1、电工技术实验指导书电气工程系电工电子实训中心目 录实验课要求 1附录 实验的基本技术和实验的设计方法2实验一 实验基本技能训练 1实验二 叠加定理 戴维南定理4实验三 交流等效参数测定及功率因数提高 7实验四 典型电信号的观察与测量 10实验五 线性电路的过渡过程 13实验六 一阶动态电路的研究 17实验七 三相交流电路 20实验八 继电-接触器控制系统的应用23实验九 可编程控制器实验 26实验课要求实验课是高等教育的一个重要教学环节，是理论联系实际的重要手段。通过教学实验验证和巩固所学的理论知识，训练实验技能，培养学生的实际工作能力。对于电工技术实验课，应通过实验到达到以下目的:1.培养学
2、生实事求是，一丝不苟，严肃认真的科学态度，养成良好的实验习惯和作风。2.训练学生基本的实验技能，如正确使用常用的电工仪器、仪表，掌握一些基本的电工测试技术、试验方法及数据分析处理。一实验课前的准备工作学生在每次实验课前，必须认真预习。具体要求是:（1）阅读实验指导书，明确实验的目的与要求，并结合实验原理复习有关理论；了解完成实验的方法和步骤；设计好实验数据的记录表格。（2）理解并记住指导书中提出的注意事项。对实验中所用仪器设备的作用及使用方法要有初步了解。在上述基础上完成实验报告中的“预习报告”部分，实验前由教师检查通过后方可进入实验室。二实验过程中的工作（1）接线前, 首先了解各种仪器设备及
3、元器件的额定值、使用方法和电源设备的情况。（2）实验中要用的仪器、仪表、实验板以及各种开关等，应根据连线清晰、调节顺手和读数观察方便的原则合理布局。（3）接线可按先串联后并联的原则先接无源部分，再接电源部分。接线时应将所有电源开关断开，并将可调设备的旋钮、手柄置于最安全位置。接好线后，经仔细检查无误，教师复查后才能接通电源。合电源时，要注意各仪表的偏转是否正常。（4）实验进行中要胆大心细，一丝不苟认真观察现象，仔细读取数据, 随时分析研究实验结果的合理性。如发现有异常现象，应及时查找原因。（5）实验完毕，先切断电源，再根据实验要求核对实验数据，然后请教师审核（签字） ，通过以后再拆线，并将仪器
4、设备摆放整齐。（6）注意仪器设备及人身安全。（7）实验结束后，按要求作好清洁卫生工作。特别需要指出地是: 学生在实验过程中，应保持肃静，讲文明、有秩序； 同时要爱护公物，严格遵受仪器设备的安全操作规程及实验室的一切规章制度；对违犯实验室管理，擅自动用与本实验无关的仪器设备或私自拆卸元器件的行为要追究责任，对因违反操作规程及安全技术要求而造成仪器设备及物质器材损坏、丢失者，要依据有关规定予以赔偿。三实验课后的整理工作整理工作主要是编写实验报告中的“实验总结报告”部分。这是实验的总结，应认真完成。附录 实验的基本技术和实验的设计方法实验是为了观察某种现象、规律或验证某种观点或结论而进行的一个操作过
5、程。完成一项实验可以通过运用仪器仪表，依据给定的线路及参数直接进行各种测量；亦可以首先设计出实验原理和线路，从该线路中获得必要的、可靠的实验数据以满足观察、验证的要求。实验的过程是一项比较复杂的工作，要顺利地完成各项实验任务，使测量的结果正确无误，达到预期的实验目的，就必须了解实验的各项基本要求，掌握相关的基本技能，这是做好各项实验工作的必要前提。为此，本章从如何做好实验的角度提出一些基本要求和注意事项，并介绍一些实验操作和实验设计的基本知识。一实验的基本技术1常用的实验测量方法和实验测量技术（1）常用的实验测量方法实验测量方法的分类可从不同的角度出发。1）从获得测量结果的不同方式来分类，可分
