机电传动控制实验指导书概要.docx

机电传动控制实验指导书概要.docx

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机电传动控制实验指导书概要

实验一认识实验

一．实验目的

1．学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。

2．认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。

3．熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机方向与调速的方法。

二．预习要点

1．如何正确选择使用仪器仪表。

特别是电压表、电流表的量程。

2．直流他励电动机起动时，为什么在电枢回路中需要串联起动变阻器？

不连接会产生什么严重后果？

3．直流电动机起动时，励磁回路连接的磁场变阻器应调至什么位置？

为什么？

若励磁回路断开造成失磁时，会产生什么严重后果？

4．直流电动机调速及改变转向的方法。

三．实验项目

1．了解MEL系列电机系统教学实验台中的直流稳压电源、涡流测功机、变阻器、多量程直流电压表、电流表、毫安表及直流电动机的使用方法。

2．用伏安法测直流电动机和直流发电机的电枢绕组的冷态电阻。

3．直流他励电动机的起动，调速及改变转向。

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）

2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）或电机导轨及校正直流发电机

3．直流并励电动机M03

4．220V直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部）

5．电机起动箱（MEL-09）。

6．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。

五．实验说明及操作步骤

1．由实验指导人员讲解电机实验的基本要求，实验台各面板的布置及使用方法，注意事项。

2．在控制屏上按次序悬挂MEL-13、MEL-09组件，并检查MEL-13和涡流测功机的连接。

3．用伏安法测电枢的直流电阻，接线原理图见图1-1。

U：

可调直流稳压电源

R：

3000Ω磁场调节电阻（MEL-09）

V：

直流电压表（MEL-06）

A：

直流安培表（MEL-06）

M：

直流电机电枢

（1）经检查接线无误后，逆时针调节磁场调节电阻R使至最大。

直流电压表量程选为300V档，直流安培表量程选为2A档。

（2）按顺序按下主控制屏绿色“闭合”按钮开关，可调直流稳压电源的船形开关以及复位开关，建立直流电源，并调节直流电源至220V输出。

调节R使电枢电流达到0.2A（如果电流太大，可能由于剩磁的作用使电机旋转，测量无法进行，如果此时电流太小，可能由于接触电阻产生较大的误差），迅速测取电机电枢两端电压UM和电流Ia。

将电机转子分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取UM、Ia，填入表1-1。

（3）增大R（逆时针旋转）使电流分别达到0.15A和0.1A，用上述方法测取六组数据，填入表1-1。

取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值Ra=

。

表1-1室温℃

序号

UM（V）

Ia（A）

R（Ω）

Ra平均（Ω）

Raref（Ω）

1

Ra11

Ra1

Ra12

Ra13

2

Ra21

Ra2

Ra22

Ra23

3

Ra31

Ra3

Ra32

Ra33

表中Ra1=（Ra11+Ra12+Ra13）/3

Ra2=（Ra21+Ra22+Ra23）/3

Ra3=（Ra31+Ra32+Ra33）/3

（4）计算基准工作温度时的电枢电阻

由实验测得电枢绕组电阻值，此值为实际冷态电阻值，冷态温度为室温。

按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值：

Raref=Ra

式中Raref——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻。

（Ω）

Ra——电枢绕组的实际冷态电阻。

（Ω）

θref——基准工作温度，对于E级绝缘为75℃。

θa——实际冷态时电枢绕组的温度。

（℃）

4．直流仪表、转速表和变阻器的选择。

直流仪表、转速表量程是根据电机的额定值和实验中可能达到的最大值来选择，变阻器根据实验要求来选用，并按电流的大小选择串联，并联或串并联的接法。

（1）电压量程的选择

如测量电动机两端为220V的直流电压，选用直流电压表为300V量程档。

（2）电流量程的选择。

因为直流并励电动机的额定电流为1.1A，测量电枢电流的电表可选用2A量程档，额定励磁电流小于0.16A，测量励磁电流的毫安表选用200mA量程档。

（3）电机额定转速为1600r/min，若采用指针表和测速发电机，则选用1800r/min量程档。

若采用光电编码器，则不需要量程选择。

（4）变阻器的选择

变阻器选用的原则是根据实验中所需的阻值和流过变阻器最大的电流来确定。

在本实验中，电枢回路调节电阻选用MEL-09组件的100Ω/1.22A电阻，磁场回路调节选用MEL-09的3000Ω/200mA可调电阻。

5．直流电动机的起动

R1：

电枢调节电阻（MEL-09）

Rf：

磁场调节电阻（MEL-09）

M：

直流并励电动机M03：

G：

涡流测功机

IS：

电流源，位于MEL-13，由“转矩设定”电位器进行调节。

实验开始时，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。

U1：

可调直流稳压电源

U2：

直流电机励磁电源

V1：

可调直流稳压电源自带电压表

V2：

直流电压表，量程为300V档，位于MEL-06

A：

可调直流稳压电源自带电流表

mA：

毫安表，位于直流电机励磁电源部。

（1）按图1-2接线，检查M、G之间是否用联轴器联接好，电机导轨和MEL-13的连接线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确选择。

