《电机与拖动基础》实验指导书.docx

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《电机与拖动基础》实验指导书

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，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。

组件容可以根据实验要求进行搭配。

第一章主要结构部件

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”、“转速控制”选择开关。

7．“转速设定”电位器，可对电机转速进行控制，顺时针转到底，转速最高。

8．6．航空插座。

与测功机相连，提供测功机所需的励磁电流以及转速、转矩反馈信号。

9．电源控制船形开关。

10．保险丝座。

11．突加突减负载开关。

当开关往下扳时，电机处于空载状态，当开关往上扳时，负载的大小由“转矩设定”电位器和“转速设定”电位器进行控制。

12．“转矩设定”电位器

目前，实验台上加载采用两种方式：

（1）自耦调压器的输出电压经过整流向测功机励磁绕组提供电流。

通过改变自耦调压器的输出电压，也就改变了测功机励磁电流，从而改变输出转矩。

（2）采用电流源控制。

采用电流源控制后，易于实现转速的闭环调节，即使在电机转速的不稳定区域也能保持电机转速稳定，从而测出电机的M—S曲线，存在的缺点是对异步电机而言，存在较大的加载死区。

操作方法为：

将电机导轨及测功机的信号线通过一塑料软管与MEL-13相连。

MEL-13挂件的电源和交流220V相连。

a．将MEL-13的“转矩控制”、“转速控制”选择开关打向“转矩控制”，启动电机，则通过调节“转矩设定”电位器，即可方便地对被试电机进行加载试验。

可分别从上下两个数显窗中读出转速和转矩值。

逆时针旋到底，被试电动机的负载为零，顺时针转动，被试电动机负载增加。

当需要测取电动机的堵转转矩时，可在测功机定子销紧孔中插入一根圆棒，将测功机定、转子销住，即可测取堵转转矩。

b．将MEL-13的“转矩控制”、“转速控制”选择开关打向“转速控制”，则通过调节“转速设定”电位器，使电机可稳定地运行于任何一转速（最低转速为300转/分左右），从而可通过测量转矩、转速画出电机的M~S曲线。

三．仪表屏

为电机实验提供需要的交流电流表、交流电压表、功率表。

具体配置由所采购的设备型号不同由所差别。

若设备为MEL-I系列，则交流电流表、电压表为三组指针式模拟表，量程可根据需要选择，功率表采用单独的组件（MEL-20或MEL-24）；若设备为MEL-II系列，则上述仪表为智能型数字仪表，量程可自动也可手动选择，功率表含在主控屏上。

仪表数量也可能由于设备型号不同而不同。

故不同的实验台，其接线图也不同。

功率表接线时，需注意电压线圈和电流线圈的同名端，避免接错线。

所有仪表具有过压过流，错接线路不损坏仪表等功能。

日光灯功能开关，当拨到左边时，日光灯接入220V交流电，作照明用；当拨到右边时，日光灯的四个接线柱引出可做日光灯实验用。

四．220V直流稳压电源和直流电机励磁电源

本实验台提供两组直流电源，分别是供直流电机励磁绕组用的直流电机励磁电源以及供电枢绕组用的可调直流稳压电源。

面板如图5和图6。

图5中各部件的序号分别是：

1．数字式直流电压表；2．直流电压幅度调节电位器

3．直流电源输出接线柱；4．保险丝座

5．电源控制船形开关；6．复位按钮

7．过流指示发光二极管；8．工作指示发光二极管

9．直流电流表接线柱

可调稳压电源具体技术指标为：

（1）输出电压：

90V~250V连续可调

（2）输出电流：

Imax=2A

（3）负载调整率不大于1V

电源带有完善的过压、过流保护措施，以确保学生误操作时不至于损坏电源。

一旦输出发生短路，过流保护动作，自动切断功率场效应管的脉冲信号，从而保护功率器件，只需按下复位按钮，就可重新建立电压。

可调直流稳压电源的电压输出端子只能用作电压输出，不能作为测试端输入电压；

正常工作时，绿色发光二极管亮，过载后，红色告警发光二极管亮。

电压调节电位器逆时针旋到底，输出电压最低不大于90V，顺时针旋转，电压逐渐提高。

可调直流稳压电源带有电压表和电流表。

其中电压表部已接好，直接指示输出电压，而电流表的输入信号根据实验容而定，可用作本装置的电流测量显示，也可用作外接电路电流的测量显示。

图6中各部件的序号分别是：

1．直流毫安表接线柱

2．直流励磁电源输出接线柱

3．保险丝座

4．电源控制船形开关

5．工作指示发光二极管

6．数字式直流毫安表

220V直流电机励磁电源提供220V~230V/0.5A的直流电源，供直流电机励磁绕组使用，其电压输出端子只能输出电压，不能作为测试端输入电压，工作时工作指示灯亮。

