【正文】 ??? （ 53） 則)1( 221??TTSeeUU???? （ 54） 3．時(shí)間常數(shù)及其測(cè)量 對(duì)于圖 53(a)所示方波激勵(lì)情況，零 輸入 響應(yīng)表達(dá)式為 ?tSC eUtU ??)( 即電容電壓 )(tUC 由 SU 按 指 數(shù) 規(guī) 律 衰 減 而 趨 于 零 ； 零 狀態(tài) 響 應(yīng) 表 達(dá) 式 為)1()( ?tSC eUtU ??? ， 即電容電壓 )(tUC 由 OV 按指數(shù)規(guī)律上升而趨近于 SU 。是電源激勵(lì)和電容元件的初始狀態(tài)均不為零的響應(yīng)，即電路的全響應(yīng)，如圖 53(b)所示。故可以利用普通示波器來(lái)觀察、分析零輸入響應(yīng)和零狀態(tài)響應(yīng)，如圖 53(a)所示。這樣，電路對(duì)上升沿的響應(yīng)就是零狀態(tài)響應(yīng)；對(duì)下降沿的響應(yīng)就是零輸入響應(yīng)。 2．方波激勵(lì)下的響應(yīng) 1）方波信號(hào)可以看成是一系列階躍信號(hào)與延時(shí)階躍信號(hào)的疊加。將圖 51 電路的 1? 線斷開(kāi)，該電容 C 的初始電壓 OCC UUU ?? ?? )0()0( 。此暫態(tài)過(guò)程為電容充電過(guò)程，充電曲線如圖 52(a)所示，電路的零狀態(tài)響應(yīng)與激勵(lì)成正比。此暫態(tài)過(guò)程為電容放電過(guò)程、放電曲線如圖 52(b)所示，電路的零輸入響應(yīng)與初始狀態(tài)成正比。電路的過(guò)渡過(guò)程有零輸入響應(yīng)、零狀態(tài)和全響應(yīng)三種情況。當(dāng)動(dòng)態(tài)電路的特性可以用一階微分方程描述時(shí)，稱該電路為一階電路。 3．進(jìn)一步掌握微分電路和積分電路的概念。 4．說(shuō)明不對(duì)稱負(fù)載星形連接無(wú)中線電路、 C 相斷開(kāi)前后， A、 B 相泡燈亮度變化情況，原因是什么？ 25 實(shí)驗(yàn)五 一階電路的響應(yīng) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．研究一階 RC 電路的零輸入響應(yīng)，零狀態(tài)響應(yīng)和全響應(yīng)的變化規(guī)律和特點(diǎn)。 24 2．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出對(duì)稱負(fù)載星形連接時(shí)電壓相量圖和三角形連接時(shí)電流相量圖。 2．本實(shí)驗(yàn)使用的三相燈組負(fù)載，是由 220V、 15W 白熾燈 6 盞構(gòu)成，電源線電壓為 220V，三相三線制，將燈組接成星形（如圖 41）和三角形（如圖 43），分別計(jì)算這兩種接法對(duì)稱負(fù)載情況（即每相接入 2 個(gè)并聯(lián)燈泡）的線電壓 LU 、相電壓 PU 線電流 LI 、相電流 PI ，根據(jù)計(jì)算值預(yù)選電壓表、電流表的量程 。 5．每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完畢之后，均需將三相調(diào)壓器旋柄調(diào)回零位后斷電。 3．儀表接入電路之前需設(shè)置好量程，功率表的★端要接在電源側(cè)。 2．每次接線完畢，必須認(rèn)真檢查，確認(rèn)正確之后方能接通電源。 2）不對(duì)稱負(fù)載，在 AB、 BC、 CA 相接入的相并聯(lián)的 15W 燈泡個(gè)數(shù)分別為 0、 2，重復(fù)測(cè)量并記錄以上各量，觀察燈的亮度與 1）是否相同。 2．三相負(fù)載三角形連接（三相三線制供電）電壓電流測(cè)量 先將調(diào)壓器置 OV 后斷電， 按圖 43 改接線路，經(jīng)檢查連接線路正確后，通電，將調(diào)壓器輸出的線電壓調(diào)至 130V，斷電待用。 4）無(wú)中線，不對(duì)稱負(fù)載 ，各相負(fù)載同 3），重 復(fù)測(cè)量 2）中各量、觀察各相燈的明暗變化程度，以此了解中線的作用。 