《电机拖动及控制》-第十一章

第11章电动机及拖动的典型实验

电动机及拖动实验，通过对学生进行实验的基本训练，使学生掌握电动机的基本性能和使用方法，获得实际的操作和测量技能，能够独立地编写实验报告和分析实验结果，对一些简单的实验进行设计，从而加强学生对所学基本理论的认识，启发学生思维，培养学习兴趣，提高分析问题、解决问题和创新能力，为今后从事生产和科研工作打下初步的基础。返回11.1直流电动机及拖动实验

11.1.1并励直流电动机的启动、调速和反转实验目的(1)学习和掌握并励直流电动机的启动方法及启动器的使用。(2)熟悉并掌握调节直流电动机的转速及改变电动机转向的方法。实验内容(1)并励直流电动机的启动。(2)测取并励直流电动机的调速特性。(3)并励直流电动机的反转。预习要点(1)并励直流电动机启动时为什么需将励磁回路串联的电阻Rf短接?(2)并励直流电动机励磁回路为什么不能断路?下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

(3)若将并励电动机所接电源极性对调，能否改变电动机转向?4.原理简述启动性能和调速性能是电动机的两个主要指标。启动时要求启动转矩大，以缩短启动时间，因而要求有足够大的启动转矩式中，Ist为启动电流。而在启动瞬间，Ea=Ceφn=0,Ist=UN/Ra很大，不利于电动机换向，过大的转矩和加速度使传动机构受到很大的冲击力，并引起较大的线路压降，因而对启动电流必须给予限制。通常采用降压启动和电枢回路串接电阻启动。降压启动只有是专用电源时才能采用，而串接电阻启动常将启动电流限制在((l.5-v2)IN.上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

由n=(U-RaIa)/Ceφ可知，直流电动机的调速方法有3种:改变电枢回路的串联电阻，使转速下降;减弱每极磁通使转速上升;降低电源电压使转速下降。前两种属于改变电动机回路的参数，而后一种是改变电源供电的条件。电动机的转向决定于电磁转矩的方向，而Tem=CTφIa，要改变电磁转矩的方向，只要改变磁通或电枢电流的方向即可。因此，改变直流电动机方向的方法有两种:一种是保持电动机电枢电压的极性不变，将励磁绕组反接，即改变励磁电流的方向，从而改变磁通的方向;另一种是保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，从而改变电枢电流的方向。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

5.实验步骤和方法

1)并励直流电动机的启动并励直流电动机可以采用三点或四点启动变阻器启动，其接线图如图11-1和图11一2所示。根据具体条件，可自绘实验线路图进行接线。在电动机启动前，应保证启动器手柄处于零位，即具有最大电阻值的位置。将励磁回路串联的电阻Rf短接，以保证启动时励磁磁场最强。在接线时，注意励磁电路不能错接或断路，以防止在此种情况下启动电动机而出现转速过高或电流过大。闭合电源开关Q，然后缓慢地移动启动器手柄，逐步减少启动电阻，使电动机启动，观察电动机转速的变化和电压表的变化情况。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

2)并励电动机的调速

(1)改变电枢电路电阻调速启动电动机，在电枢回路所串电阻为零时，调节励磁电阻，使电动机的转速n=nN，然后增加电枢回路电阻R，使转速n下降，直至n=nN/3时为止，测量转速、电枢两端电压值(5~7)组，记录于表11一1中。

(2)改变励磁电流调速。缓慢增加励磁回路电阻Rf，因为励磁电流If的微小变化将会引起n较大变化。随着励磁电流的减小，电动机的转速逐步升高，直至n=1.2nN时为止，读取励磁电流及转速值(5~7)组，记录于表11-2中。注意由于电磁惯性和机械惯性，每次调速要在达到新的稳定值后才能读数。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

3)并励直流电动机的反转

(1)切断电源，在励磁绕组接法不变的情况下，将电枢绕组两端反接，然后重新启动电动机，观察电动机的旋转方向。

(2)切断电源，在电枢绕组接法不变的情况下，将励磁绕组反接，然后重新启动电动机，观察电动机的旋转方向。

(3)切断电源，将电枢绕组和励磁绕组同时反接，即改变电源的极性，然后重新启动电动机，观察电动机的旋转方向。6.实验报告(1)用改变电枢电路电阻调速所测得的数据绘制n=f(Ua)曲线。(2)用改变励磁电路电阻调速所测得的数据绘制n=f(If)曲线。(3)总结并励直流电动机反转的方法。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

