电工学实验讲义(电子).doc

实验一：识别配电线路
实验目的：熟悉动力线路的结构及正确连接线路
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、连接线
实验原理：
1）三相交流电原理
当三相交流发电机运行开始后，产生三个相位相差1200的独立电动势，用函数写出来就是

也可写成相量表示

用瞬时波形和相量图表示，如图（1）

图（1） 表示三相电的波形和相量图
发电机（或者三相电力变压器）产生三相电源接法通常如图（2）所以示，即将三个电源的末端联在一起，公共连接点称为中性点或者零点（又可称为中线），从零点引出的导线称为中性线或者零线，从始端A、B、C引出的导线称为相线或者火线，这种接法称为星型连接。
三相电源星型连接中，每相电源始端与末端的电压，也就是相线与中性线之间的电压称为相电压，用或者表示，三个相电压分别等于三个电源电动势，它们的大小数值相等，用表示其有效值，任意两电源始端电压，也就是相线与相线之间的电压称为线电压，用 表示，有效值用表示。线电压与相电压的关系为：

各相电源电动势和电压的参考方向如图所示。所以三相电源星型连接能够提供两种电压，这是三相电源星型连接的优点，还有一种三相电源的连接方法称为三角形连接，由于应用范围小，这里不做进一步说明。

图（2）三相电源的接法
2）三相配电线路的连接
配电线路电路的连接框图如图（3）

图（3） 配电线路连接框图
三相电源来自实验室墙壁上的动力电路，通过导线连接到实验台上的带有保护作用三相空气开关的一端，开关的另一端连接到三相调压器（又称三相变压器）原边，经过三相调压器使电压降低后（相电压小于127V），由三相调压器副边连接到实验台插座线路上，从实验插座上通过导线连接到实验负载（如灯箱、变压器电动机）。
为了保证实验进行过程中的人身安全，要充分熟悉三相配电线路的结构、作用和设备操作方法，内容包括：线路走线，插座结构，线电压和相电压，实验灯箱线路方式，连接负载导线的结构等。
如果使用单相电，一定要用相电压！
实验内容：
1） 分析实验台插座与连接线插头的结构
2） 分析灯箱连接线路
3） 测量线电压和相电压，填表(1)
表(1)
电压类别

数值（V）
71V
64V
64V
116V
114V
115V
4）测量不同电压下流过一个灯泡的电流，数据填入表(2)。
表(2)
电压
45V
70V
79V
89V
118V
144V
电流
0.3A
0.34A
0.35A
0.38A
0.43A
0.50A
5）按照电路图（4）连接线路

图（4）测量电路
对不同的电压，测量，填表(3)
表(3)

125V
150V
175V
200V
225V

81V
98V
112V
128V
150V

46V
53V
60V
71V
80V

0.4A
0.51A
0.55A
0.57
0.58A
实验报告要求：
1） 画出灯箱连接线路。
2）画出实验4）灯泡电阻与电压的变化曲线。
3）实验5）的数据有问题吗，如何解释？
实验二：三相电路负载的星型连接
实验目的：通过实验，验证星型连接理论，明确零线作用
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、连接线
实验原理：
三相电路负载的星型连接如图（5），连接三个负载导线上的电流称为相电流，电源与负载连接导线上的电流称为线电流，采用负载的星型连接，电路中的相电流与线电流相等。三相电源的中性点用表示，三相负载的中性点用表示，当三相负载对称或有零线时（有零线接法符号为），与之间的电位相同，，此时负载的相电压与电源的相电压相等，负载端与电源端的情况一样，线电压是相电压的倍。
有中线或者三相负载对称时，三相负载的相电压分别为

于是，相电流和中线电流为

特别在负载对称时，，此时

图（5） 三相电路负载的星型连接
在三相负载不对称且没有零线（无零线接法符号为），或者由于种种原因零线阻抗不能忽略时，与之间的电位不相同，，这时就需要进行比较繁杂的数学计算。
利用节点电压法可以得到三相电路负载星型连接的理论计算公式

