电机拖动实验指导讲义修订版合成.doc

电机拖动实验指导书郑三元 深圳大学机电与控制工程学院二00八年八月目 录DZSZ-1型电机及自动控制实验装置受试电机铭牌数据一览表DZSZ-1型电机及自动控制实验装置交流及直流电源操作说明第一章 电机及电气技术实验的基本要求和安全操作规程1-1 实验的基本要求1-2 实验安全操作规程第二章 电机及拖动基础实验中基本物理量的测量第三章 实验实验一、直流电机的认识实验 实验二、他励直流电机机械特性实验三、单相变压器的空载，短路与负载特性实验实验四、三相异步电动机的起动与调速附录 DZSZ1型电机及自动控制实验装置说明备 注Y/YY/YC=35uFFC=4uFYY/EEEEEEEEEEEEEEIFN (A)0.161.20.80.16UFN (V)2201410220nN (r/min)16001400160014201380150015001400142014002820/1400150014301430IN (A)0.35/1.40.4/1.38/1.60.50.81.20.50.60.450.351.451.01.450.6/0.62.21.14/0.661.12UN (V)380/95220/63.6/55200220220220()220(Y)220(Y)220(Y)220220220220220220()/380(Y)380()PN (W)230/230152/152/152100120185100120170909012090120/90355180180名 称三相组式变压器三相芯式变压器直流复励发电机直流串励电动机直流并励(激)电动机三相鼠笼式异步电动机三相线绕式电机同步发电机同步电动机单相电容起动电机单相电容运转电机单相电阻分相电机双速异步电机校正过的直流电机三相鼠笼式异步电动机三相鼠笼式异步电动机编号DJ11DJ12DJ13DJ14DJ15DJ16DJ17DJ18DJ18DJ19DJ20DJ21DJ22DJ23DJ24DJ26序号12345678910111213141516DDSZ-1型电机及电气技术实验装置受试电机铭牌数据一览表DZSZ-1型电机自动控制实验装置交流及直流电源操作说明 实验中开启及关闭电源都在控制屏上操作。开启三相交流电源的步骤为： 1）开启电源前。要检查控制屏下面“直流电机电源”的“电枢电源”开关（右下角）及“励磁电源”开关（左下角）都须在“关”断的位置。控制屏左侧端面上安装的调压器旋钮必须在零位，即必须将它向逆时针方向旋转到底。 2）检查无误后开启“电源总开关”，“停止”按钮指示灯亮，表示实验装置的进线接到电源，但还不能输出电压。此时在电源输出端进行实验电路接线操作是安全的。 3）按下“启动”按钮，“启动”按钮指示灯亮，表示三相交流调压电源输出插孔U、V、W及N上已接电。实验电路所需的不同大小的交流电压，都可适当旋转调压器旋钮用导线从这三相四线制插孔中取得。输出线电压为0-450V（可调）并可由控制屏上方的三只交流电压表指示。当电压表下面左边的“电压指示切换”开关拨向“三相电网输入”时，它指示三相电网进线的线电压；当“电压指示切换”开关拨向“三相调压电压”时，它指示三相四线制插孔U、V、W和N输出端的线电压。 4）实验中如果需要改接线路，必须按下“停止”按钮以切断交流电源，保证实验操作安全。实验完毕，还需关断“电源总开关”，并将控制屏左侧端面上安装的调压器旋钮调回到零位。将“直流电机电源”的“电枢电源”开关及“励磁电源”开关拨回到“关”断位置。 开启直流电机电源的操作： 1）直流电源是由交流电源变换而来，开启“直流电机电源”，必须先完成开启交流电源，即开启“电源总开关”并按下“启动”按钮。 2）在此之后， “励磁电源”开关拨向“开”位置，可获得约为220V、0.5A不可调的直流电压输出。“电枢电源”开关拨向“开”位置，可获得40230V、3A可调节的直流电压输出。励磁电源电压及电枢电源电压都可由控制屏下方的1只直流电压表指示。当将该电压表下方的“电压指示切换”开关拨向“电枢电压”时，指示电枢电源电压，当将它拨向“励磁电压”时，指示励磁电源电压。但在电路上“励磁电源”与“电枢电源”，“直流电机电源”与“交流三相调压电源”都是经过三相多绕组变压器隔离的，可独立使用。 3）“电枢电源”是采用脉宽调制型开关式稳压电源，输入端接有滤波用的大电容，为了不使过大的充电电流损坏电源电路，采用了限流延时的保护电路。所以本电源在开机时，从电枢电源开合闸到直流电压输出约有34秒钟的延时，这是正常的。 4）电枢电源设有过压和过流指示告警保护电路。当输出电压出现过压时，会自动切断输出，并告警指示。此时需要恢复电压，必须先将“电压调节”旋钮逆时针旋转调低电压到正常值（约240V以下），再按“过压复位”按钮，即能输出电压。当负载电流过大（即负载电阻过小）超过3A时，也会自动切断输出，并告警指示，此时需要恢复输出，只要调小负载电流（即调大负载电阻）即可。有时候在开机时出现过流告警，说明在开机时负载电流太大，需要降低负载电流，可在电枢电源输出端增大负载电阻或甚至暂时拔掉一根导线（空载）开机，待直流输出电压正常后，再插回导线加正常负载（不可短路）工作。