6、为直接测量法、间接直接测量法和综合直接测量法。直接测量法-从测量仪器上直接得到被测量量值的测量方法。此时，测量目的与测量对象是一致的。例如用电压表测电压、电流表测电流等等。间接测量法-通过测量与被测量对象有函数关系的其他量，才能得到被测量量值的测量方法。此时，测量目的与测量对象是不一致的。例如用伏安法测电阻等等。当被测量不能直接测量，或者完成测量过于复杂，或者采用间接测量法比采用直接测量法能获得更准确的结果时，采用间接测量法。组合测量法-在测量中，若被测量有多个，而且它们和可直接（或间接）测量的物理量有一定函数关系，通过联立求解各函数关系式来确定被测量的数值，这种测量方式称为组合测量法。例如：
7、某有源电路（如图 1）中的 US及 RS可用以下方式求得：调节电阻 RL为 R1时得到 I1、U1调节电阻 RL为 R2时得到 I2、U2联立方程组 U1+RLI1=USU2+RLI2=US求解该方程组可得出 US及 RS的数值。2）从获得测量结果的数值的方法不同来分类，可分为直读测量法和比较测量法。前者即指直接通过仪表或仪器的读数来确定测量结果的方法；而后者则指测量过程中被测量与标准量（度量器）直接进行比较再获得测量结果的方法。实验中，具体采用那种测量方法，应根据被测量的准确度要求以及实验条件等多种因素来确定。（2）常用的实验测量技术一般来讲，实验测量技术可分为伏安特性曲线的测定和三表法测定
8、交流参数。1）伏安特性曲线的测定伏安特性曲线即某一端口的电压、电流的变化规律曲线。通过对该曲线的分析，可以掌握其端口的电压、电流的变化规律。因此，在电路分析中，测定端口的伏安特性曲线是一个很重要的分析手段。在测量某一端口元件的伏安特性时，通常采用调节外接可调电阻的方法，以得到不同的电压、电流值，在坐标平面上加以描述，最终获得该端口元件的伏安特性曲线。常用的测定伏安特性曲线的方法有：伏安测量法和示波测量法。伏安测量法（亦称伏安法）-端口的伏安特性用电压表、电流表测定。具体的实验电路如图 3 所示。+RLRSUS(图1)VARL(图3)VANCH1+US r(图4)RCH2当测定网络 N 的伏安特
9、性时，调节外接可调电阻 RL得到不同的 U、I 值，在坐标平面上加以描述，就能获得该端网络的伏安特性曲线。当测定固定电阻 RL的伏安特性时，调节其外接电源（N 为电源）可得到不同的 U、I 值，在坐标平面上加以描述，就能获得该元件的伏安特性曲线。伏安法原理简单，测量方便，同时适用于非线性元件伏安特性的测定。但是，由于仪表的内阻可能会影响测量的结果，因此，必须注意仪表的合理接法。示波测量法-利用示波器测定端口的伏安特性曲线。双踪示波器可以将两路信号在 X-Y 工作方式直接合成特性曲线。实验电路如图 4 所示。当测定电源 US的伏安特性时，CH1 通道测量电压信号；CH2 通道测量电流信号，示波器
10、只能测取电压信号，这里测取的是电阻 r（r 为取样电阻，阻值不大且线性无感。 ）上的电压 Ur，I=Ur/r ，将电压信号和电流信号进行简单的转换就是了。这样，在示波器的 X-Y 工作方式下可直接观察到其特性曲线。2）三表法测定交流参数三表法是我们在交流电路中测量电量、电参数时经常采取的方法，其具体的使用将在相关实验中做进一步的叙述。需要注意的是：使用三表法时，电压表、电流表及功率表必须正确使用，它们所测取的值必须是被测元件的电压、电流及功率。2实验仪器设备和元器件的使用实验用仪器设备和元器件由于适用的对象不同而具有不同的规格和性能。具体使用时一方面要参考其使用说明书、查看铭牌标注；另一方面要