公式中，分别是三相负载和零线的导纳，是三相电源的相电压，当对应有零线的情况，这时，当时，对应没有零线的情况。
三相负载的电压分别为

于是，相电流和中线电流为

特别，当没有零线情况下，。
实验内容：
1）测量对称负载有中线情况下（YO）的电流和电压
2）测量不对称负载有中线情况下（YO）的电流和电压
3）测量不对称负载无中线情况下（Y）的电流和电压
4）测量一相开路情况下（Y）的电流和电压
5）测量一相短路情况下（Y）的电流和电压（必须断中线！）
测量结果填入表格（4）
表（4）

负载灯数

A相
B相
C相
YO
2
2
2

YO
2
2
4

2
开
4

Y
2
2
4

2
开
4

2
短
4

实验报告要求：
1）如果中线出现断路，应用实验说明产生的后果。
2）画出实验4）电流电压的相量图。
实验三：三相电路的三角型连接
实验目的：通过实验，学习测量负载的三角形连接的方法
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、连接线
实验原理：
三相电路负载的三角形连接如图（6），每相负载都接到三相电源的两条火线上，因此每相负载的相电压与线电压相等，相电流可以直接计算，负载对称时，线电流是相电流的倍。
三角形连接中，如果设相电流分别为，线电流为，，，负载的导纳为，则，三个相电流分别为

三个线电流分别为

图（6）三相电路负载的三角形连接
实验内容：
1）测量对称负载情况下的电流和电压
2）测量不对称负载情况下的电流和电压
3）测量一相开路情况下的电流和电压
测量结果填入表格（5）
表（5）
负载灯数

AB
BC
CA
2
2
2

2
2
4

2
开
4

实验报告要求：
1）为什么家庭用电不采取三角形接法？
2相同的对称负载接成分别星形与三角形，线电流有什么关系？
实验四：变压器性能分析
实验目的：通过实验，验证并且掌握变压器工作原理
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、单相变压器、连接线
实验原理：
图（7）是变压器结构示意图和符号图

图（7）变压器结构原理图和符号图
如果变压器的原副边分别流进电流后，在铁心中产生的磁通是相互加强的，那么称原副边电流流入的端点为变压器的同名端（或者同极性端），按照电学中电压、电动势、电流设定参考方向的惯例标出变压器原副边各个电学量的方向，利用电路分析理论，得到变压器原副边电压平衡方程

公式中，是原副边电压、电流，是原副边主磁感电动势，由于磁滞原因，主磁感电动势与电流关系不呈线性，是原副边漏磁感电动势，漏磁感电动势与电流呈线性关系，是原副边线圈的电阻，写成相量形式

