电机学实验报告

实验课程电机学学院名称核技术与自动化工程学院专业名称电气工程及其自动化学生姓名学生学号指导教师黄洪全实验地点6C603实验成绩教务处制2015年6月19日实验一异步电机的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．预习要点1．复习电机M-S特性曲线。2．M-S特性的测试方法。三．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。四．实验原理异步电机的机械特性的图5-6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。五．实验设备1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏。2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。3．电机起动箱（MEL-09）。4．三相鼠笼式异步电动机M04。5．三相绕线式异步电动机M09。六．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。按图5-7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。实验步骤：（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。（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5-9。表5-9 UN=220V Y接法 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min） 1431 1385 1303 1229 1093 934 601 404 209 转矩（N.m） 0.19 0.29 0.40 0.46 0.49 0.48 0.41 0.39 0.41（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5-10。表5-10 UN=220V Y接法 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min） 208 409 650 929 1099 1299 1306 1399 1432 转矩（N.m） 0.40 0.39 0.41 0.48 0.49 0.46 0.40 0.28 0.202．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。按图5-8接法，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。（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于表5-11。表5-11 U=180V Y接法 RS=0Ω 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min） 696 583 553 542 519 477 432 351 330 转矩（N.m） 1.16 1.18 1.18 1.20 1.22 1.23 1.24 1.24 1.25（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5-12 U=180V Y接法 RS=2Ω 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转速（r/min） 210 215 348 635 777 823 959 1055 1078 转矩（N.m） 1.49 1.48 1.39 1.36 1.32 1.30 1.24 1.12 1.078（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5-13 U=180V Y接法 RS=5Ω 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 转矩（N.m） 1.39 1.34 1.33 1.28 1.15 1.08 0.76 0.50 0.49 转速（r/min） 222 339 469 580 779 980 1125 1290 1350七．实验分析按照转差率划分电机有三种运行状态：（1）、0<s<1,电磁转矩T和n都为正，方向相同，为电动机状态。（2）、0>s,电磁转矩T和n方向相反，为发电机状态。（3）、1<s，电磁转矩T和n方向相反，为制动状态。通过这次实验可以看到，表5-9中可知在在空载转速至200转/分范围内转矩，转速都没有怎么变化；由表5-10可知转速开始上升到空载转速时，转速升高转矩降低；由表5-11，5-10对比可知，当外接电阻不变时，电压变小，对应的转矩转速都要减小；由表5-12，5-13对比可知当电压不变时，外接电阻增大对应的转矩，转速反而减小。启动转矩先增大后减小，机械特性变软。由M-S曲线可知，最后一组实验使电机运行在机械特性稳定的部分。八．思考题1.电机的降速特性和升速特性曲线不重合的原因何在？答：由于电机的转动是转子和定子间的磁耦合来完成的，而磁有磁滞效应，就是磁场的变化上升轨迹和下降轨迹并不重合，所以电机的升降速曲线也是不重合的。实验二三相异步电动机的起动与调速一．实验目的通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。二．