11.1.2他励直流电动机在各种运行状态下的机械特性1.实验目的(1)掌握他励直流电动机的固有及人为机械特性的测定方法。(2)熟悉他励直流电动机各种运行状态下的机械特性。2.实验内容(1)测定他励直流电动机固有机械特性和人为机械特性。(2)测定回馈制动状态下的机械特性。(3)测定能耗制动下的机械特性。(4)测定反接制动下的机械特性。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

3.预习要点

(1)制定测定他励直流电动机的额定励磁电流的实验步骤。

(2)反接制动时被试电动机的电枢回路为什么必须串入较大的附加电阻。

(3)比较改变电枢电阻、电源电压和励磁电流时他励直流电动机的人为机械特性的区别。4.原理简述他励直流电动机的机械特性，n=f(Tem),可由特性方程n=U/(Ceφ)-[R/(CeCTφ2)]Tem得到，由于Tem=CTφIa,故可用n=U/(Ceφ)-[R/(Ceφ)]Ia表示。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

当电枢回路没有串入附加电阻，电动机的工作电压和磁通均为额定值时的机械特性，称为固有机械特性。电枢回路串入电阻、降低电源电压或减弱磁通都可以得到不同的人为机械特性。直流电动机除运行于电动机状态之外，还可以运行于制动状态，其特点是电动机产生的电磁转矩Tem与转速n的方向相反，即电磁转矩为制动转动。直流电动机的制动状态依据外部条件的不同而有3种，即回馈制动、能耗制动与反接制动。电动机工作于不同的制动运行状态有不同的人为机械特性。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

5.实验步骤与方法本实验采用一台直流发电机作为负载，利用其工作在不同的运行状态，来测定他励直流电动机在各种运行状态下的机械特性。

(1)他励直流电动机固有特性的测定按图11-3接线，经检查无误后进行实验。将负载发电机励磁回路电阻Rf2和电枢回路的串联电阻Rs2置于阻值最大位置，电动机按启动要求启动。切除启动电阻后，调节励磁电流达到额定值，电动机转速上升至稳定值。调节发电机的励磁电流，使负载发电机端电压为额定电压。将开关Q4合至短路侧，逐渐调节发电机的负载电流至额定值，读取被试电动机电枢电流I、转速n和负载发电机电压UG电枢电流IG的数据5或6组，记录于表11-3.上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

(2)人为机械特性的测定If=IfN①电枢串入电阻时的人为机械特性测定调节被试电动机M电枢回路的附加电阻Rst为某一定值，保持电源电压U=UN，励磁电流If=IfN不变，按上述方法进行实验。逐次调节发电机G的负载电流至额定值，共读取5或6组数据，记录于表11-3中。②改变电枢电压时的人为机械特性测定。调节电枢电路的串联电阻Rst，使被试电动机M的电枢电压为某一定值(如U=0.8UN)，保持励磁电流If=IfN不变，按上述相同方法进行实验，共读取5或6组数据，记录于表11-3中。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

③改变励磁电流时的人为机械特性测定。调节励磁回路所串入电阻，使被试电动机M的励磁电流为小于额定励磁电流的某一定值(如If=0.8IfN)，电源电压U=UN不变，仍按上述相同方法进行实验，共读取5或6组数据，记录于表11一3中。

(3)回馈制动状态下机械特性的测定。按启动要求启动被试电动机M，将负载发电机U调至额定励磁后“正向”投入电网，即负载发电机也做电动机运行，且转向与被试电动机相同。减小负载发电机的励磁电流，使其理想空载转速升高，同时减小电枢串联电阻Rs2，以减小负载发电机电动运行时机械特性的斜率，即可使机组的转速超过被试电动机M的理想空载转速，使之进入回馈制动状态。逐次调节负载发电机的电枢串联电阻Rs2，共读取5或6组数据，记录于表11一3中。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

(4)能耗制动状态下机械特性的测定。将被试电动机M和负载发电机G的励磁电流分别调至额定值，“正向”启动负载发电机，负载发电机做“正向”电动机运行。在Rs1为较大值时将开关Q5投向短路侧，则被试电动机进人能耗制动状态。逐次调大负载发电机的电枢串联电阻Rs2，读取5或6组数据，记录于表11-3中。

(5)反接制动状态下机械特性的测定。将被试电动机M和负载发电机G的励磁电流分别调至额定值。启动被试电动机，确保电枢回路已串入较大的附加电阻Rs1.

