三相异步电动机启动实验教案

三相异步电动机启动实验教案一、实验名称三相异步电动机典型启动方法实验研究二、实验目的1.加深理解三相异步电动机直接启动的原理、特点及适用条件。2.掌握三相异步电动机星三角（Y-Δ）降压启动的工作原理、控制过程及实验方法。3.掌握三相异步电动机自耦变压器降压启动的工作原理、控制过程及实验方法。4.比较不同启动方式下电动机的启动电流、启动转矩（间接观测）及启动时间的差异。5.培养学生分析实验数据、解决实际问题的能力及安全操作意识。三、实验对象电气工程及其自动化、自动化、机电一体化等相关专业本科学生。四、实验学时2-3学时（根据实验内容复杂度和学生操作熟练程度调整）五、实验地点电机与电力拖动实验室六、实验原理三相异步电动机是工业生产中最常用的动力设备。其启动过程是指电动机从静止状态加速到稳定运行状态的过程。启动时，若直接将电动机定子绕组接入额定电压的三相交流电源，称为直接启动（全压启动）。直接启动的优点是操作简单、启动迅速，但启动电流很大，通常可达额定电流的4-7倍。过大的启动电流会引起电网电压波动，影响其他用电设备的正常运行，同时也会对电动机本身和机械负载造成较大冲击。因此，对于容量较大的电动机（通常规定，容量大于10kW或容量大于供电变压器容量的20%-30%时），一般不允许直接启动，而需采用降压启动等方法。常用的降压启动方法有星三角（Y-Δ）降压启动和自耦变压器降压启动等。1.直接启动：电动机定子绕组直接接入额定电压的三相电源。启动电流大，启动转矩也较大（相对于降压启动而言）。适用于小容量电动机或电网容量足够大的场合。2.星三角（Y-Δ）降压启动：电动机定子绕组在启动时接成星形（Y），运行时换接成三角形（Δ）。启动时，加在每相绕组上的电压为额定电压的1/√3，启动电流为直接启动时的1/3（理论值），启动转矩也为直接启动时的1/3。这种方法简单经济，但其启动转矩较小，仅适用于正常运行时定子绕组为三角形联结且空载或轻载启动的电动机。3.自耦变压器降压启动：利用自耦变压器将电源电压降低后加到电动机定子绕组上进行启动，启动结束后再将电动机定子绕组换接到额定电压下运行。自耦变压器备有不同的抽头（如常见的65%、80%额定电压抽头），可根据需要选择不同的降压比，以获得不同的启动电流和启动转矩。与星三角启动相比，其启动转矩相对较大，且可调节，但设备成本较高，体积也较大。本实验将通过测量不同启动方式下的启动电流，并结合对电动机启动过程的观察，比较各种启动方法的特点。七、实验设备与器材1.三相异步电动机（笼型，额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、接法等参数需明确标注）2.三相自耦减压启动器（或星三角启动器、综合实验台自带启动控制模块）3.三相交流电源（380V）4.交流电流表（或钳形电流表，量程应能覆盖电动机直接启动电流）三只（或用带三个电流通道的功率表/综合测量仪表）5.交流电压表一只（量程500V）6.转速表（非接触式或接触式）7.秒表8.三相刀闸开关或空气断路器9.热继电器、熔断器等保护电器（根据实验台配置或自行设计）10.导线若干（不同颜色区分相序更佳）11.电工工具（螺丝刀、剥线钳、尖嘴钳等）12.安全警示牌、绝缘手套、绝缘垫（按需配备）八、实验内容与步骤（一）实验前准备与预习1.仔细阅读实验指导书，理解实验目的、原理、步骤及注意事项。2.查阅所用三相异步电动机的铭牌数据，记录其额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、定子绕组接法（Δ或Y/Δ）等关键参数。3.根据电动机额定电流，估算直接启动电流的大致范围，选择合适量程的电流表。4.熟悉实验所用启动设备（星三角启动器或自耦变压器启动器）的结构、接线端子及操作方法。（二）直接启动实验1.接线：*按照电动机铭牌规定的接法（若为Δ接，则直接将三相电源接入电动机定子绕组的三个端子；若为Y/Δ接，且实验要求直接启动，则需确认是否应接成Δ或Y，通常直接启动指在额定电压下启动，即铭牌规定的接法）。*电流表串联在电源进线的每一相上（或使用钳形电流表在启动瞬间测量）。*电压表并联在电动机定子绕组的输入端。*确保控制回路（若有）正确连接，启动按钮、停止按钮功能正常。2.检查：*检查所有接线是否牢固、正确，有无短路、断路隐患。*检查三相电源电压是否正常。*确认电动机转轴转动灵活，无卡阻现象。*将电动机与负载脱开（或连接规定的空载/轻载负载，根据实验要求）。3.启动与测量：*合上电源开关（注意安全，站在绝缘垫上，单手操作）。*按下启动按钮（或直接合上主电路开关，视控制方式而定），使电动机直接启动。*注意观察并记录：*启动瞬间各相电流表的最大读数（启动冲击电流）。*电动机启动过程中的转速变化，用秒表记录从启动到接近额定转速所需的时间（启动时间）。*电动机启动过程中的声音、振动及有无异常现象。*电动机稳定运行后的线电压、线电流。4.停机：按下停止按钮，断开电源开关。5.重复：在确保安全的前提下，可重复直接启动实验1-2次，取数据平均值或观察其一致性。（三）星三角（Y-Δ）降压启动实验1.接线：*确认电动机定子绕组在正常运行时为三角形（Δ）联结。*将电动机定子绕组的六个出线端（通常标记为U1、V1、W1、U2、V2、W2）引出，正确连接到星三角启动器的相应端子上。