测量二极管的正向伏安特性
取硅二极管一只，200W限流电阻一只，按图1-9接线。
根据表1-5中给定的电压值，测出对应的电流值并记录。
表1-5 二极管的伏安特性的测量结果
（v）
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.65
0.7
（mA）

四、 实验设备及器件：
多路稳压电源或干电池盒两只
直流毫安表 一只
万用表 一只
电子沙盘 一只
电流电阻元件 二只
电位器 一只
电流插头 一只
导线 若干
五、 实验报告要求：
1、 参考序言中关于编写实验报告的规则及要求，结合本实验的要求书写实验报告。
2、 根据实验中所得数据，在坐标纸上绘制线性电阻、二极管的伏安特性曲线。
3、 分析实验结果，并得出相应的结论.
六、 预习要求：
1、 阅读本次实验的项目及内容。
2、 阅读实验项目中与《电工学》教科书中相关的知识章节。实验前应写出预习报告。
3、 在预习报告的电路图中标出电压表（万用表）、毫安表接入电路时的极性。

实验二 单相交流电路的研究
一、 实验目的
1、 学习交流电压表、交流电流表、功率表的使用方法。
2、 学习交流参数测量仪的使用方法。
3、 研究正弦交流电路中电压、电流相量之间的关系。
4、 了解提高感性负载功率因数的方法及意义。
5、 了解日光灯电路的工作原理。
二、 原理与说明
正弦交流电是具有大小和相位的量，称为“相量”，以区别于“标量”、“矢量”。交流电的相位问题，必须特别注意。正弦交流电路的电压、电流、电势的大小和方向随时间周期性的变化，因此测量它们的瞬时值没有什麽意义。在对正弦电路进行测量时，只要反映各电压、电流的大小和相位关系就可以了。实际中，用交流电压表、交流电流表分别测得正弦交流电路中的电压、电流的有效值，以反映电压、电流的大小；用相位表测得相位。也可利用相量运算求得各正弦量的大小和相位。
相量法的计算只限于正弦交流电路，不适用于非正弦交流电路。
在正弦交流电路中的任一闭合回路中，测得的各部分电压有效值的代数和一般是不满足基尔霍夫电压定律的，除非各部分电压的相位是相同的；同时测得汇集于任一节点的各电流有效值的代数和也是不满足基尔霍夫电流定律的，除非各个电流是同相位的。
如图4-1a所示的电路中，电流的参考方向如图中所示，如果用电流表测得电容支路的电流为Ic=0.6A，Ir=0.8A，如果认为I=0.6+0.8=1.4A，那就错了，由于、的相位不同，不应将有效值相加，而应是相量相加。如图4-1b所示总电流有效值是1A。

(a)
C
R

(b)

(b)

(a)

图4-1
图4-2

同样道理，用电压表测量图4-2a所示电路中的电压时，如果测得=6V，= 8V，总电压并不等于14V，而应当按图4-2b所示的相量关系计算，总电压的有效值==10V。
以上说明，在交流电路的测量过程中，要时刻注意各电压、电流的相位问题，不要将交流电路与直流电路一样看待。
交流电路的等效参数为电阻、电感、电容。实际元件并非是理想元件，每种元件呈现出不止一个参数，但在一定的条件下，电路中的每一个元件可用一定的等效参数来表示。
在电力系统中，当负载的有功功率一定，电源电压一定时，功率因数越小，供电线路中的电流越大，在供电线路上的功率损耗(称为线损)越大，线路上的压降越大，从而降低了电能的传输效率，影响供电质量，也使电源容量得不到充分利用。因此，提高功率因数具有重大的经济意义。
用电设备多数都是电感性负载，如电动机、变压器、电风扇、洗衣机等都是功率因数较低的感性负载，可用R、L串联电路来表示。提高感性负载功率因数的方法是在R、L电路两端并联电容器。其实质，是利用电容器中超前于电压的无功电流去补偿R、L支路中的滞后于电压的无功电流，以减小总电流的无功分量，也就是利用容性无功功率去补偿感性负载中的感性无功功率，以减小电源提供的总无功功率。从能量角度看，并联电容后使电场能量与部分磁场能量相互交换，从而减小电源与负载间的能量交换。由此可见，提高功率因数的结果，减轻了电源所负担的无功电流和无功功率。整个电路对电源来说，功率因数提高了，但，R、L支路的电流、功率因数、有功功率并没有变化。
负载的功率因数可用三表法测出、、后，按公式cosj=计算得到。也可用功率因数表或交流参数测量仪直接测得。
本实验线路选用了日光灯电路。
电压表、电流表、功率表、交流参数测量仪的使用方法参看附录二：电工仪表的使用方法。
三、 实验线路图：
启辉器
IC
IRL
300v
*I
*U
I
~220V
I
镇流器
日光灯管
N
L