若在空载时开机仍发生过流告警，这是由于气温或湿度明显变化，造成光电耦合器TIL117漏电使过流保护起控点改变所致，一般经过空载开机（即开启交流电源后，再开启“电枢电源”开关）予热几十分钟，即可停止告警，恢复正常。所有这些操作到直流电压输出都有34秒钟的延时。 5）在做直流电动机实验时，要注意开机时须先开“励磁电源”，后开“电枢电源”；在关机时，则要先关“电枢电源”而后关“励磁电源”的次序。同时要注意在电枢电路中串联起动电阻以防止电源过流保护。具体操作要严格遵照实验指导书中有关内容的说明。第一章 电机及电气技术实验的基本要求和安全操作规程1-1 实验的基本要求 电机及拖动基础实验教学是专业结构培养的重要环节之一。其基本任务是进行实验技能的基本训练，加深对所学基本理论的认识，提高分析问题和解决问题的能力，开发创新思维能力，培养理论联系实际的作风和实事求的科学态度，获得科学研究的初步训练。具体来说，电机拖动基础实验的目的在于培养掌握基本的实验方法和操作技能，学会根据实验目的拟定实验线路，选择所需设备、仪表及量程，测验实验数据，并对实验数据进行分析研究，得出实验结论，从而完成实验报告。在整个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出下列基本要求。 一、实验前的准备 实验前应复习电机与拖动课程中的有关内容，认真研读实验指导书,了解实验目的、 项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题(有些内容可到实验室对照实验预习，如熟悉组件的编号，使用及其规定值等)，并按照实验项目准备记录抄表等。 实验前应写好预习报告,经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始作实验。 认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。 二、实验的进行 1、建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进行,每组由34人组成，每人都有明确的分工，如计算机的操作、数据记录、接线、线路自检、负载调节、转速调节等工作，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。每人都要有计划地轮换操作，在实验中全面锻炼。实验数据要求准确，实验数据不容更改，实验数据如有疑问，只能使用原有设备和仪器、仪表重新进行实验。 2、选择设备、仪器、仪表及其量程 实验前先熟悉该次实验所用的组件，记录电机铭牌和选择仪表量程，然后按实验指导书上列出的顺序依次排列组件和仪表以便于实验操作及测取数据。 3、按图接线 根据自拟线路图或本书提供的参考线路图进行接线，线路力求简明准确。接线原则是先接串联主回路，再接并联支路，一个回路一个回路进行。先从电源开始连接主要的串联电路（如果枢电路、电流表），再接并联电路（如励磁电路、电压表）。如果是三相，应三根线同时往下接；如果是直流或单相，则从一极开始，经主要线路及其各段设备、仪器、仪表，然后返回另一极。根据电流的大小，主电路用粗导线连接（包括电流表及功率表的电流线圈），并联支路用细导线连接（包括电压表及功率表的电压线圈）。全部接完后请同组的另一个人检查是否有错，如有错改正。最后经指导老师检查无误后方可进行下一步。 4、接通实验设备，注意观察 实验之前，检察设备及仪器是否处于正确状态，比如仪表是否在零位、调压气是否在所要求的位置、电机是否有机械卡住等。熟悉仪表刻度，并记下倍率，指导老师许可后才能接通电源，观察所有仪表是否正常（不容许超过量程、指针反向等），对于三相电机要特别注意是否有断相情况，并观察电机运转是否正常。然后按一定规范起动电机，观察所有仪表是否正常(如指针正、反向是否超满量程等)。如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。 5、测取数据 预习时对电机的试验方法及所测数据的大小作到心中有数。正式实验时,实验数据要求准确，特别是一些重要重要数据，如额点附近数据应多测几组。 6、认真负责，实验有始有终 实验完毕，须将数据交指导教师审阅。经指导教师认可后，再断开电源，整理导线和实验台，归还仪器、仪表、工具等，打扫实验场地。三、实验报告整理实验数据、写出实验报告是实验课的重要环节。实验报告是技术文件，要求简明扼要、字体清楚、图表简洁、结论明确。其具体内容应包括： 1) 实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期、室温。 2)实验设备及仪器、仪表的名称、型号、规格、编号，铭牌数据。3)实验目的及项目。4）实验线路图，并注明仪表量程，电阻器阻值，电源端编号等。5）实验内容及步骤。 6) 整理计算的实验数据。数据如果是计算所得，还应列出计算公式。 7) 实验曲线。所有曲线应在坐标纸上绘制或由计算机公式。 8) 实验结果分析、计算以及结论和心得体会。这是对所学知识再提高的过程，是实验报告的重要部分。可以对根据不同实验方法所得到的结果进行比较，对各种实验方法的优缺点进行探索。比较实验结果与理论分析是否相符，如果有偏差，找出原因。根据国家标准或技术条件与判断被试对象是否合格。7) 实验报告要求用实验报告纸书写，每次实验每人独立完成一份报告，一人一份，并按时送交指导教师批阅。