电工学实验
适用对象：能源与环境工程学院
学 时：16（上）+16（下），课内外比例1:1
地 点：九龙湖校区金智楼
教学形式：随堂授课、现场验收、自主实验
教学计划：
周次 | 内容 | 学时 | 地点 |
9-10 | 电子元器件识别及参数测量 | 4 | |
11-12 | 电子电路设计及仿真分析 | 4 | |
13-14 | 三相交流电路认识 | 4 | 202、204 |
15-16 | 交流控制电路设计 | 4 | 202、204 |
考核方式：预习检查20%，现场验收50%，实验报告30%
开放时间：
一、电子元器件识别及参数测量
电阻、电容、电感、二极管是最常用的电子元器件，是构成实用电路的基本单元。测量这些元器件的参数是正确选择和应用器件的基础。实验室常用仪器包括数字存储示波器、信号发生器、直流稳压电源及数字万用表，正确使用仪器测量元器件及电路的各项参数。
1.预习要求
查阅资料了解常用元器件电阻、电位器、电容、电感、二极管等的特性、类别、规格及参数；
查阅资料了解常用实验仪器的功能及操作方法。
2.实验任务
了解实验室电源布局，仪器设备电源通断操作规范；
学习电子元器件分类，器件参数识别；
学习掌握直流稳压源、数字万用表、信号发生器、数字存储示波器的使用方法：
调节电压源输出及限流值，并用数字万用表测量直输出电压值；
用数字万用表直接测量电阻（10Ω、1MΩ）、电容（0.01μF）的参数，测量二极管的极性；
用示波器观察自带的校正信号源输出，识别信号的波形、频率及峰峰值；
信号源依次输出频率1MHz、100kHz峰峰值1V的正弦波，在100kHz正弦波上叠加0.5V直流电压，将信号波形改为脉冲波，调节脉冲波的占空比；在上述过程中用示波器观察各种波形；
学习在电路测量元件参数，用电压表及电流表采用两种不同接法测量10Ω、1MΩ电阻阻值；
用信号发生器为激励源，选择合适的频率及幅值，在电路中测量电感（470μH）及电容（0.01μF）的参数；
测量直流稳压源输出电压的纹波（噪声）幅度；
3.教学主要内容实验要求
电工电子实验安全知识
了解实验室的电源布置；
出入实验室与实验开始、结束时的电源操作；
用电安全知识；
实验结束恢复实验现场；
电子元器件认识
电子元器件的分类（电阻、电容、电感、二极管、三极管等）；
电子元器件的特性参数识别（规格、参数）、应用特点（精度、耐压、电流、功耗、材质、漏电、适用范围）。
电路实现方法
面包板、通用板、专用电路板；
面包板的结构及电路搭接方法。
实验仪器分类
电源：电压源、电流源；
信号发生仪器：函数信号发生器、DDS信号源、任意波信号发生器、射频信号源；
信号测量仪器：数字万用表、数字存储示波器、晶体管特性测试仪；
信号分析仪器：频率特性测试仪（扫频仪）、频谱分析仪、失真度仪；
常用实验仪器设备
直流稳压电源（类型、电压、电流输出能力、限流）；
电压调整，用万用表在电压表档位测量验证,；
限流设定
电压源串联组合使用：扩大电压输出范围；提供±电压
实现方法：内部设置、外部连接
测量验证
数字万用表：探棒插孔、拨盘及功能选择；
电流测量：档位选择，同一电流（1mA）下不同档位的显示值）
电压测量：交流（100kHz以内）、直流
电阻测量：1MΩ，10Ω
电容测量：470uF，0.01uF
二极管极性测试
屏保后激活
信号发生器：通道、波形、频率、幅度、直流偏置、占空比、输出阻抗；
数字存储示波器：通道及耦合方式、探头及衰减倍率、灵敏度及位置调节、扫描速度及扩展、触发源及触发电平选择、输入阻抗；
仪器设备的常见故障以故障排除（电源接入及接触、保险丝，信号输入输出接触，档位设置）
测量方法
电压表、电流表的物理模型；
