北航自动化学院电机学实验报告

1、成 绩 电机学实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称电气工程及其自动化 学生学号12031005 学生姓名 指导教师王自强2015年7月1实验一 变压器的空载试验和短路试验实验时间 实验编号 同组同学 一、 实验背景变压器等效电路的参数，可以用空载试验和短路试验来测定。这两个试验是变压器的主要试验项目。二、 实验原理1. 空载试验空载试验也成开路试验，试验接线图如下。试验时，二次绕组开路，一次绕组加上额定电压，测量此时的的输入功率P0、一次电压U1和电流I0，即可算出激磁阻抗变压器二次绕组开路时，一次绕组的空载电流I0就是激磁电流Im。由于一次漏阻抗Z1比激磁阻抗Zm小得多，

2、若将它略去不计，可的激磁阻抗Zm为ZmU1I0由于空载电流很小，它在一次绕组中产生的电阻损耗可以忽略不计，说以空载输入功率可认为基本上是供给铁心损耗的，故激磁电阻RmP0I02于是激磁电抗Xm为Xm=Zm2-Rm2为了试验时的安全和仪表选择的方便，开路试验时通常在低压侧加上电压，高压侧开路，此时测出的值为归算到低压侧时的值。归算到高压侧时，各参数应乘以k2，k=N高压/N低压。本次试验采用这种方法、2. 短路试验短路试验亦称为负载试验，接线图如下。试验时，把二次绕组短路，一次绕组加上可调低电压。调节外加的低电压，使短路电流达到额定电流，测量此时的一次电压Uk、输入功率Pk和电流Ik，即可确定漏

3、阻抗。从简化等效电路可见，变压器短路时，外加电压仅用于客服变压器内部的漏阻抗压降，当短路电流为额定电流时，该电压一般只有额定电压的5%15%，因此短路试验时变压器铁心内的主磁通很小，激磁电流和铁耗均可忽略不计。于是变压器的漏阻抗即为短路时所表现的阻抗Zk，即ZkUkIk若不计铁耗，短路时的输入功率Pk可认为全部消耗在一次和二次绕组的电阻损耗上，故短路电阻Rk为Rk=PkIk2短路电抗Xk则为Xk=Zk2-Rk2短路试验时，绕组的温度与实际运行时不一定相同，按国家标准规定，测出的电阻应被换算到75时的数值，若绕组为铜线绕组，电阻可用下式换算Rk(75)=Rk234.5+75234.5+式中，为试

4、验时绕组的温度，通常为室温。由于R1可用电桥法或直流伏-安法测定，故R2将随之确定。短路试验通常在高压侧家电压，由此所得的参数值为归算到高压侧时的值。短路试验时，使电流达到额定值时所加的电压U1k称为阻抗电压或短路电压，阻抗电压用额定电压的百分值表示时有uk=U1kU1N×100%=I1NZkU1N×100%阻抗电压的百分值是铭牌数据之一。变压器中漏磁场的分布十分复杂，把漏磁场划分成一次和二次绕组的漏磁场，纯粹是中认为的做法。所以要从测出的Xk中把X1和X2分开，事实上时不可能的。由于工程上大多采用近似或简化等效电路来计算各种运行问题，因此通常也没有必要把X1和X2分开，有

5、时假设二者相等以把二者分离。三、 实验过程与结果1. 空载试验U1(V)11097806445U2(V)228183.8153123.889.6I0(A)0.3840.2960.2220.1750.133P0(W)15.1128.85.93.12. 短路试验Uk9.987.806.264.874.051.99Ik53.6153.1352.4552.0351.05Pk4022.5151072四、 收获、体会及建议通过本实验，我更加深刻地体会和理解了变压器的空载试验和短路试验，从理论到实践，建立了良好的对应关系，这有利于我以后的学习。同时，我也认识到电力试验和之前所做的弱电试验有所不同，需要更加的