11、严格遵守操作规程，保证仪器设备和元器件及人身安全。任何仪器设备和元器件都规定有额定值等有关技术参数，以保证其合理使用和安全。实验者在使用时，首先应检查其额定值是否符合使用条件，不要随便取来就用。否则，产生的后果轻则降低设备和元器件的技术指标，给测量结果带来较大的误差；重则会给仪器设备和元器件造成永久性的损坏。所以，合理选择仪器设备和元器件的额定值，应是实验者要培养的习惯和技能之一。仪器设备和元器件的电气额定值有额定电压、额定电流、额定功率三种，三个量之间有一定的联系。电阻器的铭牌上有两个技术参数：电阻参考值和允许的电流值（或额定功率） 。电容器的铭牌上规定有额定电压。调压变压器（自耦变压器）的
12、铭牌上规定有额定输入电压、最大输出电压、容量（视在功率） 。直流电压、电流源的主要技术指标有额定输出电压、额定输出电流以及电压、电流调节范围等。示波器的主要技术指标有频带宽、灵敏度度等。信号发生器的主要技术指标有输出频率、输出阻抗、输出波形等。实验者在使用仪器设备和元器件时，除了要注意其相关的技术参数以外，一些相应的使用须知是必须记取的：旋转式电阻器的铭牌上有时不标注额定功率，其每个（档）电阻元件上消耗的功率规定不超过 0.5W。滑线式电阻器上标明的电阻是指固定端钮间的电阻值。电容器两端的电压的最大值不允许超过其铭牌上规定的额定电压。对于电解电容还要注意其正、负极性。使用调压变压器时，首先要将
13、电源电压（与输入端上标明的电压值相符）接在其输入端上；然后再由零位开始调节其手柄直至所需值（使用完毕后应将手柄调回零位） 。使用直流电压、电流源要注意其输出电压、电流不要超过额定值，另外电压源的输出端不得短路，电流源的输出端不得开路。示波器的地端应与被测信号的地端连在一起，以免引入干扰信号。信号发生器的输出端不得短路，以免损坏仪器。3实验仪表的使用目前的实验仪表主要有指针式和数字式两种，指针式仪表的使用比例仍很高。有关指针式电测量仪表的基本知识可参见附录一（仪表的误差和准确度等级）以及附录二（仪表的分类和表面标记） 。对于一些特殊仪表如功率表，将在相应的实验项目中做讲解，这里仅介绍一些常用实验
14、仪表的使用须知。一般指针式仪表的指针应在零点位置，若不指零则应调准。晶体管毫伏表调零时，应将两表笔短接后进行。指针式仪表有携带式和固定式两种。携带式要平放后读数，固定式要竖起来后读数（注意仪表表头面板上的标记符号） 。根据被测量确定所使用的仪表，如直流线路中电量的测量必须选择能够测量直流电量的仪表，如直流电压、电流表等；而测量交流电量就必须使用交流仪表了。使用直流仪表时，注意仪表的极性。使用仪表时一定要注意仪表量程的选择。仪表量程的选择原则为：所选择的仪表量程必须大于或等于负载中的相应量值。即：电流表的量程必须大于或等于负载中的电流值，电压表的量程必须大于或等于负载中的电压值。读取仪表数据时，
15、要注意仪表刻度盘与所选定的量程之间的比例关系。使用万用表时，要注意各量程的正确选择以及测量表笔的正确插放。红色表笔应插入万用表的“”端端孔；黑色表笔应插入“”端端孔。切换档位时测试笔应离开测试线路。若不知被测量的范围，应先选择最大的量程为妥。当使用欧姆档时，指针式万用表的黑表笔连接电池的“”极，红表笔连接电池的“”极，数字式万用表与之正好相反。4实验过程中的注意事项关于接线所有的实验接线应在断电的情况下进行，不得带电操作！接线前应将仪器设备、仪表及实验装置等物品整齐摆放在适当的位置，可根据以下几点原则：a便于调节和读数。b接线简单清楚，尽量少交叉，更不要将连接线绞在一起。c保证人身和仪器设备的
