实验十四    交流电路等效参数的测量

一、实验目的

1. 学习用交流电压表、交流电流表和功率表测量交流电路的等效参数

2. 熟练掌握功率表的接法和使用方法

二、原理说明

1. 三表法测电路元件的参数

正弦交流激励下的元件值或阻抗值，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，如图14-1所示，然后通过计算得到所求的各值，这种方法称为三表法，是用以测量50Hz交流电路参数的基本方法。

根据交流电的欧姆定律，可以有　　　　　　　　　　　　　　　

阻抗的模│Z│＝Ｕ／Ｉ

电路的功率因数cosφ＝Ｐ／UI

等效电阻R＝Ｐ／I2 ＝│Z│cosφ

等效电抗X＝│Z│sinφ　　　　　　　　

对于感性元件X＝X_L＝2πfL

对于容性元件X＝Xc＝１／2πfC

2. 三表法测交流电路的等效参数

如果被测对象不是一个单一元件，而是一个无源二端网络，也可以用三表法测出Ｕ、Ｉ、Ｐ后，由上述公式计算出Ｒ和Ｘ，但无法判定出电路的性质（即阻抗性质）。

3. 阻抗性质的判别方法

阻抗性质的判别可以在被测电路元件两端并联或串联电容来实现。

(1)并联电容判别法

在被测电路Z两端并联可变容量的试验电容C′，如图14-2(a)所示，(b)图是(a)的等效电路，图中G、B为待测阻抗Z的等效电导和电纳，B′＝ωC′为并联电容C′的电纳。根据串接在电路中电流表示数的变化，可判定被测阻抗的性质。

设并联电路中B＋B′＝B″，在端电压Ｕ不变的条件下：

① 若B′增大，B″也增大，电路中总电流I 将单调地上升，故可判断B为容性元件；

② 若B′增大，B″先减小后再增大，总电流I 也是先减小后上升，如图14-3所示，则可判断B为感性元件。　

由上分析可见，当B为容性元件时，对并联电容C′值无特殊要求；而当B为感性元件时，B′＜│2B│才有判定为感性的意义。B′＞│2B│时，电流将单调上升，与B为容性时的情况相同，并不能说明电路是感性的。因此判断电路性质的可靠条件为

C′＜│2B│／ω

(2) 串联电容判别法

在被测元件电路中串联一个适当容量的试验电容C′，在电源电压不变的情况下，根据被测阻抗的端电压的变化，可以判断电路阻抗的性质。若串联电容后被测阻抗的端电压单调下降，则判为容性；若端电压先上升后下降，则被测阻抗为感性，判定条件为           

 C′＞１／ω│2X│

式中X为被测阻抗的电抗值，C′为串联试验电容值， 此关系式可自行证明。

⑶相位关系测量法

判断待测元件的性质，还可以利用单相相位表测量电路中电流、电压间的相位关系进行判断，若电流超前于电压，则电路为容性；电流滞后于电压，则电路为感性。

4. 功率表的使用

一般单相功率表（又称为瓦特表）是一种动圈式仪表，它有两个测量线圈，一个是有两个量限的电流线圈，测量时应与负载串联；另一个是有三个量限的电压线圈，测量时应与负载并联。

为了不使功率表的指针反向偏转，在电流线圈和电压线圈的一个端钮上都标有“*”标记。正确的连接方法是：必须将标有“*”标记的两个端钮接在电源的同一端，电流线圈的另一端接至负载端，电压线圈的另一端则接至负载的另一端。图14-4 是功率表在电路中的连接线路和测试端钮的外部连接示意图。

三、实验设备

四、实验内容与步骤

测试线路如图14-5所示，电源电压取自实验装置配电屏上的可调电压输出端，并经指导教师检查后，方可接通市电电源。

1. 测量单一元件的等效参数

⑴分别将40W白炽灯(R)和4.7μF电容器(C)接入电路，用交流电压表监测将电源电压调到220伏，读出电流表和功率表的读数，数据记入表14-1中。

⑵将调压器调回到零，断开电源；

⑶将40W日光灯镇流器(L)接入电路，将电源电压从零调到电流表的示数为额定电流0.4A时为止。

⑷读出电压表和功率表的读数，数据记入表14-1中。

表14-1测量单一元件的等效参数

2. 测量L、C串联与并联后的等效参数

分别将元件L、C串联和并联后接入电路，在电感支路中串入电流表，调节输入电压时使I_Ｌ＝0.4A，并将电压表和功率表的读数记入表14-1中。

3.测量电路的阻抗性质

在L、C串联和并联电路中，保持输入电压不变，并接不同数值的试验电容，测量电路中总电流的数值，根据电流的变化情况来判别LC串联和并联后阻抗的性质。数据记入表14-2中。

表14-2测量电路的阻抗性质

五、实验注意事项

1. 本实验直接用市电220V交流电源供电，实验中要特别注意人身安全，必须严格遵守安全用电操作规程，不可用手直接触摸通电线路的裸露部分，以免触电。

2. 自耦调压器在接通电源前，应将其手柄置在零位上，输出电压从零开始逐渐升高。每次改接实验线路或实验完毕，都必须先将其旋柄慢慢调回零位，再断电源。

3. 功率表要正确接入电路，并且要有电压表和电流表监测， 使两表的读数不超过功率表电压和电流的量限。

4. 在测量有电感线圈L的支路中，要用电流表监测电感支路中的电流不得超过0.4A。

六、预习思考题

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

2. 如何用串联电容的方法来判别阻抗的性质？试用I随Xc′（串联容抗）的变化关系作性分析，证明串联试验时，C′满足

1/ωC′＜│2X│ 

七、实验报告

1. 根据实验数据，完成各项数据表格的计算。

2. 回答预习思考题中的问题。

3. 总结功率表与自耦调压器的使用方法。

4. 心得体会及其他。