（2）将电机电枢调节电阻R1调至最大，磁场调节电阻调至最小，转矩设定电位器（位于MEL-13）逆时针调到底。

（3）开启控制屏的总电源控制钥匙开关至“开”位置，按次序按下绿色“闭合”按钮开关，打开励磁电源船形开关和可调直流电源船形开关，按下复位按钮，此时，直流电源的绿色工作发光二极管亮，指示直流电压已建立，旋转电压调节电位器，使可调直流稳压电源输出220V电压。

（4）减小R1电阻至最小。

6．调节他励电动机的转速。

（1）分别改变串入电动机M电枢回路的调节电阻R1和励磁回路的调节电阻Rf

（2）调节转矩设定电位器，注意转矩不要超过1.1N.m，以上两种情况可分别观察转速变化情况

7．改变电动机的转向

将电枢回路调节电阻R1调至最大值，“转矩设定”电位器逆时针调到零，先断开可调直流电源的船形开关，再断开励磁电源的开关，使他励电动机停机，将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述起动电机，观察电动机的转向及转速表的读数。

六．注意事项

1．直流他励电动机起动时，须将励磁回路串联的电阻Rf调到最小，先接通励磁电源，使励磁电流最大，同时必须将电枢串联起动电阻R1调至最大，然后方可接通电源，使电动机正常起动，起动后，将起动电阻R1调至最小，使电机正常工作。

2．直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。

同时，必须将电枢串联电阻R1调回最大值，励磁回路串联的电阻Rf调到最小值，给下次起动作好准备。

3．测量前注意仪表的量程及极性，接法。

七．实验报告

1.画出直流并励电动机电枢串电阻起动的接线图。

说明电动机起动时，起动电阻R1和磁场调节电阻Rf应调到什么位置？

为什么？

2.增大电枢回路的调节电阻，电机的转速如何变化？

增大励磁回路的调节电阻，转速又如何变化？

3.用什么方法可以改变直流电动机的转向？

4.为什么要求直流并励电动机磁场回路的接线要牢靠？

实验二直流发电机

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．预习要点

1.什么是发电机的运行特性？

对于不同的特性曲线，在实验中哪些物理量应保持不变，而哪些物理量应测取。

2.做空载试验时，励磁电流为什么必须单方向调节？

3.并励发电机的自励条件有哪些？

当发电机不能自励时应如何处理？

4.如何确定复励发电机是积复励还是差复励？

三．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）。

四．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）。

五．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/min

M：

直流电动机M03，按他励接法

S1、S2：

双刀双掷开关，位于MEL-05

R1：

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）

If2（A）

（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）

I（A）

（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）

If2（A）

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-05

V1、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=A

U（V）

I（A）

3．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）

I（A）

六．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。

七．实验报告

1.根据空载实验数据，作出空载特性曲线，由空载特性曲线计算出被试电机的饱和系数和剩磁电压的百分数。

2.在同一张座标上绘出他励、并励和复励发电机的三条外特性曲线。

分别算出三种励磁方式的电压变化率：

ΔU=

100

并分析差异的原因。

3.绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。

八．思考题

1.并励发电机不能建立电压有哪些原因？

2.在发电机一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？

为了保持发电机的转速n=nN，应如何调节？

电机系统教学实验台使用说明

概述

MEL—Ⅰ型电机系统教学实验台总体外观结构如图1所示。

图中序号5为涡流测功机及其导轨，序号8为安装在电机工作台上的被试电机。

被试电机可以根据不同的实验内容进行更换。

为了实验时机组安装方便和快速的要求，实验台的各类电机均设计成相同的中心高。

同时，各电机的底脚采用了与普通电机不同的特殊结构形式。

在机组安装时，将各电机之间通过联轴器同轴联结，被试电机的底脚安放在电机工作台的导轨上，只要旋紧两只底脚螺钉，不需做任何调整，就能准确保证各电机之间同心度，达到快速安装的目的。

