《电机与拖动基础》实验教案要点

实验一  直流电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流他励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流他励电动机的调速方法。 二.实验内容 1.工作特性和机械特性的测定 保持U=UN 和If =IfN 不变，测取n、T2 、n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性的测定 (1)改变电枢电压调速 保持U=UN 、If=IfN =常数，T2 =常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速 保持U=UN，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(If)。 三.实验原理及实验方法 （一）直流电动机的工作特性和机械特性的测定 1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 直流电动机的工作特性是指端电压为额定电压，电枢回路无外串电阻，励磁电流为额定励磁电流时，电动机的转速n、电磁转矩TEM效率η与输出功率之间的关系，即n、T2 、n=f(Ia)。 直流电动机的机械特性是指电动机的、电磁转矩TEM与电动机的转速n之间的关系，即n=f(Tem)。 2.实验接线 图1-1 直流他励电动机实验接线图 3.实验方法 （1）直流电机起动 将电枢回路电阻R1调至最大，励磁回路电阻Rf调至最小，将MEL-13“转速控制”和“转矩控制”选择开关板向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针旋到底，即使电动机轻载或空载起动。 （2）电动机转速方向 观察MEL-13上转速显示屏，看电动机是否正转。若电动机反转，应改变电枢电源电压的极性或改变励磁电源电压极性。 （3）工作特性曲线和机械特性曲线的测定 ①电动机的额定状态的调试 直流电机正常起动后，将电枢串联电阻R1调至零，调节直流可调稳压电源的输出至220V，再分别调节磁场调节电阻Rf和“转矩设定”电位器，使电动机达到额定值：U=UN=220V，Ia=IN，n=nN=1600r/min，此时直流电机的励磁电流If=IfN（额定励磁电流）。 ②工作特性曲线和机械特性曲线的测定 保持U=UN，If=IfN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即逆时针调节“转矩设定”电位器，测取电动机电枢电流Ia、转速n和转矩T2，共取数据7-8组。 （二）直流电动机调速特性的测定 1.直流电动机调速原理是什么？调速方法有哪些？ 根据电动机的转速达式n=(U-IR)/CeΦ，其中电枢电流I主要是由负载决定，因此只要改变该表达式中的参数U、R、Φ三个参数，就可以改变电动机的转速，相应就有三种调速方法：降低电源电压调速、电枢回路串电阻调速和弱磁调速。 2.实验方法 （1）降低电源电压调速 按上述方法起动直流电机后，将电阻R1调至零，并同时调节负载，电枢电压和磁场调节电阻Rf，使电机的U=UN，Ia=0.5IN，If=IfN，此时的T2。 保持T2不变，If=IfN不变，逐次增加R1的阻值，即降低电枢两端的电压Ua，R1从零调至最大值，每次测取电动机的端电压Ua，转速n和电枢电流Ia，共取7-8组数据。 （2）弱磁调速 直流电动机起动后，将电枢调节电阻和磁场调节电阻Rf调至零，调节可调直流电源的输出为220V，调节“转矩设定”电位器，使电动机的U=UN，Ia=0.5IN，记录此时的T2。 保持T2和U=UN不变，逐次增加磁场电阻Rf阻值，直至n=1.3nN(或Rf阻值最大)，每次测取电动机的n、If和Ia，共取7-8组数据。 四．实验要求 1.由表1-1计算出 P2和η，并绘出n、T2、η=f(Ia)及n=f(T2)的特性曲线。 电动机输出功率：P2=0.105nT2 电动机输入功率：P1=UI 电动机效率：η= ×100％ 电动机输入电流：I =Ia +IfN 由工作特性求出转速变化率：Δn= ×100％ 2.绘出他励电动机调速特性曲线n=f(Ua)和n=f(If)。分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。 实验二  单相变压器 一．实验目的 1.通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数。 二．实验内容 1.空载实验  测取空载特性UO=f(IO)，PO=f(UO)。 2.短路实验  测取短路特性UK=f(IK)，PK=f(IK)。 三.实验原理 所谓空载是指变压器的一个绕组加上交流电压，另一个绕组开路。从空载实验可以测定变压器的变比K、铁耗pFe以及等效电路中的励磁阻抗Zm。空载实验在变压器的一次侧、二次侧都可以进行，通常为了安全起见，一般在低压侧进行。不过要将低压侧所测得的Zm标在高压侧的等效电路中，还必须归算到高压侧，即乘以变比K的平方。 所谓短路是指变压器的一个绕组加上交流电压，另一个绕组短路。