實驗十五-交流電路功率的測量

1、實驗十五 交流電路功率的測量實驗目的1學習交流電路中功率及功率因數(shù)的測定方法；2加深對功率因數(shù)概念的理解，進一步了解交流電路中電阻、電容、電感等元件消耗功率的特點；3學習一種提高交流電路功率因數(shù)的方法儀器和用具負載（鐵芯電感為 40日光燈鎮(zhèn)流器，阻值為 300左右的變阻器）、電動型瓦特表（低功率因數(shù)瓦特表型額定電流為 0.5、1，額定電壓為 150、300、600，功率因數(shù)）、鐵磁電動型交流電壓表、電磁型電流表、電容（0.5、l、2、4、10各一個）、調(diào)壓變壓器、示波器、音頻信號發(fā)生器.20型晶體管萬用表、雙刀雙擲開關兩個等實驗原理圖C.13.1一、交流功率及功率因數(shù)在直流電路中、功率就是電壓

2、和電流的乘積，它不隨時間改變在交流電路中，由于電壓和電流都隨時間變化，因而它們的乘積也隨時間變化，這種功率稱為瞬時功率設交流電路中通過負載的瞬時電流為 （C.13.1）負載兩端的瞬時電壓為 （C.13.2）則瞬時功率 （C.13.3）平均功率其中第二項積分為零，所以 （C.13.4）平均功率不僅和電流、電壓的有效值有關，并和功率因數(shù)有關由圖C.13.1所示可知 （C.13.5）故平均功率也就是電路中電阻上消耗的功率，也稱有用功率由于電壓與電流有效值的乘積稱為總功率，也稱視在功率，即 （C.13.6）故 （C.13.7）功率因數(shù)就是電源送給負載的有用功率和總功率的比值，它是反映電源利用率大小的物

3、理量圖C.13.2 電動型儀表測量機構(gòu)示意圖1固定線圈；2可動線圈；3、4支架；5指針；6游絲 測量功率的方法很多，最常用的是瓦特表，此外示波器也可測量功率（示波器適用于測量高頻情況下較小的功率）二、瓦特表測量功率及功率因數(shù)1瓦特表測功率本實驗采用電動型瓦特表，電動型瓦特表的測量機構(gòu)示意圖如圖C.13.2所示 電動型瓦特表內(nèi)部測量機構(gòu)有兩個線圈，線圈A為固定線圈，它與負載串聯(lián)而接人電路，通過固定線圈的電流就是負載電 流，因此稱固定線圈A為瓦特表的電流線圈；線圈B為動圈，線圈本身電阻很小，往往與擴程用的高電阻相串聯(lián)，測量時與負載相并聯(lián)，動圈支路兩端的電壓就是負載電壓，因此動圈又稱電壓線圈，它與指

4、針相連 使用時電路聯(lián)接見圖C.13.3（a）、（b），負載小時瓦特表電流線圈外接，按圖C.13.3(a）連接；負載大時瓦特表電流線圈內(nèi)接，按圖C.13.3（b）連線圖C.13.3 瓦特表接線圖瓦特表能測量負載功率的原理在于：電流通過固定的電流線圈產(chǎn)生接近均勻的固定磁場，電壓支路的電流通過位于固定線圈中間的動圈B并使動因產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角的大小與流經(jīng)瓦特表的電流、電壓及二者之間相角的余弦乘積成正比，即與功率成正比，因而可借固定于動圈轉(zhuǎn)軸上的指針直接指示功率值瓦特表的量程轉(zhuǎn)換，由改變固定線圈的串聯(lián)和并聯(lián)及電壓支路之附加擴程電阻來實現(xiàn)2功率因數(shù)的測定及提高功率因數(shù)的方法根據(jù)可知，若用瓦特表測出它的功率

