1、實驗五 三相交流電路一、實驗目的1學習三相負載做星形的方法，驗證線、相電壓，線、相電流之間的關系。2研究三相四線制中線的作用。3學習使用三瓦特計法測量三相負載的總功率。二、實驗原理與說明1三相電路中電壓和電流的測量圖3-1 星形接法三相電路三相電路中的電源和負載均有星形連接和三角形連接兩種連接方式。當負載作星形連接時，三相電路有三相三線制和三相四線制供電形式；當負載作三角形連接時，只有三相三線制一種供電形式。三相電路中的電源和負載均有對稱和不對稱兩種情況。本實驗只研究三相電源對稱且為星形連接，三相負載作星形連接和三角形連接時的情況。本實驗中的三相電源是由三相市電（線電壓380V）通過三相調壓器

2、提供的。三相調壓器是由三臺相同的單相調壓器、在星形連接方式下組成的，每個單相調壓器的調節電壓的滑塊都固定在同一根轉軸上，旋轉手柄即改變滑塊位置時，能同時調節其副邊的三相輸出電壓，并保證三相電壓的對稱，相電壓的調節范圍是0-250V（對應的線電壓為0-450V）三相調壓器的連線端較多，接線時務必核對清楚，不可弄錯。三個輸入端連向外供三相電源，三個輸出端連向負載，調壓器的中性點與外供電源的中線相接。在合上和斷開三相電源前，調壓器的手柄位置需回零。1）三相負載星形連接在三相電路中，當負載做星形連接時（如圖3-1），不論是三線制還是四線制，相電流恒等于線電流即。線電壓與相電之間的關系為：，負載星形連接

3、的三相三線制電路在圖3-1電路中，當開關斷開時，即為負載星形連接的三相三線制電路，當負載對稱即時，星形負載的相電流、相電壓、線電壓均對稱，相、線電壓的相量圖如圖3-2(a)所示。此時線電壓的有效值是相電壓有效值的，即，電源的中性點和負載的中性點為等位點，即。圖3-2 負載星形連接的三相三線制電路、相、線電壓相量圖(a)負載對稱 (b)負載不對稱當負載不對稱時，負載的線電壓仍對稱，但負載相電流、相電壓不再對稱，圖3-2(b)是這種情況下的負載的相、線電壓的相量圖，可看出負載線、相電壓之間倍的關系不復存在，兩中性點和不為等位點，即，稱中性點發生位移。負載星形連接的三相四線制電路在圖3-1電路中，當

4、開關閉合時，電路的兩個中性點和之間連接一根導線（稱為中性線）則成為三相四線制電路，中線電流等于三個線電流的相量和，即。不論負載是否對稱，均有，。當負載對稱時，電路的情況和對稱的三相三線制相同，即相電壓、線電壓、相電流均對稱，且中線電流。當負載不對稱時，線電壓仍對稱，在中性線阻抗足夠小時，各相負載電壓也仍對稱，但相（線）電流不對稱，且中線電流不為零，即。中性線的作用就是使星形連接的不對稱負載的相電壓對稱。圖3-3 三角形接法三相電路某一相負載短路與開路情況在圖3-1電路中，如果相負載短路，即時，當電路為三線制接法（斷開）時，相成了中性點，則負載的各相電壓為：，即、相負載電壓為電源的線電壓，將使這

5、兩相燈組所加電壓超燈的額定電壓，而被燒壞；當電路為四線制法（閉合）時，相短路電流很大，將燒斷熔斷器、相不受影響。因此對于星形接法三相電路，無論是三線制或是四線制都不允許出現相負載短路情況。如果相負載開路，即，當電路為三線制接法時，、相負載、相串聯接在電源的線電壓上，兩相電流相同。兩相負載上的電壓，決定于兩燈組電阻的比值，如果組燈電阻大于組，則相電壓有可能高于燈的額定電壓而被燒壞。因此星形接法三相三線制不對稱負載電路，不允許出現某相負載開路情況；當電路為四線制接法時，、相不受影響。（a）負載對稱 （b）負載不對稱圖3-4 負載三角形連接三相電路相、線電流相量圖2三相電路有功功率測量三相負載所吸收

