西交大電器學(xué)課件經(jīng)典2016實(shí)驗(yàn)

1、電器理論基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王宣東賈申利西安交通大學(xué)電器教研室2007 年 9 月目錄實(shí)驗(yàn)一 導(dǎo)體的發(fā)熱試驗(yàn)1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1三、溫度儀參數(shù)的設(shè)置2四、實(shí)驗(yàn)線路及內(nèi)容3五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求4六、附錄：熱電偶5實(shí)驗(yàn)二 直流電弧特性試驗(yàn)6一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備6三、實(shí)驗(yàn)線路7四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求8實(shí)驗(yàn)三 交流電弧特性試驗(yàn)9一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備9三、實(shí)驗(yàn)線路9四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容11五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求11實(shí)驗(yàn)四 電弧的演示試驗(yàn)12一、水中碳電弧放電實(shí)驗(yàn)12二、電弧在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)141實(shí)驗(yàn)一 導(dǎo)體的發(fā)熱試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、求取不同負(fù)載條件下導(dǎo)體的發(fā)熱曲線和冷卻曲線；2、測(cè)量不同導(dǎo)體的發(fā)熱規(guī)

2、律，加強(qiáng)對(duì)熱時(shí)間常數(shù)的感性認(rèn)識(shí)；3、 學(xué)習(xí)使用熱電偶測(cè)量溫升的方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所需主要設(shè)備如下表所示本實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備實(shí)物如下圖所示：交流電流表溫度儀電流表接線端子溫控儀電源接線端子溫控儀熱電偶接線端子1序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量1導(dǎo)體溫升試驗(yàn)裝置12溫度儀AI-501T13自耦調(diào)壓器220V35A14交流電流表1T1-A 型075A15電流變壓器0220V；2.5V，75A16熱電偶鎳鉻考銅27測(cè)試用銅片d=0.5mm1d=0.2mm1導(dǎo)體溫升實(shí)驗(yàn)裝置電流變壓器導(dǎo)線三、溫度儀參數(shù)的設(shè)置1、AI-501T 是單顯及三位式調(diào)節(jié)功能的智能化數(shù)字儀表，測(cè)量精度達(dá)到 0.5 級(jí)，可以支持熱電偶、熱電阻

3、及線性電壓（電流）輸入，內(nèi)置熱電偶、熱電阻數(shù)字化非線性修正表格，使用時(shí)應(yīng)首先設(shè)定正確的參數(shù)。2、溫控儀接通電源后，按“”鍵并保持 2 秒以上，直到顯示“Loc”參數(shù)的符號(hào)為止，將“Loc”改為“808”，再按“”鍵即可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。按“、”等鍵可以修改參數(shù)值。3、本次試驗(yàn)使用參數(shù)如下：2四、實(shí)驗(yàn)線路及內(nèi)容試驗(yàn)線路如圖 11 所示。其中：ZK 為空氣開關(guān)；B 為自耦調(diào)壓器；AB 為電流變壓器；WKY 為溫度儀 9 和 10 為電源輸入端，2和 3 為熱電偶輸入端；A 為交流電流表；RDO 為熱電偶；WSZ 為溫升試驗(yàn)裝置，1 和 2 是該裝置的兩個(gè)電極，3 為被試導(dǎo)體（銅片）。圖 1-1 導(dǎo)

4、體發(fā)熱試驗(yàn)線路3參數(shù)含義說明dF回差（死區(qū)、滯壞）用于避免因測(cè)量輸入值波動(dòng)而導(dǎo)致報(bào)警輸出產(chǎn)生頻繁通斷的誤動(dòng)作。采用默認(rèn)設(shè)置。Sn輸入規(guī)格設(shè)定值為 0dIP小數(shù)點(diǎn)位置dIP=1，顯示格式為 0000.0dIL輸入下限顯示值默認(rèn)設(shè)置dIH輸入上限顯示值默認(rèn)設(shè)置Sc主輸入平移修正默認(rèn)設(shè)置1、厚度為 0.5 毫米導(dǎo)體，通過電流為 50A 時(shí)的發(fā)熱和冷卻曲線測(cè)量： 按照如圖 11 所示連接試驗(yàn)線路，并將熱電偶用 502 膠水固定在銅片的部位。注意：大電流變壓器連接電流表、溫升試驗(yàn)裝置以及電流表連接溫升試驗(yàn)裝置的導(dǎo)線應(yīng)采用 16 平方毫米銅芯線（共三根導(dǎo)線），其余連線可以采用 2.5 平方毫米銅芯線；連接