16、安全。接线应尽可能少用，而一个接线柱上也不宜接入太多的接头（不易拧紧） 。如图 4 所示的两种接线中，以（b）的接法较好。接线的长度要选择适当，太长则缠绕不清，检查不便，也不美观；太短则容易脱线而可能引起事故。为了防止因错接线路而造成故障，接完线路后一定要仔细检查，确认无误后方可合上电源。关于实验操作通电后首先要观察各实验仪器设备、仪表等是否处于正常状态，若有异常（如仪器有异响、仪表满偏或反偏、元件过热、线路出现火花等）应立刻断电，停止实验，进行检查。实验中若对多处电压进行测量时，一般不要将电压表接入电路，一来可提高仪表的利用率；二来可减少测量（a） （b）（图 4 两种不同的接线方法）误差。
17、如果要测绘曲线，至少应测取 5 组数据，而且这些数据要选择适当，其中应包括有特殊值（极限值） 。在曲线的拐点处要多测几个，找到极大值或极小值，以便正确绘制出曲线。每项实验完毕后，不要急于拆线或更换线路，应先核对实验数据是否正确齐全。拆线时，必须首先断电！线路拆除后，仪器设备等物品应归还原位，摆放整齐。5实验故障的一般检查方法故障检查是实验基本技能之一，反映了实验者理论联系实际、现场分析和解决问题的能力。故障检查的基本方法电压测量法：电路在通电情况下，用电压表测量电路中有关点的电位或两点之间的电压，根据电压的大小和有无进行分析并找出故障的部位。电阻测量法：电路在断电情况下，用欧姆表（万用表的欧姆
18、档）测量元器件的阻值以及导线和开关的通断情况，从而找到故障的部位。信号寻迹法：对于交流电路可用示波器逐级检测各点的信号波形，从中分析、判断故障的原因和部位。故障检查的基本方法大致是以上三种，使用时可以交替使用，但应视现场情况而定。 电路常见的故障及处理方法在电工实验中，常遇到开路、短路、参数异常等故障，这些故障大多是由于导线断开、接触不良、接错线路、错配参数以及元器件损坏等原因所致。实验中一旦出现故障，应立即切断电源，冷静分析，正确判断，采取有效的检查方法和步骤，迅速查出故障原因并找出故障点，以便及时排除。实验中出现故障时，如果不至于继续扩大故障而伤及人身安全、损坏仪器设备，可在带电的情况下用
19、电压测量法或信号寻迹法来检查故障；否则必须切断电源，用欧姆表（万用表的欧姆档）或者其它安全的方法检查。一般情况下，首先要检查线路是否连接正确。应该强调的是在处理故障之前，必须保持现场，切勿随意拆除或改动线路。故障检查的一般步骤：首先了解与故障有关部分电路的结构与特点，对电路在正常工作情况下的电压、电流、电阻等量值要心中有数。根据故障现象进行分析、判断，推测可能产生故障的原因、性质以及故障所在的区域。采取适当的方法有目的地查测，最后找到故障所在的具体位置（故障点） 。6实验报告实验报告是实验工作的全面总结，要用简明的形式将实验的准备及结果完整和真实地表达出来。报告要求文理通顺、简明扼要、字迹端正
20、、图表清晰、结论正确、分析合理、讨论深入。报告纸应采用学院规定的格式，不得用铅笔填写。具体的要求和格式可参见实验报告中的“说明” 。二实验的设计方法实验设计和其他工程设计类似，可以根据该设计进行实验的组织、准备、实施以及结果的整理等工作，它是一个详细的计划。一般地讲，实验设计主要包括下面几个步骤：了解实验目的、原理，分析实验任务，制定实验计划。根据给定的条件（包括参数条件、仪器设备的条件、准确度要求等）确定实验线路和所需的仪器设备，并且在此基础上提出可行性报告。设计实验观察的内容、数据表格、步骤。完成实验的操作。完成实验结果的数据处理，得出最后的结论，完成实验报告。这里将具体介绍实验设计过程中