6、小心谨慎，稍不注意，就有可能造成短路、跳闸、发热、火花等事故，必须严阵以待。实验二 串励直流发电机负载特性试验实验时间 实验编号 同组同学 五、 实验背景1.了解串励电动机起动，调速及改变转向的方法。2.掌握测试串励电动机调速特性和机械特性的方法。六、 实验原理1. 直流串励电动机的调速特性转速调节是在一定的转矩条件下，用人工方法来改变电机机组的转速。直流电动机的调速性能很优越，可以在宽广的速度范围内，平滑而方便地调速。所以对调速性能要求较高的场合，广泛应用直流电动机。 直流电动机的调速分析，实质上是比较深入地研究在不同条件下的机械特性。可以看出转速与电压大概成（1）电枢回路串电阻时的人为机械

7、特性：对应于不同的 R a 可以得到一簇斜率不同的射线。（2）调节输入电压。对于不同的输入电压，得到相同斜率的（3）励磁电路串联电阻rf调速，因磁通的减弱，使n0增大。（1）串电枢电阻:优点：设备简单、操作简单。缺点：只能降速，低转速时变化率较大，电枢电流较大，不易连续调速，有损耗。（2）调节输入电压:优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）（3）串励磁电阻:优点：励磁回路电流小(1-3)%IN,损耗小，连续调速，易控制。缺点：只能上调。串励电动机的调速方法:（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性：用以改变电枢端电压。 （2）改

8、变磁通调速：a.电枢两端并联电阻；b.励磁线圈两端并联电阻；本次试验中采用方法（1）2. 直流串励电动机的机械特性由于Ia=I=If，故串励电动机的磁通随Ia变化，即随负载变化。 当磁路不饱和时，=K Ia ， K为比例系数。3.直流串励电动机的转向实验七、 实验过程和结果按照下图连线试验所用直流电机额定电压：230V 额定电流：10.85A容量：2.5KW 额定转速：1460r/min1.直流串励电动机 的调速特性直流串励电动机不能空载起动，因为它的机械特性是软特性，即电机转矩增加时，转速将以幂指数显著下降。故轻载时转速很高，而空载时会引起“飞 转”而使电机损坏。因此实验时要注意以下几点：1

9、） 将R调至最小处，在合开关K1，接通电源。调节R使If0.6A。2） 将K2断开，RQ调至最大处，然后再闭合开关K2进行起动，接着慢慢调小RQ，同时测量直流电动机的转速和电压。n(rpm) 191293.5451.5  605.8786.5890.211011164Va(V) 8694.4 108 128 151 164192.41992.直流串励电动机 的机械特性1）将RQ调至电阻最小（此时，直流电动机的转速应<1500转/分，电压<200伏。2）调节R使If增大，保证电压不变，读取电动机的电枢电流

10、、转速、测功机的电流和转矩。U=常数=200VIf (A)0.580.70.820.870.991.041.181.4Ia(A)4.464.905.516.026.557.07.89.05n(rpm)118011111000922882.1843.6808.1716.9M2(kg·m)0.40.460.60.70.80.91.11.43.直流串励电动机 的转向实验1）将RQ电阻调大，使电动机的转速缓慢旋转，记录此时电动机的旋转方向。2）将开关K1和K2断开，依次调换L1和L2、A1和A2、F1和F2的连接方向。每调换一次，将开关K1和K2接通一次，观察电动机的转向变化规律。无改变：顺

11、时针旋转L1和L2转向： 顺时针 不转向A1和A2转向：逆时针 转向F1和F2转向：逆时针 转向实验三 并励直流发电机自励建压试验实验时间 实验编号 同组同学 八、 实验背景1.学会用实验方法测定直流并励发电机的空载特性。2.掌握直流并励发电机的自励建压条件。九、 实验原理1. 直流并励发电机的自励建压条件。条件：a.电机中要有剩磁b.励磁绕组与电枢绕组并接正确c.励磁回路电阻小于建压临界电阻。依据接线图，当原动机拖动直流发电机转子旋转时，励磁绕阻并接于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁电流，而发电机的电枢端电压，又必须在有了励磁电流产生的主磁场下才能产生，所以并励发电机由初始的U=0