6、的總功率等路相負載消耗功率之和，即。1）三瓦特計法對于三相四線制電路，可用三個功率表同時測量三相負載消耗的功率，相加得到三相電路的有功功率。也可用一個功率表分別測量各相負載的功率，再求和。當三相負載對稱時，可只用一個功率表測量任一相的功率，將表的示值乘以3倍即得到三相電路的總功率。測量每相功率時，功率表的接法如圖3-5所示。圖3-5 三相四線制電路三瓦特計法功率測量電路三、實驗任務、步驟與方法1三相負載星形連接（三相四線制供電）電壓、電流測量用掛箱DGJ-04按圖3-1連接實驗線路，將三相調壓器的旋柄置于輸出為零伏的位置（即逆時針旋到底），經檢查線路連接正確后，方可開啟實驗臺電源，調節調壓器，

7、使其輸出的線電壓為220V，斷電待用。1）有中線，對稱負載，合上開關即連接中線，各相分別接入三個15W燈泡相并聯的負載，分別測量各相負載的線電壓、相電壓、線電流和中線電流，記入表3-1中。2）無中線，對稱負載，斷開開并，各相負載不變，重復測量并記錄各相負載的線電壓、相電壓、線電流、電源與負載中性點間的電壓，觀察中線對星形連接對稱負載是否有影響。3）有中線，不對稱負載。合上開關，相接入的15W燈泡并聯數分別為1、2、3個，重復測量并記錄1）中各量。4）無中線，不對稱負載，斷開開關，各相負載同3），重復測量2）中各量、觀察各相燈的明暗變化程度，以此了解中線的作用。表3-1 星形連接三相電路實驗數據

8、負載開燈盞數中線線 電 壓相 電 壓中性點電壓線 電 流電線電流A相B相C相對稱333有333無不對稱123有123無5）無中線、不對稱負載特例，在4）的基礎上，使相開路，觀察兩相燈亮度的變化。3三瓦特計法測量有中線星形連接三相電路負載有功功率1）負載對稱，先將調壓器調至OV輸出后斷電，用DGJ-04掛箱，按圖3-1連接三相對稱負載，再按圖3-5先將功率表、電流表、電壓表接入電路的B相，注意功率表的端接出B相的電源側，非端與電壓表的一端接在中線上。線路中接入電流表和電壓表是用來監視該相的電流和電壓，不要超過功率表電流和電壓的量程。經檢查后通電，讀出并記錄功率表的示數，然后分別將三只表換接到A相

9、和C相進行測量和。注意每次換表必須在斷電下操作。2）負載不對稱，在1）接線的基礎上，將A、B、C相接入的燈泡數改為1、2、3，重復1）的操作，分別測量并記B、A、C的功率。表3-3 三瓦特計法測量有線星線連接三相負載功率實驗數據負載情況開 燈 盞 數測 量 數 據計算值A相B相C相對稱333不對稱123四、實驗注意事項1本實驗采用三相交流市電、線電壓為380V，實驗時要注意人身安全，不可觸及導電部件，防止意外事故發生。2每次接線完畢，必須認真檢查，確認正確之后方能接通電源。必須嚴格遵守先斷電，再接線、改線、撥動開關，后通電；先斷電，后拆線的實驗操作原則。3每項實驗內容完畢之后，均需將三相調壓器