当忽略变压器原副边的漏磁和线圈电阻的影响时，有近似公式

数值关系有

式中，是原副边线圈匝数，交流电频率，是铁心中磁通最大值，于是得到变压器的电压变比关系

由磁通平衡方程

式中，是变压器原副边带负载电流值，是变压器原边空载电流值，一般很小，忽略的影响，得到变压器的电流变比关系

由电压变比和电流变比关系，得到变压器的阻抗变比关系

实验内容：
1）判断变压器的同名端
2）保持原边电压不变，改变副边负载，测量原副边电流电压填表（6）
表（6）
负载灯数

电压

电流

实验报告要求：
1）变压器原副边各个电学量的方向是按照电学中什么惯例标出的。
2）按照变压器原理图，同名端的电压极性正好相反，如何理解。
3）如何判定变压器同名端，解释判别变压器同名端方法的道理。
4）实验中为何电流比值不满足变压器变比。
实验五：三相变压器应用
实验目的：通过实验，熟悉三相变压器原理及连接使用
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、电动机、继电器、开关、连接线
实验原理：
原理与单相变压器基本类似，由铁心和绕组线圈组成，只不过单相变压器只有一组线圈，而三相变压器有三组线圈，三个副线圈提供三个与原绕组相位一致的三相电，对于负载来说，三相变压器相当于三相电源。
由于三相电的三个电源必须满足对称关系，即，电源幅值相等，相位相差1200，因此三相变压器三对原副绕组的同名端必须区分清楚，不然副边的三个电源虽然大小相等，但相位差不是1200，这样的电源就成为不对称电源，在三相负载产生的电压会出现严重的不平衡。
实验内容：
把副边的三个绕组接成星形连接，负载也接成星形连接，这种接法类似于民用三相配电。
思考题：
副边的三个绕组接成星形连接，假如副边的一个绕组的两极反向，当负载对称时，求三相负载电压。
实验六：电动机控制电路性能分析
实验目的：通过实验，熟悉电动机的运行控制方法
实验设备：实验台、灯箱、三相变压器、电动机、继电器、开关、连接线
实验原理：
电动机定子绕组通入电流后，产生旋转磁场 ，旋转磁场的转动方向与三个线圈通入的三相电的相序有关，即沿着A、B、C的方向转动，所以如果将连接三相电源三根导线中的任意两根对调位置，旋转磁场的转动方向就要改变。
旋转磁场产生后，旋转磁场与转子绕组间产生相对运动 ，由于转子电路是闭合的，产生转子电流，根据左手定则可知在转子绕组上产生了电磁力。电磁力分布在转子两侧，对转轴形成一个电磁转距 T ，电磁转距的作用方向与电磁力的方向相同，因此转子顺着旋转磁场的旋转方向转动起来。转子转速 n 与旋转磁场的转速的方向一致，但不能相等（应保持一定的转差）。 又称为同步转速。常用转差率 s 来表示 与 相差的程度，即

其中，如果电动机的极对数为，交流电频率为，电动机每分钟的转速的值可以用公式计算

电动机运行中，启动时转子转速很小，转子与旋转磁场的相对转速很大，因此转子中感应电动势和感应电流也很大，和变压器的原理一样，转子电流增大，定子电流必然相应增大，一般电动机定子启动电流是额定运行电流的5~7倍，当电动机启动频繁时，由于大电流产生的热量积累会影响电动机的寿命，而且过大的启动电流对输电线路有不良的影响，所以大容量电动机（30千瓦以上）都要采取降压启动。
电动机运行时，根据需要经常要改变电动机的转动方向，因此电动机控制中也包括正反转控制。
工作中，电动机需要频繁地启动、停止、正转、反转、延时等等操作，这些控制显然不能由人来直接控制，因此如何利用各种继电器和开关实现上述控制操作，这就是我们实验的目的，条件所限，我们只做反转控制。
实验内容：
1）初步掌握控制电器元件的知识，学会画电路图
电工控制器件种类很多，结构不同起到不同的控制功能，表格（7）是常用控制器件的符号，分析控制电路工作过程需要熟悉这些符号，对照符号观察相应器件的外型，从而了解该器件的工作原理。
表（7）
名称
符号
名称
符号
三相鼠笼电动机

按钮触点
常开

常闭

三相绕线电动机

继电器线圈

直流电动机

接触器触点

主触点

辅助触点
常开

常闭

单相变压器

时间继电器触点
常开延时闭合

常闭延时断开

常开延时断开

常闭延时闭合

三极开关

保险丝

行程开关触点
常开

常闭

信号灯

热继电器
常闭触点

热元件

2制作简单的控制电路，熟悉控制器件的使用方法
按照电路图（8）连接控制电路，220V电源通过开关一路接到接触器KM的主触点，通过接触器连接到灯泡，另一路通过常闭按钮SB1和并联的常开按钮SB2、KM常开触点接到接触器KM的线圈上。 图（8）
当按下按钮SB2时，接触器KM线圈通电，主触点KM闭合，灯亮，同时KM常开触点闭合，这时如果释放按钮SB2，由于接触器线圈通过KM触点仍继续通电，所以灯一直亮着，只有按下按钮SB1时，灯灭。
3）熟悉控制原理图，学会根据控制电路图分析控制过程
图（9）是电动机正反转控制电路，正转接触器KMF的一个常闭辅助触点串接在反转接触器KMR的线圈电路中，而反转接触器的一个常闭辅助触点串接在正转接触器的线圈电路中，这两个常闭辅助触点称为联锁触点。
这样，当按下正转启动按钮SBF时，正转接触器线圈通电，主触点 图（9）
KMF闭合，电动机正转，与此同时，联锁触点断开反转接触器KMR的线圈电路，因此即使误按了反转启动按钮SBR，反转接触器也不能工作。
思考题：
1）分析图（10）控制电路的工作过程

图（10）