图4-3

四、实验任务
1、 了解日光灯的各部件及工作原理。
2、 按图4-3接线，经指导老师复查后，再接通电源。
3、 在老师的指导下点亮日光灯（图中的启辉器用一开关代替），并注意观察日光灯的点亮过程。（提醒：因日光灯的启动电流比较大，日光灯点亮之前，不可把电流表插头插入电流插口内，以免烧坏电流表。）
4、 完成表4-1所列项目的测试任务。

表4-1
接入电容C（mF）

（V）

（V）

（V）

（mA）

（mA）

（mA）
P
(w)
COSw
(计算)
0

X

1

2

3

4

5

6

7

五、实验设备及器件：
交流电压表 一块 电容箱 一只
交流电流表 一块 电流插口 三只
功率表 一块 电流插头 一只
交流参数测量仪 一台 起辉器座 一只
日光灯管（20W） 一只 电压测试棒 一付
日光灯管座 二只
六、思考题：
1、 并联电容器后，对日光灯支路的电流、功率、功率因数有无影响？
2、 并联电容器后，电路中受影响的量有哪几个？
3、 并联电容器后，如何从电流的变化，判断功率因数的增减？
七、 对实验报告的要求：
1、 根据在实验中测得的数据，求出日光灯电阻、镇流器电阻、镇流器电感。
2、 根据测得的数据，计算出并联不同电容时的总负载的功率因数。
3、 计算出总负载功率因数等于1时需并联的电容值。
4、 解答思考题。
八、 预习要求：
1、 阅读附录中关于日光灯电路的内容。
2、 阅读附录中关于交流电压表、交流电流表、功率表的使用方法。
3、 复习教科书中2-8、2-9两节内容。
4、 写出预习报告。

实验三 三相交流电路

一、 实验目的：
① 练习电阻性三相负载的各种连接方法。
② 认识三相四线制供电系统的中线的作用。
③ 学习三相交流电源的安全使用常识。
④ 研究三相负载在对称及不对称情况下的线电压与相电压、线电流与相电流之间的关系、测量方法。
⑤ 比较三相供电方式中的三线制和四线制的特点。
二、 实验原理及说明：
1、三相交流电源 工业和生活用的交流电源通常都是三相四线制低压电源，这是目前电力系统的主要供电方式。三相四线制中有三根相线，大家习惯称为火线，过去用A、B、C表示，现在用、、表示；还有一根中线，常称之为零线，过去用0表示，现在记为N。任意两根相线之间的电压称之为线电压，为380V，线电压之间相位互差120°，任意一根相线与中线之间的电压称作相电压，为220V，线电压为相电压的倍，并且线电压的相位超前相应相电压30°。三根相线由三相开关（如三刀开关、空气开关--又称空气断路器）控制通断。电源总开关用空气开关，分路开关用容量小一点的空气开关或刀开关，刀开关的动触点一般在下方，经过三根保险丝（熔断器）接向负载，定触点在上方，接向电源，如图6-1所示(参看实验室的配电盘)。中线（零线）不经任何开关控制，也不允许接保险丝。电源的中点与大地相接，因此有人把零线称作地线，但严格说来是有区别的。
QS
L1 L2 L3 N
中线
火线
图6-2 接零保护和接地保护示意图
L1
L2
L3
N
保护接地
保护
接零
图6-1

