電路與電工實驗
實驗講義
（強電部分）
雲大物理系電路與電工實驗室
2023年5月
目錄實驗十二日光燈電路及功率測量 - 3 -
實驗十三三相非同步電動機的基本控制線路 - 12 -
實驗十四三相非同步電動機的正反轉控制線路 - 16 -
實驗十五三相非同步電動機的往返控制線路 - 20 -
實驗十六三相非同步電動機的時間控制線路 - 22 -
實驗十七三相非同步電動機的降壓起動控制線路 - 25 -
附錄a：常用電氣裝置文字元號 - 29 -
附錄b：電氣圖常用圖形符號 - 30 -
附錄c：sxdj 3000型三相電動機電氣控制實驗系統介紹 - 32 -
附錄d：sxdj 3000型三相電動機電氣控制實驗系統結構及連線圖 - 34 -
附錄e：sxdj 3000型三相電動機電氣控制實驗系統接線排對照表 - 35 -
實驗十二日光燈電路及功率測量
一、實驗目的
1． 研究日光燈電路的併聯諧振特性，並了解提高功率因數的方法；
2． 了解電動式瓦特表測功率的原理和使用方法。
二、實驗原理
1． 日光燈電路的工作原理
如圖12-1所示，日光燈電路是由日光燈管d與啟輝器s（俗稱跳泡）併聯後再與整流器l串聯而成。把它接入交流220v 50hz電源，當日光燈未點燃時啟輝器承受電源全部電壓而開始起輝放電，使其中乙個用雙金屬片製成的u字形電極因放電發熱而膨脹後與另乙個電極接觸，於是電源鎮流器、日光燈的燈絲和啟輝器構成串聯閉合迴路而有電流流過，通過的電流使燈絲加熱。隨之啟輝器停止起輝放電，於是u形雙金屬片冷卻收縮後與另一電極斷開。
在這斷開瞬間，使具有電感的鎮流器引起中電流突然消失而產生乙個高電壓脈衝感生電動勢，它加在兩燈絲間就導致日光燈管內水銀蒸汽放電而點燃日光燈。點燃後的燈管壓降較低，啟輝器不再輝光放電而始終處於斷開狀態，電源電壓的一部分降在鎮流器上並限制了流過日光燈管的電流。
由此看出，啟輝器起到了自動開關作用，而鎮流器起到點燃日光燈和限制流過日光燈管流的作用。
圖12-1 日光燈電路圖12-2 併聯諧振電路
日光燈電路正常工作時，燈管中水銀蒸汽的放電電流與燈管兩端的電壓之間的關係較為複雜，不成線性關係，但偏離線性關係不太大。所以，在一定的電流和電壓範圍內燈管可以近似地看成是乙個線性電阻r；同理，帶鐵芯的鎮流器有銅損和鐵損等因素影響，並非乙個純電感，並且也是非線性的，但在一定誤差範圍內和電流範圍內也可近似地看成是乙個純線性電感l和乙個線性損耗電阻rl的串聯，不過在測鎮流器兩端電壓時，它們二者是混在一起被測出的，是無法分開測量的。於是初步研究日光燈電路時可把它近似看成為線性電阻r（包括日光燈電阻和鎮流器損耗電阻）和線性電感l的串聯電路。
由此很容易算出該電路的電流，以及電流於電壓間的相位差，並進一步算出功率因數。它們的相量關係如圖12-3（a）所示，以20w日光燈為例，功率因數大約只有0.35左右，顯然比較低，必須設法加以提高。
2． 併聯諧振電路分析
為了提高日光燈電路的功率因數，可在它們兩端併聯乙個補償電容c，就構成了如圖12-2所示的電路。適當調整併聯補償電路c的大小就可使電路發生諧振，如圖12-2就是乙個併聯諧振電路。
12.1）
（12.2）
當c較小時，為負，補償不足，如圖12-3（b）；
當c較大時，為正，補償過頭，如圖12-3（c）；
當c恰為某一特定值時，使得，即
12.3）
由12.1式可知這時的電源輸出總電流為最小，而由12.2可知這時的，即功率因數為最大。
所以當滿足12.3式時，則稱該電路發生諧振，各電流和電壓相量關係如圖12-3（d）。諧振時兩支路的電流與電源供給的總電流之比分別為：。
當時，諧振的支路電流可以比總電流大得多，所以併聯諧振又稱電流諧振。
從前的日光燈，每盞都幾乎配有補償電容，而現在的日光燈已省去了補償電容，但在每乙個用電單位的配電室裡已設有自動補償裝置，不但能補償日光燈，而且也可補償其他用電裝置，是功率因數盡可能接近於1。
圖12-3 電流相量圖
3． 電動式電表的工作原理
電動式電表的結構示意如圖12-4，外層線圈a是固定不動的，稱作定圈。內層線圈b通過轉軸可以轉動，稱作動圈。示意圖把這兩組線圈畫成矩形較為清楚，而實際線圈多為圓形，但二者原理一樣。
如果在定圈中通入電流，在它裡面就會有正比於電流的磁感應強度產生，如果又在動圈中通入電流，則它受到所產生的磁場作用，而產生正比於和的乘積電磁偏轉力
圖12-4 電動式電表結構示意圖矩，在該力矩作用下動圈轉過角度，此時與轉軸相聯絡的游絲又會產生乙個機械**性力矩與之平衡，故電表平衡時動圈轉過的角度正比於，設比例引數為k，則
12.4）
（1）如果是作為電動式安培表使用，可將定圈與動圈進行適當的串聯或併聯後再串入被測電路。所以流過兩個線圈的電流和都正比於被測電流i，即
12.5）
由此看出，電動式安培表指標轉過角度正比於電流的平方，電表刻線是不均勻的，起始部分特別密集，一般是不用起始那一段，只用滿表電流的20%到100%那一段。
（2）如果是作為電動式瓦特表使用，則將定圈與負載串聯，通過的電流就是負載電流i，稱定圈為電流線圈。而動圈串聯高電阻再與負載併聯，於是流過動圈的電流與負載兩端的電壓u成正比，稱動圈為電壓線圈。由12.
