电机拖动实验指导

上海师范大学电机拖动实验指导书机械与电子信息工程学院电气系二oo五年八月实验一 三相异步电动机的起动与调速一实验目的通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。二预习要点1. 复习异步电动机有哪些起动方法和起动技术指标。2. 复习异步电动机的调速方法。三实验项目1. 异步电动机的直接起动。2. 异步电动机星形三角形(Y-)换接起动。 3. 自耦变压器起动。4. 绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器起动。四实验设备及仪器1. MEL系列电机系统教学实验台主控制屏(含交流电压表)。2. 指针式交流电流表。3. 电机导轨及测功机、转矩转速测量(MEL-13、MEL-14)。4. 电机起动箱(MEL-09)。5. 鼠笼式异步电动机(M04)。6. 绕线式异步电动机(M09)。五实验方法1. 三相笼型异步电动机直接起动试验。按图3-5接线，电机绕组为接法。图3-5 异步电动机直接起动实验接线起动前，把转矩转速测量实验箱(MEL-13)中“转矩设定”电位器旋钮逆时针调到底，“转速控制”、“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，检查电机导轨和MEL-13的连接是否良好。仪表的选择：交流电压表为数字式或指针式均可，交流电流表则为指针式。a. 把三相交流电源调节旋钮逆时针调到底，合上绿色“闭合”按钮开关。调节调压器，使输出电压达电机额定电压220伏，使电机起动旋转。(电机起动后，观察MEL-13中的转速表，如出现电机转向不符合要求，则须切断电源，调整次序，再重新起动电机。)b. 断开三相交流电源，待电动机完全停止旋转后，接通三相交流电源，使电机全压起动，观察电机起动瞬间电流值。注：按指针式电流表偏转的最大位置所对应的读数值计量。电流表受起动电流冲击，电流表显示的最大值虽不能完全代表起动电流的读数，但用它可和下面几种起动方法的起动电流作定性的比较。c. 断开三相交流电源，将调压器退到零位。用起子插入测功机堵特孔中，将测功机定转子堵住。d. 合上三相交流电源，调节调压器，观察电流表，使电机电流达23倍额定电流，读取电压值UK、电流值IK、转矩值TK，填入表中，注意试验时，通电时间不应超过10秒，以免绕组过热。对应于额定电压的起动转矩TST和起动电流I比按下式计算： ，式中IK：起动试验时的电流值，A； TK：起动试验时的转矩值，N.m式中UK：起动试验时的电压值，V； UN：电机额定电压，V；测 量 值计 算 值Uk(V)Ik(A)Tk(N.m)Tst(N.m)Ist(A)2. 星形三角形(Y-)起动按图3-6接线，电压表、电流表的选择同前，开关S选用MEL-05。图3-6 异步电机星形一三角形起动a. 起动前，把三相调压器退到零位，三刀双掷开关合向右边(Y)接法。合上电源开关，逐渐调节调压器，使输出电压升高至电机额定电压UN=220V，断开电源开关，待电机停转。b. 待电机完全停转后，合上电源开关，观察起动瞬间的电流，然后把S合向左边(接法)，电机进入正常运行，整个起动过程结束，观察起动瞬间电流表的显示值以与其它起动方法作定性比较。3. 自耦变压器降压起动按图3-5接线。电机绕组为接法。a. 先把调压器退到零位，合上电源开关，调节调压器旋钮，使输出电压达110伏，断开电源开关，待电机停转。b. 待电机完全停转后，再合上电源开关，使电机就自耦变压器，降压起动，观察电流表的瞬间读数值，经一定时间后，调节调压器使输出电机达电机额定电压UN=220伏，整个起动过程结束。4. 绕线式异步电动机转绕组串入可变电阻器起动。实验线路如图3-7，电机定子绕组Y形接法。转子串入的电阻由刷形开关来调节，调节电阻采用MEL-09的绕线电机起动电阻(分0，2，5，15，五档)，MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”开关扳向“转速控制”，“转速设定”电位器旋钮顺时针调节到底。