配置的直流毫安表即可用作直流电机励磁电源的电流测量显示，也可用作外接电路电流的测量显示，用作外接时注意电流不要超过200mA。

直流毫安表电源受可调直流稳压电源控制。

五．指针式交流电压表和交流电流表

指针式表均由电子线路配上磁电系指针式表头构成，并具有超满量程切断电源及声光告警的功能。

电压表分15V、30V、75V、150V、300V、450V六档，电流表分0.25A、0.5A、1A、2.5A、5A五档。

多量程电压表面板如图8。

量程选择琴键开关用于选择合适的测量量程，为了提高测量精度，应当当指针偏转2/3时进行读数。

为了防止选择电压量程时，高电压输入小量程测量，从而损坏仪表，指针表还设有过量程保护电路，一旦输入电压超过量程的5%~10%，则仪表告警电

路自动切断主电源，同时，告警指示发光二极管发亮。

当故障排除后，按下复位按钮，仪表恢复正常工作。

指针式交流电流表工作原理与交流电压表原理相似，面板如图9。

不同之处在于电流表是用锰铜丝取样。

为了防止过大的起动电流对仪表的冲击，并设置了短路直键开关键4。

设置键6的目的是避免电路瞬间过电流，例如电机起动时电流很大可能超过满量程告警，电源被切断电机不能进入正常工作，这时可用键6在电机起动时将电流表短接使电流表不会出现告警，当电机起动后将键6打开，使电流表处于测量状态。

应该指出，因接触电阻的存在，当短接时，电流表仍有指示值，这时不要将此指示值误认为是电路被测的电流值，因此，只有当测量指示灯亮时，电流表指示值才是被测电流值。

六．直流电压表、电流表、毫安表

本实验台的直流仪表均采用数字式显示（ICL7107），直流电压表面板框图如图10。

1．测量输入接线柱；2．告警发光二极管

3．复位按钮；4．电源控制开关

5．量程选择开关；6．数显表头

电压表量程分2V、20V、300V四档。

数字式仪表显示的数值为平均值，但由于告警电路是根据输入的最大值来整定的，因而当输入直流脉动电压或电流时，虽然显示未超量程，但告警线路仍可能工作。

设有过量程保护电路，一旦输入电压超过量程的5%~10%，则仪表告警，同时，告警指示发光二极管发亮。

当故障排除后，按下复位按钮，仪表恢复正常工作。

直流毫安表、电流表的面板框图如图11、12。

毫安表量程分2mA、20mA、200mA。

电流表量程分2A、5A。

七．三相可变电阻器

三相可变电阻分MEL-03、MEL-04两种。

每相有两只电阻，每只电阻可调围为0~900Ω（或0~90Ω），允许电流为0.41A（或1.3A）。

两只电阻作为可变电阻使用时可有串联或并联两种联接方法，。

串联接法如图13所示：

将A3接线柱不用，A1A2两接线柱之间电阻可调围为0~2×900Ω。

并联接法如图14所示：

将A1与A2短接。

A1A3两接线柱之间电阻可调围为0~900Ω/2。

由于实验的需要，A相两只电阻除了作可变电阻使用外，还可采用电位器接法做分压器用。

例如他励直流电机励磁电压调节就是采用电位器接法。

作分压器时可以单只使用，也可并联使用。

如图15面板图所示，固定电压施加在A2A4端，而可变电压可以从A3A2（或A3A4）端引出。

每只电阻间串有熔断器，实验时应注意电流不可超过熔断器允许的最大电流值。

八．三相可变电抗器

三相可变电抗器面板如图15所示。

每相可变电抗均由一只250VA自耦变压器和一个1.08H的固定线电抗器所组成。

其中自耦变压器允许最大电压为250V，最大电流为0.45A，电抗器允许最大电流为0.5A。

当固定电抗器L1和X接线柱分别与自耦变压器的a和x接线柱相连接时，移动自耦变压器触点a，从A和x两端引出电抗即可改变。

九．操作步骤

一．上电步骤

1．合上漏电保护器。

2．把日光灯开关打向照明，看到日光灯会被点亮。

3．把总电源开关打向“开”的位置，断开指示灯亮。

控制屏上所有单相电源插座有交流220V电压输出，把“指示选择”开关打向电网电压侧，则三只指针表应有380V电压指示。

这时，若将同步电机励磁电源的电源开关打向ON处，侧此设备工作指示灯亮，电流输出显示为O；若将三相交流电压表、三相交流电流表的电源开关打向ON处，若打开主控屏上所挂挂箱的电源，上面的表头在漏电的情况下会有显示或指示。