21、的一些基本方法。1实验方案的制定为某一目的而制定的实验方案并不是唯一的，它受许多因素影响，既使在相同的条件下，也可能有多种可行的方案。有时一个实验可能要采用多个方案进行，以检验各实验方案的实验结果是否存在系统误差。有时因此还可能导致科学上的新发现。初学者进行实验设计时，往往感到无从下手。其实主要的是掌握这样一个原则：用最少的人力、物力以及最快的速度获得符合准确度要求的实验结果。许多实验任务可以分解为若干个独立的实验任务（如测定电压、电流、电阻、频率、波形等） 。此类实验往往可以用若干个现成的、典型的方法或设备进行一定的组合。这类实验由于各个独立的实验方法比较成熟，所以比较方便。如果不是以研究方
22、法为目的的实验，以上的做法是最可取的。但应该注意到，原来独立的实验方法经组合后，相互之间会有一定的影响，因而造成实验误差，要根据具体情况加以修改。下面介绍制定实验方案的一般做法及应该考虑的一些因素。根据实验结果的准确度制定方案通常实验的准确度要求在实验任务下达时就已给定。有时实验是某一总任务派生的任务，在总任务中并没有指出该实验的准确度要求，但其高低影响到实验的周期和费用，因此下来并慎重考虑。另外在设计初期，考虑准确度时，应该给以后设计深入时可能出现的新的误差留有余地。 从现有的测量方法的准确度范围来考虑一般某种原理（方法、仪表）测量结果的准确度的大致范围是可以知道的。因此根据实验任务的准确度
23、要求，就可以拟出几种初步方案，在其中选一种省钱省时的方案。如：通常万用表测电阻的准确度为 10%-20%，用伏安法测大约在 1%-2%，用直流电桥测则可达 1%-0.01%。因此，如果测定电阻的准确度要求在百分之十几时可用万用表电阻档测定，如果在 1%左右则可选择伏安法或电桥测量，再高则只能选择电桥测量。几种方案比较有时几种方法没有明显的差异，这时要进行较详细的分析比较。除测量方法外还要考虑被测量的大小、仪表的基本误差、附加误差、量程等等情况。例如 测电阻的功率，我们可以采用下列原理：aP=UIb. P=U2/Rc. P=I2Rd. 直接用功率表测量等等。其中 P 为电阻 R 的功率，U、I
24、为电压电流。到底要取哪种方法要看具体的设备及被测量的大小而定。根据实验的任务与要求制定方案确定了实验原理后，就应根据实验任务与要求，完成实验方案的设计。实验方案的设计包括以下四个方面的内容：实验电路的设计。实验步骤的制定。元件参数的确定。仪表量程的选择。如果本单位有现成的合乎实验要求的设备，则应首先考虑采用现有的设备制定实验方案，这是最快最省的方案。2实验设备的选择实验设备的选择主要包括实验元器件的选择和测量仪器的选择。实验元器件的选择在实际应用中，各种元件（电阻、电感、电容等）通常要给出不同的额定值，如电阻给出元件的额定功率值，实际上是限制了电阻元件上允许通过的最大电流值；电感给出元件允许通
25、过的电流值，在实际应用中还要考虑电感元件的内阻参数，因为绕制电感的导线有内阻；电容则给出元件的耐压值。所以我们在选择实验中的元器件时，应该首先核算出电路在各种特殊情况时各元件所承受的不同电压电流值，注意不能超过其额定值，否则将会烧毁元件。例如，对于额定功率为 0.5W，阻值为 51 的电阻，其额定电流 I= = =99mA。若使用该电阻，则应保RP51.0证流过其上的电流值不超过 99mA，否则，将烧毁电阻元件。测量仪器仪表、量程的选择测量仪器仪表以及量程的选择也很重要。选择测量用的仪器仪表应根据具体的使用要求和测量准确度，即根据不同的准确度要求选择不同等级的仪器仪表。而量程的选择直接影响到测