为了便于测量，一般在高压侧加电压，低压侧开路。 四．实验步骤 （一）空载实验 断开电源，按实验线路图2-1接线 图2-1 单相变压器空载实验接线图 变压器T选用MEL-01三相组式变压器中的一只或单独的组式变压器。实验时，变压器低压线圈2U1（a）、2U2（x）接电源，高压线圈1U1（A）、1U2（X）开路。 A、V1、V2分别为交流电流表、交流电压表，W为功率表。 经老师检查无误后，按以下步骤操作： a．在三相交流电源断电的条件下，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。 变压器T额定容量PN=77W，U1N/U2N=220V/55V，I1N/I2N=0.35A/1.4A 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=1.2UN c．然后，逐次降低电源电压，在1.2~0.5UN的范围内；测取变压器的U0、I0、P0，共取6~7组数据，记录于表2-1中。其中U=UN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UN以下测取原方电压的同时测取副方电压，。 e．测量数据以后，断开三相电源，以便为下次实验作好准备。 （二）短路实验 断开电源，按实验线路图2-2接线 图2-2 单相变压器短路实验接线图 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。 经老师检查无误后，按以下步骤操作： a．断开三相交流电源，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即使输出电压为零。 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1.1IN为止。在0.5~1.1IN范围内测取变压器的UK、IK、PK，共取6~7组数据，其中I=IK的点必测。并记录实验时周围环境温度（℃）。 五．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。 为了降低测量的误差，空载和短路实验中，各种仪表的接法不一样。因为空载实验时，二次侧开路，二次电流很小，使得一次电流也很小，为减小误差，安培表靠近绕组。在短路实验中 ，二次侧短路，电压很小，电压表靠近绕组。 2.短路实验操作要快，否则线圈发热会引起电阻变化。 3.短路实验时，因为二次侧短路，在一次侧加额定电压是不允许的，否则会导致一次、二次电流过大，烧毁绕组。因而短路实验时，在一次侧所加的电压必须降低，通常使一次、二次电流达到额定值为止。这时一次侧所加的电压约为其额定电压的5﹪-10﹪。 六．实验要求 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=U1U11U2／U2U12U2 2.绘出空载特性曲线和计算励磁参数 (1)绘出空载特性曲线UO=f(IO)，PO=f(UO)， =f(UO)。 式中： (2)计算励磁参数 从空载特性曲线上查出对应于Uo=UN时的IO和PO值，并由下式算出激磁参数 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UK=f(IK)、PK=f(IK)、 =f(IK)。 （2）计算短路参数。 从短路特性曲线上查出对应于短路电流IK=IN时的UK和PK 值，由下式算出实验环境 温度为θ（OC）短路参数。 折算到低压方            , , 由于短路电阻rK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75OC时的阻值。        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 IK = IN时的短路损耗 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“Γ”型等效电路。 实验三  三相变压器 一.实验目的 1.掌握用实验方法测定三相变压器的极性。 2.掌握用实验方法判别变压器的联接组。 二.实验项目 1.测定极性 2.连接并判定以下联接组 (1)Y／Y-12 (2)Y／Y-6 (3)Y／Δ-11 (4)Y／Δ-5 三.实验原理 三相变压器绕组的联结不仅仅是组成电路系统的问题，而且关系到变压器电磁量中的谐波问题，以及如并联运行等一些运行问题。对于三相变压器的联结组别，一般采用“时钟表示法”来判别，具体步骤：（1）在三相变压器的高低压绕组接线图上标出各相电动势和线电动势。（2）画出高压绕组的电动势相量图。（3）将A与a重合，根据同一接线柱上高低压绕组的相位关系，画出低压绕组电动势相量图。（4）根据线电动势EAB和线电动势Eab的相位关系，采用“时钟表示法”来判别三相变压器的联结组别。 四．实验方法 1.测定原、副方极性 图3-1 测定原副方极性接线图 a．暂时标出三相低压绕组的标记2U1(a)、2V1(b)、2W1(c)、2U2(x)、2V2(y)、2W2(z)，然后按照图3-1接线。原、副方中点用导线相连。 b．