12、到正常运行时U0达到一定值，有一个自己建立电枢端电压的过程(自励建压过程)。2. 直流并励发电机的空载特性定义： n=常数 ， I = 0 ，时 U= f (I f ) ，E r 为剩磁电压， U N附近曲线因饱和弯曲。结论：经过一定比例转换后，空载特性U= f(I f )与电机的磁化曲线= f (F f ) 形状完全相同。一般电机的工作点位于开路特性上曲线开始弯曲的膝点附近。据此可以判断电机的饱和程度。并励发电机的励磁电流很小，只占额定电流的（1-3）%。微小的电流在电枢绕组中引起的电压降很小，可以忽略不计。所以并励发电机的开路电压也就是电枢中的感应电势。并励发电机的开路特性与他励相同，一般

13、接成他励方式，由试验得出。十、 实验过程和结果按照接线图连线试验所用直流电机额定电压：220V 额定电流：12.55A容量：2.2KW 额定转速：1500r/min1.检查直流并励发电机自励建压条件注意：实验前将Rf调至最大。步骤1：通电前，开关K2打到电阻R1方，使激磁绕组F1F2与电阻成一回路以免感应较高的交流电压而出现事故；步骤2：接通交流电源，等待同步电机转速平稳后，将K2向下，接入直流励磁电压（如同步电机无法接入直流励磁电源，可以不扳动K2，保持励磁绕组连接R1状态）；使发电机的转速保持在1500rpm；注意：实验前将Rf调至最大。步骤3：合上开关K4，用电压表测量直流电动机电枢两端

14、的电压；步骤4：减小Rf，电枢两端的电压U0开始没有电压，随着Rf的减小而逐渐升高。如电枢两端电压U0随着Rf的减小反而减小，则对调B1B2将看到电枢两端电压U0升高。此时自励建压成功2.空载特性：n=1500rpm, I=0, U0=f(If)接着上述步骤继续实验。步骤5：调节Rf至最大，开始准备测量电枢两端的电压U0和励磁电流If；步骤6：调节减小Rf，测量电枢两端的电压U0和励磁电流If；步骤7：重复步骤6，测量47组数据，直至电枢端电压U0达到额定电压的1.1倍；实验结果：If(mA)165.0 200.0 264.5 332.5 403.0 500.0 U0(V)93.2 103.8

15、 125.6 146.2 162.0 178.4 实验四 三相同步发电机参数的测定实验时间 实验编号 同组同学 十一、 实验背景1. 学习三相同步发电机各种参数的测量方法。十二、 实验原理三相同步发电机各种参数的测量方法1. 用小转差法测量同步电抗Xd和Xq；交轴同步电抗(不饱和值) 的测试，通常采用“小转差法”来测量。所谓小转差法，就是将转子由原动机拖动至接近同步转速旋转(转差很小)，其励磁绕组开路，而定子电枢绕组加上三相交流电(其电压不宜大，以免转子牵入同步)，记录其电压、电流的最大值和最小值。试验电路如图19-30(a)所示。因转子的磁极轴线与电枢磁场轴线是以转差速度(n=n1-n)相对

16、运动的，当磁极轴线转到与电枢磁场轴线重合时，电枢磁场正循着直轴路径，此时电枢磁通最大而电枢电流最小。由于电枢电流最小时电路压降也最小，故这时电枢端电压为最大，对应此时的电压与电流之比即为直轴同步电抗。当转子相对电枢磁场转过90角度，电枢磁场正循着交轴路径，电枢磁通最小而电枢电流最大，这时电路压降也最大，故相应的端电压为最小，对应此时的电压与电流之比即为交轴同步电抗。电枢磁路不断以直轴、交轴周期变化着，电枢绕组的电抗也不断在xd、xq之间周期变化，致使电枢电流及电枢绕组端电压也不断周期地变化着。电流和电压变化的波形如图19-30(b)所示。因此有做好小转差试验的关键是要做到转差尽可能小，小到以不

