电机系统实验指导书.doc

电机系统实验指导书 电机学实验指导书电气信息工程学院xx年年07月前言 1、电机实验是学习研究电机理论的重要环节，其目的在于通过实验验证和研究电机理论，使学生掌握电机实验的方法和基本技能，培养学生严肃认真事实求是的科学作风。 所设置的实验项目均为验证性实验。 2、本实验主要介绍电气自动化和电力系统自动化中常用的直流电机、变压器、异步电机的相关实验和实验原理，学生可以掌握实验方法，学会选择仪表，测取实验数据等基本实验研究技能。 通过实验，加深对电机学理论知识的理解。 3、本实验指导书可作为电气工程及其自动化和自动化等强电方向专业的辅助教材和参考书。 4、本次修订工作主要针对电机学教学大纲并结合教仪设备进行了必要的调整。 1、电机学实验是将课堂上所讲电机理论进一步深化的必备环节，通过实验验证和电机理论相结合，能使学生掌握电机实验的分析方法和基本技能，培养学生解决问题能力。 2、电机实验课是电机学和其相近课程的重要组成部分，本实验讲义只侧重于掌握实验方法，并运用课堂上学到的电机理论知识来分析研究实验中的各种问题，得出必要的结论，从而达到培养学生在电机这门学科中具备分析问题和解决问题的初步能力。 3、所设置的实验项目类型均为验证性实验。 -3-实验一他励直流电机的工作特性与调速性能测定() 一、实验类型验证性实验 二、实验目的与要求1学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。 2认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等部件及使用方法。 3熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机方向与调速的方法。 三、实验内容与任务1了解电机系统教学实验台中的直流稳压电源、涡流测功机、变阻器、多量程直流电压表、电流表、毫安表及直流电动机的使用方法。 2用伏安法测直流电动机和直流发电机的电枢绕组的冷态电阻。 3直流他励电动机的起动，调速及改变转向。 四、实验条件1直流电动机电枢电源（NMEL-18/1）2直流电动机励磁电源（NMEL-18/2）3可调电阻箱（NMEL-03/4）4电机导轨及测功机、转速转矩测量（NMEL-13）-4-5直流电压、电流表6直流并励电动机M03 五、实验原理、方法和手段电机拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系由电机的电路原理可得机械特性的表达式ememT eeT nTCCRCUn?=?=02n0称为理想空载转速。 六、实验步骤1由实验指导人员讲解电机实验的基本要求，实验台各面板的布置及使用方法，注意事项。 2在控制屏上按次序悬挂NMEL- 13、NMEL-03/4组件，并检查NMEL-13和涡流测功机的连接。 3用伏安法测电枢的直流电阻，接线原理图见图1-1。 R可调电阻箱（NMEL-03/4）中的单相可调电阻R1。 V直流电压表)(emT fn=-5-A直流安培表 （1）经检查接线无误后，直流电动机电枢电源调至最小，R1调至最大，直流电压表量程选为300V档，直流电流表量程选为2A档。 （2）依次按下主控制屏绿色“闭合”按钮开关，使直流电动机电枢电源的船形开关处于“ON”，建立直流电源，并调节直流电源至110V输出。 调节R1使电枢电流达到0.2A（如果电流太大，可能由于剩磁的作用使电机旋转，测量无法进行，如果此时电流太小，可能由于接触电阻产生较大的误差），改变电压表量程为20V，迅速测取电机电枢两端电压U M和电流I a。 将电机转子分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取U M、I a，填入表1-1。 （3）增大R（逆时针旋转）使电流分别达到0.15A和0.1A，用上述方法测取六组数据，填入表1-1。 取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值R a=2233a aa R RR+。 （4）计算基准工作温度时的电枢电阻由实验测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温。 按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值图1-1测电枢绕组直流电阻接线图直流电动机M直流电动机电枢电源VEF1F2A1A2AIR1VU-6-R aref=R aaref+235235式中R aref换算到基准工作温度时电枢绕组电阻。 （?）R a电枢绕组的实际冷态电阻。 （?）ref基准工作温度，对于E级绝缘为750C。 a实际冷态时电枢绕组的温度。 （0C）4直流电动机的起动实验开始时，将NMEL-13“转速控制”和“转矩控制”选择开关拨向“转矩控制”，”转速/转矩设定”旋钮逆时针旋到底。 （1）按图1-2接线，检查电机导轨和NMEL-13的连接线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠。 （2）将直流电动机电枢电源调至最小，直流电动机励磁电源调至最大。 （3）合上控制屏的漏电保护器，按次序按下绿色“闭合”按钮开关，分别使直流电动机励磁电源船形开关和直流电动机电枢电源船形开关处于“ON”位置，此时，电动机电枢电源的绿色工作发光二极管亮，指示直流电压已建立，调节旋钮，使电动机电枢电源输出220V电压。 5调节他励电动机的转速 （1）分别改变电动机电枢电源和励磁电流，观察转速变化情况。 图1-2直流他励电动机接线图直流电动机G直流电动机励磁电源mA直流电动机电枢电源VF1F2A1A2EE-7- （2）调节”转速/转矩设定”旋钮，改变转矩，注意转矩不要超过1.1N.m，以上两种情况可分别观察转速变化情况。 6改变电动机的转向将直流电动机电枢电源调至最小，”转速/转矩设定”旋钮逆时针调到底，先断开电动机电枢电源，再断开励磁电源，使电动机停机，将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述起动电机，观察电动机的转向及转速表的读数。 