3）有中線，不對(duì)稱負(fù)載。 1）有中線，對(duì)稱負(fù)載，連接中線 N? ，各相分別接入兩 個(gè) 15W 燈泡相并聯(lián)的負(fù)載，分別測(cè)量各相負(fù)載的線電壓、相電壓、線電流和中線電流，記入表 41中。根據(jù)此圖可以求出各線電流的有效值和線電流滯后相電流的相角 ? ，如 ???? 120c o s222 CAABCAABA IIIII ，ABACAABAA II III 2c o s 2221 ??? ?? 。在 CBA 、 燈組并聯(lián)燈泡分別 3 的情況下，設(shè) AB 相負(fù)載阻值為 R ，即 RR AB? ，則 2/RR BC? ，3/RRAB? ，如果 AB 相負(fù)載電流有效值 IIAB? ，則 CABC、 相電流有效值分別為 IIBC 2? 、 IICA 3? 。 當(dāng)負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，相、線電流不再對(duì)稱，它們有效值之間也不存在 3 倍的關(guān)系。 當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，負(fù)載的相、線電流對(duì)稱，它們的相量圖如圖 43(a)所示，線電流的有 效值 LI 是相電流有效值 PI 的 3 倍，即 PL II 3? 。 AI?BI?CI?CAI?ABI?BCI?A??30A?AI?BI?CI?CAI?BCI?ABI? （ a）負(fù)載對(duì)稱 （ b）負(fù)載不對(duì)稱 圖 44 負(fù)載三角形連接三相 電路相、線電流相量圖 2）三相負(fù)載三角形連接 在三相電路中，當(dāng)負(fù)載作三角形連接時(shí)（如圖 43），由于各相負(fù)載都直接接在電源的線電壓上，故負(fù)載的相電壓等于電源的線電壓，不論負(fù)載對(duì)稱與否，各相負(fù)載的相電壓總是對(duì)稱的，即 LPCABCAB UUUUU ???? |||||| ??? 。兩相負(fù)載上的電壓，決定于兩燈組電阻的比值，如果 B 組燈電阻大于 C 組，則 B 相電壓有可能高于燈的額定電壓而被燒壞。因此對(duì)于星形接法三相電路，無(wú)論是 三線制或是四線制都不允許出現(xiàn)相負(fù)載短路情況。中性線的作用就是使星形連接的不對(duì)稱負(fù)載的相電壓對(duì)稱。 當(dāng)負(fù)載對(duì)稱時(shí)，電路的情況和對(duì)稱的三相三線制相同，即相電壓、線電壓、相電流均對(duì)稱，且中線電流 0?OI? 。 ②負(fù)載星形連接的三相四線制電路 在圖 41 電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān) 2S 閉合時(shí)，電路的兩個(gè)中性點(diǎn) N 和 N? 之間連接一 20 根導(dǎo)線（稱為中性線）則成為三相四線制電路，中線電流等于三個(gè)線電流的相量和，即 CBAO IIII ???? ??? 。此時(shí)線電壓的有效值 LU 是相電壓有效值 PU 的3 ，即 PL UU 3? ，電源的中性點(diǎn) N 和負(fù)載的中性點(diǎn) N? 為等位點(diǎn)，即 0??NNU? 。 1）三相負(fù)載星形連接 在三相電路中，當(dāng)負(fù)載做星形連接時(shí)（如圖 41），不論是三線制還是四線制，相電流恒等于線電流即 LP II ? 。三個(gè)輸入 端連向外供三相電源，三個(gè)輸出端連向負(fù)載，調(diào)壓器的中性點(diǎn)與外供電源的中線相接。 本實(shí)驗(yàn)中的三相電源是由三相市電（線電壓 380V）通過(guò)三相調(diào)壓器 rT 提供的。三相電路中的電源和負(fù)載均有對(duì)稱和不對(duì)稱兩種情況。 二、實(shí)驗(yàn)原理 1．三相電路中電壓和電流的測(cè)量 UVWNV38 0V38 01S2SAFUBFUCFUBTATCTrTABUABCBCUCAU++++ + NCU?CZBZAZA 組燈B 組燈C 組燈NAU?+ N ?oICIBIAI~~NBU? 