單相正弦交流電路的實驗研究

高宏偉

正弦量隨時間變化、對應每一時刻的數值稱為瞬時值，正弦量的瞬時值表示形式一般為解析式或波形圖。正弦量的最大值反映了正弦量振蕩的正向最高點，也稱為振幅。正弦量的最大值和瞬時值都不能正確反映它的作功能力，因此引入有效值的概念：與一個交流電熱效應相同的直流電的數值定義為這個交流電的有效值。正弦交流電的有效值與它的最大值之間具有確定的數量關系，即Im=2I，理解正弦交流電量中用相量形式表達的相位關系。

【關鍵詞】正弦交流電 實驗 驗證 相位差

1 實驗線路及原理

本實驗采用KCO5晶閘管集成移相觸發器。該觸發器適用于雙向晶閘管或兩個反向并聯晶閘管電路的交流相位控制，具有鋸齒波線性好、移相范圍寬、控制方式簡單、易于集中控制、有失交保護、輸出電流大等優點。

單相晶閘管交流調壓器的主電路由兩個反向并聯的晶閘管組成，如圖3-15所示。

圖1中電阻R用D42三相可調電阻，將兩個900Ω接成并聯接法，晶閘管則利用DJK02上的反橋元件，交流電壓、電流表由DJK01控制屏上得到，電抗器Ld從DJK02上得到，用700mH。

2 實驗方法及目的

2.1 實驗方法

2.1.1 KCO5集成晶閘管移相觸發電路調試

將DJK01電源控制屏的電源選擇開關打到“直流調速”側使輸出線電壓為200V，用兩根導線將200V交流電壓接到DJK03的“外接220V”端，按下“啟動”按鈕，打開DJK03電源開關，用示波器觀察“1”～“5”端及脈沖輸出的波形。調節電位器RP1，觀察鋸齒波斜率是否變化，調節RP2，觀察輸出脈沖的移相范圍如何變化，移相能否達到170°，記錄上述過程中觀察到的各點電壓波形。

2.1.2 單相交流調壓帶電阻性負載

將DJKO2面板上的兩個晶閘管反向并聯而構成交流調壓器，將觸發器的輸出脈沖端“G1”、“K1”、“G2”和“K2”分別接至主電路相應晶閘管的門極和陰極。接上電阻性負載，用示波器觀察負載電壓、晶閘管兩端電壓UvT的波形。調節“單相調壓觸發電路”上的電位器RP2，觀察在不同α角時各點波形的變化，并記錄α=60°、60°、90°、120°時的波形。

2.1.3 單相交流調壓接電阻電感性負載

（1）在進行電阻電感性負載實驗時，需要調節負載阻抗角的大小，因此應該知道電抗器的內阻和電感量。常采用直流伏安法來測量內阻。電抗器的內阻為

RL=UL/I （1）

電抗器的電感量可采用交流伏安法測量，如圖2所示。由于電流大時，對電抗器的電感量影響較大，采用自耦調壓器調壓，多測幾次取其平均值，從而可得到交流阻抗。

（2）

電抗器的電感為

（3）

這樣，即可求得負載阻抗角

在實驗中，欲改變阻抗角，只需改變滑線變阻器R的電阻值即可。

（2）切斷電源，將L與R串聯，改接為電阻電感性負載。按下“啟動”按鈕，用雙蹤示波器同時觀察負載電壓U1和負載電流I1的波形。調節R的數值，使阻抗角為一定值，觀察在不同α角時波形的變化情況，記錄α>φ、α=φ、α<φ三種情況下負載兩端的電壓U1和流過負載的電流I1波形。

2.2 實驗目的

（1）學習交流儀表及功率表的使用方法。

（2）驗證單相正弦交流電路總電壓、電流與各元件電壓、電流的相量關系。

（3）日光燈電路的連接。

（4）熟悉功率因數提高的方法及功率的測量方法。

2.3 需要注意的事項

（1）觸發脈沖是從外部接入DJKO2面板上晶閘管的門極和陰極，此時，應將所用晶閘管對應的正橋觸發脈沖或反橋觸發脈沖的開關撥向“斷”的位置，并將Ulf及Ulr懸空，避免誤觸發。

（2）可以用DJK02-1上的觸發電路來觸發晶閘管。

（3）由于“G”、“K“輸出端有電容影響，故觀察觸發脈沖電壓波形時，需將輸出端“G”和“K”分別接到晶閘管的門極和陰極（或者也可用約100Ω左右阻值的電阻接到“G”、“K”兩端，來模擬晶閘管門極與陰極的阻值），否則，無法觀察到正確的脈沖波形。

3 結果分析

（1）在交流電路中，基爾霍夫的兩大定律中直流電流在任何時刻，流入任一結點的電流（電壓）代數和恒為零，交流電流在任何時刻，流入任一結點的電流（電壓）矢量和恒為零。

（2）啟輝器由雙金屬片組成，電路接通后，供電電壓 通過填充氣體引起輝光放電。由于兩種金屬片熱膨脹系數不同，緩慢加熱的接觸片產生了相對彎曲，當接觸片碰在一起時，通過鎮流器和燈絲形成了串聯電路，使一個相當強的電流將燈絲迅速加熱。金屬片接觸后，輝光放電結束，金屬片開始冷卻，接觸點彈開，電路斷開連接，燈光點燃

（3）電感和電容的無功功率是異號的，在感性電路中并聯電容，可以降低無功功率，提高功率因數； 串聯電容也可以提高功率因數，因為串聯電容也可以降低無功功率，提高功率因數，但是負載上的電壓改變流入。

（4）并聯電容后，燈管兩端的電壓不變，電流也不改變，消耗的功率不變；總功率因數會因為總無功功率減小而提高。

參考文獻

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作者單位

威海技師學院 山東省榮成市 264300