电机学实验指导书.doc

电机学实验指导书（第三次修订）主编:姜宏伟 李健 陈玉国 目 录第一章、概述1第二章、实验要求及注意事项1第三章、实验项目6实验一、单相变压器实验6实验二、直流电动机实验10实验三、感应电动机实验14实验四、感应电机额定转差率计算和Te-s曲线绘制20实验五、同步发电机实验26第四章、实验项目涉及的主要仪器设备简介30第五章、参考文献30中原工学院 电气工程及其自动化教研室2007年12月24日29 第一章 概述 电机学是电气工程及其自动化专业一门重要的专业基础课。通过对本课程的学习，使学生了解并掌握变压器、直流电机、异步电动机、同步电机等四类电机的基本结构、工作原理及其起动、调速、运行（特性）等方面的知识，培养学生分析问题与解决问题的能力，为后续专业课的学习打好必要的基础。电机学实验是电机学课程的一个重要教学环节，在专业培养计划中占有重要地位。 电机学实验是学习、研究电机理论的重要实践环节，是电机学课程的必要组成部分。但电机实验应侧重于掌握实验方法和运用所学到的理论知识来分析研究实验中的各种问题，得出必要的结论，从而达到培养学生分析问题和解决问题的初步能力。该实验指导书是电机学配套教材，依据中原工学院电机学课程教学大纲及实验教学大纲要求编写，在编写中充分考虑了运用电机理论、掌握电机性能的要求，更重视实验方法、实验技能方面的培养。通过实验，使学生了解并掌握电机基本实验的原理和方法，初步掌握对电机进行一般操作的动手能力和对实验数据的分析能力。该实验指导书总共包括五个实验项目，变压器、直流电机、同步电机各一个，感应电机两个，通过这些实验，应掌握变压器等效电路参数测定；掌握直流电动机的起动、调速方法及运行特性的测定、交流电动机外特性的测定方法；掌握感应电动机的起动、调速方法及运行特性和等效电路参数的测定，以及利用计算机对感应电机Te-s特性和额定数据进行分析计算；掌握同步发电机的并联运行、功率调节等操作。通过上述实验，学生应能熟练地掌握电机的基本实验方法和操作技能，能对实验结果进行分析和评定，促进对电机学课程的学习，达到电机学课程教学大纲和实验教学大纲的基本要求。第二章 实验要求及注意事项电机学实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学会根据实验目的，实验内容及实验设备拟定实验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。在整个实验过程中，必须集中精力，安全、认真、及时做好实验。现按实验过程提出下列基本要求。一、安全注意事项、切记安全第一为了按时完成电机及电气技术实验，确保实验时人身安全与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程：1)每次实验前,应仔细阅读“电机实验装置交流及直流电源操作说明”。实验过程中，对控制台电源操作时，如有拿不准的地方应及时查阅上述说明或询问指导教师。 2)实验时，人体不可接触带电线路。 3)接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。 4)完成接线或改接线路后必须使组内其他同学引起注意后方可接通电源。实验中如发生故障，应立即切断电源，查清问题和妥善处理故障后，重新合闸进行实验。 5)电机起动时则应先检查功率表及电流表的电流量程是否符合要求，有否短路回路存在，以免损坏仪表或电源。二、电机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。1开启总电源开关开启总电源前，要检查电源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。控制台左侧端面上安装的交流输出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。检查无误后开启“电源总开关”。2线路电源控制开关“关”按钮红色指示灯亮，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。按下“开”按钮，“开”按钮绿色指示灯亮，表示三相交流调压电源输出插孔U、V、W及N上已接电；同时直流电枢电源和励磁电源也已经接电。3三相交流电源使用： 三相交流电压（三相四线制）有两种输出，一种为“三相电网电压”（不可调），一种为“三相调压电压”，通过调节控制台左侧端面的旋钮可获得线电压0-450V（相电压0-261V）。