[中学]单相交流电路的研究

[中学]单相交流电路的研究 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， . + . . U + L. I U RR U - + . . X LU , UL . - . . + I . U C RU - C U C- (a) (b) 图2-1 RLC串联电路 其电流电压关系为 U=U+U+U=R?+jX?-jX?=?(R+jX-jX)=?Z RLCLCLC 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。 . 电压线圈 * I * * . * 公共端 R LU 电流线圈 (b) 测量图 (a) 原理图 图2-2 单相功率测量接线图 三、实验内容与要求 根据实验室提供的实验设备完成以下实验内容的: . I . . . . . + + . + + IC I I . I LU R URRR U . R. - . R + . - U U U . + . X U C LLU LU C CX L- - - - 图2-5 RLC串并联电路 图2-3 RC串联电路 图2-4 RL串联电路 1.R-C串联电路(图2-3，取R=120 ，C=30 F): 设计实验，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 U U RC 测 值 计 算 2.R-L-C串联电路(图2-1，取R=120 ，C=15 F，X=100 ):L 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 U U U RLC 测 值 计 算 3.R-L串联电路(图2-4，取R=120 ，X=100 ):L 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 U U RL 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4 F、8 F、10 F、12 、16 F、20 F，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4810121620物理量 F F F F F F I I C 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 1 2 3 4 物理量 C=0 C=8 C=12C=20 F F F F P P R P L P C . + + + *6.混联电路(图2-6，取R=R=120 ，C=30 F，X=100 ):12L. . I UR1 RUR2R 2R11设计一个R，L，C串并联混合电路实验. - - U + . + . X L ULU CC - - - 图2-6 RLC混联电路 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 I U U U U I I R1LR2CLC 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 240 ，250W 2只 电 感 器 0-50-100 1组 电 容 器 1 F-2 F-4 F-8 F-10 F-201组 F 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? R支路的电流变化吗?为什L 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 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，就可测图2-7 电流插孔盒的结构 出相应支路的电流值。既安全又方便。