图37绕线式异步电机转子绕组串电阻起动实验接线图a. 起动电源前，把调压器退至零位，起动电阻调节为零。b. 合上交流电源，调节交流电源使电机起动。注意电机转向是否符合要求。c. 在定子电压为180伏时，逆时针调节“转速设定”电位器到底，绕线式电机转动缓慢(只有几十转)，读取此时的转矩值Tst和Ist。d. 用刷形开关切换起动电阻，分别读出起动电阻为2、5、15的起动转矩Tst和起动电流Ist，填入表3-9中。注意：试验时通电时间不应超过20秒的以免绕组过热。表3-9 U=180VRst（）02515Tst（）Ist（）5. 绕线式异步电动机绕组串入可变电阻器调速。实验线路同前。MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针到底，“转速设定”电位器顺时针到底。MEL-09“绕线电机起动电阻”调节到零。a. 合上电源开关，调节调压器输出电压至UN=220伏，使电机空载起动。b. 调节“转矩设定”电位器调节旋钮，使电动机输出功率接近额定功率并保持输出转矩T2不变，改变转子附加电阻，分别测出对应的转速，记录于表3-10中。表3-10 U=180V T2= N.mRst（）02515n（r/min）六. 实验报告1. 比较异步电动机不同起动方法的优缺点。2. 由起动试验数据求下述三种情况下的起动电流和起动转矩：(1) 外施额定电压UN。(直接法起动)(2) 外施电压为UN/。(Y-起动)(3) 外施电压为UNKA，式中KA为起动用自耦变压器的变比。(自耦变压器起动)。3. 绕线式异步电动机转子绕组串入电阻对起动电流和起动转矩的影响。4. 绕线式异步电动机转子绕组串入电阻对电机转速的影响。七. 思考题1. 起动电流和外施电压正比，起动转矩和外施电压的平方成正比在什么情况下才能成立?2. 起动时的实际情况和上述假定是否相符，不相符的主要因素是什么?实验二 单相变压器实验一实验目的1通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数。2通过负载实验测取变压器的运行特性。二预习要点1变压器的空载和短路实验有什么特点?实验中电源电压一般加在哪一方较合适?2在空载和短路实验中，各种仪表应怎样联接才能使测量误差最小?3如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗。三实验项目1空载实验 保持Uo= f(Io)，Po=f(Uo)。2短路实验 测取空载特性Uk=f(Ik)，PK=f(Ik)。3负载实验测取 保持U1= U1N，COS2=1的条件下，测取U2=f(I2)。四实验设备及仪器1MEL系列电机教学实验台主控制屏(含交流电压表、交流电流表)2功率及功率因数表(MEL-20或含在主控制屏内)3三相组式变压器(MEL-01)或单相变压器(在主控制屏的右下方)4三相可调电阻900(MEL-03)5波形测试及开关板(MEL-05)6三相可调电抗(MEL-08)五实验任务已知被测变压器额定参数Sn=77VA；额定电压比U1r/U2n=220V/55V1、设计短路、空载和纯电阻负载实验电路图。2、根据变压器额定参数选择测量仪表的量程。3、设计相应的实验步骤和方法。六注意事项1在变压器实验中，应注意电压表、电流表、功率表的合理布置。2短路实验操作要快，否则线圈发热会引起电阻变化。七实验报告1计算变比由空载实验测取变压器的原、副方电压的三组数据，分别计算出变比，然后取其平均值作为变压器的变比K。2绘出空载特性曲线和计算激磁参数(1) 绘出空载特性曲线Uo= f(Io)，Po=f(Uo)，COSo= f(Uo)。 式中(2) 计算激磁参数从空载特性曲线上查出对应于Uo= UN时的Io和Po值，并由下式算出激磁参数 3绘出短路特性曲线和计算短路参数(1) 绘出短路特性曲线Uk=f(Ix)、Pk=f(Ix)、cosk=f(Ix)。(2) 计算短路参数。从短路特性曲线上查出对应于短路电流Ik= IN的Uk和Pk值，由下式算出实验环境温度为(oC)短路参数。 折算到低压方 由于短路电阻随温度而变化，因此，算出的短路电阻应按国家标准换算到基准工作温度75 oC时的阻值。 