实验4 交流电路的研究

一、实验目的

1、学会使用交流数字仪表（电压表、电流表、功率表）和自耦调压器；

2、学习用交流数字仪表测量交流电路的电压、电流和功率；

3、学会用交流数字仪表测定交流电路参数的方法；

4、加深对阻抗、阻抗角及相位差等概念的理解。

5、研究提高感性负载功率因数的方法和意义；

二、实验原理

1、交流电路的电压、电流和功率的测量

正弦交流电路中各个元件的参数值，可以用交流电压表、交流电流表及功率表，分别测量出元件两端的电压U，流过该元件的电流I和它所消耗的功率P，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用来测量50Hz交流电路参数的基本方法。计算的基本公式为： 

电阻元件的电阻：或

电感元件的感抗，电感

电容元件的容抗，电容

串联电路复阻抗的模，阻抗角 

其中：等效电阻    ，等效电抗

本次实验电阻元件用白炽灯（非线性电阻）。电感线圈用镇流器，由于镇流器线圈的金属导线具有一定电阻，因而，镇流器可以由电感和电阻相串联来表示。电容器一般可认为是理想的电容元件。

在R、L、C串联电路中，各元件电压之间存在相位差，电源电压应等于各元件电压的相量和，而不能用它们的有效值直接相加。

图4-1

电路功率用功率表测量，功率表（又称为瓦特表）是一种电动式仪表，其中电流线圈与负载串联，（具有两个电流线圈，可串联或并联，以便得到两个电流量程），而电压线圈与电源并联，电流线圈和电压线圈的同名端（标有*号端）必须连在一起，如图4-1所示。本实验使用数字式功率表，连接方法与电动式功率表相同，电压、电流量程分别选500V和3A。

2、提高感性负载功率因数的研究

供电系统由电源（发电机或变压器）通过输电线路向负载供电。负载通常有电阻负载，如白炽灯、电阻加热器等，也有电感性负载，如电动机、变压器、线圈等，一般情况下，这两种负载会同时存在。由于电感性负载有较大的感抗，因而功率因数较低。

若电源向负载传送的功率，当功率P和供电电压U一定时，功率因数越低，线路电流I就越大，从而增加了线路电压降和线路功率损耗,若线路总电阻为，则线路电压降和线路功率损耗分别为和；另外，负载的功率因数越低，表明无功功率就越大，电源就必须用较大的容量和负载电感进行能量交换，电源向负载提供有功功率的能力就必然下降，从而降低了电源容量的利用率。因而，从提高供电系统的经济效益和供电质量，必须采取措施提高电感性负载的功率因数。

通常提高电感性负载功率因数的方法是在负载两端并联适当数量的电容器，使负载的总无功功率Q＝QL－QC减小，在传送的有功率功率P不变时，使得功率因数提高，线路电流减小。当并联电容器的QC＝QL时，总无功功率Q＝0，此时功率因数＝1，线路电流I最小。若继续并联电容器，将导致功率因数下降，线路电流增大，这种现象称为过补偿。

负载功率因数可以用三表法测量电源电压U、负载电流I和功率P，用公式计算。

本实验的电感性负载用铁心线圈，（日光灯镇流器）电源用220V交流电经自耦调压器调压供电。

三．实验设备

1．交流电压表、电流表、功率表（在控制屏）

2．自耦调压器（输出可调的交流电压）

3．NEEL—17（或EEL—52、EEL—55或MEEL—001、MEEL—02）—30W镇流器，630V/4.3μF电容器，电流插头，40W/220V白炽灯，30W日光灯

四．实验内容

实验电路如图4-2所示，功率表的连接方法见图4-1，交流电源经自耦调压器调压后向负载Z供电。

1．测量白炽灯的电阻

图4-2电路中的Z为一个220V/40W的白炽灯，用自耦调压器调压，使U为220V，（用电压表测量），并测量电流和功率，记入自拟的数据表格中。

将电压U调到110V，重复上述实验。

2．测量电容器的容抗

图4-2

将图4-2电路中的Z换为4.3μF/630V的电容器（改接电路时必须断开交流电源），将电压U调到220V，测量电压、电流和功率，记入自拟的数据表格中。

将电容器换为2.2uF/630V，重复上述实验。

图4-3

uRL

3．测量镇流器的参数

uR

将图4-2电路中的Z换为镇流器，将电压U分别调到180V和90V，测量电压、电流和功率，记入自拟的数据表格中。

4．测量日光灯电路

日光灯电路如图4-3所示，用该电路取代图4-2电路中的Z，将电压U调到220V，测量日光灯管两端电压UR、镇流器电压URL和总电压U以及电流和功率，并记入自拟的数据表格中。

5．提高感性负载功率因数实验

图4-4

按图4-4组成实验电路经指导老师检查后，按下按钮开关，调节自耦变压器的输出电压为220V，记录功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，接入电容，从小到大增加电容值，记录不同电容值时的功率表、功率因数表、电压表和电流表的读数，并记入表4-1中。实验中用电流取样插头测量三个支路的电流。在实验过程中，一直要保持负载电压U2等于210V，以便对实验数据进行比较。

注意：日光灯启动时电流较大（约0.6A），工作时电流约为0.37A，注意仪表量程选择。

表4-1提高感性负载功率因数实验数据

1．通常，功率表不单独使用，要有电压表和电流表监测，使电压表和电流表的读数不超过功率表电压和电流的量程； 

2．注意功率表的正确接线，上电前必须经指导教师检查； 

3．自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，调节时，使其输出电压从零开始逐渐升高。每次改接实验负载或实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。必须严格遵守这一安全操作规程。

六．预习与思考题

1．自拟实验所需的表格；

2．在50Hz的交流电路中，测得一只铁心线圈的P、I和U，如何计算得它的电阻值及电感量？ 

3．参阅课外资料，了解日光灯的电路连接和工作原理；

4．当日光灯上缺少启辉器时，人们常用一根导线将启辉器插座的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮；或用一只启辉器去点亮多只同类型的日光灯，这是为什么？ 

5．了解功率表的连接方法；

6．了解自耦调压器的操作方法。

7．电感性的负载为什么功率因数较低？负载较低的功率因数对供电系统有何影响？为什么？

8．为了提高电路的功率因数，常在感性负载上并联电容器，此时增加了一条电流支路，试问电路的总电流是增大还是减小？此时感性负载上的电流和功率是否改变？ 

9．提高线路功率因数为什么只采用并联电容器法，而不用串联法？

七．实验报告要求

1．根据实验1的数据，计算白炽灯在不同电压下的电阻值；

2．根据实验2的数据，计算电容器的容抗和电容值；

3．根据实验3的数据，计算镇流器的参数（电阻R和电感L）；

4．根据实验4的数据，计算日光灯的电阻值，画出各个电压和电流的相量图，说明各个电压之间的关系。

5．根据实验5数据，计算出日光灯和并联不同电容器时的功率因数。并说明并联电容器对功率因数的影响。绘制出功率因数与所并电容的曲线,所并电容是否越大越好?

6．根据表4-1中的电流数据，说明 I＝IC＋IRL吗？为什么？

7．画出所有电流和电源电压的相量图，说明改变并联电容的大小时，相量图有何变化？

8．根据实验5数据，从减小线路电压降、线路功率损耗和充分利用电源容量两个方面说明提高功率因数的经济意义。

9．回答思考题7、8、9。