七、实验结果记录与实验数据分析表1-1室温0C序号U M（V）I a（A）R（?）R a平均（?）R aref（?）1R a11R a1R a12R a132R a21R a2R a22R a233R a31R a3R a32R a33表中R a1=（R a11+R a12+R a13）/3R a2=（R a21+R a22+R a23）/3R a3=（R a31+R a32+R a33）/3 八、实验过程中的注意事项1直流他励电动机起动时，须将励磁电源调到最大，先接通励磁电源，-8-使励磁电流最大，同时必须将电枢电源调至最小，然后方可接通电源，使电动机正常起动，起动后，将电枢电源调至220V，使电机正常工作。 2直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。 同时，必须将电枢电源调回最小值，励磁电源调到最大值，给下次起动作好准备。 3测量前注意仪表的量程及极性，接法。 九、实验预习与思考题1如何正确选择使用仪器仪表，特别是电压表、电流表的量程。 2直流电动机起动时，励磁电源和电枢电源应如何调节？为什么？若励磁回路断开造成失磁时，会产生什么严重后果？3直流电动机调速及改变转向的方法。 十、实验报告要求1画出直流并励电动机电枢串电阻起动的接线图。 2曲线图应用记录仪器描记出的曲线图，这些指标的变化趋势形象生动、直观明了。 -9-实验二他励直流电机的工作特性与调速性能测定() 一、实验类型验证性实验 二、实验目的与要求了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性。 三、实验内容与任务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、实验条件1电机导轨及转速表2可调电阻（NMEL-03/4）3开关板（NMEL-05）4直流电压、电流、毫安表5直流电动机电枢电源（NMEL-18/1）6直流电动机励磁电源（NMEL-18/2）7直流发电机励磁电源（NMEL-18/3） 五、实验原理、方法和手段电机拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决-10-于作用在原动机转轴上的各种转矩。 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系由电机的电路原理可得机械特性的表达式ememT eeT nTCCRCUn?=?=02n0称为理想空载转速。 六、实验步骤1电动及回馈制动特性接线图如图2-1a。 M为直流发电机M01作电动机使用（接成他励方式）。 G为直流并励电动机M03（接成他励方式），U N=220V，I N=1.1A，n N=1600r/min;直流电压表V的量程为300V；直流电流表A的量程为5A；R1用（NMEL-03/4中R2的两组电阻并联再与R3的两组电阻并联相串联）。 开关S 1、S2选用NMEL-05B中的双刀双掷开关。 按图2-1a接线，在开启电源前，检查开关、电阻等的设置； （1）开关S1合向“2”端，S2合向“3”端。 )(emT fn=-11- （2）R2阻值至最大位置，直流发电机励磁电源、直流电动机励磁电源调至最大，直流电动机电枢电源调至最小。 （3）直流电动机励磁电源船形开关、直流发电机励磁电源船形开关和直流电动机电枢电源船形开关须在断开位置。 图2-1a直流他励电动机机械特性接线图实验步骤。 a按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合直流电动机励磁电源、直流发电机励磁电源船型开关和直流电动机电枢电源船形开关，使直流电动机M起动运转，调节直流电机电枢电源，使U N=220伏。 b分别调节直流电动机M的励磁电源，发电机G励磁电源、负载电阻R1，使直流电动机M的转速n N=1600r/min，I f+I a=I N=0.55A，此时I f=I fN，记-12-录此值。 c保持电动机的U=U N=220V，I f=I fN不变，改变R1及直流发电机励磁电源，测取M在额定负载至空载范围的n、I a，共取5-6组数据填入表2-1中。 d折掉开关S2的短接线，调节直流发电机励磁电源，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=U N=220V，I f=I fN，把开关S2合向“4”端，把R1值减小，直至为零。 再调节直流发电机励磁电源使励磁电流逐渐减小，电动机M的转速升高，当A1表的电流值为0时，此时电动机转速为理想空载转速，继续减小直流发电机励磁电流，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、I a，共取5-6组数据填入表2-2中。 因为T2=CMI2，而CM中为常数，则T I2，为简便起见，只要求n=f（I a）特性，见图5-2。 2电动及反接制动特性。 接线图如图2-1b。 3能耗制动特性接线图如图2-1b，R1用NMEL-03/4中的R2两组电阻并联，R2用NMEL-03/4中的R3两组电阻并联。 操作前，把S1合向“1”端，直流发电机励磁电源及直流电动机励磁电源调至最大值，直流电动机电源电源调至最小值，R1置360，R2置300欧，S2-13-合向“4”端。 按前述方法起动发电机G（此时作电动机使用），调节直流电动机电枢电源使U=U N=220伏，调节直流电动机励磁使电动机M的I f=I fN，调节直流发电机励磁电源使发电机G的I f=80mA，调节R2并先使R2阻值减小，使电机M的能耗制动电流I a接近0.4I aN数据，记录于表2-4中。 调节R1至180?，重复上述实验步骤，测取I a、n，共取6-7组数据，记录于表2-5中。 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=CMI a，他励电动机在磁通不变的情况下，其机械特性可以由曲线n=f（I a）来描述。 画出以上二条能耗制动特此曲线n=f（I a）。 