式中：234.5为铜导线的常数，若用铝导线常数应改为228。阻抗电压4利用空载和短路实验测定的参数，画出被试变压器折算到低压方的“”型等效电路。5变压器的电压变化率U(1) 绘出cos2=1时的外特性曲线U2=f(I2)，由特性曲线计算出I2=I2N时的电压变化率U (2) 根据实验求出变压器等效电路的参数，算出I2=I2N、cos2=1时的电压变化率U 将两种计算结果进行比较。6绘出被试变压器的效率特性曲线 (1) 用间接法算出cos=l时不同电流时的变压器效率，记录于表2-5中。表2-5 cos=l ，= W，PKN= W(A)P2(W)0.20.40.60.81.01.2式中：； 为变压器IK=IN时的短路损耗(W)；为变压器Uo=UN时的空载损耗(W)。(2) 由计算数据绘出变压器的效率曲线。(3) 计算被试变压器时的负载系数。实验三 异步电动机M-S曲线测定一. 实验目的用本电机教学实验台的测功机转速闭环功能测绘各种异步电机的转矩转差曲线，并加以比较。二. 预习要点1. 复习电机M-S特性曲线。2. M-S特性的测试方法。三. 实验项目1.鼠笼式异步电机的M-S曲线测绘测。2.绕线式异步电动机的M-S曲线测绘。四. 实验原理异步电机的机械特性的图5-6所示。图5-6 异步电机的机械特性在某一转差率Sm时，转矩有一最大值Tm，称为异步电机的最大转矩，Sm称为临界转差率。Tm是异步电动机可能产生的最大转矩。如果负载转矩TzTm，电动机将承担不了而停转。起动转矩Tst。是异步电动机接至电源开始起动时的电磁转矩，此时S=1(n=0)。对于绕线式转子异步电动机，转子绕组串联附加电阻，便能改变Tst从而可改变起动特性。异步电动机的机械特性可视为两部分组成，即当负载功率转矩TzTN时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分，又可称为工作部分，因电动机不论带何种负载均能稳定运行；当SSm时，机械特性为一曲线，称为机械特性的曲线部分，对恒转矩负载或恒功率负载而言，因为电动机这一特性段与这类负载转矩特性的配合，使电机不能稳定运行，而对于通风机负载，则在这一特性段上却能稳定工作。在本实验系统中，通过对电机的转速进行检测，动态调节施加于电机的转矩M，产生随着电机转速的下降，转矩随之下降的负载，使电机稳定地运行了机械特性的曲线部分。通过读取不同转速下的转矩，可描绘出不同电机的M-S曲线。五. 实验设备1. MEL系列电机系统教学实验台主控制屏。2. 电机导轨及测功机、转矩转速测量(MEL-13、MEL-14)。3. 电机起动箱(MEL-09)。4. 三相鼠笼式异步电动机M04。5. 三相绕线式异步电动机M09。六. 实验方法1. 鼠笼式异步电机的M-S曲线测绘被试电机为三相鼠笼式异步电动机M04，Y接法。G为涡流测功机，与M04电机同轴安装。按图5-7接线，其中电压表采用指针式或数字式均可，量程选用300V档，电流表采用数字式，可选0.75A量程档。图5-7鼠笼式异步电机的M-S测绘接线图起动电机前，将三相调压器旋钮逆时针调到底，并将MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关扳向“转速控制”，并将“转速设定”调节旋钮顺时针调到底。实验步骤：(1) 按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出调节旋钮，使电压输出为220V，起动交流电机。观察电机的旋转方向，是之符合要求。(2) 逆时针缓慢调节“转速设定”电位器经过一段时间的延时后，M04电机的负载将随之增加，其转速下降，继续调节该电位器旋钮电机由空载逐渐下降到200转/分左右(注意：转速低于200转/分时，有可能造成电机转速不稳定。)(3) 在空载转速至200转分范围内，测取8-9组数据，其中在最大转矩附近多测几点，填入表5-9。表5-9 UN=220V Y接法序 号123456789转速（r/min）转矩（N.m） (4)当电机转速下降到200转/分时，顺时针回调“转速设定”旋钮，转速开始上升，直到升到空载转速为止，在这范围内，读出8-9组异步电机的转矩T，转速n，填入表5-10。