电工电子实验报告

电工电子综合实验 0711100237 张达 电工电子综合试验 （ ） ——实验三：测量电感元件参数及功率因数的提高 院系：理学院信息物理与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系 专业：光信息科学与技术 姓名：张达 学号：0711100237 实验三：测量电感元件参数及功率因数的提高 摘要 实际生活中，我们所见到的电路往往不是由一种基本元件构成，而是由电感、电容、电阻等不同性质的元件组合而成的。如何去定量测量这些元件组合之后负载对外显出的电学量大小，是电路研究中最基本、最重要的的问题之一。本文首先大致介绍了三表法、相量图法这两种基本的测量 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，然后利用这两种方法分别对交流电路原件的电感、电容参数进行了实际测量，并对此讨论了测量误差、分析了误差原因；提高功率因数可有效降低线路损耗、改善电压质量、提高变压器利用率和节约用户的电费开支等，所以在测量出交流电路元件电感、电容参数之后，本文又对感性负载（如日光灯）并联适当的电容来提高感性负载的功率因数的问题进行了研究。通过测量元件电感、电容参数、分析影响功率因数的因素，提出了提高交流电路功率因数的一般方法。 关键字：相量法 三表法 有功功率 功率因数 人工补偿 引言 在科学技术飞速发展的今天，电工电子技术在各种领域中都发挥着极其重要的作用。在这一领域中，电感、电容等元件作为最常见的基本电路元件，是构成这一领域的基础。然而，实际生活中常见的各种电路并不是由一种基本元件直接构成，而是往往由各种不同性质的基本元件组合而成，如何去定量测量这些量的大小，并根据它们的大小研究更深层次的问题是电工电子技术研究中最基本也是最重要的的问题之一。本文首先介绍了三表法、相量法这两种基本的测量方法，对测定元件的电学基本量这一问题给出了很好的解答。 功率因数是供用电系统的一项重要技术经济指标，各类由电感、电容等基本元件组成的用电负载在消耗有功功率的同时，还需大量的无功功率由电源送往负荷，功率因数反映的是用电设备在消耗一定的有功功率的同时所需的无功功率。对于用电负载来说，主要是一些小加工业及照明负荷，其中大部分用电设备为感性负载，其功率因数都很低，影响了线路及配电变压器的经济运行。通过合理配置无功功率补偿设备，以提高系统的功率因数，从而达到节约电能，降低损耗的目的。本文主要研究了如何对一个交流电路中的负载并联合适大小电容来提高功率因数的问题。通过实验，研究改变并联电容参数后的电路总电流的变化，寻找电流的最小值，从而得到整个电路中负载达到最高的功率因数。设计了两个实验，主要采取了《电工实验技术》（马鑫金 编著）一书中的方法，并通过Multisim 10进行了电路仿真。 正文 一、实验目的 1、加深对交流基尔霍夫电压定律的理解； 2、掌握测量交流元件电感、电容参数的一般方法； 3、掌握提高感性负载功率因数的一般方法 ； 4、学习使用交流仪表和功率表。 二、实验设备与器材 本实验是理想状态下的实验，所有数据都通过在电路专用仿真软件Multisim 10中模拟实验测得的。 1、交流电压表、电流表、功率表； 2、输出可调的理想交流电压源； 3、理想条件下的电阻、电容、电感元件。 三、实验原理 （1）交流元件电感、电容参数的测量 交流电路中各基本元件的计算公式如下： 元件的电阻： 或 元件的感抗： （电感 ） 元件的容抗： （电容 ） 复阻抗的模： （阻抗角 ） 等效的电阻： 等效的电抗： 等效的总阻抗： 电感的两端电压： 电阻两端电压： ①相量图法（以串联电路中的电感元件为例，电容元件同理） 相量法测量电感的方法和原理参考如下图所示. 由交流基尔霍夫电压定理可知 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。 所以可以用交流电压表分别测出各电压值的有效值 测量出各电压值后，在相量三角形中运用余弦定理 计算出角 ，然后根据 角和 求出 ，最后得出L和r。试验电源可用函数电源的功率输出，其频率在200-500Hz。 ②三表法 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 ，流过该元件的电流 和它所消耗的功率 ，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用来测量交流电路参数的基本方法之一。 测定交流电路中元件的阻抗值或无源一端口网络的等效阻抗值，可以用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出其两端的U、流过的I和有功功率P，通过他们的关系式可得出阻抗的模 、功率因数 、等效电阻 、等效电抗 。