1、 负载的星形（Y）连接
当负载的额定电压等于电源的相电压时，应采用星形连接。星形连接的负载如图6-3所示。
三相对称负载可以不接中线--采用三相三线制供电（如：三相交流电动机）；三相不对称负载必须接中线--采用三相四线制供电。
不论负载对称还是不对称，只要有中线，各相电压、线电压都是对称的，并且都存在的关系。不同的是，负载对称时，中线电流；负载不对称时，中线电流。
负载对称，去掉中线，负载中点电位不会偏移，与电源中点N之间没有电位差，中点电压=0，各相电压、线电压保持对称，仍存在的关系。
负载不对称，去掉中线，负载中点电位发生偏移，，有的负载相电压可能偏高，超过额定电压；有的负载相电压偏低，负载不能正常工作，负载的相电压不再对称，不存在的关系（这种情况在实际供电系统中是决不允许出现的）。

U
N
V
W
Nˊ

V

U

W

图6-3 三相负载的星形连接示意图 图6-4 三相负载的三角形连接示意图

4、负载的三角形（Δ）连接
当负载的额定电压等于电源的线电压时，应采用三角形连接，原理图如图6-4所示。无论负载对称还是不对称，各相负载电压总是对称的。不同的是，负载对称时，各相电流对称、线电流也对称，并且线电流为相电流的倍，即，线电流滞后相电流30L；如果负载不对称，线电流与相电流不再有倍的关系，应根据基尔霍夫电流定律列方程求解，即。
1、 提醒
三相电路的实验线路比较复杂，要求对实验中出现的故障，能够从分析现象入手，先判断出故障的大致范围，再用交流电压表有目的地进行查找。
三、 实验任务与步骤：
1、 用交流电压表测量实验台上两套三相电源的线电压及相电压。
2、 用额定电压为220V、25瓦的灯泡9只作负载，每相3只灯泡，作星形连接，在各相及中线上串入电流插座，其中两相的每只灯泡各接入一只开关。使用≋220V的交流电源。（说明：为了安全，采取降压措施进行实验。）
3、 测量有中线、对称负载（灯全亮）时的各个线电压、相电压、线电流、中线电流。测量结果记入表6-1中。
4、 做无中线时的测量，观察灯泡亮度有无变化，测量各个线电压、相电压、中点电压、线电流。测量结果记入表6-1中。
5、 作无中线、负载不对称时的测量，U相亮一只灯，V相亮两只，W相全亮，观察灯泡亮度的变化，分析原因。测量各个线电压、相电压、中点电压、线电流。测量结果记入表6-1中。
6、 做有中线、负载不对称时的测量，观察灯泡亮度与未接中线时有无不同，测量各个线电压、相电压、线电流、中线电流。测量结果记入表6-1中。
7、 以上六步完成后，将测量结果交指导老师查看后再做下面的内容。
表6-1

负载

中线

线电压（V）

相电压（V）
(负载的)
中点
电压

线电流（mA）

中线电流

对称
有

×

无

×
不对称
有

×

无

×
8、 把三相负载接成三角形方式，每一条火线中接入一个电流插口，每一相负载中接入一个电流插口。
9、 接通电源后，分析亮度的变化原因。
10、 做负载对称时的测量，参考表6-2的内容，并将结果记入表6-2中。
11、 作负载不对称时的测量，U相、V相、W相分别亮1、2、3只灯，按表6-2再测各量。

表6-2
负载
线电压（V）
线电流（mA）
相电流（mA）

对称

不对称

四、实验设备及仪表：
1、交流电压表 1块 2、交流电流表 1块
3、交流参数测量仪 1台 4、电流插口 6只
5、开关盒 2只 6、电流插头 1只
7、电压测试棒 1付 8、灯泡盒 3只

