汕头大学实验报告控制3.docx
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汕头大学实验报告控制3
汕头大学实验报告
实验时间:
2012-11-24专业:
10机电指导教师:
陈少波成绩:
实验者姓名:
郭日胜学号:
2010124015合作者:
黄振汉
____________________________________________________________________
一、实验目的
1、学习直流电机实验的基本要求与安全操作注意事项。
2、认识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、掌握用实验方法测取直电动机的工作特性和机械特性。
4、掌握直流电动机起动、调速与制动的控制方法。
5、掌握测定直流电机调速特性的方法。
6、了解直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性。
二、实验设备及控制屏上挂件排列顺序
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
DD03
导轨、测速发电机及转速表
1台
2
DJ23
校正直流测功机
1台
3
DJ15
直流并励电动机
1台
4
D31
直流数字电压、毫安、安培表
2件
5
D42
三相可调电阻器
1件
6
D44
可调电阻器、电容器
1件
7
D51
波形测试及开关板
1件
8
D41
三相可调电阻器
1件
9
DT2234A
数字测速表
1件
三、实验原理及步骤
1、用伏安法测直流并励电动机电枢的直流电阻（选做）
图3-1测电枢绕组直流电阻接线图
（1）按图3-1接线，经检查无误后接通电枢电源，并调至220V。
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U和电流I。
将电机分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取U、I三组数据列于表3-1中。
（2）增大R使电流分别达到0.15A和0.1A，用同样方法测取六组数据列于表3-1中。
取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值。
3、并励电动机的工作特性和机械特性
（1）按图3-2接线。
2）将直流并励电动机M的磁场调节电阻Rf1调至最小值，电枢串联起动电阻R1调至最大值，接通控制屏下边右方的电枢电源开关使其起动，检查电机的旋转方向应符合转速表正向旋转的要求。
4、调速特性
（1）改变电枢端电压的调速
1）直流电动机M运行后，将电阻R1调至零，If2调至校正值，再调节负载电阻R2、电枢电压及磁场电阻Rf1，使M的U=UN，I=If+Ia=0.5IN=0.6A，If＝IfN记下此时MG的IF值。
2）保持此时的IF值（即T2值）和If＝IfN不变，逐次增加R1的阻值，降低电枢两端的电压Ua，使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，调速过程中须保持If2值为校正值不变。
3）共取数据8-9组，记录于表3-3中。
2）改变励磁电流的调速
1）直流电动机运行后，将M的电枢串联电阻R1和磁场调节电阻Rf1调至零，将MG的If2调至校正值，再调节M的电枢电源调压旋钮和MG的负载，使电动机M的U=UN，I＝0.5IN记下此时的IF值。
2）保持此时MG的IF值（T2值）和M的U＝UN不变，逐次增加磁场电阻阻值：
直至n＝1.3nN，nN为直流并励电机DJ15的额定转速，具体数值见电机铭牌。
每次测取电动机的n、If和Ia，调速过程中也须保持If2值为校正值不变。
共取7－8组记录于表3－4中。
5、直流他励电动机R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性
按图3-3接线
（1）R1、R2分别选用D44的1800Ω和180Ω阻值，R3选用D42上4只900Ω串联共3600Ω阻值，R4选用D42上1800Ω再加上D41上6只90Ω串联共2340Ω阻值。
6、R2=400Ω时的电动运行及反接制动状态下的机械特性
（1）在确保断电条件下，改接图3-3，R1阻值不变，仍然选用D44的1800Ω阻值，R2用D42的900Ω与900Ω并联并用万用表调定在400Ω，R3用D44的180Ω阻值，R4用D42上1800Ω阻值加上D41上6只90Ω电阻串联共2340Ω阻值。
（2）转速表n置正向1800r/min量程，S1合向1端，S2合向2'端（短接线仍拆掉），把电机MG电枢的二个插头对调，R1、R3置最小值，R2置400Ω阻值，R4置最大值。
7、能耗制动状态下的机械特性
（1）图3-3中，R1阻值不变，仍然选用D44的1800Ω阻值，R2用D44的180Ω固定阻值，R3用D42的1800Ω可调电阻，R4阻值不变。
（2）S1合向2短接端，R1置最大值位置，R3置最小值位置，R4调定180Ω阻值，S2合向1'端。
四、实验结果与分析
1、用伏安法测直流并励电动机电枢的直流电阻。
实验中测量数据如下表：
表3-1室温24℃
序号
U（V）
I（A）
R（平均）（Ω）
Ra（Ω）
Raref（Ω）
1
3.7
0.2
Ra11=18.5
Ra1=18.83
19.01
=19.01*（235+75）/（235+20）