实验项目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。三．实验设备及仪器1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（含交流电压表）。2．指针式交流电流表。3．电机导轨及测功机、转矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。4．电机起动箱（MEL-09）。5．鼠笼式异步电动机（M04）。6．绕线式异步电动机（M09）。四．实验方法1．三相笼型异步电动机直接起动试验。按图3-5接线，电机绕组为△接法。起动前，把转矩转速测量实验箱（MEL-13）中“转矩设定”电位器旋钮逆时针调到底，“转速控制”、“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，检查电机导轨和MEL-13的连接是否良好。仪表的选择：交流电压表为数字式或指针式均可，交流电流表则为指针式。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。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MEL-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。注：按指针式电流表偏转的最大位置所对应的读数值计量。电流表受起动电流冲击，电流表显示的最大值虽不能完全代表起动电流的读数，但用它可和下面几种起动方法的起动电流作定性的比较。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2~3倍额定电流，读取电压值UK、电流值IK、转矩值TK，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TST和起动电流I比按下式计算：式中Ik：起动试验时的电流值，A；TK：起动试验时的转矩值，N.m；式中UK：起动试验时的电压值，V；UN：电机额定电压，V； 测量值 计算值 UK（V） IK（A） TK（N.m） Tst(N.m) Ist(A) 130 1.20 0.53 1.47 2.152．星形——三角形（Y-△）起动按图3-6接线，电压表、电流表的选择同前，开关S选用MEL-05。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UN=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3-5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，再合上电源开关，使电机就自耦变压器，降压起动，观察电流表的瞬间读数值，经一定时间后，调节调压器使输出电机达电机额定电压UN=220伏，整个起动过程结束。4．绕线式异步电动机转绕组串入可变电阻器起动。实验线路如图3-7，电机定子绕组Y形接法。转子串入的电阻由刷形开关来调节，调节电阻采用MEL-09的绕线电机起动电阻（分0，2，5，15，∞五档），MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”开关扳向“转速控制”，“转速设定”电位器旋钮顺时针调节到底。a．起动电源前，把调压器退至零位，起动电阻调节为零。b．合上交流电源，调节交流电源使电机起动。注意电机转向是否符合要求。c．在定子电压为180伏时，逆时针调节“转速设定”电位器到底，绕线式电机转动缓慢（只有几十转），读取此时的转矩值Ist和Ist。d．用刷形开关切换起动电阻，分别读出起动电阻为2Ω、5Ω、15Ω的起动转矩Tst和起动电流Ist，填入表3-9中。注意：试验时通电时间不应超过20秒的以免绕组过热。表3-9U=180伏 Rst（Ω） 0 2 5 15 Tst（N.m） 1.31 1.45 1.55 1.36 Ist（A） 1.930 1.700 1.469 1.0805．绕线式异步电动机绕组串入可变电阻器调速。实验线路同前。MEL-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针到底，“转速设定”电位器顺时针到底。MEL-09“绕线电机起动电阻”调节到零。a．合上电源开关，调节调压器输出电压至UN=220伏，使电机空载起动。b．调节“转矩设定”电位器调节旋钮，使电动机输出功率接近额定功率并保持输出转矩T2不变，改变转子附加电阻，分别测出对应的转速，记录于表3-10中。表3-10中U=220伏T2= N.m Rst（Ω） 0 2 5 15 n（r/min） 1489 1487 1437 1459五．实验分析异步电动机的转子绕组可分为笼型和绕线型两大类。启动方法：1.笼型异步电动机的启动可以分为直接启动，降压启动（自耦变压器降压启动，星形——三角形（Y-△）起动，延边三角形换接开关启动，定子回路中串电抗器）两种。直接起动最为简单，当电网有足够容量可才用这种办法，在实验中可以看到转矩大，产生的电流也大，但一般要求要有小的启动电流，这种办法不好。对于降压启动的方法，自耦变压器降压启动将让启动电流减小到1/（k*k）倍，Y-△启动电流可减小到1/3，绕线式异步电动机绕组串入可变电阻器可将启动电流减小到原来的K倍。其中R越大，启动电流越小。2.绕线式异步电机在定子回路中串入电阻或频敏变阻可获得较好的启动性能。调速方法：笼型异步电动机：变频调速，变极调速和改变外施电压调速。绕线式异步电机：串级调速，在转子回路中接入变阻器进行调速。在转子回路中接入变阻器进行调速会使能耗加大，不经济。六．思考题1.气隙对电动机有什么影响？