五、预习要求：
1、 复习三相电路的理论知识。
2、 分别画出负载星形连接和三角形连接的实验电路图（要标出电源电压、文字符号）。电流插座、开关都要画到电路图中。
3、 阅读本实验中所用仪表的使用说明。
六、 思考题：
1、 负载作星形连接时，接入中线能起什麽作用？为什麽中线不允许接保险丝或开关？
2、 怎样测量中点电压？有中线时=？
3、 负载不对称，星形连接，有中线时各灯泡的亮度是否一样？断开中线后各灯泡亮度是否还一样？不知你注意到没有，在不接中线的情况下，当开关某一相负载的开关时，另一相的灯的亮度也跟着变化，你能解释这一现象吗？
4、 分析题：在负载对称的情况下，星形连接，无中线，如果有一相负载发生短路或断路故障时，对其余两相负载的影响如何？灯泡亮度如何变化？
5、 分析题：负载对称，三角形连接。如果有一根火线发生断路故障时对各相负载的影响如何？灯泡亮度如何变化？
七、 注意事项：
1、 本次实验，电路连线较多，线路复杂。为防止错误，避免故障和事故的发生，器件的排列应整齐有序，同一相的器件要卡装到一条卡轨上，并仔细检查，经教师允许后方可接通电源。
2、 实验时，首先要将电源插头的两根连线接在电流表上不要拆下，以免误将电压测试棒接在电流表上去测电压，而烧坏电流表。
3、 实验中如果发生故障，要冷静分析故障原因，在教师指导下尽快找出故障点并与以处理，要不断提高分析故障与排除故障的能力。电路出现的故障有：（1）短路故障。最严重的是负载短路，这种情况将立即使电源短路，烧断保险丝，如果电流表接在电路里，还可能把电流表烧坏。遇到这种情况，应立即断电，查明原因，排除故障。（2）断路故障 这种故障是由于电路中某个器件损坏或导线每接好造成的。可用电压表逐点测量电位的方法查找故障点。
八、 对实验报告的要求：
1、 画出实验电路图。列出实验数据表格。
2、 回答思考题。