高压三相绕组施加约50%的额定电压，测出电压U1U11U2 (UAX) 、U1V11V2(UBY) 、U1W11W2(UCZ) 、U2U12U2(Uax)、U2V12V2(Uby)、U2W12W2(Ucz)、U1U12U1(UAa)、U1V12V1(UBb)、U2W12W1(UCc),若U1U12U1=U1U11U2-U2U12U2(UAa=UAX-Uax),则U相高、低压绕组同柱，并且首端1U1(A)与2U1(a)点为同极性；U1U12U1=U1U11U2 +U2U12U2(UAa=UAX +Uax),则1U1(A)与2U1(a)端点为异极性。 c．用同样的方法判别出1V1(B)、1W1(C)两相原、副方的极性。高低压三相绕组的极性确定后，根据要求连接出不同的联接组。 2.检验联接组 (1)Y／Y-12 按照图3－2接线。1U1(A)、2U1(a)两端点用导线联接，在高压方施加三相对称的电压(220V)，测出U1U11V1(UAB)、U2U12V1(Uab)、U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)。 图3－2  Y／Y-12联接组 根据Y／Y-12联接组的电动势相量图可知： ； ； ； ； ； ； 若用两式计算出的电压U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)的数值与实验测取的数值相同，则表示线图连接正常，属Y／Y-12联接组。 (2)Y／Y-6 将Y／Y-12联接组的副方绕组首、末端标记对调，1U1(A)、2U1(a)两点用导线相联，如图3-3所示。 按前面方法测出电压U1U11V1(UAB)、U2U12V1(Uab)、U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)。 根据Y／Y-6联接组的电动势相量图可得 ； ； ； ； 若由上两式计算出电压U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)的数值与实测相同，则线圈连接正确，属于Y／Y-6联接组。 图3－3  Y／Y-6联接组 (3)Y／Δ-11 按图3-4接线。1U1(A)、2U1(a)两端点用导线相连，高压方施加对称电压(220V)，测取U1U11V1(UAB)、U2U12V1(Uab)、U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)。 根据Y／Δ-11联接组的电动势相量可得 ； ； 若由上式计算出的电压U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)的数值与实测值相同，则线圈连接正确，属Y／Δ-11联接组。 图3－4  Y／Δ-11联接组 (4)Y／Δ-5 将Y／Δ-11联接组的副方线圈首、末端的标记对调，如图3-5 所示。实验方法同前，测取U1U11V1(UAB)、U2U12V1(Uab)、U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)。 根据Y／Δ-5联接组的电动势相量图可得 ； ； 若由上式计算出的电压U1V12V1(UBb)、U1W12W1(UCc)及U1V12W1(UBc)的数值与实测值相同，则线圈联接正确，属于Y／Δ-5联接组。 图3－5  Y／Δ-5联接组 五．实验报告要求 1.计算出不同联接组时的U1V12V1、U1W12W1、U1V12W1的数值与实测值进行比较，判别绕组连接是否正确。 2.在实验过程中若出现三相不平衡时，实验结果会受到影响吗？为什么？ 3.记录实验过程中出现的问题并阐述其解决办法。 实验四  三相异步电机的M-S曲线测绘 一．实验目的 用本电机教学实验台的测功机转速闭环功能测绘各种异步电机的转矩~转差曲线，并加以比较。 二．实验项目 1．鼠笼式异步电机的M-S曲线测绘测。 2．绕线式异步电动机的M-S曲线测绘。 三．实验原理 异步电机的机械特性的图6-1所示。 在某一转差率Sm时，转矩有一最大值Tm，称为异步电机的最大转矩，Sm称为临界转差率。Tm是异步电动机可能产生的最大转矩。如果负载转矩Tz＞Tm，电动机将承担不了而停转。起动转矩Tst是异步电动机接至电源开始起动时的电磁转矩，此时S=1（n=0）。对于绕线式转子异步电动机，转子绕组串联附加电阻，便能改变Tst，从而可改变起动特性。 异步电动机的机械特性可视为两部分组成，即当负载功率转矩Tz≤TN时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分，又可称为工作部分，因电动机不论带何种负载均能稳定运行；当S≥Sm时，机械特性为一曲线，称为机械特性的曲线部分，对恒转矩负载或恒功率负载而言，因为电动机这一特性段与这类负载转矩特性的配合，使电机不能稳定运行，而对于通风机负载，则在这一特性段上却能稳定工作。 在本实验系统中，通过对电机的转速进行检测，动态调节施加于电机的转矩，产生随着电机转速的下降，转矩随之下降的负载，使电机稳定地运行了机械特性的曲线部分。通过读取不同转速下的转矩，可描绘出不同电机的M-S曲线。 