10、旋柄調回零位后斷電。五、預習要求1復習三相電路有關知識，三相負載功率的測量方法，閱讀本實驗各項內容，畫出實驗線路圖和實驗數據表格。2三相星形連接不對稱負載在無中線情況下，當某相負載開路或短路時會出現什么情況？如果接上中線，情況又如何？3. 說明三相四線制電路中線的作用，為什么中線上不允許裝保險絲？七、實驗報告要求1根據不對稱負載星形連接有中線電路、的測量數據、計算中線電流值，并與其測量值作比較。2說明不對稱負載星形連接無中線電路、C相斷開前后，A、B相泡燈亮度變化情況，原因是什么？3根據實驗結果總結測量三相電路功率各種方法的適用條件。實驗四 一階電路的響應一、實驗目的1研究一階RC電路的零輸入

11、響應，零狀態響應和全響應的變化規律和特點。2學習示波器的基本工作原理，用其觀察波形、測量電路時間常數的方法。3進一步掌握微分電路和積分電路的概念。二、實驗原理與說明1零輸入響應，零狀態響應和全響應含有儲能元件的電路稱為動態電路。當動態電路的特性可以用一階微分方程描述時，稱該電路為一階電路。對處于穩定狀態的動態電路，當電路結構或參數發生變化時，電路中會引起過渡過程。電路的過渡過程有零輸入響應、零狀態和全響應三種情況。1）零輸入響應，圖4-1為一階RC電路，當開關S先置于2使電路處于穩定狀態，在時刻S由2扳向1，電路引起零輸入響應，有。此暫態過程為電容放電過程、放電曲線如圖4-2(b)所示，電路的

12、零輸入響應與初始狀態成正比。圖4-1 一階RC電路圖4-2 一階RC電路的電容電壓充放電曲線及時間常數2）零狀態響應，當開關S在1位置，使電路處于穩定狀態，在時刻S由1板向2，電路引起零狀態響應，有。此暫態過程為電容充電過程，充電曲線如圖4-2(a)所示，電路的零狀態響應與激勵成正比。3）全響應一階RC電路的全響應，是指電源激勵和電容元件初始狀態均不為零時電路的響應，是零輸入響應和零狀態響應的疊加。將圖4-1電路的線斷開，該電容C的初始電壓。全響應= 零輸入響應+ 零狀態響應上式可改寫為全響應= 穩態分量+瞬態分量，全響應與激勵不存在簡單的正比關系。2方波激勵下的響應1）方波信號可以看成是一系

13、列階躍信號與延時階躍信號的疊加。當方波的半周期遠大于電路的時間常數時，可以認為方波某一邊沿（上升或下降沿）到來時，前一邊沿所引起的暫態過程已結束。這樣，電路對上升沿的響應就是零狀態響應；對下降沿的響應就是零輸入響應。因此，方波激勵下的響應就是零狀態響應和零輸入響應交替出現反復重復的過程。故可以利用普通示波器來觀察、分析零輸入響應和零狀態響應，如圖4-3(a)所示。圖4-3 一階RC電路方波激勵的響應 (a)情況 (b) 情況2）當方波的半周期等于小于一階RC電路的時間常數時，在某一邊沿到達時，前一邊沿所引起的暫態過程沒有結束，即沒有過渡到它的穩定狀態。是電源激勵和電容元件的初始狀態均不為零的響

14、應，即電路的全響應，如圖4-3(b)所示。上升沿到來時電容的初始值，下降沿到來時電容的初始值。可以用全響應表達式：來求電容C充、放電的初始值、：上升沿到來時，當時，則（4-1）；下降沿到來時，當時則（4-2），將其代入（4-1）式得，（4-3）則 （4-4）3時間常數及其測量對于圖4-3(a)所示方波激勵情況，零狀態響應表達式為即電容電壓由按指數規律衰減而趨于零；零輸入響應表達式為，即電容電壓由OV按指數規律上升而趨近于。下表是以上兩種響應電容電壓相對值與的關系。表4-1 一階RC電路的零輸入響應和零狀態響應的的關系零輸入響應的0.3680.1350.0500.0180.0070.002零狀態