5、被試銅片的接線柱應(yīng)擰緊； 熱電偶與被試銅片的接觸面應(yīng)用砂紙打磨。確保調(diào)壓器回零；合上電源開關(guān)（ZK） 節(jié)調(diào)壓器，使輸出電流達(dá)到 50A，并開始驗(yàn)開始階段，溫度上升很快，要求每 10 秒起始溫度；緩慢調(diào)溫控儀上的數(shù)據(jù)。試一次，約為 1 分鐘；然后每分鐘一次直到每分鐘溫度變化不超過 0.1 度，認(rèn)為溫度達(dá)到穩(wěn)定為止，大約 1520 分鐘。調(diào)壓器回零，使輸出電流為 0，同時(shí)開始溫控儀上的數(shù)據(jù)。一次直到溫度開始 1 分鐘要求每 10 秒一次，然后每分鐘穩(wěn)定為止，大約 1520 分鐘。2、 導(dǎo)體厚度為 0.5 毫米，通過電流為 40A 時(shí)發(fā)熱曲線的測(cè)量：合上電源開關(guān)，原始溫度；緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使輸出電流

6、達(dá)到40A，按上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)并相關(guān)數(shù)據(jù)。3、 導(dǎo)體厚度為 0.2 毫米，通過電流為 20A 時(shí)發(fā)熱曲線的測(cè)量：更換被試銅片，連接熱電偶（注意要斷開電源）。合上電源開關(guān)， 起始溫度；緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器，使輸出電流達(dá)到 20A，按上述步驟進(jìn)行試驗(yàn)并相關(guān)數(shù)據(jù)。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、做出被試導(dǎo)體厚度為 0.5 毫米，通過電流為 50A 時(shí)，導(dǎo)體的發(fā)熱和冷卻曲線，并說明冷卻曲線和發(fā)熱曲線的關(guān)系；2、做出被試導(dǎo)體厚度為 0.5 毫米，通過電流為 40A 時(shí)，導(dǎo)體的發(fā)熱曲線，并用作圖法求熱時(shí)間常數(shù)；3、 做出被試導(dǎo)體厚度為 0.2 毫米，通過電流為 20A 時(shí)，導(dǎo)體的發(fā)熱曲線，并說明熱時(shí)間常數(shù)的物理意義。4六、

7、附錄：熱電偶1、熱電效應(yīng)：同一金屬材料上不同空間位置的兩點(diǎn)間溫度不同時(shí)，這兩點(diǎn)間將會(huì)出現(xiàn)電位差，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。2、熱電偶：不同的金屬材料在相同的溫差下熱電勢(shì)不同。把兩根不同材料的金屬絲 A 和 B 絞在一起，一端直接相連，就構(gòu)成了熱電偶，金屬絲 A 和 B 就是熱電極。3、使用方法：如圖 12 所示：熱電極直接連在一起的一端貼在被測(cè)物體的表面， 稱為熱端；另一端與測(cè)量?jī)x表連接，稱為冷端。由于兩根熱電極的讓熱電效應(yīng)不同，當(dāng)被測(cè)物體溫度變化時(shí)，它們的冷端之間就會(huì)產(chǎn)生電位差，也就是熱電勢(shì)。圖 1-2 熱電效應(yīng)原理圖4、采用熱電偶可以把被測(cè)物體與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境間的溫度差轉(zhuǎn)變?yōu)闊犭妱?shì)， 熱電偶測(cè)量的是