实验四：异步电动机的点动、连续控制电路
一、 实验目的：
1、 了解交流接触器、热继电器、控制按扭的结构、使用方法。
2、 练习几种典型控制电路的接线。
3、 训练检查、排除电路故障的能力。
4、 加深理解几种典型控制电路的工作原理及各环节的作用。
5、 学习交流电动机的正确使用方法。
二、 原理与说明：
1、三相交流异步电动机的使用常识 电动机在使用之前都要做一些检查工作，如机械机构检查、绝缘电阻检查。初次使用电动机时，还要仔细辨认名牌上的数据及连接方式所对应的电压。
2、电动机出厂时将三相绕组的始、末端已引致接线盒的接线端子上，供作Δ形或Y形连接用。三个始端的标记分别为、、；三个末端分别为、、。为实验时接线方便，实验室把两台电动机安装到了一辆小车上，其中一台驱动一套传动机构。安装传动装置的那台电动机已作Y形连接，只把三个始端从接线盒里连到了接线端子板上，标记为，另一台电机的端子全部引到了接线板上，标记为、、和、、。
1、 由继电器、接触器、和按扭等控制电器实现的对电机的控制，叫做继电接触控制。任何复杂的控制线路，都是由一些基本的电路组成的。鼠笼式电动机的直接启动控制电路是最基本的控制电路，该线路在实现对电机的起、停控制的同时，还具有短路保护、过载保护和零压保护作用。该线路是电动机控制线路的基础，一台乃至多台电动机的各种功能的控制线路都可以由它演变出来。
2、 控制电器的安装与固定：现在生产的控制电器（除按钮外），多数都具有安装固定的机构，仔细观察电器的底部，你会发现一边有槽沟，另一边有可以伸缩的舌簧，这就是用来固定的机构。在电器控制柜里安装上卡轨，控制电器就卡装到卡轨上。在我们的实验台上就装有工业用的两种卡规，中间的两条是C45型卡规，顶部和底部那两条是D1型的。接触器只能卡装到C45型的卡轨上，接线板（见电机车上的）只能卡装到D1型卡轨上。有的电器没有卡装机构，我们实验室设计制作了一种两用卡座，把没有卡装机构的电器或印刷电路板安装上卡座，即可以固定在D1型卡轨上，又可以固定在C45型卡轨上，使用很方便。这种卡座也可以用于工业上。
3、 导线连接技术：在生产中，只有原理图是不行的，还要有安装图（或叫做施工图）。安装图标明了每个电器的安装位置以及导线的布线状态。在原理图和安装图上所有的导线都编了号码，相通的导线（或同一节点上的导线），其编号应是一样的。导线的连接与查验就是根据导线号码识别的。在电气工程中，导线端头套上号码管，用冷压钳压上冷压端头，再固定到电器端子上。我们在实验室里只套号码管，不压冷压端头，但，要把导线的金属丝螺旋状地绕在自身的线皮上，然后固定到电器上。
三、 实验任务：
1、 观察B9型接触器的外形，找出线圈、主触头的接线位置。轻轻用手按压动骨架，观看各触头的动作。
2、检查接触器的线圈额定电压是否与本实验线路电压一致。用万用表电阻档检查接触器、热继电器、按钮的触点通断状况是否良好。
3、接线 （导线长短要合理搭配） 先接主电路，后接控制电路，先接串联电路，后接并联电路。要求在任一连接点上不超过两根导线以保证接线的牢靠、安全。同一连接点上的两根线可套同一个号码管。
1、 连接点动控制电路。连接完毕，复查无误，再经老师认可，便可通电操作。
2、 拆除点动控制电路，连接直接启动控制电路。
3、 第5步做完后，记住电机转向，断电，将接电机的三根线中的任意两根对调，通电，重新启动电机，观察电机转向是否改变。
*7、连接两台电机的顺序控制电路。（考虑第二台电动机的六个端子怎样连接）
四、 注意事项：
1、 短时间内启动不可太频繁。按下启动按扭时，听接触器吸合的声音、看电动机的转动是否正常，若发现电机转速很慢或只是嗡嗡振动而不转，这是缺相状态，要立即断电，检查线路和电源，排除故障再通电实验。
2、 远离转动部分，以免发生人身或设备事故。
五、 实验设备与仪器：
1、电机车 1辆 4、按扭 1套
2、交流接触器 2只 5、万用表 1只
3、热继电器 2只
六、 预习要求：
1、 了解三相异步电动机名牌数据的意义。
2、 查找三相电动机三个绕组的六个端子在接线盒内的排列方式图。
3、 复习本实验中用到的控制电器的结构、用途、工作原理。
4、 复习三相电动机直接启动控制电路的工作原理，并理解自锁及点动的概念，以及短路保护、过载保护、零压保护的概念。
5、 复习顺序启动控制电路的工作原理
6、 分别画出点动控制电路、直接启动控制电路、顺序启动控制电路的主电路和控制电路。
七、 思考题：
1、 接线完毕，检查过后给电路上电，按下启动按扭，接触器不动作，是主电路有故障还是控制电路有故障？如果按启动按扭后，接触器动作，但电机不转，又是哪个电路有故障？
2、 热继电器用于过载保护作用，是否可以用于短路保护？为什麽？
3、 零压保护是如何实现的？
八、 对实验报告的要求：
1、 画出本次实验的控制电路图，说明各环节的作用。

KH
M
3 ~
KM
主电路
图b. 连续控制电路
图a. 点动控制电路
KM
KH
1SB
KM

2SB
L2
KM

2SB
L2
2、 回答思考题。