当测量被试电动机输出转矩时，可从序号4的测功机力矩显示窗中直接读取。

被试电机的转速是通过与测功机同轴联接的直流测速发电机来测量的。

转速高低可以从图4的转速表直接读取。

图1电机系统教学实验台总体外观

序号2为电源控制屏，通过调压器输出单相或三相连续可调的交流电源。

序号1为仪表屏，根据用户的需要配置指针式和数字式表。

序号3为实验桌，内可放置各种组件及电机，桌面上放置测功机及导轨。

序号6为实验时所需的仪表，可调电阻器，可调电抗器和开关箱等组件。

这些组件在实验台上可任意移动。

组件内容可以根据实验要求进行搭配。

主要结构部件

一．电源控制屏

面板图如图2，图中各部件的序号为：

1．钮子开关。

当开关拨向“电网电压”时，三相电压表指示为电网输入到主控制屏的三相电压值；当开关拨向“调压输出”时，电压表指示三相输出可变电压值。

2．电压表。

可指示实验台输入的电压和交流电源输出的线电压，通过指针表旁边的开关切换。

3．三相主电源U、V、W输出。

4．保险丝座。

3只3A保险丝分别是u、v、w三相电源输出的保险丝，进行电源的短路保护，一旦电网电压对称输入，而电源输出不对称，则有可能烧毁保险丝。

5．调压器。

三相调压器的容量为1.5KVA，线电压0~430V连续可调，为了保证实验者的实验，电网与三相调压器之间接有隔离变压器或漏电保护器。

三相调压器可调节单相或三相电压输出。

当沿逆时针旋到底输出电压最小，改变旋钮位置，即可调节输出交流电源电压的大小。

6．主电源控制开关。

当按下此开关时，红灯灭绿灯亮，主电路接触器闭合，U、V、W输出交流电。

7．电源钥匙开关。

当钥匙开关转向“开”的位置，带红色按钮指示灯亮，电源控制屏接通电网。

8．交流电源断开开关。

按下此按钮开关，绿灯灭红灯亮，表明三相交流电源U、V、W无电压输出。

二．测功机组件

测功机组件含MEL-13和电机导轨及测功机两部分，主要完成四个功能：

1、对电机进行加载；2、测量电机的转矩；3、测量电机的转速；4、对异步电机进行M~S曲线测绘。

1．涡流测功机

涡流测功机如图1。

实心圆盘与它的转轴由被试电动机驱动，磁极、励磁绕组、指针和转轴为一个整体，可以对机座支架左右偏转。

当励磁绕组通过直流电流后，磁极产生的磁通，经气隙、钢盘，气隙回到相邻的磁极而闭合。

被试电动机带动钢盘旋转切割磁力线，在钢盘中产生涡流，此涡流与磁场相互作用产生电磁转矩（制动转矩），则磁极将受到与此制动转矩大小相等方向相反的电磁转矩，使磁极顺电机旋转方向偏转一角度，并与平衡钟随之偏转而产生的转矩相平衡，于是指针在刻度盘上指示转矩值，改变励磁电流，即可改变制动转矩，而被试电动机负载也随之改变。

涡流测功机结构简单，调节方便，运行稳定，但输入钢盘的大部分由涡流损耗转换成热能，此热量主要散发在周围空气中，一部分被钢盘及轴承吸收，将使钢盘、轴承等温度升高。

因此，涡流测功机运行时要采取散热措施。

此外，当转速很小时制动转矩很小，所以涡流测功机不能测量低速电动机转矩和电机的堵转矩。

2．加载及转矩测量

测功机是一台定、转子均可转动的异步电机。

它既可以做异步电动机运行，也可以作测功机用。

作为测功机用时，定子绕组施加直流电压产生恒定磁场，当被试电动机拖动异步电机旋转时，转子将产生制动性质的电磁转矩，异步电机处于制动状态。

若在异步电机定子上配备测力装置，即可测得被试电动机输出转矩，该测功机的优点是无电刷以及不需要外接电阻负载。

当改变施加在测功机上直流励磁电压时，电磁转矩就随着变化，即被试电动机的负载大小就发生改变。

在测功机的下部安装一电阻应变式压力传感器，根据压力传感器输出力的大小即可得出力矩值。

3．转速的测量

转速的测量可采用永磁直流测速发电机和光电编码器。

测速发电机的优点是信号处理简单，但存在安装不方便、线性度、对称性较大的缺陷。

本组件采用光电码盘，即在测功机的转轴上安装一光栅，两边各有一发射管和接收管，根据接收管收到的脉冲周期用单片机进行处理，即可测得转速。

它具有和转轴无机械接触、安装方便、读数精度高等优点。

4．导轨

导轨的作用是安装电机。

为了实验时机组安装方便和快速的要求，被试电机均设计成

相同的中心高。

电机的底脚采用了与普通电机不同的特殊结构形式。

在机组安装时，各电机之间通过联轴器同轴联接，被试电机的底脚安放在电机导轨上，只要旋紧两只底脚螺钉，不需做调整，就能准确保证各电机之间的同心度，达到快速安装的目的。

5．M~S曲线测绘

电机的M~S曲线测绘指电机转速从0~额定转速时，转矩和转速的曲线关系。

由于交流电机存在不稳定区域，因而在转速开环情况下，当负载增大到超过最大转矩时，电机转速迅速下降，无法读出转速值。

此时，必须利用转速反馈，根据转速的高低动态地调整加载的转矩，使电机能够在任何一个转速条件下稳定运行。

6．MEL-13的说明

面板如图3。

图中各部件的序号为：

1．转速表。

电机系统教学实验台转速的测量是采用光电码盘，用单片机进行处理，计算脉冲的宽度，即可测得转速。

较早的测速是采用永磁直流测速发电机，将测速发电机输出的电压通过限流电阻接到直流电流表上，就构成了测量电机转速的转速表。

2．转速模拟量输出。

将脉冲信号经过D/A转换，再进行滤波输出，幅值为0—±10V。

3．转矩显示。

测功机进行加载时，测功机的定子将反向偏转一角度，通过电阻应变式压力传感器测出力的大小，进行换算后，可显示转矩大小。

4．转矩调零电位器。

5．转矩模拟量输出。

6．“转矩控制”