实验十五-交流电路功率的测量
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实验十五-交流电路功率的测量
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实验十五 交流电路功率的测量
实验目的
1.学习交流电路中功率及功率因数的测定方法;
2.加深对功率因数概念的理解,进一步了解交流电路中电阻、电容、电感等元件消耗功率的特点;
3.学习一种提高交流电路功率因数的方法.
仪器和用具
负载(铁芯电感为 40W 日光灯镇流器,阻值为 300Ω左右的变阻器)、电动型瓦特表(低功率因数瓦特表W -D34型额定电流为 0.5A 、1A ,额定电压为 150V 、300V 、600V ,功率因数20.φcos =)、铁磁电动型交流电压表、电磁型电流表、电容(0.5μF 、l μF 、2μF 、4μF 、10F 各一个)、调压变压器、示波器、音频信号发生器.-MF 20型晶体管万用表、双刀双掷开关两个等.
实验原理
一、交流功率及功率因数
在直流电路中、功率就是电压和电流的乘积,它不随时间改变.在交流电路中,由于电压和电流都随时间变化,因而它们的乘积也随时间变化,这种功率称为瞬时功率p .
设交流电路中通过负载的瞬时电流i 为
t ωI i sin m = (C.13.1)
负载两端的瞬时电压u 为
()φt ωU u +=sin m (C.13.2)
则瞬时功率
()()φt ωt ωI U i u p +=⋅=sin sin m m (C.13.3)
平均功率
O
I
U
R
U ϕ
图C.13.1
()()()[]⎰⎰⎰+-⋅=+==T T
T dt φt ωφI U T dt
φt ωt ωI U T pdt T P 0m m 0
m m 02cos cos 2
1
1sin sin 11
其中第二项积分为零,所以
φUI φI U dt φI U T P T cos cos 2
1
cos 211m m 0m m ===⎰ (C.13.4)
平均功率不仅和电流、电压的有效值有关,并和功率因数φcos 有关.
由图C.13.1所示可知
I U φUI P R ==cos (C.13.5)
故平均功率也就是电路中电阻上消耗的功率,也称有用功率.由于电压与电流有效值的乘积称为总功率,也称视在功率S ,即
UI S = (C.13.6)
故
φUI
φ
UI S P cos cos == (C.13.7) 功率因数φcos 就是电源送给负载的有用功率P 和总功率S 的比值,它是反映电源利用率大小的物理量.
测量功率的方法很多,最常用的是瓦特表,此外示波器也可测量功率(示波器适用于测量高频情况下较小的功率).
二、瓦特表测量功率及功率因数 1.瓦特表测功率
本实验采用电动型瓦特表,电动型瓦特表的测量机构示意图如图C.13.2所示.
电动型瓦特表内部测量机构有两个线圈,线圈A 为固定线圈,它与负载串联而接人电路,通过固定线圈的电流就是负载电
流,因此称固定线圈A 为瓦特表的电流线圈;线圈B 为动圈,线圈本身电阻很小,往往与扩程用的高电阻相串联,测量时与负载相并联,动圈支路两端的电压就是负载电压1U ,因此
图C.13.2 电动型仪表测量机构示意图 1.固定线圈;2.可动线圈;3、4.支架;
5.指针;6.游丝
动圈又称电压线圈,它与指针相连.
使用时电路联接见图 C.13.3(a )、(b ),负载小时瓦特表电流线圈外接,按图C.13.3(a )连接;负载大时瓦特表电流线圈内接,按图C.13.3(b )连线.
瓦特表能测量负载功率的原理在于:电流通过固定的电流线圈产生接近均匀的固定磁场,电压支路的电流通过位于固定线圈中间的动圈B 并使动因产生偏转,偏转角的大小与流经瓦特表的电流、电压及二者之间相角的余弦乘积成正比,即与功率成正比,因而可借固定于动圈转轴上的指针直接指示功率值.瓦特表的量程转换,由改变固定线圈的串联和并联及电压支路之附加扩程电阻来实现.
2.功率因数的测定及提高功率因数的方法
根据φUI P cos =可知,若用瓦特表测出它的功率,而用交流电压表与交流安培表同时测出它的电压、电流值则可求得功率因数:
UI
P
φ=
cos (C.13.8) 一般用的电设备多数呈电感性的,这种电感性的负载造成功率因数的降低,当负载的端电压一定时,功率因数越低输电线路上的电流越大,导线上的压降也越大,因此导致电能损耗增加,传输效率降低.要提高传输效率,必须提高功率因数.解决的方法是在负载两端并联电容性负载.如图C.13.3所示的负载若是电感性负载,通过它的电流1I 的相位落后于电压的相位,设两者的相位差为外,在
未并联电容前1I I =,并联电容后电源供给的总电流I 变为21I I I +=,由于负载的电压U 不变,则电流1I 的大小和相位1φ不变,通过电容的电流2I 超前负载两端的电压2
π
,如图C.13.4所示.
~
U
Z
I
I
U
A
1
V
600
~
U
I
I
U
A
1
V
600
图C.13.3 瓦特表接线图
O
I
U
ϕ
1ϕ 2
I 1
I
图C.13.4