图6－1 异步电机的机械特性      图6－2 鼠笼式异步电机的M-S曲线测绘接线图 四．实验方法 1．鼠笼式异步电机的M-S曲线测绘 被试电机为三相鼠笼式异步电动机M04，Y接法。 G为涡流测功机，与M04电机同轴安装。 断开电源，按实验线路图6－2接线，其中电压表采用指针式或数字式均可，量程选用300V档，电流表采用数字式，可选0.75A量程档。 起动电机前，将三相调压器旋钮逆时针调到底，并将MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关扳向“转速控制”，并将“转速设定”调节旋钮顺时针调到底。 经老师检查无误后，按以下步骤操作： （1）按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出调节旋钮，使电压输出为220V，起动交流电机。观察电机的旋转方向，是之符合要求。 注：①异步电动机在起动过程中若发生一相断线，则电动机不能起动；在运行过程中若出现一相断线，则电动机就会旋转而不停止；所以在实验过程中必须保证三相电源接线的正确性。 ②若电机旋转方向不符合要求，应改变定子电源的相序，即任意调换三相中的两相接线，就可以改变电动机的转向。 （2）逆时针缓慢调节“转速设定”电位器经过一段时间的延时后，M04电机的负载将随之增加，其转速下降，继续调节该电位器旋钮电机由空载逐渐下降到200转/分左右（注意：转速低于200转/分时，有可能造成电机转速不稳定。） （3）在空载转速至200转/分范围内，测取8-9组数据，其中在最大转矩附近多测几点，填入表6-1。 表6-1        UN=220V        Y接法 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min）                   转矩（N.m）                                       （4）当电机转速下降到200转/分时，顺时针回调“转速设定”旋钮，转速开始上升，直到升到空载转速为止，在这范围内，读出8-9组异步电机的转矩T，转速n，填入表6-2。 表6-2        UN=220V        Y接法 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min）                   转矩（N.m）                                       注：电动机的降速特性和升速特性曲线不重合，主要在于随着电动机长时间的工作，绕组的阻抗随温度的升高而增大的缘故。 2．绕线式异步电动机的M-S曲线测绘 被试电机采用三相绕线式异步电动机M09，Y接法。 断开电源，按实验线路图6-3接线，电压表和电流表的选择同前，转子调节电阻采用MEL-04中两只90Ω电阻相并联（最大值为45Ω）。MEL-13的开关和旋钮的设置同前，调压器退至零位。 经老师检查无误后，按以下步骤操作： （1）绕线电机的转子调节电阻调到零（三只旋钮顺时针到底），顺时针调节调压器旋钮，使电压升至180V，电机开始起动至空载转速。逆时针调节“转速设定”旋钮，M09 图6－3 绕线式异步电机的M-S曲线测绘接线图 的负载随之增加，电机转速开始下降，继续逆时针调节该旋钮，电机转速下降至200转/分左右。在空载转速至200转/分范围时，读取8-9组绕线电机转矩T、转速n记录于表6-3。 表6-3        U=180V        Y接法        RS=0Ω 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min）                   转矩（N.m）                                       （2）绕线电机的转子调节电阻调到2Ω（断开电源，用万用表测量，三相需对称），重复以上步骤，记录相关数据。 表6-4        U=180V        Y接法        RS=2Ω 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min）                   转矩（N.m）                                       （3）绕线电机的转子调节电阻调到5Ω（断开电源，用万用表测量，三相需对称），重复以上步骤，记录相关数据。 表6-5        U=180V      Y接法        RS=5Ω 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min）                   转矩（N.m）                                       五．实验报告要求 1．在方格纸上，逐点绘出各种电机的转矩、转速，并进行拟合，作出被试电机的M-S曲线。 2．对这些电机的特性作一比较和评价。 实验五  三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性 一．