电机及其运动控制实验报告-北京科技大学.doc

电机及其运动控制实验报告

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学  号      412   
成 绩             

2015年1月

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．直流他励电动机机械特性。
2．回馈制动特性
3. 自由停车及能耗制动。
4．反接制动。

四．实验设备及仪器

1．NMEL系列电机系统教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及转速表（MMEL-13）
3．三相可调电阻900Ω（NMEL-03）
4．三相可调电阻90Ω（NMEL-04）
5．波形测试及开关板（NMEL-05B
6、直流电压、电流、毫安表（NMEL-06）
7．电机起动箱（NMEL-09）

五．实验方法及步骤

1．直流他励电动机机械特性及回馈制动特性
接线图如图1-1
图中直流电压表V1为220V可调直流稳压电源（电枢电源）自带，V2为MEL-06上直流电压表，量程为300V；
直流电流表mA1、A1分别为直流励磁及220V可调直流稳压电源自带毫安表、安培表；
mA2、A2分别选用量程为200mA、5A的毫安表、安培表（NMEL-06）
R1选用1800Ω欧姆电阻（NMEL-03两只900Ω电阻相串联）
R2选用180欧姆电阻（NMEL-04中两90欧姆电阻相串联）
R3选用3000Ω磁场调节电阻（NMEL-09）
R4选用2250Ω电阻（用NMEL-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NMEL-05中的双刀双掷开关。
M为直流他励电动机M03，请抄写电机铭牌上的参数并填入下表中：
表1-1
UN
IN
nN
PN
Uf
If
220V
1.1A
1600rpm
185W

G为直流发电机M12，请抄写电机铭牌上的参数并填入下表中：
表1-2
UN
IN
nN
PN
Uf
If
220V
0.55A
1500rpm
80W

图1-1直流他励电动机机械特性实验线路图

按图1-1接线，在开启电源前，检查开关、电阻的设置；
（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．调直流电动机的额定点（此时电动机运行在额定状态下，电枢电压电枢电流，电机转速都为额定值）
调额定点时，先增大直流电动机的励磁电阻R1，使转速为额定值，再减小发电机负载电阻R4、R3（先调节R4，再调节R3），使电枢电流增加，随着电流的增加，转速会下降，要同时增大直流电动机的励磁电阻R1，使转速保持在额定值，最后调到额定点。记录此时的Ia 、n、IfN值填入下表中。
c．测取M在额定负载至空载范围的n、Ia
保持电动机的U=UN=220V，If=IfN不变，增大R3、R4阻值，记录n、Ia，直到R3、R4增大到最大值（空载状态）为止，此过程中记录数据填入下表中。
表1-3 UN=220伏 IfN= 0.08 A
Ia（A）
0.92
0.78
0.66
0.53
0.43
0.34
0.29
0.24
0.21
n（r/min）
1600
1618
1630
1650
1670
1680
1690
1700
1705
d．折掉开关S2的短接线，调节R3，使发电机G的空载电压为220伏，并且极性与电动机电枢电压相同。
e．保持电枢电压 U=UN=220V，If=IfN，把开关S2合向“1”端，此时开始记录数据，把R4值减小，R4值减小到零后，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，R3阻值增加到最大时停止，此过程中记录数据填入下表中。

表1-4 UN=220伏 IfN= 0.08 A
Ia（A）
-0.06
-0.09
-0.11
-0.14
-0.17
-0.26
-0.30
-0.39
-0.40
n（r/min）
1576
1582
1589
1595
1604
1624
1639
1663
1667
记录完数据后调节直流可调电源的电位器，使V1读数为UN=0伏， R2阻值调至180Ω。
2．自由停车及能耗制动
断电按图1-2接线，S1 的“2”端先空着不接线。R1为450欧，R2为180欧。
接好线后，把S1合向“1”端，，R2置最大值。
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．电动机稳定运行后，把S1合向“2”端，同时按下秒表记录自由停车时间。
c．断电，S1 的“2”端按图1-2接线，R3为900欧。接好线后，把S1合向“1”端， R2置最大值。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。
d．电动机稳定运行后，把S1合向“2”端，同时按下秒表记录R3为900Ω能耗制动停车时间。
e．断电，R3阻值改为1800欧。接好线后，把S1合向“1”端， R2置最大值，R3置1800Ω。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。
f．电动机稳定运行后，把S1合向“2”端，同时按下秒表记录R3为1800Ω能耗制动停车时间。
记录完数据后调节直流可调电源的电位器，使V1读数为UN=0伏， R2阻值调至180Ω。

图1-2 自由停车及能耗制动接线图
表1-3自由停车及能耗制动停车时间
自由停车
2.80s
2.90s
3.1s
R3=900Ω
1.55s
1.65s
1.50s
R3=1800Ω
1.80s
2.00s
1.90s

3．反接制动。
实验步骤：
a．断电按图1-3接线。把S1合向“1”端， R1为450欧，R2为180欧。R3为900欧在未上电前， R2 ， R3置最大值。
b．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。
c．电动机稳定运行后，把S1合向“2”端，同时按下秒表记录R3为900Ω反接制动停车时间。并观察电流表电流极性的变化。
d．断电，R3阻值改为1800欧。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。
e．电动机稳定运行后，把S1合向“2”端，同时按下秒表记录R3为1800Ω反接制动停车时间。并观察电流表电流极性的变化。
表1-4反接制动停车时间
R3=900Ω
1.60s
1.55s
1.60s
R3=1800Ω
1.90s
1.85s
1.90s