电压大小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“指示切换”开关拨向“三相电网电压”时，它指示三相电网进线的线电压；当“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。注意：如需关注电源电压，也可在适当位置接入电压表；第一次使用交流电源时，电源电压应从一个较小值调节到使用值。4.直流电机电源的使用： 1）直流电源有三种输出，分别为a.230V的直流电机励磁电源：电压不可调，输出功率小；b.40-230V的直流电机电枢电源：电压可调，输出功率大；c.0-240V的同步电机直流励磁电源：电压可调，同步电机专用。直流电源开关操作需在线路控制开关开后进行操作。励磁电源电压及电枢电源电压数值可由电源控制屏下方的1只直流电压表指示。当将该电压表下方的“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。注意：如需关注电源电压，也可在适当位置接入电压表；第一次使用“电枢电源”时，电源电压应从一个较小值调节到使用值。电路上“励磁电源”与“电枢电源”与“交流三相调压电源”等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，采用了限流延时的保护电路。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。 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。 4）在做直流电动机实验时，要注意起动电动机时必须先开“励磁电源”，后开“电枢电源”；在停机时，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。三、其他设备及仪表使用情况简介绍控制台上设有直流电压、电流表，交流电压电流表，功率表，电阻，开关等仪器设备。仪表在选择时应注意选择适当的量程，提高测量精度，如果量程不够（小），将引起仪表保护（自动切断电源）。电阻有90及900两种规格联控电阻器，通过调节旋钮可调节电阻器上滑动触头位置，通过适当连线，可以得到不同阻值（2R，R，R/2）的可调或固定电阻。然后对几只电阻器进行串联，即可得到试验中所需要不同阻值的电阻。电阻器原理如图0-1，几种常用的连接方法如图0-2、3、4。 图0-1电阻器调节及内部接线原理图 图0-2 分压器电阻接法 图0-3 1800可调电阻 图0-4 450可调电阻四、实验前的准备及预习报告 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。 实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书,确定实验名称，了解实验目的、实验项目、电气接线图及操作步骤，明确实验过程中应注意的问题等，并按照实验项目制作记录表等。实验前按上述要求独立完成预习报告,预习报告内容包括:1.实验名称及专业班级、学号、姓名；2.实验目的；3.实验项目及每个实验项目的电气接线图、操作关键步骤、原始数据记录表4.实验指导书“实验要求”中对预习报告另外的要求试验时应提前3-5分钟进入试验室，把预习报告放在控制台上，经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，并能正确回答指导教师提出的问题，然后方可开始做实验。否则重新进行该实验准备工作，并另约时间进行该实验。 实验前认真预习实验内容，可在规定时间内顺利完成试验，如不能在规定实验内完成该试验，与实验室老师另约时间完成该实验内容。五、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23人组成，实验进行中的接线、调节负载、保持电压或电流、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。 2、选择组件和仪表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。注意对同一电机的测量仪表应尽量放置在一起，便于监控观察和读取数据。 3、按图接线 根据实验线路图及所选组件、仪表、按图接线，线路力求简单明了，接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。为查找线路方便，每路可用相同颜色的导线或插头。 