实验二、单相交流电路

实验预习：

一、实验目的

1、通过对R-L串联电路及其与C并联的单相交流电路的实际测定，查找出它们的电压、电流及功率之间的关系。

2、学习电路元件参数的测量方法（间接法测定R、r、L、C等）。

3、掌握感性负载并联电容提高功率因数的方法，并进一步理解其实质。

4、学习并掌握功率表的使用。

二、实验原理

1、R-L串联电路

图1-8-1   R-L串联电路

图1-8-1表示了一个R-L串联电路，其电感为空心线性电感。由于空心线性电感的内阻不可忽略，这里用内阻r与理想电感XL串联来代替空心电感，设其总阻抗为ZS。

根据，列出                               

电感线圈上的正弦电压US将超前电流I一个j1角度，相量图如图1-8-2所示。由相量图上的电压三角形，根据余弦定理，得：

US2  = UR2 +U2 -2 U URCosj1

从而求出 j1，而 U （R + r ）=U Cos j1     

式中U（R + r）=UR + U r

又因为UL =U Sinj1，这样可求得：

R =UR / I1 ； r = U r / I1；X L=UL /L  ；

L =X L /ω =X L / 2πf

2、研究感性负载电路提高功率因数的方法。 

感性负载电路的功率因数一般比较低，为了提高电路的功率因数，常在感性负载电路的两端并联电容器，以提高电路的功率因数。并入电容后的电压、电流相量图如图1-8-3所示。电容支路的电流 IC在相位上超前电源电压90º（以 U为参考）。

并联电容后线路的总电流        

由图1-8-3的相量图，根据余弦定理得：I12  = IC2 +I2 -2 I IC COS（90º + j）：

式中  COS（90º + j）= -Sin j 。这样，只要测量出I、I1、IC，即可根据上式求得j角及 COS j1，因为角j ＜ j1，所以COS j ＞ COS j1，功率因数得以提高。

由此可以充分说明感性负载电路并联电容后，能够提高电路的功率因数，并入的电容容量由下式决定：

C=（tg j1 - tg j）P/ωU2  ；式中j1 ，j为并联电容补偿前和补偿后的功率因数角。

3、功率表的结构、接线与使用。

       功率表（又称瓦特表）是一种动圈式仪表，其电流线圈与负载串联（两个电流线圈可串联或并联，因而可得两个电流量限），其电压线圈与负载并联，电压线圈可以与电源并联使用，也可与负载并联使用，此即为并联电压线圈的前接法与后接法之分，后接法测量会使读数产生较大的误差，因并联电压线圈所消耗的功率也计入了功率表的读数之中。图1-8-4是功率表电压线圈前接法的外部连接线路。

图1-8-4 功率表外部连接电路

三、预习要求与计算仿真

1、本次实验涉及到以下仪器：功率表、交流电压表、交流电流表、自耦调压器。关于这些设备的使用说明，详见附录，在正式实验前应予以预习。

2、根据图1-8-5中的电路参数，估算出待测量的电流、电压值，记入表中，以便与实验测量的数据比较，并帮助正确选定测量仪表的量程。

3、利用PSPICE仿真软件，根据图1-8-5，选择合适参数，设计仿真电路，并试运行。（PSPICE仿真软件的使用方法详见附录）

四、注意事项

1、本实验用交流市电100V，务必注意用电和人身安全。

2、在接通电源前，应先将自耦调压器手柄置在零位上。调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高，每次改接实验线路或实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。必须严格遵守安全操作规程。

3、功率表要正确接入电路，使用时注意实验电流、电压不超过功率表电压和电流的量限，读数时应注意量程和标度尺的折算关系。

五、思考题

1、    为什么电感性负载在并联电容器后可以提高功率因数？是否并联电容越大，功率因数越高？

2、  RL串联电路在并联电容后，电路的总功率P及RL支路中的电流怎样变化？

3、  电感性负载串联电容后线路的功率因数是否发生变化？

4、为什么不用串联电容的方法来提高线路的功率因数？

实验内容：

一、实验线路

       实验线路如图1-8-5所示。

   