图1-3 反接制动接线图

六．实验注意事项

请根据电机参数正确选用测量仪表的量程；

七．实验报告

根据实验数据绘出电动机机械特性曲线机回馈制动制动特性曲线。
1.电动机的机械特性曲线如下所示

2.电动机的回馈制动特性曲线如下所示

八．思考题

1. 回馈制动实验中,如何判别电动机运行在理想空载点?
答：当电枢电流Ia=0 A时，电动机运行在理想空载转速。
2. 直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变,试问电磁转矩的方向是否也不变? 为什么?
答：电磁转矩方向变化了，和转速n方向相同变为方向相反。这是由于此时n>n0,所以I从大于零变为小于零，电磁转矩从拖动性转矩变为制动性转矩。
3. 能耗制动电阻的大小对制动时间有何影响，为什么？
答：能耗电阻越小，制动速度就越快，这是由于能耗电阻的减小，制动过程中的电枢电流就逐渐增大，制动转矩就越大，能量消耗就越大，同时机械特性曲线的斜率变大，两者都促使制动速度变快。
4．反接制动电阻的大小对制动时间有何影响，为什么？在反接制动过程中电枢电流的极性应如何变化？
答：反接电阻越小，制动速度就越快，这是由于反接电阻的减小，制动过程中的电枢电流就逐渐增大，制动转矩就越大，同时机械特性曲线的斜率变大，两者都促使制动速度变快。而反接制动过程中的电枢电流的极性则与制动前的电枢电流相反。
实验二 异步电机的T-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T-S特性曲线。
2．T-S特性的测试方法。

三．实验项目

鼠笼式异步电机的T-S曲线测绘测。

四．实验原理

异步电机的机械特性的图2-1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T-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（MMEL-13）。
3．交流表电机起动箱（MMEL-001A）。
4．三相鼠笼式异步电动机M04。

六．实验方法

1．鼠笼式异步电机的T-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2-2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。“突加负载”和“突减负载”选择开关扳向“突加负载”。
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2-1。
表2-1 UN=220V Y接法
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
转速（r/min）
1464
1400
1282
1023
878
758
375
228
200
转矩（n.M）
0.04
0.24
0.41
0.48
0.47
0.45
0.38
0.36

0.36
（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2-2。
表2-2 UN=220V Y接法
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
转速（r/min）
200
208
339
528
871
950
1121
1239
1467
转矩（N.M）
0.36
0.38
0.40
0.44
0.50
0.51
0.51
0.46
0.04

七．实验报告

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T-S曲线。
实验所用电机降速时的转矩和转速的关系曲线为

升速时的转矩和转速的关系曲线为

2． 对这些电机的特性作一比较。
本实验只用了一种电机，所以无法比较。
八．思考题

电机的降速特性和升速特性曲线不重合的原因何在？
答：因为有迟滞回线的影响，在降速和升速时，由于是铁磁材料的原因，在外磁场变化时，有一部分磁场被铁磁材料吸收了，产生磁滞效应，这就导致了电机的降速特性和升速特性曲线不重合。

实验三 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．预习要点

1．复习异步电动机有哪些起动方法和起动技术指标。
2．复习异步电动机的调速方法。

三．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。
四．实验设备及仪器

1．NMCEL系列电机系统教学实验台主控制屏（含交流电压表）。
2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（MMEL-13）。
3． 鼠笼式异步电动机（M04）。

五．实验方法

1．三相笼型异步电动机直接起动试验。
按图3-1接线，电机绕组为△接法。
起动前，把转矩转速测量实验箱（MMEL-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MMEL-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。
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)
132.8
1.234
0.41
1.125
2.044
2．星形——三角形（Y-△）起动
按图3-2接线，电压表、电流表的选择同前，开关S选用MMEL-05B。
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31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．异步电动机改变定子电压调速
按图3-1接线。电机绕组为 △接法。MMEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。“突加负载”和“突减负载”选择开关扳向“突加负载”
a．合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压，并在试验中保持此额定电压不变。
b．调节MMEL-13测功机“转矩设定”旋钮使之加载，使异步电动机的定子电流逐渐上升，直至电流上升到异步电机的额定电流。
c. 调节调压器使定子电压从220伏逐渐下降至电机不能正常运转。在此之间记录几组定子电压值及对应的转速值填入下表。

定子电压
220.1
192.3
178.8
165.6
159.2
转速（r/min）
1418
1383
1338
1273
1231
定子电流
0.482
0.524
0.576
0.671
0.742
转矩（N.M）
0.68
0.70
0.73
0.76
0.76

六．实验报告

1.由起动试验数据求下述三种情况下的起动电流和起动转矩：
(1)外施额定电压UN。（直接法起动）

(2)外施电压为UN/。(Y—Δ起动)

(3)外施电压为UK/KA，式中KA为起动用自耦变压器的变比。（自耦变压器起动）。

七．思考题
1.比较异步电动机不同起动方法的优缺点。
起动方法
优点
缺点
直接起动
不需要专门的起动设备
1. 对于经常起动的电机，过大的起动电流会影响电机寿命；
2. 电动机绕组在电动力作用下会发生变形，从而导致短路而烧毁电机；
3. 多大的起动电流造成电网电压显著下降，影响在同一电网工作的其他异步电机的工作。
电阻减压起动
或电抗减压起动
起动平稳、运行可靠、构造简单
1. 这两种起动方法一般用于轻载起动的场合；
2. 电抗减压起动不消耗电能，通常用于低压起动；
3. 电阻减压起动耗能较多，多用于低压起动；
4. 电抗器成本较高，电阻电压起动经济性差
自耦减压起动
电压抽头可供不同负载起动时选择
体积大、质量大、价格高、需维护检修
星形—三角形起动
体积小、质量轻、物美价廉、运行可靠、检修方便
起动电压只能减到1/,不像自耦减压起动可以提供不同的起动电压。