1.2 电机与拖动实验的安全操作规程为了保证电机拖动实验的顺利进行，确保人身安全和设备安全，实验时应严格遵守实验室的安全操作规程。电机与拖动实验安全操作规程如下：（1）进入实验室，态度要认真，注意力要高度集中，严禁大声喧哗、大闹。（2）人体不可接触任何带电部位与转动零件；接触电机外壳，应用手背接触。（3）遵守实验室各项规章制度，使用设备、仪器必须遵守操作规程，不准动用与本次实验无关的设备和仪器。经老师许可后方可动用其它仪器、仪表、设备和接通电源进行操作。（4）实验进行时，不准离开实验岗位，并密切注视各仪器、仪表的变化。（5）电源必须经过开关（或接触机）、熔断器后接如实验设备；电源进线应接到开关进线端；切断电源后，方可拆线或改接电路。（6）完成接线或改接线路后，必须经指导老师检查，并在招呼其它同学引起注意后，方可接通电源。实验中如发生事故，应保持冷静，首先切断电源，防止事故扩大并保护现场，报告指导老师，待查明事故原因和妥善处理后，才能重新实验。（7）实验时，不准围围巾，不准戴手套，不准穿拖鞋；注意衣服及导线不要卷入电机旋转部分；不得用手或脚去促使电机转动或停转，以免发生危险。（8）电动机直接起动时，电流表及功率表电流线圈应从线路中拆离或经过并联开关短路。（9）实验中不得随意调换电流表量程，电流互感器二次测不允许开路，以免产生高电压损坏仪器、仪表和危及人身安全。电容器使用后应进行放电。（10）完成实验后，应按照分断程序依次断开各个开关，方可拆线。（11）总电源应由实验室工作人员掌控，其他人不准操作。第二章 电机及拖动基础实验中基本物理量的测量2.1绝缘体电阻和绝缘介电强度绝缘体电阻和绝缘介电强度的测量是电机产品检验项目之一。通过绝缘体电阻和绝缘介电强度的试验，可以检查出电机绝缘是否良好，有无局部缺陷等。绝缘电阴的测量属于非性试验，而绝缘介电强度则属于破坏性试验，一旦电机绝缘有缺陷即有可能发生绕阴击穿，故绝缘电阻应该在绝缘介电之前进行测量。一绝缘电阻的测量绝缘电阻用兆欧表进行测量，兆欧表分手摇兆欧表和数字兆欧表两种，这里仅介绍手摇兆欧表1. 兆欧表的选用根据电机额定电压，可按表21选用兆欧表。表21兆欧表的使用电机额定电压兆欧表规格500以下500500300010003000以上25002. 测量方法如电机各相绕组的始末端均引出机壳外，则应分别测量各组相绕对机壳（或铁心）以及相间的绝缘电阻。各绕组在电机内部已经联接好，允许仅测量所有绕组对机壳的绝缘电阻。如果是绕线式电机，还必须测量转子绕组对机壳的绝缘电阻.3. 兆欧表的使用兆欧表内有一永磁式的手摇发电机，发电机的电压与手摇的速度有关。因此，测量时应以兆欧表规定的转速均匀地摇动，待指针稳定后方可计数。4. 绝缘电阻的有关规定国家标准规定：在热态时，电机的绝缘电阻应不低于下式所确定的数值：R式中：N电机绕组的额定电压，单位为；PN电机的额定功率，对直流电机和交流电动机，单位为KW，对于交流发电机和补偿机，单位为KVA二绝缘介电强度的测量电机在系统工作时，经常受到电网和自身过电压的影响，如果电机绕阴绝缘有缺陷，将有可能被击穿。所以，电机制造时必须考虑到电机可能受到的最高过电压的作用，从而选择各部分的绝缘结构以及绝缘材料。因此，电机出厂之前或者电机修理之后必须做绝缘介电强度（俗称耐压）试验。1. 试验电源要求试验电源电压的频率为50HZ，波形为实际正弦波。2. 试验变压器容量的选择对于低压电机，每1kv试验电压，试验变压器容量应不小于1KVA。对于高压电机，当其容量较大时，试验变压器容量应大于由下式求得的计算容量ST（KVA）ST=2fC UT UTN /1000式中：初试电机的电容量，单位为F; T试验电压，单位为V; TN试验变压器高压侧的额定电压，单位为V。或者按每5 KV不小于1 KVA进行估算对于分马力电机，每1KV试验电压，试验变压器的容量应不小于0.5 KVA3. 试验方法试验电压值应该符合各类电机标准的规定。试验时间为1 min。.试验时，电机应在静止状态下进行。施加的电压应从不超过试验电压的1/2开始，然后稳步地增加至全压，电压自1/2增加至全压值的时间应不少于10 s，全压试验时间应维持1 min.进行绝缘介电强度试验时应注意安全，试验结束后，应将试验变压器高压侧进行放电。2.2直流电阻在电机试验中，为了计算电机的效率，确定绕组的升温以及校核电机的设计值，需要测量电机绕组的电阻。电阻的大小随温度的变化而变化，因此，在测量绕组是实际冷态的直流电阻时，同时要测量绕组的温度，以便测得的电阻换算到基准工作温度或所需工作温度下的数值。电机绕组直流电阻的测量有伏安法和电桥法两种。一、伏安法伏安法就是利用电压表和电流表测量绕组的直流电阻。测量时应采用蓄电池或其他电压稳定的直流电源。通过电机绕组的电流不要超过其额定值的百分之十，通电时间不应超过一分钟，以免绕组发热而影响测量的准确度。伏安法测量电阻的原理图如图2-1所示。1、测量小电阻测量小电阻的接线图如图2-1（a）所示。设电压表的内阻为rv，则被测绕组的直流电阻为，若忽略，则所测的电阻比绕组的实际电阻偏小，在rv一定的情况下，绕组的电阻越小，测量的精度越高。故这种接法适合于测量小电阻。2、测量大电阻测量大电阻的接线图如图2-1（b）所示。