表5-10 UN=220V Y接法序 号123456789转速（r/min）转矩（N.m）七. 实验报告在方格纸上，逐点绘出各种电机的转矩、转速，并进行拟合，作出被试电机的M-S曲线。八. 思考题1. M-S曲线与电机机械特性T-S有和区别?2. 电机的降速特性和升速特性曲线不重合的原因何在?实验四 并励直流电动机工作特性的测定一实验目的1掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。2掌握直流并励电动机的调速方法。二预习要点1什么是直流电动机的工作特性和机械特性?2直流电动机调速原理是什么?三实验项目1工作特性和机械特性保持和不变，测取n、T2、n=f(Ia)及n=f(T2)。2调速特性(1)改变电枢电压调速保持、，T2=常数，测取n=f(Ua)。(2)改变励磁电流调速保持，T2=常数，R1=O，测取n=f(If)。四实验设备及仪器1MEL系列电机教学实验台的主控制屏(MEL-I、MEI-IIA、B)。2电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量(MEL-13)或电机导轨及编码器、转速表。3可调直流稳压电源(含直流电压、电流、毫安表)4直流电压、毫安、安培表(MEL-06)。5直流并励电动机。6波形测试及开关板(MEL-05)。7三相可调电阻900(MEL-03)。五实验方法1并励电动机的工作特性和机械特性。图6 直流并励电动机接线图实验线路如图16所示U1：可调直流稳压电源Rl、Rf：电枢调节电阻和磁场调节电阻，位于MEL-09。mA、A、V2：直流毫安、电流、电压表(MEL-06)G：涡流测功机Is：涡流测功机励磁电流调节，位于MEL-13。 a将R1调至最大，Rf调至最小，毫安表量程为200mA，电流表量程为2A档，电压表量程为300V档，检查涡流测功机与MEL-13是否相连，将MEL-13“转速控制”和“转矩控制”选择开关板向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针旋到底，打开船形开关，按实验一方法起动直流电源，使电机旋转，并调整电机的旋转方向，使电机正转。b直流电机正常起动后，将电枢串联电阻Rl调至零，调节直流可调稳压电源的输出至220V，再分别调节磁场调节电阻Rf和“转矩设定”电位器，使电动机达到额定值：I=UN=220V，Ia=IN，n=nN=1600rmin，此时直流电机的励磁电流If=IfN(额定励磁电流)。c保持U=UN，If=IfN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即逆时针调节“转矩设定”电位器，测取电动机电枢电流Ia、转速n和转矩T2，共取数据7-8组填入表18中。表1-8 U=UN=220V If=IFn= A KN= 实验数据Ia(A)n(r/min)T2(N.m)计算数据P2(w)P1(w)()n()2调速特性(1) 改变电枢端电压的调速a按上述方法起动直流电机后，将电阻R1调至零，并同时调节负载，电枢电压和磁场调节电阻Rf，使电机的U=UN，I,=0.5IN，If=IfN，记录此时的T2= N.mb保持T2不变，If=IfN不变，逐次增加R1的阻值，即降低电枢两端的电压Ua，R1从零调至最大值，每次测取电动机的端电压Ua，转速n和电枢电流Ia，共取7-8组数据填入表l-9中。表1-9 If=IfN= A，T2= NmUa(V)n(r/min)Ia(A)(2) 改变励磁电流的调速a直流电动机起动后，将电枢调节电阻和磁场调节电阻Rf调至零，调节可调直流电源的输出220V，调节“转矩设定”电位器，使电动机的U=UN，Ia=05IN，记录此时的T2= Nmb保持T2和U=UN不变，逐次增加磁场电阻Rf阻值，直至n=1.3nN，每次测取电动机的n、If和Ia，共取7-8组数据填写入表1.10中。