5、，而用交流電壓表與交流安培表同時測出它的電壓、電流值則可求得功率因數(shù)： （C.13.8）一般用的電設備多數(shù)呈電感性的，這種電感性的負載造成功率因數(shù)的降低，當負載的端電壓一定時，功率因數(shù)越低輸電線路上的電流越大，導線上的壓降也越大，因此導致電能損耗增加，傳輸效率降低要提高傳輸效率，必須提高功率因數(shù)解決的方法是在負載兩端并聯(lián)電容性負載如圖C.13.3所示的負載若是電感性負載，通過它的電流的相位落后于電圖C.13.4壓的相位，設兩者的相位差為外，在未并聯(lián)電容前，并聯(lián)電容后電源供給的總電流變?yōu)?，由于負載的電壓不變，則電流的大小和相位不變，通過電容的電流超前負載兩端的電壓，如圖C.13.4所示 從矢量圖

6、可以清楚看出，總電流減少了，并且它與電壓之間的相位差也減少了，因而總的功率因數(shù)得到了提高而提高功率因數(shù)可以提高電源的有用功率 3使用瓦特表的注意事項 （1）必須正確接線一定要遵守“發(fā)電機端”的接線規(guī)則 從瓦特表的工作原理可知，瓦特表有兩個獨立交路為了使接線不致發(fā)生錯誤，通常在電流支路的一端（簡稱電流端）和電壓支路的一端（簡稱電壓端）標有“*”，“”或“”等特殊標記，一般稱它們?yōu)椤鞍l(fā)電機端”瓦特表正確接線規(guī)則如下： 瓦特表標有“*”號的電流端鈕（即電流線圈的“發(fā)電機端）必須接至電源的一端，而另一電流端鈕則接負載端電流線圈是串聯(lián)接入電路中的 瓦特表中標有“*”號的電壓端鈕可以接至電源端的任一端，但

7、必須注意電流、電壓發(fā)電機端鈕（即標有“*”的兩個端鈕）一定要接到電源同一側(cè)，而另一個電壓端鈕則跨接到負載的另一端瓦特表的電壓支路是并聯(lián)接人電路的，否則電表指針反轉(zhuǎn) 瓦特表在工作時、都不能超過它們的量程，否則易燒壞儀表（2）使用時，儀表水平放置，并盡可能遠離強電流導線或強磁場地點，以免使儀表產(chǎn)生附加誤差（3）如果瓦特表的接線正確，但發(fā)現(xiàn)指針反轉(zhuǎn)（例如：負載含有電源反過來向外輸出功率），則可以改變儀表上裝有的“換向開關”，它只改變電壓線圈中電流的方向，不改變電壓線圈與擴程電阻的相對位置，即不改變電壓支路原來的接線位置 （4）由于電源電壓較高，必須注意人身安全與儀器的安全，改接電路必須將調(diào)壓變壓器調(diào)

8、至“零”點，并且斷開電源，手切勿觸及金屬部分 本實驗采用電感性負載、功率因數(shù)較低，故采用低功率因數(shù)瓦特表（型額定電流為0.5和1，額定電壓為 150、300、600，功率因數(shù)為 0.2）瓦特表的正確讀數(shù)：瓦特表的標度尺只標有分格數(shù)，而并不標明瓦特數(shù)，這是由于瓦特表一般是多量限的，在選用不同電流量限和電壓量限時，每一分格都代表不同的瓦特數(shù)，每一格所代表的瓦特數(shù)稱為瓦特表的分格常量，可按下式計算瓦特表分格常量：（單位為瓦每格） （C.13.9）式中：所使用瓦特表的電壓額定值； 所使用瓦特表的電流額定值； 在額定電流、額定電壓下能使指針滿刻度的額定功率因數(shù)值在面板上標明，例如型瓦特表0.2； 瓦特表

9、指針最大偏轉(zhuǎn)所指示的格數(shù) 在測量時，讀得瓦特表的偏轉(zhuǎn)格數(shù)后乘上瓦特表相應的分格常量，就等于被測功率的數(shù)值：（單位為瓦） （C.13.10）式中：被測功率的瓦特數(shù)； 瓦特表分格常量； 瓦特表指針偏轉(zhuǎn)指示格數(shù)普通用的瓦特表的使用、測量與計算方法和上完全相同，所不同的是以上計算公式中三、用示波器測量功率和功率因數(shù)用示波器測量功率的原理在于：負載上所消耗的有功功率的數(shù)值正比于示波器熒光屏上顯示的閉合回線的面積用示波器測功率的優(yōu)點在于：可以適用較高頻率、正弦和非正弦電壓的情況；同時用示波器可以測量到小至的微小功率，這些優(yōu)點是瓦特表所沒有的 測量電路如圖C.13.（a）所示圖C.13.5(b)(a) 負載