设电流表内阻为rA，则被测量绕组的直流电阻为，若忽略IrA，则所测的电阻，比绕组的实际电阻偏大，在rA一定的情况下，绕组的电阻越大，测量的精度越高。故这种接法适合于测量大电阻。二、电桥法电桥有单臂电桥和双臂电桥两种。用电桥测量绕组的直流电阻时，采用双臂电桥还是单臂电桥，取决于被测绕组电阻的大小和精度的要求，双臂电桥的测量精度较高。当绕组的电阻小于1时，必须采用双臂电桥进行测量，不允许采用单臂电桥测量。因为单臂电桥所测的数值中，包括了联接导线的电阻和接触电阻，这就给低电阻的测量带来较大的误差。用电桥测量绕组的直流电阻时，应先估计被测电阻的大小，并将刻度盘调到电桥能大致平衡的位置。然后先按下电池按钮，再按下检流计按钮，旋转刻度盘，使检流计指针指在零处，这是旋钮刻度指示的数值即为被测量的电阻值。测量完毕后，应先松开检流计按钮，在松开电源按钮，以免检流计受到冲击。用电桥法测量绕组的直流电阻，具有准确度及灵敏度和直接读数的优点。无论用哪种方法测量，电机的转子应静止不动。每一电阻测量3次，每次读数与3次读数的平均值之差在平均值的0.5范围内，测量才认为是准确的，取3次平均值作为电阻的实际值。三、电机绕组直流电阻的计算1、在电机拖动实验中，电机绕组有单相、三相或多相绕组在绕组的联接方式上，有星形联接、三角形联接等。有的电机在外部无法将它们的各个绕组分开，仅引出a、b、c三个出线端，如图2-2所示，此时，各绕组的相电阻应按下列方法确定：对于星形接法的绕组： Ra=RavRbcRb=RavRcaRC=RavRab对于三角形接法的绕组： 式中：Rab、Rbc、Rca分别为出线端a与b、b与c、c与a间测得的电阻值，单位为；，单位为。2、 实际冷态直流电阻与基准工作温度时直流电阻的换算测得的实际冷态直流电阻可按下式换算到基准工作温度式的电阻：式中：r0-实际冷态时绕组的电阻，单位为；基准工作温度，对于A、E、B级绝缘为75；对于F、H级绝缘为115； 实际冷态时绕组的温度，单位为；Ka常数，铜绕组为235；铝绕组为225。注：实际冷态指当所测温度与冷却介质温度之差不超过2K时。2.3 温度电机中绝缘材料的使用寿命主要取决于运行时的温度。为了保证电机安全，可靠地运行，必须对电机各部分进行测量。国家标准也对不同绝缘材料的最高工作温度和升温做出了限制。表2-2是我国常用几种绝缘等级的最高工作温度和升温限额。 表2-2 绝缘等级的最高工作温度和温升限额绝缘等级 环境温度/最高工作温度/温升限额/KA 40 10560E 4012075B 40 13080F40 155100H40180125目前，对电机各部分温度的测量的常用方法有3中，即温度计法、电阻法和埋置检温计法。一、 温度计法1、温度计的选择温度计有膨胀式温度计（如水银。酒精温度计）、半导体温度计及额热电偶或电阻温度计。用温度计可以测量电机的机壳、铁心、轴承、集电环、换向器等以及周围介质温度。用温度计法具有简单、可靠、直观等优点。2、测量方法测量时，温度计应该紧贴被测点表面，并用绝热材料（如橡胶泥）覆盖好温度计的测量部分，以免受周围冷却介质的影响。有交变磁场的部位（如交流电机的定子铁心），不能采用水银温度计。对大中型电机，温度计的放置时间应不少于15 min。二、电阻法1、带电侧温装置测量电机绕组的温度根据电阻随温度的变化而变化的基本原理，可测得电机绕组的温度。设电机绕组的热态为Rm,，冷态电阻为R0，则可按下式计算出绕组的温度t： 式中：Rm绕组的热态电阻，单位为； R0绕组的实际冷态电阻，单位为； 0绕组的实际冷态温度，单位为； K0常数，铜绕组为235，铝绕组为228。2、非带电测温装置所测温度的修正如果不能进行带电测量，电机绕组（或其他部分）的温度，只能在电机切断电源后测量。因此，所测量的温度应该修正到断电瞬间或标准所规定时间的温度。修正方法是外推法，即电机切断电源时，应测量出断电瞬间的时间t（单位为s）以及相应的电阻R（单位为）。并用半对数坐标纸绘制电阻冷却曲线R=f(t),如图2-3（a）所示，冷却曲线延长到与纵轴相交，交点的纵坐标即为断电瞬间绕组的电阻值。注意：测量第一点电阻的时间尽可能地短，或按国家标准规定测取第一点读数的时间进行。如果没有半对数坐标纸，也可以利用普通坐标纸绘制电阻冷却特性曲线或温度曲线。取横坐标为时间的对数，纵坐标为电阻或温度的对数，如图2-3（b）所示。如果断电后测得的电阻（或温度）先下降后上升，则去测得电阻（温度的最大值作为断电瞬间的电阻（或温度）。电阻法具有准确度高的优点，但它只能测量绕组的平均温度。三、埋置检温计法大中型电机中，常常在可能出现温度较高或者用在其他无法测量的地方埋置了热电偶或者热电阻等感温元件。例如在导体与槽底之间、道题的上下层之间。它可以通过二次仪表直接读出所测部位的温度，也可通过A/D转换器或其他数字式仪表进行测量和监视。 热电偶是有成分不同的两种金属A和B组成，如图2-4所示。当联接点和仪表具有不同温度t和t0时，回路中就产生热电动势，温差越大，热电动势越大。热电偶就是利用这个原理来测温的。 热电阻是利用金属导体或半导体的电阻随温度而变化的特性来测量温度的。热电阻埋置设在被测点，测出热电阻的电阻值，再在元件材料分度表上查出相应温度，也可用电子测量转换成直接显示温度数值。此外，还有红外线测温仪，可以测电机转子表面温度分布情况，这里不作介绍。