17、致牵入同步为原则。这是因为，若转差太大，励磁绕组会感应产生电流，加上此电流又产生磁场，使试验造成误差。另一方面，转差太大，电表指针摆动太快，不易读数，且造成惯性误差。2. 用反向旋转法测逆序电抗。试验电路如图20-7所示。转子励磁绕组短路，并由原动机拖动以同步转速正转，而电枢绕组通负序电流（即反相序电压），这样其电枢绕组磁场将以同步速反向旋转。由于电枢电流为负序电流，它所对应的阻抗为负序阻抗。因此测得每相电压、电流和输入功率，即可计算这是负序阻抗的一种测试方法。测试中，电源电压要降低，否则电流会过大，转子就要过热。另外，转子励磁绕组必须短路。这是因为一方面发电机实际运行时，负序分量作用在转子上

18、产生的二倍频率的交变电势是经励磁电源短路的；同时转子绕组如果开路，会造成危险的高压。 需说明，对旋转整流器式无刷同步发电机，负序运行试验是完全不可取的。因为一方面主发电机励磁绕组无法短路，因此其上感应较大的倍频电势，可能损坏旋转整流元件及励磁绕组绝缘，另一方面，因整流器单向导通使转子倍频电势整流而产生自励，从而在电枢绕组中感应一组正序电势，与电枢外加电压互相作用，使电枢电流成为一组严重不对称的三相系统，由此计算得到的负序电抗也是没有意义的。十三、 实验过程和结果按照接线图连线试验所用同步发电机额定电压：220V 额定电流：12.55A容量：2.2KW 额定转速：1500r/min1.用小转差法

19、测量同步电抗Xd和XqA.用转差法测同步电抗Xd和Xq，不接功率表，开关K3断开，即F1，F2开路。只合上K1，观察转子的转向，打开K1；再合上K2，观察转子的转向。若两次转子转向相同说明电机定子旋转磁场与转子转向一致；否则可对调F1，F2。B.调压器调到50V左右，此电压值不能过高，以免因磁阻转矩将电机牵入同步；此电压值也不能过低，以免剩磁电压引起过大的误差。C.调节RD和Rj以调节直流电动机转速接近同步转速，使得电流表摆动很慢，在同一瞬间读取电枢电流周期性摆动的最小值与相应电压的最大值，以及电流最大值和电压最小值。Umax(V)Imin(A)Xd=Umax/Imin()Umin(V)Ima

20、x(A)Xq=Umin/Imax（）50.350.6478.750.150.6577.22.用反向旋转法测逆序电抗条件：在实验1的基础上，对换三相交流电的任意两相，使n与n1的转向相反，并使交流发电机的励磁绕组K3闭路，以免在激磁绕组中产生高压电压。注意：测试中电源电压要小些，否则会使电流I过大，转子发热而损耗功率。 转子励磁绕组要短路，否则会产生二倍频率的交流感应电势，从而引起危险高压。测量交流电机的电压、电流和功率。U0(V)I0(A)P1(W)P2(W)Z2=UIr2=P3I2x2=Z22-r22Z2*=Z2ZNr2*=r2ZNX2*=x2ZN31.10.2647119.654.2106

21、.61.0970.4970.978实验五 三相同步发电机并网实验实验时间 实验编号 同组同学 十四、 实验背景1掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件和操作方法。2掌握三相同步发电机并联运行时，无功功率的调节。十五、 实验原理1. 同步发电机并网；并联投入的条件同步发电机在并联投入电网时，为了避免合闸时的冲击电流和它所引起的发电机内部机械应力的冲击，需满足一定的并联条件，即发电机电压与电网电压应该：(1)大小相等，(2)频率相等；(3)相位相同，(4)相序相同，(5)波形相同(正弦)。 发电机电压的波形一般情况下都是正弦的，这是由设计保证的。 对于相序，每台发电机都有规定转向，而且在出线端标