其关系式为： 两点 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 ： 1、容性或感性的确定: 1）电路中接入功率因数表，从表中直接读出 值或阻抗角，读数超前为容性，滞后为感性。 2）在被测元件的两端并接一个适当容量的试验电容器。若电流表的读数增大，则被测元件为容性；读数减小，则为感性。试验电容器的容量C可根据下列不等式选定： （式中 为实验电容器的容纳，B为被测元件的等效电纳。） 2、考虑仪表内阻: 三表法有两种接线方式，如下图所示。若考虑仪表的内阻，则要对测量结果中的方法误差加以校正。 三表法的两种接法 对于左图的电路，校正后的参数为： 式中，R、X为校正前根据计算得出的电阻值和电抗值；R1、X1为电流表线圈及功率表电流线圈的等效电阻和等效电抗。 校正后的参数为： 一般情况下，电压表和功率表电压支路的电抗可以忽略，因此 式中，G、B为校正前根据计算得出的电导值和电纳值；GU为电压表线圈及功率表电压线圈支路并联的等效电导。 （2）提高感性负载功率因数 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。 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或并联，（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，本实验使用数字式功率表，连接方法与电动式功率表相同。 提高负载功率因数，可分为提高然功率因数和采用人工补尝两种方法： （1） 提高自然因数的方法： （1)恰当选择设备容量，减少负载无功消耗，防止“大马拉小车”。 （2)对平均负荷小于其额定容量40%左右的轻载电动机，可将线圈改为三角形接法（或自动转换）。 （3)避免电机或设备空载运行。 （4)合理配置变压器，恰当地选择其容量。 （5)改善配电线路布局，避免曲折迂回等。 （二）人工补偿法（本文主要研究的方法） 实际中可使用电容器或调相机，在感性负载上并联电容器的方法可用电容器的无功功率来补偿感性负载的无功功率，从而减少甚至消除感性负载于电源之间原有的能量交换。本文研究的是前者通过并联电容器的补偿法来提高功率因数。 在交流电路中，纯电阻电路，负载中的电流与电压同相位，纯电感负载中的电流滞后于电压90º，而纯电容的电流则超前于电压90º，电容中的电流与电感中的电流相差180º，能相互抵消。电力系统中的负载大部分是感性的，因此总电流将滞后电压一个角度，如下图所示，将并联电容器与负载并联，则电容器的电流将抵消一部分电感电流，从而使总电流减小，功率因数将提高。 记电容支路的电流为 ，日光灯支路电流为 ，线路的总电流为 ，且满足 ，各条电路中的电流随电容变化状况如下图： 提高一光灯功率因数原理和测量曲线 左图：提高功率因数 右图：测量曲线 四、实验内容 1、 交流元件的电感、电容参数的测量 假设电路由一个感性元件与一个电阻C0构成，感性元件又可以看成一个理想电感L1与理想电阻R1组成，如下图所示： 且 由交流电路中基尔霍夫电压定理可知: 由交流电路中各基本元件的计算公式可知： 元件的电阻： 元件的感抗： （电感 ） 复阻抗的模： （阻抗角 ） 等效总阻抗： 理想电感的两端电压： 理想电阻两端电压： 串联实际电阻两端电压： 2� 相量图法（以串联电路中的电感元件为例，电容元件同理） 电路连接如下图： XMM5为交流电压表，测量R0两端的电压值，XMM6也为交流电压表，测量R1两端的电压值。 电路测量结果如下图： 已知 ，测量结果为 由相量法得： 所以 ， 所以可以解得 误差分析： 相对误差 ， 误差小于百分之一，误差主要来自于交流测量仪表并不是理想仪表，电压表内阻不是无穷大 ②三表法 电路连接如下图： 电路测量结果如下图： 测得 由前式分别得： ， ， 误差分析：相对误差 , 误差小于百分之一。误差主要来自于交流测量仪表并不是理想仪表，电压表内阻不是无穷大，电流表内阻不为零。 2、 提高感性负载功率因数 先设计电路，由于Multisim仿真软件中并无日光灯这一元件，所以研究问题时将日光灯这一感性负载进行理想化，可以看成一个电阻与电感串联而成，所以令感性负载 可调电容器容值范围为 ，最小可调精度为 。 XWM7为交流功率表，测量电路干路电流；XMM12为交流电流表，通过改变开关来测量不同支路上的电流；XMM11为交流电压表，测量电路两端的电压 可将原电路进行简化： 由交流电路中基尔霍夫电压定理与各基本元件的计算公式可知： 元件的电阻： 元件的感抗： （电感 ） 复阻抗的模： （阻抗角 ） 等效总阻抗： 电感的两端电压： 电阻两端电压： 用Multisim 10进行电路仿真，模拟电路连接如下图所示： 按图接线，通过调整电容C3来改变流经感性负载的电流，从而达到提高功率因数的目的。 