15、響應的0.6320.8650.950.9820.9930.998由表4-1看出一階RC電路的這兩種響應的暫態過程經過的時間就可認為已結束而到達了穩定狀態。因此，一階RC電路在方波激勵下，只要滿足（即）就可以用示波器觀察到交替出現的零輸入和零狀態響應的波形。通過顯示的波形可以測量出電路的時間常數。對于電容的充電曲線，下降到初值的36.8%所對應的時間即也為值，如圖4-2所示。4微分電路和積分電路圖4-4 (a)微分電路 (b)積分電路（a） （b）圖4-5 (a)微分電路輸入、輸出波形(b)積分電路輸入、輸出波形圖4-4(a)為微分電路，當激勵方波周期T與電路的時間常數滿足，且時，則，即輸出電壓

16、近似與方波激勵的微分成比例，輸入、輸出波形如圖4-5(a)所示。圖4-4(b)為積分電路，當，且時，則，即輸出電壓與方波激勵的積分近似成比例，輸入、輸出波形如圖4-5(b)所示。圖4-6 一階、二階動態電路實驗數三、實驗任務、步驟與方法實驗電路為DGJ-03掛箱上的一階、二階動態電路實驗板，它上面的所有元件，都是通過開關接入線路的，可以構成本實驗用的各種一階RC電路。使用時需認清R、C元件的布局及其標稱值，各開關的通斷位置等。1方波激勵下的零輸入和零狀態響應從電路板上選取、組成如圖4-4(a)所示的一階RC電路，為信號發生器提供的方波信號，用示波器的兩個通道CH 1、CH2同時顯示和的波形。觀

17、察的變化規律，根據充、放電曲線分別測量出時間常數值，與計算值作比較，并用方格紙按圖4-3(a)的形工描繪和的波形。2方波激勵下的全響應令上述電路的、和和不變，用示波器的CH1、CH2同時顯示、的波形，觀察的變化規律，并用方格紙按圖4-3 (b)形式描繪和的波形，測量（示波器輸入耦合方式為DC）。3微分電路令、組成圖4-4(a)所示的微分電路，的和不變，用示波器同時觀察、的波形，并用方格紙按圖4-5(a)的形式描繪和的波形。增大R值定性觀察波形的變化，當R增至1M時該電路是否還是微分電路。測量R=100、1k、10k時，微分尖脈沖幅度和其底部寬度見圖4-5a自擬實驗數據表格。4積分電路令、組成如

18、圖4-4(b)所示積分電路，令的，用示波器同時觀察和的波形，并用方格紙按圖4-5(b)的形式描繪和的波形。四、實驗注意事項1實驗接線時應將信號發生器和示波器的接地端與實驗電路的激勵和響應的公共端連在一起。2用示波器的雙通道觀察波形時建議用CH1輸入端接方波激勵信號，用CH2輸入端接響應，保持這樣的連接順序，方便于示波器的調節與波形觀察。用CH1通道作內觸發源（連接方波的通道）這是因為方波信號邊沿陡峭，利于獲得穩定的掃描起點，觀察波形時應合理選擇垂直靈敏度和掃描時間因數，使顯示波形的幅度足夠大，周期數適當（一般1-2個周期）。當需定量測量波形幅度或時間參數時應將垂直靈敏度微調或掃描時間因數微調分

19、別置于校正位置（CAL），并利用垂直或水平位移旋鈕，將幅度測量基準線或時間測量基準點置于屏前坐標格某一水平或垂直坐標線上。雙蹤顯示輸入輸出波形時，一般應將輸入波形置于屏的上方。3利用DGJ-03掛箱上實驗電路板組成各項內容實驗電路時，注意將所有不用元件的接入開關斷開。五、實驗儀器設備1低頻信號發生器 EE1021 1臺2雙蹤示波器 6502 1臺3動態電路實驗板1個 DGJ-03六、預習要求1復習教材RC電路響應內容，閱讀指導書中本實驗各項內容，熟悉信號源，示波器的基本使用方法，畫出微分電路數據記錄表格。2計算圖4-3(b)電路，當、時的時間常數值，如果方波頻率，它是否為該電路的零輸入和零狀態