表1-10 U=UN=220V，T2= N.mn(r/min)If (A)Ia(A)六实验报告1由表1-8计算出P2和rl，并绘出n、T2、=f(Ia)及n=f (T2)的特性曲线。电动机输出功率 P2=0.105nT2式中输出转矩T2的单位为Nm，转速n的单位为rmin。电动机输入功率 Pl=UI电动机效率 电动机输入电流 I= Ia + IfN由工作特性求出转速变化率： 2绘出并励电动机调速特性曲线n=f(U a)和n=f(If)。分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。七思考题l、当电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速的升高，为什么?2、并励电动机在负载运行中，当磁场回路断线时是否一定会出现“飞速”?为什么?实验五 他励直流电动机各种运转状态下机械特性实验一. 实验目的了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性二. 预习要点1. 改变他励直流电动机械特性有哪些方法?2. 他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态?他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况?3. 他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。三. 实验项目1. 电动及回馈制动特性。2. 电动及反接制动特性。3. 能耗制动特性。四. 实验设备及仪器1. MEL系列电机系统教学实验台主控制屏。2. 电机导轨及转速表(MEL-13、MEL-14)3. 三相可调电阻900(MEL-03)4. 三相可调电阻90(MEL-04)5. 波形测试及开关板(MEL-05)6. 直流电压、电流、毫安表(MEL-06)7. 电机起动箱(MEL-09)五. 实验方法及步骤1. 电动及回馈制动特性接线图如图5-1图5-1直流他励电动机机械特性测定接线图 M为直流并励电动机M12(接成他励方式)，UN=220V，IN=0.55A，nN=1600rmin，PN=80W；励磁电压Uf=220V，励磁电流If013A。G为直流并励电动机M03(接成他励方式)，UN=220V，IN=1.1A，nN=1600rmin；直流电压表V1为220V可调直流稳压电源自带，V2的量程为300V(MEL-06)；直流电流表mAl、A1分别为220V可调直流稳压电源自带毫安表、安倍表；mA2、A2分别选用量程为200mA、5A的毫伏表、安培表(MEL-06)Rl选用900欧姆电阻(MEL-03)R2选用180欧姆电阻(MEL-04中两90欧姆电阻相串联)R3选用3000磁场调节电阻(MEL-09) R4选用2250 电阻(用MEL-03中两只900 电阻相并联再加上两只900 电阻相串联)开关S1、S2选用MEL-05中的双刀双掷开关。按图5-1接线，在开启电源前，检查开关、电阻等的设置； (1) 开关S1合向“1”端，S2合向“2”端。 (2) 电阻R1至最小值，R2、R3、R4阻值最大位置。 (3) 直流励磁电源船形开关和220V可调直流稳压电源船形开关须在断开位置。实验步骤：a. 按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合励磁电源船型开关和220V电源船形开关，使直流电动机M起动运转，调节直流可调电源，使V1读数为UN=220伏，调节R2阻值至零。b. 分别调节直流电动机M的磁场调节电阻R1，发电机G磁场调节电阻R3、负载电阻R4 (先调节相串联的900 电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器，再调节900 电阻相并联的旋钮)，使直流电动机M的转速nN=1600rmin， If+Ia=IN=0.55A，此时If= IfN，记录此值。c. 保持电动机的U=UN=220V，If= IfN不变，改变R4及R3阻值，测取M在额定负载至空载范围的n、Ia，共取5-6组数据填入表中。