8、被測(cè)物體表面的溫升，只有在冷端被置于 0環(huán)境時(shí)，由熱電偶測(cè)得的才是真實(shí)溫度。5實(shí)驗(yàn)二 直流電弧特性試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察不同條件下電弧的外形；2、 求取直流電弧的伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下表所示：本實(shí)驗(yàn)所用的電弧試驗(yàn)裝置實(shí)物如下圖所示：6序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量1電弧試驗(yàn)裝置12碳棒8mm23銅棒8mm24直流電流表551 型015A（30A）15直流電壓表T10-V0150V16滑線式變阻器BX8-114.5A4519變阻器ZX2-2110.1A212三、實(shí)驗(yàn)線路試驗(yàn)線路如圖 2-1 所示。1 和 2 是兩個(gè)電極，它們通過可變電阻器R 和滑線式變阻器 Rf 接到直流電源上。將電

9、極 1 和 2 接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧。通過電弧的電流從直流電流表 A，電弧兩端的電壓降從直流電壓表 V。調(diào)節(jié)可變電阻 R，便可改變電弧電流，從而求得電弧電壓和電弧電流的關(guān)系（即所謂直流電弧的伏安特性）。其中：Rf 為滑線式變阻器，額定電流為 4.5A，電阻為 045；R 為可變電阻器，額定電流為 10.1A，共有 7 個(gè)接線端子（R1R7），每?jī)蓚€(gè)端子間的電阻值為 3.5。圖 2-1 直流電弧試驗(yàn)線路四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察不同材料作為電極時(shí)電弧的燃燒情況；在觀察電弧的燃燒情況時(shí)，滑線式變阻器的阻值應(yīng)該一直在最小位置，可變電阻器應(yīng)在 R1、R7 上接線。2、求取弧長(zhǎng)約為 2mm 和

10、 0.5mm 時(shí)，電流在 10A 以下的直流電弧伏安特性（碳電極，試驗(yàn)時(shí)電流由 10A 逐漸減?。?；當(dāng)電流在 510A 時(shí)，滑線式變阻器的阻值應(yīng)該一直保持在最小7位置，可變電阻器應(yīng)分別在 R1、R5（電流約為 9A），R1、R6（約 7.5A），R1、R7（約 6A）上接線。將可變電阻器接在 R1、R7 上不動(dòng)，迅速調(diào)節(jié)滑線式變阻器，使回路電流值小于 5A 后再開始試驗(yàn)。3、求取當(dāng)碳電極接觸時(shí)電流約為 6A 和 9A 兩種情況下的直流電弧臨界長(zhǎng)度；滑線式變阻器的阻值應(yīng)該一直保持在最小位置，可變電阻器應(yīng)分別在 R1、R5（電流約為 9A），R1、R7（約 6A）上接線。4、觀察測(cè)量電弧伏安特性的

11、精確方法。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、描述電弧在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的情況；2、描述水中碳電弧的放電現(xiàn)象；3、描述不同材料電極時(shí)，直流電弧陽極斑點(diǎn)、陰極斑點(diǎn)和弧柱的外形及其運(yùn)動(dòng)情況；4、做出弧長(zhǎng)約為 2mm 和 0.5mm 時(shí)直流的伏安特性，并說明由此得出什么結(jié)論；5、 說明 6A 和 9A 兩種情況下直流電弧臨界長(zhǎng)度不同的。8實(shí)驗(yàn)三 交流電弧特性試驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察不同條件下電弧的外形；2、 求取交流電弧的伏安特性。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備如下表所示三、實(shí)驗(yàn)線路1、電阻性負(fù)載：試驗(yàn)線路如圖 31 所示。1 和 2 是兩個(gè)電極，它們通過可變電阻器R、交流電流表A 和滑線式變阻器Rf 接到交流電源上。將電極

12、 1 和 2 接觸后再緩慢，電極之間就產(chǎn)生電弧，電弧的各種特性用示波器進(jìn)行觀察。示波器的通道 1（CH1）上顯示的是電弧電壓波形；通道 2（CH2）上顯示的是電弧電流波形。2、感性負(fù)載：試驗(yàn)線路如圖 32 所示。電極 1 和 2 通過電阻 Rf、交流電流表 A 和電感 L 接到交流電源上。將電極 1 和 2 接觸后再緩慢分開，電極之間就產(chǎn)生電弧，電弧的各種特性用示波器進(jìn)行觀察。示波器的通道 1（CH1）上顯示的是電弧電壓波形；通道 2（CH2）上顯示的是電弧電流波形。9序號(hào)名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量1電弧試驗(yàn)裝置12碳棒8mm23銅棒8mm24交流電流表T15-A015A15有鐵心電抗器3.4 10.