2.4 转速和转差率电机的转速或转差率是电机运行中的一个重要物理量，如何准确地测量电机的转速或转差率是十分重要的。随着科学技术的发展，特别是电子技术的发展，转速或转差率的测量方法不断地得到改进，测量精度也越来越高，这里仅介绍几种常用的测量方法。一、 转速的测量 1、 手持式离心式转速表这种转速表的工作原理就是利用离心器旋转后，产生惯性离心力与反作用的拉力弹簧相平衡，由传动机构使指针在分度盘上指示相应的转速。使用时，将转速的端头插入电机轴端的的中心孔内，接触紧密后，即可读出电机的实际转速。它具有操作简单、直观等优点，但它精度较低，一般应用于精度要求不同的场合。使用这种转速表的注意事项：（1）电机的实际转速应在转速表某一量程的最大值与最小值之间。特别注意的是：使用过程中不允许改变量程，以免损坏齿轮。如预先不知道电机的实际转速，最好选用最大的量程。（2）使用前，应先清理电机轴端的油污。使用时，应保持转速表轴线与电机轴线一致，不得偏斜。否则，一则容易损坏转速表，二则影响测量精度。（3）使用时，不能用猛力将转速表端头顶住轴孔，以免损坏转速表。（4）应尽量可能间歇的使用转速表，以免齿轮的磨损与发热。（5）微电机不宜使用这种转速表。因为转速表增加了电机的附加转矩，改变了电机的实际运转特性。2、手持式数字转速表 手持式数字转速表是利用接触式光电感应原理，将转速信号转换成数字信号，直接显示在液晶屏上。它是一种袖珍型高精度转速表，它不仅可以用来测量转速和线速度，还可以作为频率计使用。如DT2235A型就是其中的一种，它的使用方法和注意事项与离心式转速基本相同，但它不需要操作者更换量程。 3、日光灯法测转速。 （1）日光灯法测同步转速测量前，在被测电机的轴端画上标记图案（或在轴端装上1个圆盘，并画上标记图案），如图2-5所示。2极电机画2个黑色扇形，4极电机画上4个黑色图案，依此类推。如果是2极电机，标记图案见图2-5（a）。电机同步转速为ns=3000r/min=50r/s。这是，日光灯电流频率为50Hz，日光灯每秒闪亮100次，即电机每转动半圈日光灯闪亮一次。如日光灯一次才、闪亮时黑色扇形在a处，当日光灯第一次闪亮到第二次闪亮，二个扇形交换了位置。我们用眼睛看到的图案好像静止不动。同理，当电机是4极电机，同步转速为ns=1500r/mian=25r/s，若电机以同步转速旋转，日光灯闪亮一次，电机转过1/4圈。标记图案应为4个黑色的扇形，如图2-5（b）所示，显然，电机级数越多，黑色扇形也就越多，瑞图2-5所示。（2）日光灯法测转差率较小的转速。实际上，大多数电机不是在同步转速下运转。如果电机的旋转速度为n，日光灯的闪光频率为f，电机轴端黑色扇形的数目为2p，但2pn=mf是（m取正整数），标记图案好像静止不动，则有m/2p=n/f为一整数比，此时n=na（na为同步转速）,则m= na/f2p。若m/2p不是整数比，而是略有偏差时，就可以看到电机端的图形也会以相同的转向慢慢转动。设标记图案的时间t秒内转动的圈数为N，则这时电机的转速n可以用下式来表示：上式中若标记图案的旋转方向相同去“+”，相反时取为“-”号。显然，当电机转差率大时，标记图案的旋转速度也高，这给实际测量带来困难。所以用这种方法只能测量转差率小的转速。当然，对多极电机（12极），测量起来也十分困难。这种方法测量精度取决于闪光频率的精度。有时为了方便于记录标记图案的圈数，常常对标记图案中的扇形个数减半。2极电机只画2个扇形，4极电机画2个扇形，依此类推，如图2-6所示。这样，日光灯的闪光频率也应减半。最简单的方法是在日光灯线路中串入一个整流二极管V和绕线电阻R，如图2-7所示。端坐于R阻值的选择以整流后的的电流不超过日光灯正常工作电流为原则。当日光灯发亮后，需要测量速度时，打开开关S，使二极管串在电路中，这样，日光灯的负半波被切除，如日光灯接到50Hz的电源上，则日光灯每秒闪亮50次。这样就可以测量转差率较大和极数较多的电机。这是电机的转速仍表示为：4、闪光测速仪 日光灯法侧转速，虽然设备简单，使用方便，但只能测转差率较小的电机，故有一定的局限性。为了测量范围较广的转速，制成了闪光测速仪。它的原理类似于日光灯法测量电机的同步转速，不同的是闪光测速仪具有可调脉冲频率的专用电源供给闪光灯，从而扩大测速的范围。 使用这种仪器时，首先在被测物上做出标记，估计电机的转速确定分级转换开关的位置，然后微调闪光频率的旋钮，观察到电机上的标记静止不动为止，即可读出电机的实际转速。使用这种仪器应注意的是：（1）当电机的转速n比闪光频率f大整数K倍时，观察到的标记仍然静止不动为止，但这是一种假象。使用时，闪光频率从低往高调节，以第一次出现标记静止为准。（2）当闪光频率比电机的转速大整数K倍时，我们观察的是圆周出现K个标记静止不动。这时，应将闪光哦了调低，直到只出现一个标记为准如果闪光频率调不下来，则在有K个标记时的转速记下来，然后初除以K，记得电机实际转速。5、测速发电机测速我们知道：测速发电机的感应电动势为E=Cen式中：Ce测速发电机的电动势常数； 测速发电机的每极磁通，单位为Wb；n测速发电机的转速，单位为r/min/。一般测速发电机的轴端装一台测速发电机，将测速发电机安装比较困难，故一般只应用于闭环控制的电机上。