图2-1b直流他励电动机机械特性接线图-14- 七、实验结果记录与实验数据分析表2-1U N=220伏I fN=A Ia（A）n（r/min）表2-2U N=220伏I fN=A Ia（A）n（r/min）表2-3R2=900?U N=220V I fN=A I2（A）n（r/min）表2-4R2=360?I fN=mA Ia（A）n（r/min）表2-5R2=180?IfN=mA Ia（A）n（r/min） 八、实验过程中的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。 九、实验预习与思考题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？-15-3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。 十、实验报告要求根据实验数据绘出三相绕线转子异步电机运行在三种状态下的机械特性。 -16-实验三单相变压器空载、短路和负载实验 一、实验类型验证性实验 二、实验目的与要求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。 三、实验内容与任务1空载实验测取空载特性U O=f(I O)，P O=f(U O)。 2短路实验测取短路特性U K=f(I K)，P K=f(I)。 3负载实验保持U1=U1N，2cos?=1的条件下，测取U2=f(I2)。 四、实验条件1交流电压表、电流表、功率、功率因数表2可调电阻箱（NMEL-03/4）3开关（NMEL-05）4单相变压器 五、实验原理、方法和手段单相变压器由于结构简单，适合大批量的现代化生产，有利于提高产品质量和效益。 相同容量的单相变压器比三相变压器三相变压器的供应商用铁减少20%，用铜减少10%。 尤其是采用卷铁芯结构时，变压器的空载损耗可-17-下降15%以上，这将使单相变压器的制造成本和使用成本同时下降，从而获得最佳的寿命周期成本。 六、实验步骤1空载实验实验线路如图3-1。 实验时，变压器低压线圈2U 1、2U2接电源，高压线圈1U 1、1U2开路。 A、V 1、V2分别为交流电流表、交流电压表。 其中用一只电压表，交替观察变压器的原、副边电压读数。 W为功率表，需注意电压线圈和电流线圈的同名端，避免接错线。 a未上主电源前，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底。 并合理选择各仪表量程。 b合上交流电源总开关，即按下绿色“闭合”开关，顺时针调节调压器旋钮，使变压器空载电压U0=1.2U N。 c然后，逐次降低电源电压，在1.20.5U N的范围内；测取变压器的U 0、I 0、P0，共取67组数据，记录于表3-1中。 其中U=U N的点必须测，并在该点附近测的点应密些。 为了计算变压器的变化，在U N以下测取原边电压的同时测取副边电压，填入表3-1中。 e测量数据以后，断开三相电源，以便为下次实验作好准备。 2短路实验实验线路如图3-2。 （每次改接线路时，都要关断电源）-18-图3-1空载实验接线图图3-2短路实验接线图实验时，变压器T的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。 A、V、W分别为交流电流表、电压表、功率表，选择方法同空载实验。 a未上主电源前，将调压器调节旋钮逆时针调到底。 b合上交流电源绿色“闭合”开关，接通交流电源，逐次增加输入电压，直到短路电流等于1.1I N为止。 在0.51.1I N范围内测取变压器的U K、I K、P K，共取67组数据记录于表3-2中，其中I K=I N的点必测。 并记录实验时周围环境温度（?C）。 3负载实验实验线路如图3-3所示。 变压器T低压线圈接电源，高压线圈经过开关S接到负载电阻R上。 R-19-选用NMEL-03/4的R1电阻。 开关S采用NMEL-05的双刀双掷开关，电压表、电流表、功率表（含功率因数表）的选择同空载实验。 a未上主电源前，将调压器调节旋钮逆时针调到底，S断开，负载电阻值调节到最大。 b合上交流电源，逐渐升高电源电压，使变压器输入电压U1=U N。 c在保持U1=U N的条件下，合下开关S，逐渐增加负载电流，即减小负载电阻R的值，从空载到额定负载范围内，测取变压器的输出电压U2和电流I2。 d测取数据时，I2=0和I2=I2N必测，共取数据67组，记录于表3-3中。 图3-3负载实验接线图 七、实验结果记录与实验数据分析表3-1序号实验数据计算数据U0（V）I0（A）P O（W）U1U1。 1U22cos?123-20-4567表3-2室温=O C序号实验数据计算数据U（V）I（A）P（W）k?cos123456表3-32cos?=1U1=U N序号1234567U2（V）I2（A） 八、实验过程中的注意事项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。 九、实验预习与思考题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？-21-3如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗？ 十、实验报告要求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。 K=U1u1.1U2U2u1.2u22绘出空载特性曲线和计算激磁参数 （1）绘出空载特性曲线U O=f(I O)，P O=f(U O)，O?cos=f(U O)。 式中O OOoIUP=?cos （2）计算激磁参数从空载特性曲线上查出对应于Uo=U N时的I O和P O值，并由下式算出激磁参数2OOmIPr=OOIUZm=22m mmr ZX?=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U K=f(I K)、P K=f(I K)、K?cos=f(I K)。 （2）计算短路参数。 从短路特性曲线上查出对应于短路电流I K=I N时的U K和P K值，由下式-22-算出实验环境温度KKKIUZ=2KKKIPr=22K KrZ XK?=折算到低压方2KZZKK=,2KrrKK=,2KXXKK=由于短路电阻r K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?C时的阻值。 +=5.234755.23475KorC Kr27575K CK CKZ rX=+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75100%N KCKNI ZUU=75100%N KCKrNIUUr=%100=NK NKXUXIU I K=I N时的短路损耗275KN NK CpI r=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。 -23-5变压器的电压变化率U (1)绘出2cos?=1和外特性曲线U2=f(I2)，由特性曲线计算出I2=I2N时的电压变化率U%10020220?=UU UU-24-实验四三相异步电动机工作特性 一、实验类型验证性实验 二、实验目的与要求通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。 三、实验内容与任务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。 5绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器调速。 四、实验条件1直流电动机电枢电源（NMEL-18/1）2电机导轨及测功机、矩矩转速测量组件（NMEL-13）3交流电压表、电流表、功率、功率因数表4可调电阻箱（NMEL-03/4）5开关（NMEL-05）6三相鼠笼式异步电动机M047绕线式异步电动机M09-25- 五、实验原理、方法和手段三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成。 定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。 定子铁心一般由0.350.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。 三相绕组由三个在空间互隔120电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。 其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。 机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，其作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。 封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。 端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。 转子主要由铁心和绕组组成。 转子铁心所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。 通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。 一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。 转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。 （1）鼠笼式转子转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。 若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。 小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。 鼠笼转子分为阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。 -26- （2）绕线式转子绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。 三相异步电动机的工作原理当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 六、实验步骤1三相笼型异步电动机直接起动试验。 按图4-1接线，电机绕组为接法。 图4-1异步电机直接起动实验接线图起动前，把转矩转速测量实验箱（NMEL-13）中”转速/转矩设定”旋钮逆时针调到底，“转速控制”、“转矩控制”选择开关拨向“转矩控制”，检查电机导轨和NMEL-13的连接是否良好。 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。 -27-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NMEL-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。 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U K、电流值I K、转矩值T K，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T ST和起动电流I比按下式计算KKSTSTTIIT2)(=式中I k起动试验时的电流值，A；T K起动试验时的转矩值，N.m；KKNSTIUUI)(=式中U K起动试验时的电压值，V；U N电机额定电压，V；2星形三角形（Y-）起动-28-按图4-2接线，电压表、电流表的选择同前，开关S选用NMEL-05。 图4-2异步电动机星形-三角形起动实验接线图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U N=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4-1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