22、明A，B、C相序标记，在安装发电机时应注意与电网各相对应联接，这样相序相同的要求就得到满足。2. 同步发电机无功功率的调节。因此，只有电压大小，相位及频率是投入并联时要掌握的条件。 为分析方便起见，假定有两台参数相同的发电机空载状态投入并联，图22-1是其并联投入电路。设并联投入前，接触器两端存在电压差 ；这样在投入并联时，两台发电机将互为回路，如图22-2所示，并形成环流(称为均衡电流)，且并联接入瞬间此电流很大，即 式中，x在并联投入初瞬时为发电机的超瞬变电抗xd” ，若电机无阻尼绕组时为瞬变电抗xd ，瞬变过程结束后则为稳态同步电抗xd 。 理想的投入并联的条件(即不产生均衡电流)应该是

23、 ，即两台电机电压的大小、相位和频率都要相等。其中任何一个条件不相等，则U就不等于零，并接时就要产生均衡电流，并有很大电流冲击。 二，并联投入的方法相灯法 在飞机交流电源系统中，并联投入都有自动装置，当两台发电机符合并联投入的条件时自动投入并联。关于自动并联装置是后续课程内容，这里仅介绍相灯法，以说明并联投入的原理； 所谓相灯法，就是利用跨接在接触器两端的三个灯泡(即所谓相灯)，来检查并联投入的条件和掌握并联投入的时间。它又可分为暗灯法和旋转灯光法两种。 图22-4为暗灯法电路，利用暗灯法投入并联的步骤和原理如下。把两台要并联的发电机运转至同步速，调节励磁使两台发电机的端电压均为额定值。但两台

24、发电机的电压、频率都不可能绝对相等，特别是当f1f2时，各相灯上的电压(即U)忽大忽小。三相电压的矢量关系如图22-5所示。可以看出，在相序正确的情况下，三只相灯的电压UA、 UB和UC大小相同，因此三只相灯同时忽亮忽暗，亮暗变化的频率就是两台发电机的频率差。细调两台发电机的转速，使两频率很接近，相灯的亮暗变化很缓慢，就可以准备投入并联了。当三个灯全暗时，说明U很小，这瞬时即可立即投入并联。一般灯泡在13额定电压时就不亮了，因此要准确掌握并联投入时间，最好用电压表检测相灯电压，当电压表指示接近为零时投入并联。 旋转灯光法电路如图22-6所示。与暗灯法电路的差别是和相灯跨接在B，C线线间，因此这

25、时三只相灯上的电压不等，如图22-7所示，这就不可能出现三只相灯同时亮或同时暗的现象。对照图22-7分析可知，当f1>f2时，三个相灯上的电压相序为U1超前U3超前U2。看上去先是灯亮，随之灯亮，而后灯亮，。如图22-6那样安放的相灯，其灯光恰如顺时针方向旋转。灯光旋转快慢的频率为两发电机的频率差。若调节两发电机的转速，减小频差，那么灯光旋转速度随之缓慢下来。要是f1<f2 ，则灯光旋转方向就会反过来。掌握了这些规律，就很容易调节两发电机的频率。当调节两台发电机使其电压相等、频差很小(即灯光旋转很缓慢)，由图22-7可知，在灯全暗时，即可立即投入并联。当然如果在灯的两端接上电压表，

26、那么可较准确地掌握在电压U1 =0时投入并联。 暗灯法和旋转灯光法在实践中都有采用，其中旋转灯光法还能鉴别哪台发电机频率高或低。用相灯法还可以检查相序是否一致。如果按图22-4接线，即暗灯法，要是三个相灯不是同时亮或暗，那么说明两电机相序接反了。如果用旋转灯光法接线，如图22-6，灯光不旋转而同亮同暗，那么也说明相序不一致。这时只要将其中一台发电机的任意两相调接，就 可以使相序相同。 十六、 实验过程与结果按照接线图接线1.同步发电机并网合闸的条件：电压相等，频率相等，相序相等，相位相等。实验前将RH调至最大，RB，Rf分别调至最小，合上励磁开关K2，在合上开关K，K3，这时灯亮。若三相相序分