根据电路，由理论计算有如下公式： 电路中总电流为： 若要功率因数达到最大，即无功功率为最小，所有赶路总电流也要最小，所以当 ，即 综上所述： 当负载处于功率因数最大的状态时，人工补偿法并联的电容大小理论值应调整为 。 电路测量结果如下图： 通过改变电容大小，分别测出各表相应的值，并记录在下表中。电容每改变5%即改变1uF，在接近功率因数最大时，电容每次改变1%即0.2uF。 电容值（uF/所用可变电容百分比%） 各表测量值 计算值 0（0%） 0．137 667.29 667.168 44.473 220 0.303 102.30 30.3 1（5%） 69.115 667.29 601.807 44.486 220 0.336 87.91 33.6 2（10%） 138.23 667.29 537.205 44.556 220 0.377 73.63 37.7 3（15%） 207.345 667.29 473.910 44.519 220 0.427 59.74 42.7 4（20%） 276.46 667.29 412.452 44.554 220 0.491 46.19 49.1 5（25%） 345.576 667.29 353.873 44.532 220 0.572 33.32 57.2 6（30%） 414.691 667.29 299.797 44.521 220 0.675 21.43 67.5 7（35%） 483.806 667.29 253.131 44.495 220 0.799 11.19 79.9 8（40%） 552.921 667.29 218.738 44.513 220 0.925 3.61 92.5 9（45%） 622.036 667.29 202.831 44.535 220 0.998 0.09 99.8 9.2（46%） 635.859 667.29 202.409 44.530 220 1.000 0.00 100 9.4（47%） 649.681 667.29 202.881 44.543 220 0.998 0.09 99.8 9.6（48%） 663.505 667.29 204.315 44.541 220 0.991 0.41 99.1 9.8（49%） 677.328 667.29 206.593 44.541 220 0.980 0.91 98.0 10（50%） 691.151 667.29 209.805 44.545 220 0.965 1.61 96.5 11（55%） 760.266 667.29 237.571 44.530 220 0.852 7.74 85.2 12（60%） 829.381 667.29 280.012 44.539 220 0.723 17.06 72.3 13（65%） 898.496 667.29 331.596 44.499 220 0.610 28.45 61.0 14（70%） 967.611 667.29 388.625 44.543 220 0.521 40.95 52.1 15（75%） 1037 667.29 449.073 44.558 220 0.451 54.24 45.1 16（80%） 1106 667.29 511.710 44.580 220 0.396 68.00 39.6 17（85%） 1175 667.29 575.841 44.594 220 0.352 82.09 35.2 18（90%） 1244 667.29 641.016 44.563 220 0.316 96.46 31.6 19（95%） 1313 667.29 706.925 44.480 220 0.286 111.04 28.6 20（100%） 1382 667.29 773.401 44.579 220 0.262 125.57 26.2 为测量功率因数最大时，用波特图仪检测，在50.653Hz左右幅度达到最小，验证了在50Hz左右发生了谐振。当电路发生谐振时，负载电阻上的电压近似为最低。 根据上表数据，分别画出 EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 与 关系的图像，图像如下： EMBED Equation.DSMT4 EMBED Equation.DSMT4 关系曲线 关系曲线 结论 1、交流元件的电感、电容参数的测量 ①相量图法 由仿真实验后可知： 交流电压表分别测出各电压值的有效值 ，测量出各电压值后，在相量三角形中运用余弦定理 计算出角 ，然后根据 角和 求出 ，最后根据电感的两端电压： 电阻两端电压： ，得出的就是L和r。 ②三表法 由仿真实验后可知：测定交流电路中元件的阻抗值或无源一端口网络的等效阻抗值，用交流电压表、交流电流表和功率表分别测出其两端的U、流过的I和有功功率P，得出阻抗的模 、功率因数 、等效电阻 、等效电抗 。最后可得感性元件参数即为： ， 2、提高感性负载功率因数（并联电容补偿法） 通过调整电容C3来改变流经感性负载的电流，从而达到提高功率因数的目的。 