电流表内接、外接的测量精度分析；
电容、电感在线测量时激励源参数的选择（从容抗、感抗的表达式说起），
4.任务分析
这是实践课程中的第一节课，从实验室环境开始，介绍电源配置及安全注意、操作规范。介绍电路的最小单元——常用元器件电阻、电位器、电容、电感、二极管等的特性、类别、规格及参数；使用示波器观察信号的电压、时间、相位差等参数，掌握示波器的交流/直流耦合输入方式、触发源及触发电平的设置，能规范记录波形及参数；掌握函数发生器输出电压、频率、占空比、直流电平设置，了解函数输出/TTL输出的区别；会使用稳压电源；会使用万用表测量电压、电流、电阻阻值、电容容量、二极管的正向导通压降；结合实验室常用仪器对元器件及其在面包板生构成的简单电路进行测试。
5.教学目标
掌握电阻、电位器、电容、电感、二极管的符号、单位、参数、标注方法、性能测量和使用常识；
掌握方波、三角波、正弦波等典型波形的参数概念；
了解常用实验仪器：数字存储示波器、信号发生器、直流稳压电源及数字万用表的适用范围、工作特点、量程与精度，掌握其主要功能、面板设置及操作方法；
掌握面包板的结构原理、能在面包板上搭接简单电路并使用仪器进行测量；
掌握用示波器观察波形并记录方法。
二、电路设计仿真及状态分析
EDA（电子设计自动化）方法是在电子产品向更复杂、更高级，向数字化、集成化、微型化和低功耗方向发展过程中逐渐产生并日趋完善的，电子产品设计过程的大部分均由计算机自动完成。电路仿真是利用EDA系统工具的模拟功能对电路环境和电路过程进行仿真，这个工作对应着传统电子设计的电路搭建和性能测试，由于不需要真实电路环境的介入，因此花费少、效率高，而且结果快捷、准确、形象。美国NI公司的Multisim软件是一个完整的设计工具系统，实验室以该软件为例介绍电路设计仿真软件的使用方法。
1.预习要求
下载安装Multisim13软件及电子版的使用说明书；
自学Multisim使用方法，了解元件库、配置元器件参数、使用虚拟仪器、连接电路、保存文件等相关操作；
学习了解稳压二极管的特性，在Multisim软件中设计测试稳压二极管伏安特性的实验电路；
设计某一个网络定理的实验验证电路。
2.实验任务
学习使用Multisim软件设计、分析、优化实验电路：
选择元器件、配置参数，连接电路；
使用虚拟仪器测试电路参数、观察信号波形；
设计电路测量稳压二极管的正反向V-I特性
设计测量方法，给出实验电路；
选择虚拟仪器，设计测试电路；
分别在正向和反向电压下测量、记录流经不同电流时的PN结电压；
描绘U-I曲线；
设计电路验证电路定理（在基尔霍夫定律、叠加定理、戴维宁定理中选择其一）；
提高要求：RC双端口网络频率特性测试；
R=1kΩ，C=0.01μF，电路结构如下图中之一；
以信号源输出作为激励（u1），用示波器测量u2端电压幅值，及u2与u1两信号间相位差ϕ；
绘制u1/u2随频率的变化规律（幅频特性）及ϕ随频率的变化规律（相频特性）曲线。
3.实验要求
完成预习任务，设计实验中所需要使用的实验电路图及测试电路图；
设计规划实验步骤；
设计好记录实验数据所需的表格，标注参数名称及单位；如实记录实验数据；
根据实验数据绘制曲线；
根据实验现象及实验数据（特性曲线），分析实验结果及作用意义；
撰写反映上述实验过程、实验结果的总结报告，需注意实验报告的格式规范及美观。
4.教学要点
Multisim软件环境中建立文件、选择元器件库、元件参数设置、电路元件状态调整、电路连接
Multisim软件环境中虚拟仪器使用、电路运行仿真，电路参数与状态测试。
稳压二极管伏安特性测试实验电路改变电流的多种方法，设置限流电阻的必要性；