4．将三相调压器旋钮左旋到底，按下闭合按钮，听到继电器吸合声，断开按钮指示灯在，闭合按钮指示灯亮，将直流电机励磁电源和可调直流稳压电源的电源开关打向ON处，则直流电机励磁电源有220V~230V的直流电压输出。

可调直流稳压电源告警灯亮，若按下复位按钮，则电压输出显示有电压指示，当调节电压调节旋钮，则会有90~250V的直流电压输出。

5．将“指示选择”开关拨向调压输出侧，顺时针调节调压器旋钮，则三只指针表将会有相同幅值的电压输出，用万用表测量，U、V、W、N将会有相电压显示。

6．若需做实验，可按实验指导书上所要求来做。

二．断电步骤

1．按下断开按钮，断开指示灯亮，将所有实验挂箱及仪表电源开关打向OFF处，关闭日光灯。

2．把钥匙开关打向关的位置。

3．断电漏电保护器。

十．注意事项

1．测功机只能输出信号，不能外接输入。

2．电阻盘转动不要用力过猛，以免损坏电阻盘。

3．电机与导轨连接时不要用力过猛，一定要连上橡皮连接头，加上固定螺丝。

4．仪表使用时注意量程选择，防止乱告警。

5．当电路告警或换做实验时，交流电源调节从零开始调。

6．励磁电源不要和直流稳压电源混淆，以免损坏设备。

7．设备中若有保险丝烧坏，可用同规格保险丝换上，不可过大或过小。

8．挂箱搬动要轻拿轻放，因为里面有些电路板是插板式，以免松动。

9．烙铁不要放在实验桌及主控屏上，以免烧坏实验桌和主控屏，还有导线、仪表。

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.预习要点

1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？

2.直流电动机调速原理是什么？

三.实验项目

1.工作特性和机械特性

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

（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）。

四．实验方法

1．他励电动机的工作特性和机械特性。

断开电源，按实验线路图1-1接线

图1-1直流他励电动机实验接线图

U1：

可调直流稳压电源；

R1、Rf：

电枢调节电阻和磁场调节电阻（位于MEL-09或分别选用D44上的90Ω和1800Ω）；

mA、A、V2：

直流毫安、电流、电压表（V1已在设备上接好）；

G：

涡流测功机；

IS：

涡流测功机励磁电流调节，位于MEL-13；

经老师检查无误后，按以下步骤操作：

a．将R1调至最大，Rf调至最小，合适选择各仪表的量程，检查涡流测功机与MEL-13是否相连，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，打开开关，起动直流电源，使电机旋转，并调整电机的旋转方向，使电机正转。

b．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）。

c．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组填入表1-1中。

表1-1U=UN=220VIf=IfN=A

实

验

数

据

Ia（A）

n（r/min）

T2（N.m）

计

算

数

据

P2（w）

P1（w）

η（%）

△n（%）

2．调速特性

（1）改变电枢端电压的调速

a．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，记录此时的T2=N.m

b．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组数据填入表1-2中。

表1-2If=IfN=A,T2=N.m

Ua（V）

n（r/min）

Ia（A）

（2）改变励磁电流的调速

a．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=N.m

b．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组数据填写入表1-3中。

表1-3U=UN=220V，T2=N.m

n（r/min）

If（A）

Ia（A）

五．实验报告

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

式中输出转矩T2的单位为N·m，转速n的单位为r／min。

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。

六．思考题

1.他励电动机的速率特性n=f（Ia）为什么是略微下降？

是否会出现上翘现象？

为什么？

上翘的速率特性对电动机运行有何影响？

2.当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端压，为什么会引起电动机转速降低？

3.当电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速的升高，为什么？

4.他励电动机在负载运行中，当磁场回路断线时是否一定会出现“飞车”？

为什么？

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．预习要点

1.变压器的空载和短路实验有什么特点？

实验中电源电压一般加在哪一方较合适？

2.在空载和短路实验中，各种仪表应怎样联接才能使测量误差最小？

3.如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗。

三．实验项目

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）。

四．实验方法

1．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的围；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，填入表2-1中。

e．测量数据以后，断开三相电源，以便为下次实验作好准备。

表2-1

序号

实验数据

计算数据

U0（V）

I0（A）

Po（W）

U1U1。

1U2

1

2

3

4

5

6

7

2．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