若要功率因数达到最大，即无功功率为最小，所有干路总电流也要最小，所以由 可知，当 ，即 所以当并联电容 时，可以使感性负载的功率因数达到最大。 致谢 本文以及相应上机仿真、电工电子实验能顺利完成要得益于张燕老师的教导与帮助，在此，我向张燕老师表达衷心的感谢。 参考文献 1、《电工技术基础》 黄锦安 钱建平 马鑫金 编著 电子工业出版社 2、《电工实验技术》 马鑫金 编著 机械工业出版社 3、《电工仪表与电路实验技术》 马鑫金 编著 机械工业出版社 � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� 3 / 19 _1234567992.unknown _1379274639.unknown _1379323274.unknown _1379325277.unknown _1379325664.unknown _1379329328.unknown _1379329987.unknown _1379330035.unknown _1379329357.unknown _1379325740.unknown _1379325501.unknown _1379325558.unknown _1379325332.unknown _1379323725.unknown _1379323759.unknown _1379323653.unknown _1379323367.unknown _1379277730.unknown _1379322075.unknown _1379323198.unknown _1379322144.unknown _1379322879.unknown _1379322900.unknown _1379322551.unknown _1379322080.unknown _1379319532.unknown _1379321969.unknown _1379321980.unknown _1379319539.unknown _1379277753.unknown _1379277721.unknown _1379277726.unknown _1379277710.unknown _1379277466.unknown _1379273751.unknown _1379274269.unknown _1379274514.unknown _1379274632.unknown _1379274363.unknown _1379273878.unknown _1379273944.unknown _1379266911.unknown _1379267194.unknown _1379272390.unknown _1379273204.unknown _1379273692.unknown _1379273276.unknown _1379273054.unknown _1379271010.unknown _1379271061.unknown _1379269357.unknown _1379267005.unknown _1379267031.unknown _1379256765.unknown _1379256912.unknown _1379264135.unknown _1379256803.unknown _1234567993.unknown _1379245330.unknown _1379253025.unknown _1379253087.unknown _1378305935.unknown _1378926585.unknown _1234567982.unknown _1234567988.unknown _1234567990.unknown _1234567991.unknown _1234567989.unknown _1234567986.unknown _1234567987.unknown _1234567985.unknown _1234567983.unknown _1234567984.unknown _1170443845.unknown _1170445250.unknown _1170492341.unknown _1234567981.unknown _1170496661.unknown _1170497336.unknown _1170479884.unknown _1170482425.unknown _1170479582.unknown _1170443928.unknown _1170444240.unknown _1170443486.unknown _1170443633.unknown _1170443711.unknown _1170443367.unknown