实验数据记录表格设计，实验数据处理与有效数位选择，Excel制表及绘制曲线的功能应用。
5.任务分析
了解Multisim仿真环境，元件库的分类，电阻、二极管等元器件属性设置，归纳Multisim软件的特点与硬件搭接电路的优缺点比较。
6.教学目标
学会使用Multisim软件进行电路的设计，使用虚拟测量仪器进行电路参数的测量与状态的分析。
学习实验步骤的设计，实验过程的记录及实验报告的撰写等各方面要求。
三、三相交流电路的认识
交流电在生产和生活中有广泛的应用，认识交流电的基本知识，通过测试交流电路参数才能正确使用、分析交流电路工作状态。
实验室常用的电气元件有：开关、熔断器、按钮、指示灯、接触器、三相电动机、电阻器、电容器、电感器，需要掌握它们的结构、功能才能正确使用。通过电路参数测试，熟悉掌握这些电气元件并能灵活应用，同时学习用电能表检查电气电路，排除故障的方法。
1.预习要求
查资料自学交流电基本知识，了解交流电气元件及电器设备的类型及用途；
观察生活及实验室中的电气元件，总结作用及特性；
归纳安全用电注意事项；
构思相序判断方法，了解交流电路参数测量方法，功率因数测量及其改善的方法；
2.实验任务
观察实验室及实验台上电气元件及设备实物，了解掌握其结构、功能、适用范围；
将220V交流电经断路器和熔断器后，用自耦变压器将电压降至30V左右，接至用R、L、C构成的串联电路；测量电路中各元件上的电流和电压，画出串联电路电压矢量图，计算R、L、C参数；
分别测量上述电路中各元件上的电压、电流、视在功率（VA）、有功功率（W）和无功功率（Var）；
在R、L、C构成的串联电路中，分析解释实验数据的意义，如UL+UR+UC≠US，UL或UR>US，为什么Pc=0、PL≠0等等
自行设计由R、L构成的感性电路，测量电路的功率因数；构思设计改善该电路功率因数（减小conϕ）的方法，并实验验证；
若不直接测量功率因数（PF），如何判定功率因数得到了补偿？
提高部分：利用模块化变压器模型，学习体验电磁感应、电磁耦合、磁场与磁路等原理及实验验证方法。
3.实验要求
首先掌握开关、熔断器、按钮、指示灯、接触器、电阻器、电容器、电感器等电气元件的结构、功能、使用方法；
了解交流电路操作规范：
必须穿电工绝缘胶鞋或站在橡胶垫上进行操作；
接线或测量操作时，必须单人单手进行操作；
必须在切断电源的前提下进行接线操作，仅有电压测量可以带电操作；
接线完成必须检查电路，在确认接线无误时才能接通电源；
任何接线操作后必须重新检查电路，确认电路无误方能接通电源；
接通电源前，自耦变压器旋钮指针必须处于“0”位置；
实验过程中出现任何异常声响、震动、气味、烟雾、电火花，必须立即停止操作，切断电压，在查明异常现象产生原因，并排除后才能继续通电实验；
接通电源后运行不正常，必须在切断电源后再检查线路故障，排除故障；
4.教学要点
电气元件：开关、熔断器、按钮、指示灯、接触器、自耦变压器、变压器、继电器、延时继电器、直流电动机、交流三相电动机、电阻器、电容器、电感器的结构、功能及工作条件；
电力系统结构：发电机组——升压变压器——传输线——降压变压器（多级）——用户；
单相、三相交流电路的构成及接线规则：进线——开关——漏电保护——熔断器——分线（负载均衡）——开关——用电设备；
用电安全：交流电操作规则，电气设备接地，触电的预防，触电后的措施；
多功能表、三相负载、单相负载；
用验电笔判定三相电源的火线和零线；
用电能表检查电路、电气设备工作状态及排除故障；
交流电路的电压、电流及两者间相位角，功率因数；
功率因素的含义、作用及改善的方法；
交流电路测量方法：电流、电压、功率、功率因数；