表5-1 UN=220伏 IfN = AIa（A）n（r/min）d. 折掉开关S2的短接线，调节R3，使发电机G的空载电压达到最大(不超过220伏)，并且极性与电动机电枢电压相同。e. 保持电枢电源电压U=UN=220V，If= IfN，把开关S2合向“1”端，把R4值减小，直至为零(先调节相串联的900电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器)。再调节R3阻值使阻值逐渐增加，电动机M的转速升高，当Al表的电流值为0时，此时电动机转速为理想空载转速，继续增加R3阻值，则电动机进入第二象限回馈制动状态运行直至电流接近0.8倍额定值(实验中应注意电动机转速不超过2100转分)。 测取电动机M的n、Ia，共取5-6组数据填入表5-2中。表5-2 UN=220伏 IfN= AIa（A）n（r/min）因为T2=CMI2，而CM中为常数，则TI2，为简便起见，只要求特性，见图5-2。2. 电动及反接制动特性。在断电的条件下，对图5-1作如下改动：(1) R1为MEL-09的3000磁场调节电阻，R2为MEL-03的900电阻，R3不用， R4不变。(2) S1合向“1”端，S2合向“2”端(短接线拆掉)，把发电机G的电枢二个插头对调。图5-2直流他励电动机电动及回馈制动特性实验步骤：a. 在未上电源前，R1置最小值，R2置300左右，R4置最大值。b. 按前述方法起动电动机，测量发电机G的空载电压是否和直流稳压电源极性相反，若极性相反可把S2含向“1”端。c. 调节R2为900，调节直流电源电压U=UN=220V，调节R1使，保持以上值不变，逐渐减小R4阻值，电机减速直至为零，继续减小R4阻值，此时电动机工作于反接制动状态运行(第四象限)；d. 再减小R4阻值，直至电动机M的电流接近0.8倍IN，测取电动机在第l、第4象限的n、I2，共取5-6组数据记录于表5-3中。表5-3 R2=900 UN=220V IfN= AI2（A）n（r/min）为简便起见，画，见图5-3。图5-3 直流他励电动机电动及反接制动特性3. 能耗制动特性图5-1中，R1用3000，R2改为360欧(采用MEL-04中只90电阻相串联)，R3采用MEL-03中的900欧电阻，R4仍用2250电阻。操作前，把Sl俣向“2”端，R1、R2置最大值，R3置最大值，R4置300欧(把两只串联电阻调至零位，并用导线短接，把两只并联电阻调在300欧位置)，S2合向“1”端。按前述方法起动发电机G(此时作电动机使用)，调节直流稳压电源使U=UN =220伏，调节R1使电动机M的If=IfN，调节R3使发电机G的If=80mA，调节R4并先使R4阻值减小，使电机M的能耗制动电流Ia接近0.8IAn数据，记录于表5-4中。表5-4 R2=360 IfN= mAI2（A）n（r/min）调节R2的180，重复上述实验步骤，测取Ia、n，共取6-7组数据，记录于表5-5中。表5-5 R2=180 IfN= mAI2（A）n（r/min）当忽略不变损耗时，可近似为电动机轴上的输出转矩等于电动机的电磁转矩T=CMIa,，他励电动机在磁通不变的情况下，其机械特性可以由曲线来描述。画出以上二条能耗制动特此曲线，见图5-4。六. 实验注意事项调节串并联电阻时，要按电流的大小而相应调节串联或并联电阻，防止电阻过流烧毁熔断丝。七. 实验报告根据实验数据绘出电动机运行在第一、第二、第四象限的制动特性及能耗制动特性。八. 思考题1. 回馈制动实验中，如何判别电动机运行在理想空载点?2. 直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变，试问电磁转矩的方向是否也不变?为什么?3. M，G实验机组，当电动机M从第一象限运行到第四象限，其转向反了，而电磁转矩方向不变，为什么?作为负载的G，从第一到第四象限其电磁矩方向是否改变?为什么?本实验指导书根据实验设备的情况和相关实验教材编写。参考文献：电机实验与实践高等教育出版社 主编：付家才