6、数字式转速以与光电传感器测速随着电子技术的飞速发展，研制出红外线光电传感器与数字式转速仪，精度也越来越高。如SZGB-5型光电传感器和XJP-10B型数字式转速仪，其测量精度达到110-4 1个字，其工作原理是将转速信号变成脉冲信号，以测量电机的转速。它采用侧频法（测出转速信号的频率）和测周法（测出转速信号的周期）测量出电机的转速。下面以测频法为例，简要介绍它的工作原理。测频法工作原理如图2-8所示。频率是单位时间内信号变化的周波数。为了测频，光电传感器的红外光，从被测物上定向反射纸反向射到光电转换器，转换后得到电信号，经过放大整形后输出脉冲信号，最后送入数字式转速仪内的计数器等待处理。而数字式转速仪内的石英振动器产生100kHZ的标准频率，经时基分频器多级分频，等到0.1 s、1 s、2 s、3 s、6 s、10 s、20 s、30 s、60 s、9个标准时间基准信号。经过时间选择开关S及控制电路得到相应的控制命令，用来控制分频器、计数器，寄存器的工作，实现对光电传感器转换来的脉冲进行计数、寄存、复零等一系列操作。最后驱动数码管显示出测量结果。仪器使用方法如下：（1） 被测电机上贴上相应数目的定向反射纸，安装光电传感器，并用信号将光电传感器与数字式转速仪连接好。（2） 打开电源，将“测量选择”开置于“测频”位置。（3） 将“测量时间”开关选择到所需要的时间。选取的测量时间t有t=60/Nt确定，式中Nt为贴在被测电机上的定向反射纸的数目。（4） 按下“复零”按钮。（5） 在数码管窗口读取转速（r/min）。 7、模拟式电子转速表从转速传感器得到的脉冲信号，经放大整形后，转换成具有一定幅值和宽度的脉冲信号，对这一脉冲信号积分后输出与脉冲频率成正比的直流电压信号，由直读式电表直接读出转速的数值，如图2-9所示。这种旋转表的输入信号是与转速成正比的频率信号，能输出较好的线形信号，在工业上应用较为广泛。但它会有人为误差影响测量精度。总之，测速的方法很多，特别是智能仪表的出现，不仅测量十分方便，而且测量精度极高，如JW-IA型扭矩仪，PNZ型智能测速仪等、这里不一一介绍。二、 转差率的测量 转差率S是异步电动机的主要参数，所以异步电动机常常姚测量它的转差率。一般有以下几种方法。1、由实测转速计算转差率S 测量电动机的转差率，一般采用电动机的转速n，求出电动机的转差率。式中：ns被测电机的同步转速（r/min）；n电机的同步转速(r/min)。转差率S一般用百分数来表示。2、用日光灯测转差率S 在电机轴端做如图2-5所示的标记图案在时间t（s）内转动的圈数N。则电机的转差率为：式中：f电源频率（Hz）； p电机极对数。 3、用感应线圈测转差率 在电动机轴伸端附近，放置一只匝数较多的带铁心的线圈，线圈与零点在中间的磁电式检流计联接，当转子绕组的漏磁通在线圈中感应出电动势时，使检流计指针发生周期性摆动。如果在时间t(s)内检流计摆动的次数为N。则电机的转差率为： 式中：f电动机电源频率。4、转子电流频率法测量电机的转差率这种方法时通过直接测出转子电流的频率，来计算出电机的转差率。显然，这种方法只适用于绕线式异步电机。方法是在转子绕组回路中任一相串接一个零点在中间的磁电式安培计，其量程应大于转子电流的额定值。当电机正常运转时，转子电流频率很低，一般在15Hz左右。如果时间t(s)内电流表指针摆动的次数为N，则转子电流频率，故电机的转差率S为：式中：f电动机电源频率。2.5 功率功率的测量一般采用瓦特表测量。但随着电子技术的不断发展，数字式仪表在功率测量中的应用越来越广泛，特别是计算机在电机及拖动基础实验中也得到广泛应用。瓦特表又称为功率表，一般采用电动式功率表。根据测量要求选用不同的精度等级。功率表内有电压线圈和电流线圈，电压线圈和电流线圈的同名端都标有*，电压线圈利用多个电阻的串联做成了多个电压量程（常用的是三个量程）。电流线圈内有两个电流线圈的低量程。另外，功率表上还装有一个极性开关，扭动它可以改变指针的偏转方向。一、 功率表的选择与使用1 功率表的选择功率表的选择原则是：被测线路的电压和电流应小于功率表电压量程和电流量程。同时，还要根据被测线路的性质决定选择普通功率表（又称高功率因数瓦特表，俗称高瓦特表），还是低功率因数瓦特表（俗称低瓦特表）。功率表的功率常数Cw可表示为：Cw=式中：Cw功率常数，单位为W/格； UN功率表的电压量程，单位为V； IN功率表的电流量程，单位为A； N功率表的满刻度格数； cosN额定功率因数，在功率表的面板上标注，未标注者为cosN=1。 功率常数与额定功率因数有关。在量程UN、IN和N都相同的条件下，用cosN=1的高功率因数瓦特表的功率常数是cosN=0.2的低功率因数瓦特表的5倍。显然，在功率因数较低的线路中（如变压器、异步电动机空载运行），使用低功率因数瓦特表测量功能，可提高测量精度。在实际线路中，电压和电流高于功率表的电压和电流量程，必须采用电压互感器和电流互感器，此时功率常数还要同时乘上电压互感和电流互感器的变比。2 功率表的使用（1） 功率表的使用规则功率表的电流线圈与被测负载串联，它的星号（*）端接至电源侧，另一端接到负载侧；功率表的电压线圈并联在负载两端，它的星号（*）端接至电流线圈的某一端，另一端接到负载的另一端。（2） 功率表的两种接法根据以上原则，图2-10所示的两种接线方法都是正确的。