将负载发电机电枢回路串入较大的附加电阻Rs2，并“反向”投人电网，负载发电机做“反向”电动机运行。上一页下一页返回11.1直流电动机及拖动实验

逐步减小负载发电机电枢串联电阻Rs2，机组将“正向”旋转，而转速逐渐下降，过零后而进入“反向”旋转，转速在反方向上逐步上升。此时，被试电动机便进入反接制动状态。6.实验报告

(1)根据实验数据计算并用坐标纸绘制他励直流电动机在各种运行状态下的机械特性。

(2)计算电动机的固有机械特性并与实验结果相比较。上一页返回11.2变压器实验

变压器实验内容主要有空载、短路及负载实验。1.实验目的(1)通过空载和短路实验确定变压器的参数。(2)通过负载实验测定变压器的运行特性。2.实验内容(1)变压器的空载实验。(2)变压器的短路实验。(3)变压器的负载实验。3.预习要点(1)在变压器空载和短路实验中，各种仪表怎样连接才能使测量误差最小。下一页返回11.2变压器实验

(2)变压器的空载实验，测空载损耗为什么必须用低功率因数功率表。(3)变压器空载及短路实验时应注意哪些问题，一般电源接在低压边还是高压边比较合适。4.原理简述变压器空载时，流入一次侧的电流称为空载电流I0，其主要作用是起励磁作用建立主磁场，另外还需供给铁心损耗。故i0可表示为I0=I0a+I0r，据此可以导出变压器空载时的等效电路和励磁参数rm+jxm。此参数可通过空载实验求取，即P0=PFe=rmI02及U1≈E1=，为了便于测量和安全，空载实验一般在低压侧接电源，高压侧开路。上一页下一页返回11.2变压器实验

变压器的短路实验一般在高压侧接电源而低压侧短路。为限制短路电流，外施电压一般为额定电压的4%~10%，因而铁心中主磁通很小，I0很小，故可忽略励磁支路，等效电路则表现为一、二次侧支路的串联，短路电流受rs=r1+r2'和xs=x1+x2'限制。故短路参数可通过短路实验来测取，即Ps≈Pcu=rsIs2,。据此得到的短路电阻rs和短路阻抗均应换算到75℃时的数值。变压器的运行特性有两条，即外特性和效率特性。外特性是指一次侧电压和负载功率因数cosψ2不变时，二次侧电压与负载电流的变化关系U2=f(I2)，体现外特性的特性指标是电压变化率，它反映了供电电压的稳定性。影响变压器二次侧电压的因素有变压器的短路参数、负载大小及负载的性质。上一页下一页返回11.2变压器实验

效率特性是指在cosψ2不变时，变压器的效率随负载电流的变化曲线，即η=f(I2)。变压器的损耗分铜损耗和铁损耗两种:铜损耗与负载电流的平方成正比，因而称为可变损耗;而铁损耗在电源电压和频率不变时为常数，也称不变损耗。不变损耗与可变损耗相等时，变压器有最大效率。变压器的外特性和效率特性可以用直接负载法测定，也可以用间接法即空载、短路实验来间接地求取。由于变压器的效率很高，工程上常采用间接法。5.实验步骤和方法上一页下一页返回11.2变压器实验

1)测定绝缘电阻用兆欧表分别检查变压器高、低压绕组之间和对地之间冷态绝缘电阻值，将数据填入表11一4中。

2)测定电压比接线图如图11-4所示。闭合电源开关Q，将调压器的输出电压从低压绕组额定电压的50%左右开始调至UN范围内，对应不同的输入电压，测量低压绕组电压和高压绕组电压共3组数据，记录于表11-5中，分别计算电压比，取其平均值。3)空载实验空载实验的接线图如图11-5所示。由于空载时变压器的功率因数甚上一页下一页返回11.2变压器实验

低，一般在0.2以下，因此应选用低功率因数功率表测量功率，以减少测量误差。又因为变压器空载阻抗很大，故电压表应接在电流表的外侧，以免由于电压表分流引起误差。为保护仪表，将调压器调至起始位置时合上开关Q，调节电压至1.2UN，然后逐次降压，在((1.2~0.5)UN，每次测量U0、I0和P0，共读取6或7组数据(包括U0=UN点)，记录于表11一6中。

4)短路实验短路实验接线图如图11-6所示。由于短路阻抗很小，故电流表应接在电压表的外侧，以免由于电流表的内阻压降引起误差。短路时的功率因数较高，故不必采用低功率因数功率表。上一页下一页返回11.2变压器实验

通电前，必须将调压器调至输出电压为零的起始位置，然后合上开关Q，调节输出电压，使短路电流升至1.2IN，随后逐步降压，在((1.2~0.5)IN，测量Us,Is和Ps，共测取4或5组数据(包括Is-IN点)，并测量周围的环境温度，记录于表11-7中。实验的时间不宜过长，以免变压器的绕组发热引起电阻增大。