4式可知此時電表偏角與和的乘積成正比，即：
12.6）
如果是直流電則就是負載功率，電表偏轉角與直流功率成正比。如果是正弦交流電，設，其中是相對落後的相位差。於是代表瞬時功率，平均功率（即有功功率）。
式中分別為電壓和電流的有效值，是視在功率。是負載的功率因數，即
12.7）
由此可知，在正弦交流電情況下，瓦特表的偏轉角與負載上的有功功率成正比，所以瓦特表的刻線基本上是均勻的，用瓦特錶可直接測出負債的有功功率。
瓦特表的簡化示意符號如圖12-5（a），在電路圖中還可進一步簡化成圖12-5（b）或12-5（c）的符號。
圖12-5 瓦特表示意符號
電動式電表的優點是精度較高，能交直流兩用，缺點是製造成本較高，還要特別注意防止外磁場干擾。
4． 正確使用瓦特表
（1）正確連線瓦特表
如圖12-6所示，單相瓦特表有兩種接法。特別注意，千萬不能將電流線圈誤當成電壓線圈接到負載兩端，這與安培表當作伏特表的錯誤一樣嚴重，會立即燒壞電流線圈。其次是兩組線圈中任一組的兩個接頭對調都會使瓦特表指標反轉。
第三是各個接線端有標誌符號，其中有「*」號的i和u一般應連在一起，如圖12-6（a）所示。或者將有「*」號的u接到無「*」號的i也可以，如圖12-6（b），但不能將無「*」號的u接到電流線圈的任一端，因為這樣一來，電流線圈和電壓線圈的電位差過高，會使兩線圈有可能發生擊穿打火現象。
圖 12-6 瓦特表的接法
（2）正確選擇瓦特表的量程
要分別估計被測負載上的電流和電壓，使二者分別都不超過瓦特表的電流和電壓量程，這一點是很重要的。因為被測電路的功率因數如果很低很低，瓦特表所指示的有功功率很小，還不到滿表的功率量程，但也有可能流過電流線圈的電流早已超過額定電流許多倍，或者電壓線圈上電壓已超過額定值許多倍。這兩種情況都會燒壞線圈。
而其他型別的電表只要指標不超過滿表就不會燒表，但電動式瓦特表即使指標不超過滿表也有可能燒壞瓦特表。
（3）接入誤差
瓦特表的兩種接法與伏安表測電阻類似，均會給測量結果帶來誤差。圖12-6a中電流線圈內接，相當於伏安法測電阻中安培表內接。流過電流線圈的電流就是流過負載的電流，但電壓線圈上測得的電壓是負載兩端的電壓和電流線圈上的電壓(為電流線圈的內阻)之和。
所以瓦特表實測功率比負載上消耗的實際功率要多出。對於圖12-6b中電流線圈外接，相當於伏安法測電阻中安培表外接，這時瓦特表電壓線圈上的電壓就是負載上的電壓，但瓦特表電流線圈上流過的電流和電壓線圈上流過的電流（是電壓線圈和與串聯的高電阻之和）之和，所以瓦特表指示的功率比負載實際消耗的功率要多出。在精密測量中要對此進行修正。
（4）變數限（多量程）瓦特表的用法及其分格常數的確定
大多數瓦特表都是變數限的。其中電流量程有兩個，這是因為電流線圈是由兩個前後靠得很近的完全相同的定圈組成，兩者串聯就構成電流的低量程，兩者併聯就構成電流的高量程，顯然高量程是低量程的兩倍。這種量程轉換方法有的採用改接轉換片位置來實現，有的採用改變插塞位置來實現。
電壓量程是靠改變電壓線圈串聯高電阻的大小來實現的，這與改變伏特表量程的方法完全一樣。
設瓦特表的電流量程為，電壓量程，與瓦特表本身有關的常數為（瓦特表的功率因數），則瓦特表的功率量程為
12.8）
特別要注意，這裡的並不是被測電路的功率因數，而是與瓦特表本身有關的因子，這已在每個瓦特表的盤面上給定了。例如國產d26-w的稱作高功率因數瓦特表，適於測功率因數高的電路。又如d34-w的稱作低功率因數瓦特表，適於測功率因數較低的電路。
變數限瓦特表的盤面上只有一種刻線。設共有n個分格，而變數限瓦特表的電流量程是兩個，電壓量程至少有兩個，所以通過組合後功率量程至少有四種，對於每一種功率量程，刻度線上每一格所代表瓦特數也不同，每格所對應的瓦特數叫做瓦特表的分格常數，用c表示，則
12.9）
三、儀器用具
日光燈電路實驗板、瓦特表、安培表、伏特表和調壓器等。
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