4、起动电机，观察仪表 在正式实验开始之前，先熟悉仪表刻度，并记下仪表刻度的倍率，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。 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,根据实验步骤逐次测取数据，数据记录在预习报告中对应的数据记录表中。一些实验在测取数据前，可先进行一个完整过程的调节，观察测量值的变化情况，以确定合适的测量区段。 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。经指导教师认可在实验记录（预习报告）上签字后，才允许拆线并把实验所用的组件、导线及仪器等物品整理好。五、实验报告 实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。 实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。 实验报告包括以下内容： 1、实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期。 2、列出实验中所用仪表及组件，电机（变压器）铭牌数据(PN、UN、IN、nN)等。3、列出实验项目，简述操作步骤及关键，并绘出实验时所用的线路图，还应在线路图上注明仪表量程，电阻器阻值。简述实验原理。4、按实验要求对原始数据进行整理（重新列表，并标注表名称，单位）和计算。5、完成实验指导书“实验要求”中对实验报告的另外的要求。 6、按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，图纸尺寸不小于8cm8cm，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线,不在曲线上的点仍按实际数据标出。曲线应标注曲线图名称、坐标轴名称、单位及刻度。 7、根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合。8结论：对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论，也可结合思考题来总结。9、每次实验每人独立完成一份实验报告，按时送交指导教师批阅。实验报告和预习报告都应写在实验报告专用纸上（预习报告可作为实验报告的一部分，也即实验报告可在预习报告基础上来完成），并保持整洁。因为学号较乱，因此请在实验报告及作业上注明个人在班级的排列序号。六、特别注意：实验或实验报告缺少一次，即取消该课程成绩，按下学年重修处理。第三章 实验项目实验一 单相变压器实验一、实验目的1、了解掌握变压器的额定值。2、通过空载和短路实验测定变压器的变比和等效电路参数。3、通过负载实验测取变压器的外特性和效率特性。二、实验属性本实验属验证性实验三、实验仪器设备及器材三相组式变压器，交流电压表，交流电流表，瓦特表，可调电阻，实验台。四、实验原理1）变压器等效电路参数的测定单相变压器近似等效电路参数（图1-1）,可以通过空载实验和短路实验来测定。 图1-1单相变压器近似等效电路实验时，分别测出空载实验数据：空载电压UN（额定），空载电流I0，空载损耗P0，和短路实验数据：短路电流Ik（额定），短路电压Uk，短路损耗Pk 。即可求出等效电路参数。，如果实验是在低压侧测量的，则按上式求出的参数即为归算到低压侧的等效电路的参数，否则为归算到高压侧的参数。2）变压器外特性和效率特性变压器一次侧接额定电压，负载运行时，二次侧电压U2与电流I2之间的函数关系U2=f(I2)，称为变压器的外特性。当一次侧电压为额定、负载功率因数cos为常值，从空载到额定负载时二次侧电压的变化率称为变压器的额定电压调整率。变压器一次侧接额定电压，负载运行时，变压器的效率随二次侧电流I2变化的关系曲线，称为变压器效率特性。变压器的外特性，额定电压调整率和效率特性都可以通过实验的方法测定。五、实验步骤 1、查看单相变压器额定值 本实验选用三相组式变压器中的一只作为单相变压器，额定数据 SN77VA，U1N/U2N=220/55V，I1N/I2N=0.35/1.4A。实际查看并记录单相变压器额定容量、一次侧额定电压、额定电流、二次侧额定电压、额定电流，填入表1-1。表1-1单相变压器额定值SN(VA)U1N(V)I1N(A)U2N(V)I2N(A)2、空载实验1）按图1-2接线。变压器的低压侧接电源，高压侧开路。交流调压器旋钮调到电压为零的位置。 图1-2空载实验接线图2）合上交流电源，电源电压调节到55V，测取变压器的U0、I0、P0及副方电压V2。