图210 单相功率表的接线方法如图210（a）所示，功率表的读数中包括了电流线圈损耗的功率。当负载电压较高、电流较小时，这项损耗很小，可以忽略不计。一般空载实验、负载实验采用这种接线方法，也是应用最广泛的一种方法。 如图210（b）所示，功率表的读数中包括了电压线圈损耗的功率。因此它适用于低电压、大电流负载的功率测量，如变电器的短路实验。二、三相有功功率的测量在三相四线制对称电路中，只需用一个单相功率表测量任意一相的功率，然后将其乘以3，即得出三相负载的总有功功率。在三相四线制不对称电路中，用三个单相功率测量各相的有功功率，三相总功率等于三个功率表读数之和。在三相三线制电路中，特别是在不对称电路中，一般都用两个功率表（简称两瓦表）来测量三相功率，如图211所示。有功功率P的单位是W。1 两瓦表测三相功率的接线规则两个功率表的电流线圈分别串入三相电路的任意两线，它们的同名端接至电源端，电流线圈通过线电流。两个功率表的电压线圈的同名端接至该电流线圈同名端，另一端均接在公共线上，即没有接功率表电流线圈的线上。2 三相对称电路中，功率表读数与负载性质的关系根据电路基本知识，两个功率表的读数分别为：P=UIcos（30）P=UIcos（30）三相总功率为： P= P+ P=由两式可知：当0时，cos1，P P；当030时，0.866cos1，P0， P0；当30时，cos0.866，P0， P0；当3060时，0.5cos0.866，P0， P0；当60时，cos0.5，P0， P0；当6090时，0cos0.5，P0， P0；当90时，cos0，P0， P0。由此可见，两瓦特表的读数的大小和正负随被测负载的性质（cos）而变；可以根据两瓦特表的正负，来判断负载的性质。另外，我们可以根据三相总功率的正负，来判断负载是工作在电动状态还是发电状态：当P=P+P0，电源向负载提供有功功率，负载工作在电动状态；当P=P+P=0，电源既未向负载提供有功功率，也未从负载吸收有功功率，负载工作在临界状态；当P=P+P0，电源从负载吸收有功功率，负载工作在发电状态。3 两瓦表测三相功率精度的校验根据电路知识知道： 三相有功功率 P= P+ P 三相无功功率 Q= 三相视在功率 S=则功率因数这：而根据实验可以求出负载的功率因数为：国家标准规定：上两式求得的功率因数相差不大于1%，表明测量是准确的。必须注意，如果一只功率的读数为负，则应把负号代入公式中。三、无功功率的测量 在三相对换线路中，可以利用功率表测量无功功率，方法有三种。1 一瓦表法接线如图212所示。从电路知道知道功率表的读数为：三相对称线路中，三相负载的无功功率为：因此，利用图212中功率表的读数乘以就得到了三相无功功率。2 二瓦表法接线同图212，根据二瓦表的读数，可以计算出三相无功功率。因为PP=，所以三相负载无功功率为：3 无功功率表法即将无功功率表直接接到三相电路中，可以直接读出无功功率。无功功率的单位为var。2.6转矩 转矩是衡量电机性能的重要物理量之一。测量转矩的方法很多，这里仅介绍实验室和工程实际中常用的几种测量转矩的设备和方法。一、 异步电动机堵转试验仪 图2-13是工程实际和实验室中常用的一种测量异步电动机起动转矩的试验仪。这种仪器由可限位式拉力传感器、二次仪表、力臂及支架四部分组成。它具有测量精度高（0.5%）、测量范围大、显示直观、使用方便、安全可靠等优点。 它的基本原理是：电动机的堵转转矩通过力臂、拉力传感器变成电信号，并经二次仪表前置处理后，在LED显示器上显示出相应的转矩数值。它还安装有报警装置，当被测转矩超出所使用的传感器的额定值时，由安装在传感器上的限位触点，接通报警电路，发出报警信号。 图2-13异步机起动转矩试验仪1、使用方法（1） 测量前，二次仪表接上220V交流电源，预热15 min。（2） 将传感器用信号线和二次仪表相连，并选择二次仪表的量程。（3） 安装力臂前，应先确定电机的转向，使传感器受拉。（4） 安装力臂，调节吊在传感器上绳子的长度，使力臂上的水平仪处于水平位置。（5） 调节安全支撑螺栓，使安全支撑有一恰当的位置，以便力臂由于某种偶然因素面反转时能有效地卡住。（6） 起动电动机，迅速读出转矩。2、使用注意事项（1） 传感器是一种高精度仪器，使用时切忌碰撞，以免损坏。（2） 根据所测转矩大小选用合适的传感器，以免影响测量精度和损坏传感器。（3） 安装力臂时，注意观察水平仪，确保力臂处在水平位置。（4） 信号线联接时，插头的螺纹应旋紧，以免影响测量的精确性。（5） 二次仪表满刻度调节旋钮是专供校验人员使用的，实验时不得随意调节。二、 涡流测功器涡流测功器是利用涡流产生的制动转矩，广泛应用于电机制动转矩的测量。它具有读数比较稳定、调节方便、准确度高等到优点，其结构如图2-14所示。 图2-14 涡流测功器1 实心钢盘；2磁极；3励磁绕组；4轴；5平衡锤；6支架1 测功器的工作原理被除数测电机带动一实心钢盘1转动。钢盘周围均匀分布一定数量的磁极2，磁极2与平衡锤5均固定在轴心上，轴可以在静止支架6的轴承中转动，磁极心上套有励磁绕组3。在励磁绕组通入直流电流后，励磁电流产生的磁通从磁极经圆盘回到相邻磁极构成回路。当电机转动时带动钢盘切割磁场，在钢盘中产生涡流。钢盘中的涡流与极靴的磁场相互作用产生电磁力和制动转矩。