10、上的電壓接至軸，電容上的電壓接至軸，通常負載上的電壓是給定的，于是在熒光屏上出現(xiàn)了一個閉合曲線，如圖C.13.5(b）所示，它是電源電壓變化一周所描繪出來的，我們?nèi)?，坐標，回線的面積為，負載上消耗的功率為： （C.13.11） 圖C.13.6正弦訊號圖形與分別為示波器的軸和軸的電壓常量，它等于偏轉(zhuǎn)板上加電壓時，光點沿或方向的移動距離為頻率 當訊號電壓為正弦訊號時，圖形為一橢圓(見圖C.13.6)，設橢圓長半軸為,短半軸為，則面積，所以 （C.13.12）調(diào)壓器* 圖C.13.7測量電路圖測出橢圓與軸交點的橫坐標和光點的最大的橫坐標，就可算出功率因數(shù) （C.13.13）實驗過程一、用瓦特表測員功

11、率和功率因數(shù)1.電路按圖C.13.7接線上為鐵芯電感（40日光燈的鎮(zhèn)流器）,為變阻器的全電阻值（左右）、的串聯(lián)電路作為負載，先不并聯(lián)電容，測出電路的功率、負載的端電壓和流過負載的電流值，按（C.13.8）式求得功率因數(shù)2用整流式交流電壓表測出電感上的電壓和電阻上的電壓值.預先測出電感的電阻值，計算值（）根據(jù)與的矢量關系，作圖定出的大小如圖C.13.8所示由圖可知圖C.13.8與的矢量關系由計算的值與瓦特表所測得的值加以比較，求出它們的相對誤差 3在負載兩端分別并聯(lián)1、2、3、4、5、6、10、12的電容，并記下各對應的電壓、電流、功率值，分別計算并找出功率因數(shù)最高的電容值.按求出使功率因數(shù)等于

12、1的電容值.在負載上并聯(lián)數(shù)值等于的電容，以同樣方法測出它的功率因數(shù)，并與計算值進行比較，求其相對誤差 注意：每次更換電容時，必須將調(diào)壓器電壓調(diào)至0，再將、斷開，并將電容器兩端短路放電后再更換電容二、用示波器測量功率和功率因數(shù)電路按圖C.13.5（a）接線，把串聯(lián)電路作為負載，電源用音頻訊號發(fā)生器：，頻率，輸出電壓 先將開關短接，使電容短路，輸出電壓調(diào)至，記下示波器軸的偏轉(zhuǎn)格數(shù)，然后斷開，將電容接入電路，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的電壓輸出，使軸的偏轉(zhuǎn)格數(shù)仍保持值，調(diào)節(jié)示波器使橢圓圖形位于對稱中心位置，測量橢圓長半軸、短半軸、光點最大的橫坐標和橢圓與軸的交點坐標，用交流電壓檔測量和，光點最大縱坐標之間的距離（它表示兩個峰一峰值的大?。┕释砜傻糜蓽y得的值代入（C.13.12）式可得值由測得的與值則可求得功率因數(shù)值思考題1為什么瓦特計要按負載大小選擇圖C.13.3(a)或(b）的不同接法，它和伏安法測電阻的接法有否相似之處？2為什么提高功率因數(shù)要在負載兩端并聯(lián)一電容？是否并聯(lián)任何電容值均能提高功率因數(shù)？3試指出型低功率因數(shù)瓦特表當額定電流分別為0.5、1，額定電壓分別為 150、300、600滿量程時對應的功率值，各檔的功率分格常量各為多少？4如何用示波器測量功率與功率因數(shù)？5試畫出功率表正確接線圈6瓦特表的電流、電壓發(fā)電機端鈕