记录于表1-2中。 表1-2：空载实验数据记录表U0(V)I0(A)P0(W)UAX(V)低压侧接电源3、短路实验 1）按图1-3接线。将变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。交流调压器旋钮调到电压为零的位置。 图1-3 短路实验接线图2）接通交流电源，逐渐缓慢增加输入电压，观察电流表，直到短路电流等于0.35A 停止，测取变压器的Uk、Ik、Pk及环境温度。记录于表1-3中。 表1-3: 短路实验数据记录表 室温 Uk（V）Ik（A）Pk（W）高压侧接电源4、负载实验1）实验线路如图1-4所示。变压器高压线圈接电源，低压线圈经过开关S1接到负载电阻RL（两只900并联）上。2）将调压器旋钮调到输出电压为零的位置，S1打开，RL阻值调到最大。3）接通交流电源，并调节电压U1=220V。图1-4 负载实验接线图 4）保持U1=220V，合上S1，逐渐增加负载电流，即减小负载电阻RL的值，从空载到额定负载（I2=0-1.4A）的范围内，测取变压器的输出电压U2和电流I2，输入功率P1和输出功率P2，共取数据6-7组，记录于表1-4中。 5）测取数据时，I2=0（S1打开）和I2=I2N=1.4A必测。 表1-4:负载实验记录表 U1=UN= V序 号1234567U2（V）I2（A）P1（W）P2（W）六、实验要求1）预习单相变压器等效电路和运行特性等有关章节内容，思考下列问题：a.变压器一次及二次侧的额定电压和额定电流是否相同，有什么规律？ b.画出变压器近似等效电路。变压器的空载和短路实验分别有什么目的？c.什么是变压器的外特性和效率特性？2）实验过程中的注意事项a.在变压器实验中，应注意电压表、电流表、功率表的合理布置及量程选择。b.空载实验时，应注意变压器接电源侧的额定电压值，实际电压不能大于额定电压。c.短路实验时，应注意变压器测量侧的额定电流值，实际电流不能大于额定电流。测量时操作要快，否则线圈发热引起电阻变化较大。d.负载实验时，应注意变压器接电源侧的额定电压值和测量侧的额定电流值。e. 电流表尽量使用数字表。3）实验报告数据处理要求a.根据实验数据，计算该变压器归算到变压器高压侧的近似等效电路激磁参数（要求计算过程）。b.画出变压器近似等效电路，并在该电路上标出对应参数值。c.绘制变压器电阻性负载时的外特性、效率特性，并从外特性上计算变压器电阻性负载时的额定电压调整率。d.根据实验目的及内容得出结论。实验二 直流电动机实验一、实验目的1、熟悉他励直流电动机的接线、起动、改变转向与调速的方法。2、掌握用实验方法测取直流他励电动机的固有及人为机械特性。二、实验属性本实验属验证性实验三、实验仪器设备及器材校正直流测功机，直流电动机，直流电压、毫安、电流表，可调电阻器，实验台。四、实验原理1）他励直流电动机：励磁回路由单独电源供电，和电枢回路互不相联。2）直流电动机起动的基本要求：起动转矩要大，起动电流要小，起动设备要简单经济可靠。起动的基本方法有：直接起动（这里不用），电枢回路串电阻起动和降压起动三种方式。3）当改变他励直流电动机励磁回路电源极性或改变电枢回路电源极性时，可以改变直流电动机转向。4）直流电动机调速方法有：a 电枢控制，即调节电枢电压或在电枢回路中接入调速电阻；b 磁场控制，即调节励磁回路中的电组，改变励磁电流的大小，可改变磁场大小。5）直流电动机机械特性：U=UN，励磁回路电阻等于常值时，电动机的转速与电磁转矩的关系n=f(Te)成为电动机的转矩-转速特性，也称为机械特性。机械机械特性可用实验的方法来测取。a. 直接测量直流电动机电枢电阻R。 b.电动机正常接线，启动电动机后，起动电阻调到最小，调节电枢电压等于UN，调节电动机负载、并配合调节励磁电阻Rf和励磁电流，使电动机达到额定运行状态（n=nN,Ia=IN）,记录电动机电枢电压UN，转速nN,电枢电流IN等数据。根据他励电动机电压方程：U=Ea+Is*R+2Us，2Us为正负一对电刷上的接触压降，2Us=2V。计算电动势：Ea=UN-IN*R-2 即可计算出电动机对应该励磁电流下的c. 保持励磁电源电压和励磁回路电阻Rf不变，忽略电枢反应的去磁作用时，则不变，调节电动机负载大小，并测量电枢电枢电流Ia及电动机转速n， 然后可计算出电磁转矩大小：d. U=UN，Rc=0，If=IfN时测得的机械特性一般称为电动机固有机械特性，不满足上述三个条件情况下测得的机械特性一般称为电动机人为机械特性。五、实验步骤1. 用欧姆表直接测直流电动机电枢的直流电阻R，并记录。2. 