26、量误差的大小。正确的量程选择原则：仪表指针偏转大于或等于满量程偏转时的 2/3。3实验数据的处理实验数据的处理含义非常广泛，但基本包括两方面内容：数据结果的表示和数据结果的评定。数据结果的表示列表表示法列表是将一组实验数据中的自变量、因变量的各个数值依一定的格式和顺序一一对应列出来。列表法的优点是简单易作，形式紧凑，数据便于比较，同一表格内可以同时表示几个变量的关系。一个完整的表格应包括表的序号、名称、项目、说明及数据来源，列表时、应注意以下几点：A表的名称、数据来源应作说明，使人一看便知其内容。B表格中项目应有名称和单位，表内主项习惯上代表自变量，副项代表因变量，自变量的选择以实验中能够直接
27、测量的物理量为好，如电压、电流等。C数值的书写应整齐统一，并用有效数字的形式表示，同一竖行上的数值小数点上下对齐。D自变量间距的选择应注意测量中因变量的变化趋势，且自变量取值应便于计算、观察和分析，并按增大或减小的顺序排列。图形表示法图形表示法可以更加形象和直观地看出函数变化规律，能够简明、清晰地反映几个物理量之间的关系。图形表示法分两个步骤：第一步是把测量数据点标在适当的坐标系中，第二步是根据点画出曲线。作图时应注意以下几个问题：A合理的选取坐标。根据自变量的变化范围及其所表示的函数关系，可以选用直角坐标、单对数、双对数坐标等，其中直角坐标最常用。横坐标代表自变量，纵坐标代表因变量，坐标末端
28、标明所代表的物理量及单位。B坐标分度原则。a在直角坐标中，线性分度应用最为普遍。分度的原则是，使用坐标分度对应的示值的有效数字位数能反映实验数据的有效数字位数。b纵坐标与横坐标的分度不一定取得一样，应根据具体情况来选择。纵坐标与横坐标的比例也很重要，二者分度可以不相同，根据具体情况适当选择。c坐标分度值不一定从零开始。在一组数据中，坐标可用低于最低值的某一整数作起点，高于最高值的某一整数作终点，以使图形能占满全幅坐标纸为适当。C根据数据描点。数据可用空心圆、实心圆、三角形等符号作标记，其中心应与测得值相重合，符号大小在1mm 左右。同一曲线上的数据点用同一种符号，不同的曲线则用不同的符号。根据
29、各点作曲线时，应注意到曲线一般应光滑匀整，只有少数转折点；曲线所经过的地方应尽量与所有的点相接近，但不一定通过图上所有的点。数据结果的评定根据实验的要求进行误差分析，对结果进行评定。4设计实例下面我们就以“叠加定理的验证”为例，来进一步说明实验的设计思路和过程。叠加定理指出：在线性电路中，任一支路的电流或电压都是电路中每一个独立源单独作用时在该支路所产生的电流或电压的代数和。（1）确定实验方法验证一个结论是否正确，最简捷的方法就是在满足其前提条件的情况下，将其所阐述的内容实际做一次，观察结果以验证结论。 在本例中，根据叠加定理，我们可以设计一个线性电路。首先观测当该电路中的每一个独立源单独作用时，每一个支路的电流或电压的变化情况；然后再观测该电路中的各个独立源共同作用时，每一个支路的电流或电压（根据叠加定理，这时各支路的电流或电压的应是前者相应的每一个支路的电流或电压各变化情况的代数和，对吗？）（2）画出实验线路实验线路的设计有一定的代表性就可以了，不要过于简单或繁琐。线路中参数的选取一方面考虑到实验室的实
