电机电机学实验报告.docx
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电机电机学实验报告
电机学实验报告
实验一直流他励电动机机械特性
一．实验目的
了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性
二．预习要点
1．改变他励直流电动机械特性有哪些方法？
2．他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？
他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？
3．他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。
三．实验项目
1．电动及回馈制动特性。
2．电动及反接制动特性。
3．能耗制动特性。
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。
2．电机导轨及转速表（MEL-13、MEL-14）
3．三相可调电阻900Ω（MEL-03）
4．三相可调电阻90Ω（MEL-04）
5．波形测试及开关板（MEL-05）
6、直流电压、电流、毫安表（MEL-06）
7．电机起动箱（MEL-09）
五．实验方法及步骤
1．电动及回馈制动特性
接线图如图5-1
M为直流并励电动机M12（接成他励方式），UN=220V，IN=0.55A，nN=1600r/min，PN=80W；励磁电压Uf=220V，励磁电流If＜0.13A。
G为直流并励电动机M03（接成他励方式），UN=220V，IN=1.1A，nN=1600r/min;
直流电压表V1为220V可调直流稳压电源自带，V2的量程为300V（MEL-06）；
直流电流表mA1、A1分别为220V可调直流稳压电源自带毫安表、安倍表；
mA2、A2分别选用量程为200mA、5A的毫伏表、安培表（MEL-06）
R1选用900Ω欧姆电阻（MEL-03）
R2选用180欧姆电阻（MEL-04中两90欧姆电阻相串联）
R3选用3000Ω磁场调节电阻（MEL-09）
R4选用2250Ω电阻（用MEL-03中两只900Ω电阻相并联再加上两只900Ω电阻相串联）
开关S1、S2选用MEL-05中的双刀双掷开关。
按图5-1接线，在开启电源前，检查开关、电阻等的设置；
（1）开关S1合向“1”端，S2合向“2”端。
（2）电阻R1至最小值，R2、R3、R4阻值最大位置。
（3）直流励磁电源船形开关和220V可调直流稳压电源船形开关须在断开位置。
实验步骤。
a．按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合励磁电源船型开关和220V电源船形开关，使直流电动机M起动运转，调节直流可调电源，使V1读数为UN=220伏，调节R2阻值至零。
b．分别调节直流电动机M的磁场调节电阻R1，发电机G磁场调节电阻R3、负载电阻R4（先调节相串联的900Ω电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器，再调节900Ω电阻相并联的旋钮），使直流电动机M的转速nN=1600r/min，If+Ia=IN=0.55A，此时If=IfN，记录此值。
c．保持电动机的U=UN=220V，If=IfN不变，改变R4及R3阻值，测取M在额定负载至空载范围的n、Ia，共取5-6组数据填入表中。
表5-1UN=220伏IfN=0.076A
Ia（A）
0.29
0.21
0.17
0.15
0.13
0.12
n（r/min）
1600
1630
1640
1655
1690
1695
d．折掉开关S2的短接线，调节R3，使发电机G的空载电压达到最大（不超过220伏），并且极性与电动机电枢电压相同。
e．保持电枢电源电压U=UN=220V，If=IfN，把开关S2合向“1”端，把R4值减小，直至为零（先调节相串联的900Ω电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器）。
再调节R3阻值使阻值逐渐增加，电动机M的转速升高，当A1表的电流值为0时，此时电动机转速为理想空载转速，继续增加R3阻值，则电动机进入第二象限回馈制动状态运行直至电流接近0.8倍额定值（实验中应注意电动机转速不超过2100转/分）。
测取电动机M的n、Ia，共取5-6组数据填入表5-2中。
表5-2UN=220伏IfN=0.078A
Ia（A）
0
-0.12
-0.24
-0.28
-0.38
-0.40
n（r/min）
1729
1810
1885
1910
2000
2030
因为T2=CMφI2，而CMφ中为常数，则T∝I2，为简便起见，只要求n=f（Ia）特性，见图5-2。
2．电动及反接制动特性。
在断电的条件下，对图5-1作如下改动：
（1）R1为MEL-09的3000Ω磁场调节电阻，R2为MEL-03的900Ω电阻，R3不用，R4不变。
（2）S1合向“1”端，S2合向“2”端（短接线拆掉），把发电机G的电枢二个插头对调。
实验步骤：
a．在未上电源前，R1置最小值，R2置300Ω左右，R4置最大值。
b．按前述方法起动电动机，测量发电机G的空载电压是否和直流稳压电源极性相反，若极性相反可把S2含向“1”端。
c．调节R2为900Ω，调节直流电源电压U=UN=220V，调节R1使If=IfN，保持以上值不变，逐渐减小R4阻值，电机减速直至为零，继续减小R4阻值，此时电动机工作于反接制动状态运行（第四象限）；
d．再减小R4阻值，直至电动机M的电流接近0.8倍IN，测取电动机在第1、第4象限的n、I2，共取5-6组数据记录于表5-3中。
表5-3R2=900ΩUN=220VIfN=0.24A
I2（A）
0.13
0.29
0.30
0.35
0.40