他励直流电动机的起动（步骤）图21 直流他励电动机接线图1）按图2-1接线。图中M为直流电动机，MG为测功机，M与MG之间虚线表示同轴相联。起动电阻Rc调到阻值最大，励磁电阻Rf调到最小，第一次起动时将电枢电源旋扭调至较小位置。2）开启总电源。然后顺序合上励磁电源和电枢电源。 3）调节控制屏上电枢电源电压为220伏。电机转动后，然后减小起动电阻Rc阻值，直至最小，电机稳定运行。 3. 调节他励电动机的转速 分别改变电枢电源电压U（ PN Then s2 = s S1不变Else P2 PN时，说明ssN，sN应在s与s1之间，上界应设为s，下界不变。否则，sN应在s2与s之间，上界不变，下界应设为s。然后给定一个精度=0.0001，再判断，|P2-PN|是否成立，若成立，则s就是额定状态下的转差率s，如果不成立，返回重新跌代进行计算及进行上述步骤计算并判断，直到满足要求为止。迭代程序程序使用While循环语句。 五、编制程序 1.启动matlab，熟悉matlab的基本用法。 2.打开程序编制窗口，编制试探程序。%后为程序注释部分，该部分不执行。;的作用:语句后不带;,语句计算结果显示在命令窗口,带;,则计算结果不显示.u1=380;r1=1.33;rm=7;r2=1.12;%电阻x1=2.43;xm=90;x2=4.4;%电抗ep=200;%p s=? 假设的s值在命令窗口中变化输入 z1=r1+x1*i;%阻抗(复数)计算z2=r2/s+x2*i;zm=rm+xm*i;zz=z1+(zm*z2)/(zm+z2);%总阻抗 i1=u1/zz;%I1i2=abs(i1*zm/(zm+z2);%求I2的模pe=3*i22*r2/s; %电磁功率p2=(1-s)*pe-ep %输出功率,不带;,显示计算结果 3.编制绘图程序。u1=380;%基本参数r1=1.33;rm=7; %r2=?1.12; R2值在命令窗口中变化输入x1=2.43;xm=90;x2=4.4;ep=200;om=2*pi*1500/60;%机械角速度for kkk= 1:1000 s(kkk)=kkk*.001; z1=r1+x1*i; z2=r2/s(kkk)+x2*i; zm=rm+xm*i; zz=z1+(zm*z2)/(zm+z2); i1=u1/zz; i2=abs(i1*zm/(zm+z2);%有效值 pe=3*i22*r2/s(kkk); %电磁功率 te(kkk)=pe/om;%电磁转矩endplot(s,te,red);%红色绘图hold on%固定图形4.赋名保存上述程序，文件名即可执行程序名。五、实验内容1调试试探程序（例5-3）：在命令窗口输入s=试探值，然后输入试探程序名，执行试探程序，在命令窗口中观察P2数值，看与实际的P2是否相等（误差可控制在0-100W），如不相等，可继续试探，直到相等为止。把过程中的s值和P2值记录下来。2调试绘图程序（例5-3）：在命令窗口输入R2=值，然后执行绘图程序，在弹出的图形窗口观察并记录电机的Te-s曲线。改变R2值，重复绘图程序。3.根据电机学习题中参数对程序中数据进行相应改变（具体参数如表1），然后按上述步骤调试运行程序。 表1：电机参数U线 联结R1X1R2X2RmXmpP2例5-33801.332.431.124.4790100+10010000题5-143800.7151.740.4163.036.275139+32017000题5-20380Y0.2280.550.2240.75018.5350+250+5%PN17000六、实验预习要求1复习C语言基本运算指令，数组和循环结构的使用方法。熟悉指导书中matlab基本用法。2复习感应电动机Te-s曲线，及额定转差率的计算方法。3阅读指导书中程序编制部分，独立写出程序代码，熟悉各部分功能。4.在预习报告中列出电机学例5-3，习题5-14和5-20中感应电机的有关参数。七、实验报告1列出额定转差率的计算步骤（公式）及程序代码。2整理有关原始数据及计算结果（s和P2及计算误差），Te-s曲线。3简单介绍程序执行情况，说明在上机实验时，实际遇到的问题及你是如何解决的。4根据实验目的及内容得出结论。实验五 同步发电机实验一、实验目的1、掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。 2、掌握三相同步发电机并联运行时有功功率与无功功率的调节。二、实验属性本实验属综合性实验三、实验仪器设备及器材三相同步电机，直流测功机，交流电压、电流表，功率表，直流电流表，可调电阻器，实验台。 四、实验原理1、现