电磁感应、电磁耦合、磁场与磁路；空心电感与铁芯电感；互感及单相变压器；线性直流稳压电路。
5.任务分析
熟悉交流电基本知识、电器设备使用常识，介绍常用电气元件结构、功能、适用范围。通过了解它们在电路中的作用、结构、工作原理来学习掌握它们的用途及应用方法。搭接R、L、C串联电路，分析电路工作状态，在搭接过程中介绍电路接线规则、电路检查步骤和方法、电路运行状态检查方法、多功能表测量电路电参数、及故障分析方法。通过实验数据分析相关原理、知识及现象的实际意义。
6.教学目标
认识三相交流电路，了解交流电路应用及安全用电、交流电路操作规范；
掌握常用电气元件及电气设备的使用方法；
学习交流电路设计、连接、检查、运行及故障排除方法；
学习交流电路电流、电压、功率、功率因素的测量方法，；
了解识别三相交流电的相序，改善功率因素的方法。；
了解交流电路中电压与电流间相位差成因，对电路中电压、功率的影响。
四、交流控制电路设计
电力系统中电能的生产、传输和供电方式绝大多数都采用三相制。三相电力系统是由三相电源、三相负载和三相输电线路三部分组成。单相电源也是从三相电源中任取一相得到的。认识三相电是合理安全使用三相电的基础。
1.预习要求
学习交流电路设计方法，并在Multisim软件中进行交流电路设计；
推导相序判定方法的理论依据；
学习了解交流接触器、延时继电器、三相交流电动机等电器设备的工作原理；
尝试在Multisim软件中设计三相交流电动机的控制电路。
2.实验任务
学习掌握电气元件：交流接触器、延时继电器、交流三相电动机等电气设备的功能、特点；
利用白炽灯构成“Y”型无中线的三相不平衡负载电路，测量各相负载的电压、电流，用三相交流电理论解释实验数据；
设计电路识别判断实验台上三相电的相序；
利用交流接触器设计电路控制三相异步电动机；从简单到复杂，依次实现对三相交流电动机的控制功能如下：
点动控制电路：按下按钮电动机工作，松开按钮电动机停止运转；
启动-停止控制电路：一个按钮按下电动机启动，按钮松开仍然保持运转；另一个按钮按下，电动机停止运转；
正-反转手动控制电路：一个按钮按下电动机正转，按钮松开仍然保持运转；另一个按钮按下，电动机停止运转；第三个按钮按下电动机反转；
启动按钮按下后电动机正转10秒，然后反转；按下停止按钮后停止工作。
提高要求：电动机正反转自动切换控制电路设计。启动按钮按下正转20秒、反转10秒、正转工20秒…如此循环往复，直到按下停止按钮。
3.实验要求
设计相序判别电路，确定灯泡瓦数、电容的容量，连接电路，开启电源，根据灯泡的亮暗确定相序；
三相负载星形连接不平衡负载实验中，测量电路中的线电压和相电压，线电流和相电流，分析数据；
在用交流接触器控制三相电机运转实验中，先设计电路图，再按照电路图连接主回路、连接辅助回路，在检测电路连接无误后再接通电源测试电路
实验中注意使用三种颜色的导线区分三相，注意安全；
撰写实验报告。
4.教学要点
交流接触器的结构、工作原理及实现功能；控制线圈、主触点、辅助触点的用法；电器的安全互锁；
三相交流电路构成，负载均衡分配原则，三相交流电动机Y/△负载接法；
判定相序的原理；
交流控制电路设计常用方法。
5.任务分析
首先介绍三相电源、三相负载及其星形、三角形接法，归纳三相电使用安全守则；分析交流接触器控制三相电机的工作原理，在搭接过程中介绍电路接线规则、电路检查步骤和方法、电路运行状态检查方法、及故障分析方法。
6.教学目标
掌握安全用电的基本常识；
学习三相电源的相序判定方法；
了解对称三相电路线电压和相电压，线电流和相电流；
了解负载不对称星形连接时的中线作用；
学习用交流接触器设计控制电路实现对三相电动机的控制。