答：气隙是指电机定子和转子间的空隙。气隙大小对电机性能及制造工艺有很大的影响。气隙大，磁阻大，使电机励磁电流增大，电机功率因数降低。但气隙大使谐波磁场减弱，电机的附加损耗降低。气隙大，对电机零部件的同轴度及装配精度的要求降低；气隙过小，则容易引起定转子扫膛，以及由于附加损耗增加而使电机效率降低。气隙不均匀，使转子产生磁拉力，发生不平衡振动。实验三直流发电机一．实验目的1．掌握用实验方法测定直流发电机的运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。2．通过实验观察并励发电机的自励过程和自励条件。二．实验项目1.他励发电机(1)空载特性：保持n=nN，使I=0，测取Uo=f(If)。(2)外特性：保持n=nN，使If=IfN，测取U=f(I)。(3)调节特性：保持n=nN，使U=UN，测取If=f(I)。2.并励发电机(1)观察自励过程(2)测外特性：保持n=nN，使Rf2=常数,测取U=f(I)。3.复励发电机积复励发电机外特性：保持n=nN，使Rf=常数，测取U=f(I)。三．实验设备及仪器1．MEL系列电机教学实验台主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）。2．电机导轨及测功机，转矩转速测量组件（MEL-13）或电机导轨及转速表。3．直流并励电动机M03。4．直流复励发电机M01。5．直流稳压电源（位于主控制屏下部）。6．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。7．波形测试及开关板（MEL-05）。8．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。9．三相可调电阻90Ω（MEL-04）。10．电机起动箱（MEL-09）。四．实验说明及操作步骤1．他励发电机。按图1-3接线G：直流发电机M01，PN=100W，UN=200V，IN=0.5A，NN=1600r/minM：直流电动机M03，按他励接法S1、S2：双刀双掷开关，位于MEL-05R1：电枢调节电阻100Ω/1.22A，位于MEL-09。Rf1：磁场调节电阻3000Ω/200mA，位于MEL-09。Rf2：磁场调节变阻器，采用MEL-03最上端900Ω变阻器，并采用分压器接法。R2：发电机负载电阻，采用MEL-03中间端和下端变阻器，采用串并联接法，阻值为2250Ω（900Ω与900Ω电阻串联加上900Ω与900Ω并联）。调节时先调节串联部分，当负载电流大于0.4A时用并联部分，并将串联部分阻值调到最小并用导线短接以避免烧毁熔断器。mA1、A1：分别为毫安表和电流表，位于直流电源上。U1、U2：分别为可调直流稳压电源和电机励磁电源。V2、mA2、A2：分别为直流电压表（量程为300V档），直流毫安表（量程为200mA档），直流安倍表（量程为2A档）（1）空载特性a．打开发电机负载开关S2，合上励磁电源开关S1，接通直流电机励磁电源，调节Rf2，使直流发电机励磁电压最小，mA2读数最小。此时，注意选择各仪表的量程。b．调节电动机电枢调节电阻R1至最大，磁场调节电阻Rf1至最小，起动可调直流稳压电源（先合上对应的船形开关，再按下复位按钮，此时，绿色工作发光二极管亮，表明直流电压已正常建立），使电机旋转。b．从数字转速表上观察电机旋转方向，若电机反转，可先停机，将电枢或励磁两端接线对调，重新起动，则电机转向应符合正向旋转的要求。d．调节电动机电枢电阻R1至最小值，可调直流稳压电源调至220V，再调节电动机磁场电阻Rf1，使电动机（发电机）转速达到1600r/min（额定值），并在以后整个实验过程中始终保持此额定转速不变。e．调节发电机磁场电阻Rf2，使发电机空载电压达V0=1.2UN（240V）为止。f．在保持电机额定转速（1600r/min）条件下，从UO=1.2UN开始，单方向调节分压器电阻Rf2，使发电机励磁电流逐次减小，直至If2=o。每次测取发电机的空载电压UO和励磁电流If2,只取7-8组数据，填入表1-2中，其中UO=UN和If2=O两点必测，并在UO=UN附近测点应较密。表1-2n=nN=1600r/min UO（V） 220 210 200 190 170 150 40 32 If2（A） 95 75 72 63 60 51 0 0（2）外特性a．在空载实验后，把发电机负载电阻R2调到最大值（把MEL-03中间和下端的变阻器逆时针旋转到底），合上负载开关S2。b．同时调节电动机磁场调节电阻Rf1，发电机磁场调节电阻Rf2和负载电阻R2，使发电机的n=nN,U=UN（200V），I=IN（0.5A），该点为发电机的额定运行点，其励磁电流称为额定励磁电流If2N=A.c．在保持n=nN和If2=If2N不变的条件下，逐渐增加负载电阻，即减少发电机负载电流，在额定负载到空载运行点范围内，每次测取发电机的电压U和电流I，直到空载（断开开关S2），共取6-7组数据，填入表1-3中。其中额定和空载两点必测。表1-3n=nN=1600r/minIf2=If2N U（V） 200 190 184 170 165 150 140 112 I（A） 0.523 0.476 0.462 0.434 0.402 0.381 0.345 0（3）调整特性a．断开发电机负载开关S2，调节发电机磁场电阻Rf2，使发电机空载电压达额定值（UN=200V）b．在保持发电机n=nN条件下，合上负载开关S2，调节负载电阻R2，逐次增加发电机输出电流I，同时相应调节发电机励磁电流If2，使发电机端电压保持额定值U=UN，从发电机的空载至额定负载范围内每次测取发电机的输出电流I和励磁电流If2，共取5-6组数据填入表1-4中。