*启动器的输入端接三相电源，输出端接电动机。*电流表、电压表的连接方式同直接启动实验。2.检查：同直接启动实验的检查步骤，特别注意星三角转换部分的接线是否正确，防止短路。3.启动与测量：*合上电源开关。*操作星三角启动器，先将电动机定子绕组接成星形（Y）启动。*注意观察并记录：*星形启动瞬间各相电流表的最大读数。*待电动机转速上升到一定值（通常通过时间继电器控制或手动判断，约为额定转速的70%-80%），操作启动器将绕组换接成三角形（Δ）运行。*记录从星形启动到切换至三角形运行过程中的电流变化，以及切换瞬间的电流冲击。*用秒表记录整个启动过程（从开始启动到稳定运行）所需的时间。*电动机稳定运行后的线电压、线电流（此时应为额定接法下的运行参数）。*观察启动过程的平滑性及有无异常。4.停机：按下停止按钮，断开电源开关。5.重复：可重复实验1-2次。（四）自耦变压器降压启动实验1.接线：*将三相自耦变压器的输入端接三相电源，输出端接电动机定子绕组（电动机绕组接为额定运行时的接法，通常为Δ或Y）。*确保自耦变压器的抽头选择开关置于某一挡位（如65%或80%额定电压挡，记录所选抽头百分比）。*电流表、电压表的连接方式同前。2.检查：检查接线，特别是自耦变压器的输入输出是否接反，抽头位置是否正确。确认自耦变压器在断电状态下操作。3.启动与测量：*合上电源开关。*先将自耦变压器的手柄（或控制开关）置于“启动”位置（即降压输出），电动机开始启动。*注意观察并记录：*启动瞬间（自耦变压器降压下）各相电流表的最大读数。*待电动机转速接近额定转速时，迅速将自耦变压器手柄（或控制开关）切换至“运行”位置（即全压，短接自耦变压器）。*记录启动时间，以及切换瞬间的电流变化。*电动机稳定运行后的线电压、线电流。*观察启动过程。4.停机：先将自耦变压器手柄（或控制开关）切回“停止”位置，再断开电源开关。5.换抽头重复：若时间允许，可更换自耦变压器的抽头挡位，重复上述启动实验步骤，比较不同抽头下的启动特性。九、实验数据记录与处理1.记录电动机铭牌数据：*型号：_________*额定功率：_________kW*额定电压：_________V*额定电流：_________A*额定转速：_________r/min*额定频率：_________Hz*定子接法：_________*绝缘等级：_________2.实验数据记录表（示例）：启动方式启动电压(相对值或百分比)启动电流(A)(最大值)稳定运行电流(A)启动时间(s)启动过程观察(声音、振动、平滑性等):-------------:-----------------------:--------------------:---------------:-----------:----------------------------------直接启动额定电压(100%)星三角启动1/√3≈57.7%额定电压自耦降压启动抽头1(例如80%)自耦降压启动抽头2(例如65%)*注：启动电流为各相电流的最大值，可记录三相电流值或取其平均值。稳定运行电流为额定电压下运行时的线电流。*3.数据处理与分析：*计算各种启动方式下启动电流与直接启动电流的比值，并与理论值进行比较。*比较各种启动方式的启动时间。*根据启动电流和启动时间，结合启动过程的观察，分析各种启动方式的优缺点及适用场合。十、实验注意事项1.安全第一：严格遵守实验室安全操作规程。实验时必须有指导教师在场。严禁带电接线或拆线。操作高压（380V）设备时，应穿绝缘鞋，必要时戴绝缘手套，站在绝缘垫上，单手操作。2.线路检查：每次接线完毕后，必须仔细检查无误，并经指导教师检查同意后，方可通电。重点检查电源相序、绕组接法、仪表量程及极性等。3.防止过载：电动机启动次数不宜过于频繁，两次启动之间应留有适当时间间隔，以防电动机过热。4.仪表使用：电流表应串联在电路中，电压表应并联在电路中，注意量程选择要合适，避免超量程损坏仪表。5.异常处理：实验过程中，若发现电动机有异常声音、剧烈振动、冒烟、过热，或仪表指针剧烈摆动、超出量程等情况，应立即切断电源，报告指导教师，查明原因并排除故障后方可继续实验。6.规范操作：使用转速表、秒表等工具时，应按照其使用说明正确操作。7.保持整洁：实验台面应保持整洁，导线应排列有序，避免杂乱无章造成安全隐患或误操作。十一、思考题1.三相异步电动机为什么会有较大的启动电流？直接启动有何优缺点？在什么情况下允许直接启动？2.星三角降压启动为什么能降低启动电流？其启动转矩是如何变化的？为什么这种方法只适用于正常运行时为三角形接法的电动机？3.自耦变压器降压启动与星三角降压启动相比，有哪些特点？其抽头百分比是如何影响启动电流和启动转矩的？4.实验中，电动机稳定运行后的电流是否等于其额定电流？为什么？5.除了本实验所涉及的启动方法外，三相异步电动机还有哪些常用的降压启动方法？它们各自的原理和特点是什么？（例如：延边三角形启动、串电阻/电抗降压启动等）6.在你的实验数据中，实测启动电流比值与理论计算值是否完全一致？若有差异，分析可能的原因。十二、实验报告要求1.实验名称、实验日期、班级、学号、姓名、同组实验者、指导教师。2.实验目的与实验原理（简述，鼓励用自己的语言总结）。3.实验设备与器材（列表，含型号规格）。4.实验内容与步骤（简述主要操作过程，可附实验接线图）。5.实验数据记