钢盘对极靴的作用力使极靴顺电机转动方向转动一角度，当其与平衡锤平衡时，刻度盘上指针直接指示制动转矩的数值。改变励磁电流的大小即可改变制动转矩，被测电机的负载也随这变化。2电机输出功率的计算根据电机学知识，可按下式计算出电机的输出功率。 P2 0105 Tn式中：P2 电机输出功率，单位为 W ； T 转矩，单位为 N m ； n 转速，单位为 r / min。 3使用涡流测功器注意事项 由于涡流钢盘的输入功率全部由涡流损耗转变成热能，故在钢盘中产生大量的热量，可以导致电机轴承温度过高。因此，使用时，注意加强散热措施。三、 电力测功机电力测功机是电机式的测功装置，它既可以作被试电机的负载，又可测定被试电机的输入转矩。它具有操作简单、调节灵活、性能良好、试验准确、坚固耐用等优点，在实验室和工程实际应用十分广泛。电力测功机有直流测功机、同步测功机和异步测功机三种。现以帧频测功机为例，简要介绍其工作原理及使用方法。1同步测功机的工作原理 同步测功机实际上是一台三相凸极式同步电机。它的外形结构是无底脚的圆形机座，如图2-15所示，两个端盖具有外轴伸，并装有外轴承，固定在丙个轴承上。测力杠杆就是装在外轴伸上，使测力杠杆及机座和端盖成为一个整体，并可以在丙轴承间自由灵活地摆动。测力杠杆是一要加工精度极高的杠杆，两端挂有两个砝码盘。当被试电机转动后，如果给测功机通往励磁电流或者减小负载电阻，即可在测功机的轴上产生一个制动转矩，在测力杠杆的另一端加上砝码，使杠杆水平。由于测楞机附加转矩极小，因此，砝码的重量乘以测力杠杆的长度就等于被试电机的输出转矩。改变励磁电流或负载电阻的大小，可以十分方便地改变被试电机负载的大小，可以测量出被试电机的转矩。2转矩和输出功率的计算 被试电机的转矩可按下式计算。 T=981 Fl式中:：T转矩，单位为 N m ； F砝码重量，单位为 kg ； l测力杠杆长度，单位为 m 。3使用同步测功机注意事项 （1）同步测功机是高精度的测量仪器，切忌碰撞，以免影响测量精度和损坏。 （2）测功机的摆动部分与静止部分绝对不能接触，否则会使测功机摆动不灵活，甚至卡死。 （3）被试电机与测功机安装时，中心高要完全一致，并对好中心中心高与左右偏差应在01mm 以下。 （4）起动被试电机前，应将负载电阻及励磁调节电阻放在最大位置。（5）测功机在加载及起动过程中，应尽量愕然转矩的突然冲击。（6）测功机作电动机运行时，要注意所加电压是否与额定电压相符，转子还需串接一个短路电阻。四、 采用校正过的直流电机测定电机转矩1测定电机转矩的方法将被试电机与校正过的直流电机用联轴器同轴联接起来。校正过的直流电机作他励磁直流发电机，它已用测功机或计算方法（在保持转速与励磁电流为一定值的条件下）求得电枢电流与转矩的校正曲线T f(I)，对应不同励磁电流可以得到一簇校正曲线，如图2-16所示。测量转矩时，应使校正过的直流电机的励磁电流与校正时的励磁电流相等，记录被测电机的励磁电流和校正过的直流电机的电枢电流，直接从校正曲线上查得相应励磁电流与电枢电流下电机的转矩。1使用注意事项（1）在相应的条件下，被试电机的功率应不小于校正过直流电机额定功率的1/3。（2）测量时，校正过的直流电机的励磁电流应与校正时的励磁电流完全相等。五、 JW1A型微机扭矩仪JW1A型微机扭矩仪是一种测量各种动力机械转矩和转速的精密仪器，它常常与相位差式转矩传感器配套使用。1 相位差式转矩传感器的工作原理转矩传感器的基本原理是通过磁电变换，把被测转矩转换成具有相位差的两个电信号，且这两个电信号相位差的变化量与被测转矩的大小成正比。把这两个电信号输入到JW1A型微机扭矩仪即显示出电机的转矩和转速。目前常用的系列有JC型和ZJ型。转矩传感器的结构如图2-17所示。在弹性扭力轴1两端各安装一只齿轮2在齿轮上方分别设置一块磁钢3，在磁钢上各绕有一个信号绕组4。当弹性扭力轴转动时，由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化，在信号绕组中分别感出两个电动势，在外加扭矩为零时，这两个电动势有一个恒定的初始相位差，这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相对位置和两磁钢的相对位置有关。在外加扭矩时，弹性扭力轴产生扭转变形，在弹性变形范围内，其扭角与外加转矩成正比，同时，两个电动势的相位应发生变化，相位差变化的大小与外加转矩的大小成正比。由于这个电动势的频率与转速及齿数的乘积成正比，所以，这个电动势的频率与转速成正比。 图2-17 转矩传感器的结构示意图 1 弹性扭力轴；2齿轮；3磁钢；4信号绕组2 JW1A型微机扭矩仪的基本原理及其使用方法JW1A型微机扭矩仪是采用计算机技术设计的一种智能测量各种动力机械转矩、转速和功率的高精度电子仪器。它采用XY80总线结构，具有人机对话式的输入、自动诊断、自动调零、多种采样时间、模拟输出等功能和优点。它的使用方法如下：（1） 将转矩传感器输出的两路信号通过信号线接至扭矩信号的插座上，并将仪器可靠接地。（2） 插上电源，打开电源开关。（3） 选择系数：按下“系数F”键，将转矩传感器的系数输入到仪器内。（4） 选择量程：按下“量程R”键，将转矩传感器的量程输入到仪器内，量程用N m为单位。（5） 选择齿数：按下“齿数g”