表1-4n=nN=1600r/min,U=UN=200V I（A） 0.500 0.412 0.342 0.233 0.205 0.182 0.115 If2（A） 0.113 0.093 0.098 0.085 0.086 0.083 0.074 2．并励直流发电机（1）观察自励过程a．断开主控制屏电源开关，即按下红色按钮，钥匙开关拨向“关”。按图1-4接线 R1、Rf1：电动机电枢调节电阻和磁场调节电阻，位于MEL-09。A1、mA1：直流电流表、毫安表，位于可调直流电源和励磁电源上。mA2、A2：直流毫安表、电流表位于MEL-06。Rf2：MEL-03中二只900Ω电阻相串联，并调至最大。R2：采用MEL-03中间端和下端变阻器，采用串并联接法，阻值为2250Ω。S1、S2：位于MEL-05V1、V2：直流电压表，其中V1位于直流可调电源上，V2位于MEL-06。b．断开S1、S2，按前述方法（他励发电机空载特性实验b）起动电动机，调节电动机转速，使发电机的转速n=nN，用直流电压表测量发电机是否有剩磁电压，若无剩磁电压，可将并励绕组改接他励进行充磁。c．合上开关S1，逐渐减少Rf2，观察电动机电枢两端电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件，如果不能自励建压，将励磁回路的两个端头对调联接即可。（2）外特性a．在并励发电机电压建立后，调节负载电阻R2到最大，合上负载开关S2，调节电动机的磁场调节电阻Rf1，发电机的磁场调节电阻Rf2和负载电阻R2，使发电机n=nN,U=UN，I=IN。b．保证此时Rf2的值和n=nN不变的条件下，逐步减小负载，直至I=0，从额定到负载运行范围内，每次测取发电机的电压U和电流I，共取6-7组数据，填入表1-5中，其中额定和空载两点必测。表1-5n=nN=1600r/minRf2=常数 U（V） 200 173 150 123 105 76 51 0 I（A） 0.017 0.230 0.332 0.481 0.363 0.287 0.149 0.0263．复励发电机（1）积复励和差复励的判别a．接线如图1-5所示R1、Rf1：电动机电枢调节电阻和磁场调节电阻，位于MEL-09。A1、mA1：直流电流、毫安表V2、A2、mA2：直流电压、电流、毫安表，采用MEL-06组件。Rf2：采用MEL-03中两只900Ω电阻串联。R2：采用MEL-03中四只900Ω电阻串并联接法，最大值为2250Ω。S1、S2：单刀双掷和双刀双掷开关，位于MEL-05开关板上。按图接线，先合上开关S，将串励绕组短接，使发电机处于并励状态运行，按上述并励发电机外特性试验方法，调节发电机输出电流I=0.5IN，n=nN，U=UN。b．打开短路开关S1，在保持发电机n，Rf2和R2不变的条件下，观察发电机端电压的变化，若此电压升高即为积复励，若电压降低为差复励，如要把差复励改为积复励，对调串励绕组接线即可。（2）积复励发电机的外特性。实验方法与测取并励发电机的外特性相同。先将发电机调到额定运行点，n=nN，U=UN，I=IN，在保持此时的Rf2和n=nN不变的条件下，逐次减小发电机负载电流，直至I=0。从额定负载到空载范围内，每次测取发电机的电压U和电流I，共取6-7组数据，记录于表1-6中，其中额定和空载两点必测。表1-6n=nN=r／minRf2=常数 U（V） 200 176 150 132 116 80 56 I（A） 0 0.063 0.127 0.249 0.324 0.415 0.482五．注意事项1.起动直流电动机时，先把R1调到最大，Rf2调到最小，起动完毕后，再把R1调到最小。2.做外特性时，当电流超过0.4安时，R2中串联的电阻必须调至零，以免损坏。六．实验分析任何直流电机及可做发电机运行又可作电动机运行。电枢绕组是核心部件。电枢感应电动势E>U,为发电机运行；E=U,为理想空载状态；E<U，为电动机状态。直流发电机可分为自励和他励两种。自励又可以分为串励，并励和复励。以下是实验结果分析：①他励发电机，（1）空载时：当转速等于常数，一般为额定转速，负载电流等于0,即完全开路时，电枢端电压随励磁电流变化的关系即为直流发电机的开路特性，对应的曲线称之为开路特性曲线。（2）外特性：从图表1-2知，电压随电流增加是减小的。原因只有两个，即电枢电阻的压降和电枢反应的去磁作用使得负载电流增大时，端电压有减少的趋势。这种端电压变化的多少用电压调整率来表示。②并励发电机，（1）空载：并励直流发电机的励磁绕组和电枢绕组并联，开路时电枢电流等于励磁电流，而励磁电流只占额定电流的(1～3)%。(2)外特性：由表1-3可知，端电压随负载电流的增大而下降，原因是a电枢电阻压降的存在；b电枢反应的去磁作用；c励磁电流的进一步减少。③复励发电机，开路时，负载电流为零，串励绕组不起作用，故其特性和并励直流发电机一样。他的励磁绕组分为两部分，一部分是并励绕组，另一部分是串励绕组。七．思考题1.并励发电机不能建立电压有哪些原因？答：使并励发电机建立起电压，必须满足下列三个条件：(1)有剩磁，如果剩磁消失，则须将励磁绕组接到其他直流电源上去充磁。(2)励磁电流所产生的磁场与剩余磁场方向一致。若相反，可将励磁绕组两端的接线对调一下，或将电机的旋转方向改变亦可。(3)励磁回路的电阻不能过大。这只要减少励磁调节电阻就行了。2.在发电机---电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会变低？为什么保持发电机的转速n=nN,应如何调节？答：负载电流增大时电压下降，而励磁电流没有增加，转速降低，为了保持转速正常运行，应曾江励磁电流，以抵消电枢回路的电压降。