13、4mH16變阻器ZX2-2110.1A2117示波器TDS20121SR-071B18滑線式變阻器BX8-114.5A451BX7-1620A215、 交流電弧的伏安特性：將數(shù)字示波器換 TDS2012 為模擬示波器， 接線方法不變，選擇 X-Y 模式， I arc 為 X，U arc 為 Y，即可在示波器上看到交流電弧電壓和電弧電流的關(guān)系。圖 3-1 交流電弧試驗(yàn)線路電阻負(fù)載圖 3-2 交流電弧試驗(yàn)線路電感負(fù)載其中：Rf 為滑線式變阻器，額定電流為 20A，電阻為 02；R 為可變電阻器，額定電流為 10.1A，共有 7 個(gè)接線端子（R1 R7），做交流電弧試驗(yàn)時(shí)接線在 R1、R7 兩個(gè)端子

14、間，電阻值為 21。10四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察電流約為 10A 時(shí)，不同負(fù)載性質(zhì)情況下交流電弧的電壓、電流波形和伏安特性，并進(jìn)行描繪；2、學(xué)習(xí)測(cè)量交流電弧伏安特性的精確方法。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求繪出不同負(fù)載性質(zhì)情況下，交流電弧的電壓、電流波形和伏安特性， 并指出它們有何不同。11實(shí)驗(yàn)四 電弧的演示試驗(yàn)一、水中碳電弧放電實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)裝置：采用一臺(tái) ZX7-120 型號(hào)的非晶態(tài)逆變式直流電焊機(jī)作為產(chǎn)生電弧的電流源，電焊機(jī)的輸入電壓為 220V 工頻交流電壓，可以輸出 20 150A 連續(xù)可調(diào)的直流電流。裝置采用兩根不銹鋼棒作為電極柱，在其下端分別設(shè)有用來安裝石墨電極的孔和螺紋。裝置的陰極固定在支架上，陽

15、極通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄的方式可以沿著一個(gè)平滑軌道進(jìn)行水平方向的移動(dòng)。燒杯中盛放蒸餾水作為碳電弧放電的介質(zhì)。水中碳電弧放電裝置實(shí)物如圖 41 所示：圖 4-1 水中碳電弧放電裝置2、實(shí)驗(yàn)原理：在水中碳電弧的燃燒過程中，陽極石墨棒中的一部分碳元素在電弧的高溫下與水發(fā)生反應(yīng)：C+ H2O= CO+ H2，生成的CO和H2氣體為放電電弧提供了一個(gè)類似于惰性氣體的保護(hù)環(huán)境。如圖 42 所示，從陽極石墨棒蒸發(fā)出來的碳粒子一部分沿著弧柱區(qū)運(yùn)動(dòng)至陰極，由于陰極表面的溫度相對(duì)較低，這些碳粒子在陰極表面定向沉積，沿著電弧的方向生長(zhǎng)出多壁碳納米管如圖 43 所示。多壁碳納米管在陰極的生長(zhǎng)過程遵循 “開口生長(zhǎng)”機(jī)制，即納