圖 41 星形接法三相電路 三相電路中的電源和負(fù)載均有星形連接和三角形連接兩種連接方式。 18 實(shí)驗(yàn)四 三相交流電路 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．學(xué)習(xí)三相負(fù)載做星形和三角形連接的方法，驗(yàn)證這兩種接法下線、相電壓，線、相電流之間的關(guān)系。這樣即使在電源電壓降低時(shí)，也能保證日光燈順利起動(dòng)。但是小功率日光燈本身的工作電壓很低（約 50～ 60V），使鎮(zhèn)流器在起動(dòng)及工作時(shí)間的端電壓差別較小，僅在電源電壓為額定值時(shí)起動(dòng)，起動(dòng)電流才能滿足要求。 采用雙線圈（即四個(gè)接線端）鎮(zhèn)流器的目的是為了改善小功率日光燈的起動(dòng)性能。 三、日光燈電路 圖 34 是日光燈電路的 接線原理圖。由于鎮(zhèn)流器的感抗很大，在其上 17 降落一個(gè)較大的電壓，起到限制和穩(wěn)定日光燈工作電流的作用。同時(shí)，因輝光管兩個(gè)電極接通，電極間電壓為零，輝光放電停止，倒 U 形電極雙金屬片，因溫度下降而復(fù)原，兩電極斷開(kāi)，這瞬間，鎮(zhèn)流器 因斷電感應(yīng)出一個(gè)很高的電壓，使燈管內(nèi)氣體游離放電，燈管發(fā)光。 二、日光燈的啟運(yùn)過(guò)程 123645 圖 36 日光燈的啟動(dòng)器 圓柱形外殼 輝光管 倒 U 形雙金屬片 固定觸頭 電容器 插頭 在接通電源時(shí)，由于日光燈沒(méi)有點(diǎn)亮， 220V 電源電壓全部加在啟動(dòng)器輝光管的兩個(gè)電極之間，輝光管內(nèi)的氖氣游離產(chǎn)生輝光放電，放電產(chǎn)生的熱量使倒U 形電極趨于伸直，兩電極接通，此時(shí)日光燈的燈絲通過(guò)輝光管電極、鎮(zhèn)流器及電源構(gòu)成一個(gè)回路。輝光管內(nèi)有兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極是倒 U 形的，是由兩片熱膨脹系數(shù)不同的金屬制成，管內(nèi)充有氖氣。 2．鎮(zhèn)流器 鎮(zhèn)流器是一個(gè)鐵芯線圈 ，其作用一是在日光燈起動(dòng)時(shí)，啟輝器接通又?jǐn)嚅_(kāi)時(shí)，在鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個(gè)比電源電壓高得多的感應(yīng)電壓，它連同電源電壓一起加在燈管的兩個(gè)電極上，使燈管點(diǎn)亮；另一作用是在燈亮以后，可在鎮(zhèn)流器上降落一個(gè)電壓，使燈管兩端有較低的工作電壓，限制燈管的工作電流。為此必須有一個(gè)起動(dòng)限制裝置與燈管相串聯(lián)，一方面在起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生暫時(shí)的高電壓，而在燈亮以后又能限制其工作電流及維持較低的工作電壓。隨著燈管內(nèi)溫度的逐漸升高，水銀蒸氣游離，并猛烈地碰撞惰性氣體分子而放電，水銀蒸氣弧光放電時(shí)，輻射出的紫外線激發(fā)管壁上的熒光粉發(fā)出可見(jiàn)光。 1．日光燈管 日光燈管內(nèi)充有稀薄的惰性氣體和水銀蒸氣，管壁上涂了熒光粉，兩端有陽(yáng)極和燈絲。 3．分別計(jì)算并聯(lián)不同電容值時(shí)，日光燈支路、電容支路及電源供給的無(wú)功功率，說(shuō)明三者間的關(guān)系，分析提高功率因數(shù)的原因。 六 、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1．完成數(shù)據(jù)表格中的計(jì)算，進(jìn)行必要的誤差分析。 3．閱讀指導(dǎo)書中各項(xiàng)內(nèi)容，熟悉儀器儀表的使用 方法，畫出實(shí)驗(yàn)線路圖和記錄 14 數(shù)據(jù)的表格。 五 、預(yù)習(xí)要求 1．復(fù)習(xí)正弦量的相量表示法，電容、電感元件的特性，相量形式的基爾霍夫定律， RLC 串聯(lián)電路中電壓與電流的關(guān)系和功率概念。 4．