27、别对应则三相灯同暗同亮；若三相相序有两相互换则三相灯旋转的亮。调节Rf，保证发电机端电压与电网电压相近，再调节RH ，RB使灯的亮暗变换缓慢。另外，根据相灯法可判断相序。若按暗灯法接线，则灯同亮同暗时说明相序一致；若按旋灯法接线，则灯光不旋转说明相序一致，否则相序为反。暗灯法：相灯按三相一一对应相接，由于三组相灯上的电压相等，则相灯同亮同暗，亮暗的频率反映了惦记的频率差，调节电机转速，使相灯亮暗频率变慢，当三相灯全暗时可以投入并联。此种方法虽然可以作为调节频率差的依据，但是无法判断两频率的大小。旋灯法：将任意两相互换，比如A，C相，则三相灯将轮流亮。调节转速使灯光旋转缓慢，当B相灯全暗时可以投

28、入并联。此种方法可以判断频率的大小关系。令f1对应A，B，C，f2对应a,b,c,则当f1>f2时，灯光顺时旋转；f1<f2时，灯光逆时旋转。2.无功功率的调整和V形线的测定要调节发电机输出的无功功率应调节发电机的激磁电流。不同的有功功率有不同的V形线。实验时先将发电机的有功功率和电枢电流调到零，作出发电机空载时的V形线，然后调节原动机，作出有功功率为750W的V形线。实验中先将If =2A，调节Rf 使之下降，观测I的值（尤其是拐点）。由于时间紧张，并未做此实验实验六 三相异步电动机参数测量实验实验时间 实验编号 同组同学 十七、 实验背景1.了解三相异步电机的结构，学习三相异步

29、电机的起动和反转。2.做三相异步电动机的空载和短路实验。十八、 实验原理1. 三相异步电动机 的堵转实验由于异步电动机转子是堵转，为了不至过流，定子侧所加电压UK一般较低，电动机铁耗pFe很小，和铜耗相比可忽略，这样可得到堵转时的等效电路如下图所示：2. 三相异步电动机 的空载实验由于异步电动机是空载，当定子所加电压U1等于额定电压值UN左右时，转子转速很接近于同步速n1，转子电流很小，可忽略，这样认为空载电流就是激磁电流，分析可得空载时的等效电路，如下图所示：空载时定子输入的功率包括定子铜耗m1I02r1、铁耗pFe、机械损耗pm和空载附加损耗p，即为： 从输入功率中减去定子铜耗后用表示，得

30、： 上述剩余的损耗中机械损耗认为它是不变的（空载实验过程中转速基本不变），而铁耗pFe和附加损耗p可认为与磁密的平方成正比，近似认为与电动机的电压平方U1成正比，这样可画出P0=f(U02) 的曲线。 对曲线作延长线和纵轴相交于0点，再过0点作横轴的平行线，在定子额定电压值UN2处把损耗分成两部分，一部分不变的就是机械损耗，另外一部分和电压平方成正比的是额定电压下的铁耗和附加损耗之和。说明： 1.功率因数低 低功率因数瓦特表 2.磁路饱和对磁阻影响很大在额定电压下求取空载阻抗。十九、 实验过程与结果按照接线图接线1.三相异步电动机 的堵转实验 在堵转实验中，n=0,s=1。则模拟负载电阻 ，即输出机械功率为零，则效率=0。输入功率主要消耗在铜损上，励磁电抗Xm>>r1, 则励磁支路部分可以近似看成开路。均为电机本身的参数，因此IK=f(UK)为一直线，且功率因数近似一常数。根据 ，可知PK=f(UK)呈二次曲线关系，短路电流越大，消耗的功率越