实验目的 了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。 二．实验项目 1．测定三相绕线式异步电动机在电动运行状态和再生发电制功状态下机械特性。 2．测定三相绕线式异步电动机在反接制动运行状态下的机械特性。 三.实验原理 三相异步电动机有两种运行状态，即电动运行状态和制动运行状态。电动机的电磁转矩T与电动机转速n同向，称为电动运行状态，其特性曲线分布在Ⅰ、Ⅲ象限。电动机的电磁转矩T与电动机转速n反向，称为制动运行状态，其特性曲线分布在Ⅱ、Ⅳ象限。 三相异步电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。能耗制动方法是在制动时将电动机定子电源切除，并将一直流电源接入。反接制动又分为电源反接制动和倒拉反接制动两种，其中电源反接制动是制动时将三相电源任意两相反接，倒拉反接制动是在转子回路中串一较大电阻，保证制动曲线于负载转矩曲线交于第四相限的一点。回馈制动当电动机带位能性负载下降时可能出现，或当电动机变极调速或变频调速时出现。三种制动方法中反接制动很难保证准确停车，而回馈制动虽然是一种比较经济的制动方法，但电动机都运行于转速高于同步转速的状态，能耗制动相对来说是一种比较实用的方法，能够实现准确停车。 四．实验方法及步骤 实验线路如图5-1。 M为三相绕线式异步电动机；G为直流并励电动机M03（作他励接法）； RS选用MEL-04上的三组90Ω电阻或D41上的90Ω三组电阻； R1选用675Ω电阻（MEL-03中，450Ω电阻和225Ω电阻相串联），或选用D44上的180Ω加上D42上的四只900Ω串联加两只900Ω并联共4230Ω阻值； Rf选用3000Ω磁场调节电阻或D44上的1800Ω电阻； V2、A2、mA分别为直流电压、电流、毫安表，V1、A1、W1、W2为交流、电压、电流、功率表； S1选用是双刀双掷开关 1．测定三相绕线式异步电机电动及再发电制动机械特性 仪表量程及开关、电阻的选择： （1）V2的量程为300V档，mA的量程为200mA档，A2的量程为2A档。 （2）RS阻值调至零，R1、Rf阻值调至最大。 （3）开关S1合向“2”端。 （4）三相调压旋钮逆时针到底，直流电机励磁电源开关和220V直流稳压电源开关在断开位置。并且直流稳压电源调节旋扭逆时针到底，使电压输出最小。 经老师检查无误后，按以下步骤操作： （1）接下绿色“闭合”按钮开关，接通三相交流电源，调节三相交流电压输出为180V（注意观察电机转向是否符合要求），并在以后的实验中保持不变。 图5－1 绕线式异步电动机机械特性测定接线图 （2）接通直流电机励磁电源，调节Rf阻值使If=95mA并保持不变。接通可调直流稳压电源的开关，在开关S1的“2”端测量电机G的输出电压极性，先使其极性与S1开关“1”端的电枢电源相反。在R1为最大值的条件下，将S1合向“1”端。 （3）调节直流稳压电源和R1的阻值（对于R1选用675Ω电阻，先调节R1中的450Ω电阻，当减到0时，用导线短接，再调节225Ω电阻，同时调节直流稳压电源），使电动机从堵转（约200转左右）到接近于空载状态，其间测取电机G的Ua、Ia、n及电动机M的交流电流表A、功率表PI、PII的读数。共取8-9组数据。 （4）当电动机M接近空载而转速不能调高时，将S1含向“2”位置，调换发电机G的电枢极性使其与“直流稳压电源”同极性。调节直流电源使其G的电压值接近相等，将S1合至“1”端，减小R1阻值直至为零（用导线短接900Ω相串联的电阻）。 （5）升高直流电源电压，使电动机M的转速上升，当电机转速为同步转速时，异步电机功率接近于0，继续调高电枢电压，则异步电机从第一象限进入第二象限再生发电制动状态，直至异步电机M的电流接近额定值，测取电动机M的定子电流I1、功率PI、PII，转速n和发电机G的电枢电流Ia，电压Ua。 2．电动及反接制动运行状态下的机械特性 在断电的条件下，把RS的三只可调电阻调至90Ω，折除R1的短接导线，并调至最大2250欧，直流发电机G接到S1上的两个接线端对调，使直流发电机输出电压极性和“直流稳压电源”极性相反，开关S1合向“2”，逆时针调节可调直流稳压电源调节旋钮到底。 （1）按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出为200伏，合上励磁电源开关，调节Rf的阻值，使If=95mA。 （2）按下直流稳压电源的开关和复位按钮，起动直流电源，开关S1合向“1”，让异步电机M带上负载运行，减小R1阻值（先减小1800欧0.41A，当减至最小时，用导线短接，再接小450欧0.82A），使异步发电机转速下降，直至为零。 （3）继续减小R1阻值或调离电枢电压值，异步电机即进入反向运转状态，直至其电流接近额定值，测取发电机G的电枢电流Ia、电压、Ua值和异步电动机M的定子电流I1、P1、PII、转速n，共取8-9组数据。 五．实验注意事项 1.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,防止电阻器过流引起烧坏。 七．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。