16、米管的所有生長(zhǎng)層在生長(zhǎng)過程中都保持開口，碳原子簇沿軸向不斷增加到開口端，其中六元環(huán)的不斷12供應(yīng)導(dǎo)致納米管的生長(zhǎng)，而五元環(huán)的引入則使納米管封閉起來，停止生長(zhǎng)。而逸出弧柱區(qū)的碳粒子，則在由弧柱區(qū)向氣泡壁運(yùn)動(dòng)的過程中， 由于溫度不斷地降低，碳粒子逐漸形成碳鏈、并進(jìn)一步形成六圓環(huán)為基本單元的類石墨片斷，在氣泡壁附近，由于氣泡壁的冷壁效應(yīng)，會(huì)存在很高的溫度梯度，而且氣泡壁的溫度也很低（水的沸點(diǎn)，100），這些片斷會(huì)趨于彎曲形核并生長(zhǎng)，由于該區(qū)域內(nèi)碳粒子的各向同性， 最終形成球狀的碳納米洋蔥，如圖 44 所示。此外，在放電過程中由于陽極燒蝕比較猛烈，會(huì)導(dǎo)致一些石墨顆粒或片斷從陽極脫落，從而形成燒杯底部的

17、沉淀物。圖 4-2 水中碳電弧放電的物理模型示意圖圖 4-3 陰極沉積物中的多壁碳納米管圖 4-4 水面漂浮物中的碳納米洋蔥133、實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象：在蒸餾水中進(jìn)行碳電弧的放電實(shí)驗(yàn)，電極采用純度為 99.99%的光譜純石墨棒，陰極采用直徑和長(zhǎng)度均為 20mm 的石墨棒，陽極采用直徑為 6mm，長(zhǎng)度為 100mm 的石墨棒。首先將陰極、陽極石墨棒分別固定在相應(yīng)的不銹鋼電極柱上，在 5000ml 的燒杯里注入約 4000ml 的去離子水，通過調(diào)節(jié)燒杯支架的高度，將電極充分浸入水中。在接通電源之前，將兩個(gè)石墨棒電極相接觸造成短路，然后打開電焊機(jī)，調(diào)節(jié)其電流至 50A，然后通過旋轉(zhuǎn)手柄使陽極緩慢離開陰極

18、約 1mm 而產(chǎn)生電弧。隨著陽極石墨棒的不斷燒蝕，持續(xù)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手柄，使兩電極之間弧隙的距離保持恒定，使得電弧能夠持續(xù)穩(wěn)定燃燒。水中電弧放電時(shí)產(chǎn)生了一團(tuán)熾熱高亮的等離子體，并且電弧放電產(chǎn)生的氣泡不斷上升，氣泡中含有碳與水反應(yīng)生成的氣體產(chǎn)物。在放電過程中，陽極石墨棒在直流電流的作用下逐漸燒蝕，所以需要通過旋轉(zhuǎn)手柄給進(jìn)陽極來保證電弧燃燒的穩(wěn)定性。在燃弧過程中，蒸發(fā)的碳元素一部分沉積在陰極表面，另一些漂浮在液面上或沉淀至燒杯底部，還有一部分與水反應(yīng)生成氣體。當(dāng)陽極碳棒的損耗將近結(jié)束時(shí)，切斷電源，移開燒杯，收集產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行完畢后，可以觀察到液體中電弧放電的固體產(chǎn)物主要有三部分： 1、陰極表面的柱狀沉積物，其直徑與陽極直徑相近，長(zhǎng)度為數(shù)毫米；2、水面上的呈薄膜狀的漂浮物；3、燒杯底部的沉淀物。水中碳電弧放電燃弧過程陰極沉積物水面漂浮物二、電弧在磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)1、交變磁場(chǎng)：1）實(shí)驗(yàn)主要裝置：電弧試驗(yàn)裝置（如實(shí)驗(yàn) 2 所述），勵(lì)磁線圈和變頻器，如下圖所示：14勵(lì)磁線圈變頻器2）實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象：將線圈置于銅電弧附近，使線圈軸線水平穿過弧柱中心。采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)線圈，將變頻器的頻率調(diào)節(jié)在 5Hz，將變頻器的頻率調(diào)節(jié)在 5Hz，它輸出的正弦脈寬調(diào)制波驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生一個(gè)低頻（5Hz）的交變磁場(chǎng)。根據(jù)左手定則，在每個(gè)周期中，電