5)负载试验负载实验线路如图11-7所示。将调压器置于起始位置，并且将负载电阻置于最大值位置。合上开关Q1，调节调压器使U1=U1N。合上开关Q2，减小负载电阻，增大负载电流，从空载到额定负载，共测6或7组数据(包括I1=I2N)，记录于表11一8中。上一页下一页返回11.2变压器实验

若需要进行功率因数为一定值的负载实验，实验方法和线路与纯电阻性负载相同，此时负载可采用可变电抗器与电阻并联(或串联)组成感性负载，并在变压器二次侧输出端接一功率因数表监视负载的功率因数。6.实验报告(1)由测定的绝缘电阻值判定变压器的绝缘性能。(2)计算变压器电压变比的平均值作为受试变压器的变比。

(3)根据空载实验数据，用坐标纸幽出空载特性曲线U0=f(0),P0=f(I0)并查出额定电压UIN时的I0

、P0，由此计算折合到高压侧的励磁参数。

(4)根据短路实验数据，用坐标纸u出短路特性曲线Us=f(Is),Ps=f(Is),并求出换算到工作温度时的短路参数。上一页下一页返回11.2变压器实验

(5)根据负载试验数据，用坐标纸画出受试变压器的外特性U2=f(I2)和效率特性η=f(P2)曲线。

(6)分别用直接法和间接法求受试变压器的电压变化率△U和效率η，并对结果进行比较。上一页返回11.3交流异步电动机及拖动实验

三相异步电动机的启动和调速实验如下。1.实验目的(1)通过实验熟悉异步电动机的启动设备和启动方法。(2)熟悉异步电动机的调速原理和调速方法。2.实验内容(1)笼型异步电动机的启动。(2)绕线转子异步电动机的启动。(3)异步电动机的调速。3.预习要点(1)为什么笼型异步电动机降压启动不适用于重载启动。(2)绕线转子异步电动机所串接电阻的大小对启动转矩有什么影响。下一页返回11.3交流异步电动机及拖动实验

(3)异步电动机的调速原理。4.原理简述异步电动机启动电流为额定电流的4~7倍，为限制启动电流对电网的冲击，笼型异步电动机通常采用降压启动，如丫△降压启动和自藕变压器降压启动。由于降压启动在限制启动电流的同时，也降低了启动转矩，故只适用于对启动转矩要求不高的场合。绕线转子异步电动机转子回路串入电阻既可以降低启动电流，又可以提高启动转矩，这是绕线型异步电动机的一大特点。异步电动机的调速，从转速关系式n=60f1/p(1-s)可知，调速方法有以下3种。上一页下一页返回11.3交流异步电动机及拖动实验

(1)变极调速。只适用于定子绕组经特定设计的双速或多速笼型异步电动机。对双速电动机，一种为星形改接为双星形，适用于恒转矩负载;另一种为三角形改接为双星形，适用于恒功率负载。一般对倍极比变速，绕组的相序将发生变化，为保持原转向不变，须对调两相电源接线。变极调速，平滑性差，稳定性较好。

(2)变频调速。需要一套变频电源。如选择恒转矩调速，保持电压和频率比不变，即U1/f1=常数，同时又满足了φm=常数的要求。变频调速J隆能较好，调速范围大，平滑性好，投资较高。

(3)变滑差调速。绕线转子异步电动机转子回路串入电阻属于变滑差调速的方法之一。串入电阻后改变了电动机的机械特性。转子串接的电阻越大，特性越软。此种方法调速范围不大，属于恒转矩调速。上一页下一页返回11.3交流异步电动机及拖动实验

5.实验步骤和方法

(1)直接启动，按图11-8接线。开关Q2向上闭合，然后闭合电源开关Q1，读取瞬时启动电流数值，记录于表11一9中。

(2)Y-△启动，仍按图11-8接线。先将开关Q2向下闭合，定子绕组为星形联结，然后闭合电源开关Q1，读取启动电流数值，记录于表11-9中。待电动机转速稳定后，将开关Q2拉开，并迅速向上闭合，定子绕组换接成三角形联结，电动机转入正常运行壮态。

(3)自藕变压器启动选用启动补偿器，按图11-9接线。抽头电压选60%电源电压。先合上电源开关Q1，然后将启动补偿器的手柄扳至上一页下一页返回11.3交流异步电动机及拖动实验

“启动”位置，此时电动机由自藕变压器供给低电压启动。读取启动电流数值，记录于表11-9中。待电动机转速稳定后，将手柄从“启动”位置拉开，并迅速合至“运行”位置，电动机启动过程结束。

(4)绕线转子异步电动机启动按图11-10接线。先将启动变阻器手柄置于阻值最大位置，然后合上电源开关印启动电动机