0.44
0.42
n（r/min）
0
-210
-322
-525
-1000
-1375
-1490
为简便起见，画n=f（Ia），见图5-3。
3．能耗制动特性
图5-1中，R1用3000Ω，R2改为360欧（采用MEL-04中只90Ω电阻相串联），R3采用MEL-03中的900欧电阻，R4仍用2250Ω电阻。
操作前，把S1俣向“2”端，R1、R2置最大值，R3置最大值，R4置300欧（把两只串联电阻调至零位，并用导线短接，把两只并联电阻调在300欧位置），S2合向“1”端。
按前述方法起动发电机G（此时作电动机使用），调节直流稳压电源使U=UN=220伏，调节R1使电动机M的If=IfN,调节R3使发电机G的If=80mA，调节R4并先使R4阻值减小，使电机M的能耗制动电流Ia接近0.8IaN数据，记录于表5-4中。
表5-4R2=360ΩIfN=80mA
Ia（A）
-0.31
-0.21
-0.18
0.13
n（r/min）
-1423
-910
-801
-558
调节R2的180Ω，重复上述实验步骤，测取Ia、n，共取6-7组数据，记录于表5-5中。
表5-5R2=180ΩIfN=mA
Ia（A）
-0.34
-0.37
-0.24
-0.19
0.18
0.22
0.20
n（r/min）
-862
-962
-614
-462
-1792
-1682
-1748
当忽略不变损耗时，可近似为电动机轴上的输出转矩等于电动机的电磁转矩T=CMΦIa，他励电动机在磁通Φ不变的情况下，其机械特性可以由曲线n=f（Ia）来描述。
画出以上二条能耗制动特此曲线n=f（Ia），见图5-4。
六．实验注意事项
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，防止电阻过流烧毁熔断丝。
七．实验分析
1电动及回馈制动：
发电机工作时的电磁转矩为制动转矩，这样不但限制了转速的继续升高，而且又把机车下坡时的位能转换为电能而回馈给电网，节省了能量。
在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同回馈制动原理框图步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。
2电动及反接制动：
反接制动的关键仍是采用了双向双刀开关Q，注意开关上下触点为交叉接线。
当双向双刀开关合在图中上方位置时，电动机正常运行，电磁转矩属于拖动性质的转矩。
当双向双刀开关合向图中下方位置时，电机处于反接制动状态。
因为开关Q刚刚合向下边瞬间由于惯量的存在，转速不会突变，励磁也并没改变，电势也暂不改变，只是电枢电源反接使电枢电流反向，从而使转矩反向成为反接制动转矩。
因而使转速迅速下降，若在转速下降到0的瞬间断开电源，则电机将立即停转，如果转速没有断开电源则电机将反向转动。
3能耗制动：
能耗制动的关键是采用了双向双刀开关Q。
当开关Q合在图中上边位置时电机作电动机运行，即电磁转矩与转速同方向，属于拖动转矩。
而当开关Q合向图中下边位置时，电机作发电机运行。
因为开关刚刚合向下边瞬间，由于惯量的存在，转速不会突变；励磁接线并没改变磁场也没改变，故电势也暂时不变，故电机作发电机运行，发电机运行时，电磁转矩为制动作用的转矩，因此将使转速尽快降低，与其同时电势也随之减小，制动作用减弱。
最后转子达到停转。
适当减少限流电阻R，可以增强制动作用，减少制动时间。
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）
244
231
220
210
150
100
50
25
If2（A）
139.3
125.3
110.3
98.0
56.2
28.3
10.5
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）
184
165
140
120
112
I（A）
0.452
0.804
0.344
0.295
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1-4
n=nN=1600r/min,U=UN=200V
I（A）
0.5
0.415
0.381
0.273
0.183
0.112
If2（A）
0.1059
0.1057
0.1052
0.1053
0.1053
0.1053
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）
200
173
150
123
105
76
51
0
I（A）
0.015
0.226
0.334
0.486
0.364
0.285
0.156
0.026
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）
200
176
150
132
116
80
56
I（A）
0
0.064
0.126
0.258
0.316
0.416
0.487
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。
八．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。
实验三异步电机的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。
三．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。
四．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。
五．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
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