日光燈的啟動(dòng)電流較大，為保護(hù)儀表，除使其在低電壓下啟輝點(diǎn)亮（用調(diào)壓器逐漸為高所加電壓）外，電流表應(yīng)先置于最大量程（ 5A）、功率表已具有20mA5A 的電流量程范圍。 2．注意日光燈電路的正確連接，鎮(zhèn)流器必須與燈管相串聯(lián)，以免損壞燈管。 表 33 日光燈電路功率因數(shù)提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 電容值 )(F? 測(cè) 量 值 計(jì) 算 值 )(WP )(VU )(AI ?cos )(AIL )(AIC )(AI? ??cos 0 1 2 4 四、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1．本實(shí)驗(yàn)用交流 220V 市電，實(shí)驗(yàn)中必須注意用電和人身安全。 表 31 RC 串聯(lián)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 燈泡瓦數(shù) （ W） 測(cè) 量 值 計(jì) 算 值 )(VU )(VUR )(VUC )(22 VUUU CR ??? )(VU? UU/? （ %） 15 25 2．日光燈電路 及 功率因數(shù)的提高 按圖 33(a)連接電路，接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，將自耦調(diào)壓器調(diào)至 220V，測(cè)量當(dāng)電容 C 值分別為 0、 F?1 、 F?2 、 F?4 時(shí)的 P 、 U 、 I 、 LI 、 CI 值，其中 I 、 LI 、 13 CI 是通過(guò)一只電流表和三個(gè)電流插分別測(cè)得的。接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源，將 自耦調(diào)壓器輸出調(diào)至 220V、測(cè)量CR UUU 、 記入表 31 中。 在 33(a)電路中，當(dāng)不并聯(lián)電容器時(shí)，即為圖 32(a)電路，當(dāng)分別并聯(lián)電容器 321 CCC 、 時(shí)，用電壓表、電流表和功率表測(cè)得 U 、 I 、 P 和 ?cos 值，用 U 、I 、 P 可求出 ?cos 的計(jì)算值： UIP???cos 。過(guò)補(bǔ)償是電容器電流 CI 過(guò)大，使得整個(gè)電路的等效阻抗性質(zhì)由感性變成了容性，電路的總電流又增大， ?cos 減小。 全補(bǔ)償是電容器的電流 CI 完全抵消了日光燈電流中的感性電流，電路的總 12 電流下降到最小值，功率因數(shù)提高到最大值即 ?cos =1。 欠補(bǔ)償是電容器的容性無(wú)功電流 CI 抵消了一部分日光燈電流中的感性無(wú)功電流，提高的功率因數(shù) ?cos ＜ 1，整個(gè)電路的等效阻抗仍為感性。 4I3I2I1ILI4CI3CI2CI1CIOU1?0?2? 圖 33(b) 日光燈并聯(lián)電容器的相量圖 這種方法也稱為無(wú)功補(bǔ)償?？傠娏?I? 是日光燈電流 LI? 和電容器電流 CI? 的相量和 CL III ??? ?? ，其相量圖如圖 33(b)所示。整個(gè)電路消耗的功率 P 包括日光燈管消耗的功率 RP 和鎮(zhèn)流器所消耗的有功功率 LP 即 LR PPP ?? 。根據(jù)電壓相量圖可以求出以下各量： 電路總功率因數(shù) RLRUU UUU 2c o s 222 ???? 鎮(zhèn)流器功率因數(shù) LRLRL UU UUU 2c o s 222 ???? 鎮(zhèn)流器 阻抗 IUZ LL? 鎮(zhèn)流器內(nèi)阻 IUr LL ?cos1 ?? 鎮(zhèn)流器感抗 22 LLL rZX ?? 鎮(zhèn)流器電感fXL L?2? 用 31(a)測(cè)試電路測(cè)得 RL UUU 、 及 I 的數(shù)值，利用上列公式就可求出各電路參數(shù)。 相中V2 20I? 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