（◎ 为电流插座，用来串入电流表测量电流I，I1，IC）

图1-8-5 单相交流电路功率因数改善的实验电路

二、实验设备

三、实验步骤

按图1-8-5线路接线，取R=330（实验台上滑线变阻器取1/3处），电感3000匝。调整自耦调压器，使二次侧输出电压为100V。

1、3000匝电感线圈负载实验

1）R-L串联电路实验

闭合开关S，断开开关S1，即为R-L电路。用功率表、电压表、电流表量测并读取U，UR，US，I，I1，及P等数据，记入表1-8-1中。（注意：此时，电容未并入电路，I = I1）

2）R-L串联电路并电容C实验

闭合开关S，逐步选择并入的电容C的数值，并再次测量U，UR，US，I，I1，IC及P等数据，将不同的电容C值时对应的上述数据值记入表1-8-1中。

2、1500匝电感线圈负载实验*

将图1-8-5中电感改为线性电感（1500匝，40mH），重复1实验步骤。

四、表格与数据

表1-8-1

五、实验报告

1、根据实验所得数据，计算出电路中各元件参数值，填入表中。

2、根据实验时测量数据，以电压U为参考量、按比例绘出相量图。并分析在逐渐增加并联电容数值时，总电流I将如何变化？判断COSj的变化情况？

3、作出电流随电容变化的关系曲线I = f（C）

注：1. 在某些实验台上，电容C无法像表1-8-1中那样取值，此时可取2、3、4、6、7、8μF等。

 

第二篇：实验三 交流电路元件参数的测量

实验三交流电路元件参数的测量

一、实验目的

1、掌握阻抗和功率因数的意义。

2、掌握交流电路参数的测量方法，分析和计算。

二、实验原理

1、交流电路中的基本参数是电阻、电感及电容。一般说来这三者是“形影不离，不可分割“的。但在一定的条件下往往可以近似处理。

①在频率不高的情况下往往忽略元件分布电容和分布电感的影响，而在频率较高的时候又往往忽略元件电阻的作用。

②在某种情况下可以把分布参数的作用等效为一集中参数来加以考虑。本实验中将在50Hz工频交流的电源下测试一些电路元件的等效集中参数。

2、交流电路参数的测试方法很多，基本上可分两大类。

①元件参数仪器测试法，如用万用表测电阻，阻抗电桥测电感，电容以及使用各种专用参数仪器进行测量。

②元件参数“实际“测试法，即元件加上实际工作时的电压或电流通过计算得到等效参数，这种方法有实际意义，对线性元件和非线性元件都适用，例如测试变压器的等效参数必须在额定电压或额定电流情况下进行，测试铁心线圈参数也应该在实际工作电压或电流下进行，因为这些参数都与电压或电流大小有关。

RLC电路理论计算公式：

 

3、本实验中采用电压表、电流表法和用功率表法来实验测量含用电感、电阻及电容组成的电路的等值参数。

图8.1计算负载阻抗及负载元件的功率因数公式：

负载阻抗  

功率因素 

功率因素角                                     

4、采用功率表法来实验测量含用电感、电阻及电容组成的电路的等值参数。

负载阻抗    

功率因素

功率因素角

三、实验设备

四、实验内容及步骤

1、采用电压表、电流表

按图8.1所示电路连接实验电路，经检查无误后，闭合电源开头。

图8.1

①设定ES=10V  fES=50Hz  测、1、2、3。

②读出电压表和电流的读数，记录于表8-1中，并计算一端网络的、cosψ、ψ的值。

表8-1 交流电路

2、采用功率表法

按图8.2所示电路连接实验电路，经检查无误后，闭合电源开头。

①设定ES=10V，fES=50HZ。

②测W、A、V、 cosφ，并记入表8-2中。

③计算、cosφ、φ及网络等效参数并记入表8-2中。。

图8.2

表8-2 交流电路参数测量

五、实验注意事项

1、电路连接时，注意功率的表的同名端的连接方式，不能接反。

2、电表的读数为有效值，在交流电路的要注意有效值、最大值和相量的区别。

六、预习与思考题

1、若用功率因数表替换三表法中的功率表是否也能测出元件的等值阻抗？为什么？

2、用三表法测参数时，为什么在被测元件两端并接电容可判断元件的性质？试用向量图加以说明。

七、实验报告要求

1、分析R、L、C串联电路时，电路中阻抗、电压和电流的计算。

2、绘制电压、功率和阻抗三角形。

3、根据测量数据，绘制出相应的相量图。

4、回答思考题。