=23.11
3.8
Ra12=19
3.8
Ra13=19
2
2.9
0.15
Ra21=19.3
Ra2=18.88
2.8
Ra22=18.67
2.8
Ra23=18.67
3
2.0
0.10
Ra31=20
Ra3=19.33
1.9
Ra32=19
1.9
Ra33=19
即电枢电阻
=23.11Ω。
2、并励电动机的工作特性、机械特性和调速特性。
（1）工作特性、机械特性：
测得数据如下：
表3－2U＝UN＝220VIf=IfN=69.6mAIf2=99.7mA
实
验
数
据
Ia（A）
1.14
1.06
0.94
0.83
0.71
0.61
0.50
0.4
0.29
n（r/min）
1602
1611
1620
1629
1640
1646
1659
1674
1690
IF（A）
0.86
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
T2（N·m）
1.16
1.05
0.94
0.82
0.72
0.61
0.50
0.4
0.3
计
算
数
据
P2（W）
195.1
177.6
159.9
140.3
124.0
105.4
87.1
70.3
53.2
P1（W）
266.1
248.5
222.1
197.9
171.5
149.5
125.3
103.3
79.16
η（％）
73.3
71.5
71.99
70.89
72.3
70.5
69.5
68.1
67.2
Δn（％）
由此可得η＝f（Ia）及n＝f（T2）的特性曲线
由图可知当Ia=IaN=1.14A时，电动机的效率达到最大值，忽略误差，可知减小电动机的的负载，电动机的效率也会减小（因为输出转矩明显减小，而转速变化不明显），电动机的效率在0.7～1.06之间出现上下波动的原因可能是在实验过程中没有保证If=IfN=69.6mA。
图表分析：
忽略误差，n与T2的关系曲线因该是直线的，属于线性关系，相关系数r=0.9899，说明线性度很好。
直线与纵坐标的相交点的n值是理想空载转速，直线的斜率反映的是并励电动机的硬特性（并励电机的硬特性，指的是启动初期，扭矩比较大，转速很快上升到额定转速，到达额定转速后，转速不再继续上升，扭矩也迅速减小，并保持稳定在一个水平）。
由工作特性求出转速变化率：
=
（2）改变电枢端电压的调速特性：
测得数据如下：
表3－3If＝IfN＝60.4mAT2＝0.59N·m
Ua（V）
214
210
200
190
180
170
160
150
140
n（r/min）
1698
1608
1586
1503
1418
1341
1253
1169
1086
Ia（A）
0.54
0.53
0.53
0.52
0.53
0.53
0.53
0.53
0.53
因此得n＝f（Ua）曲线
分析：
实验过程中保证IF（T2）的值不变，即是在负载不变的情况下，调节电枢两端电压来调节电机转速，实验应该是在电枢端电压为额定值开始记录，但操作错误，从电压为214V开始。
忽略操作误差，可知在负载不变的条件下，增大电枢端电压，能增大电机转速（
），但电枢端电压不能超过额定值，即电机转速也不能超过额定转速。
可以看出，在负载恒定的情况下，电机转速与电枢电压满足线性关系，相关系数r=0，9965，说明线性值可靠，线性度很好。
结合图表可知，改变电枢端电压调速时，电枢电流与电枢端电压无关。
（3）改变励磁电流的调速特性：
测得数据如下：
表3－4U＝UN＝220VT2＝0.59N·m
n（r/min）
1470
1504
1520
1551
1596
1620
1659
1703
If（mA）
95.8
87.0
80.4
77.8
70.9
67.9
60.7
59.3
Ia（A）
0.51
0.52
0.53
0.54
0.56
0.57
0.57
0.59
可得n=f（If）曲线如下图所示。
忽略数据误差，可知，在负载恒定的情况下，电机转速与励磁电流是负相关的（
），相关系数r=0.97759，可知线性度较高。
随着励磁电流的增加，电枢电流降低。
其中，回归方程的斜率的倒数表示电动机机械特性的硬度，截距表示电动机的理想空载转速。
分析：
1、两种调速方式的电枢电流变化规律。
A、改变电枢端电压的调速：
由表3-3可知电枢电流几乎没变化，因为实验中保证I=If+Ia=0.5IN=0.6A,而If=60.4mA不变，故可知Ia不变。
B、改变励磁电流的调速:
由表3-4可知电枢电流随着励磁电流的减小而增大。
2、两种调速方式的优缺点。
A、改变电枢端电压的调速：
优点是电枢端电压与转速成正相关，调节电压可以从小到大来调节转速，较为安全；可以实现无级调速；调速稳定性好；调速范围较宽。
缺点是调节电压增大，电枢电流不变，电枢回路所消耗的能源相对较大，电机发热严重。
B、改变励磁电流的调速:
能量损耗小，电机发热不严重；可以无级调速。
缺点：
因为是通过改变励磁电流来改变磁通，实现调速，故受限制，调速范围较窄；稳定性差，不利于控制。
3、直流他励电动机机械特性。
（1）R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性：
测得数据如下：
表3-5UN=220VIfN=100mA
Ia（A）
0.54
0.50
0.44
0.38
0.32
0.30
0.27
0.26
0.17
n（r/min）
1644
1650
1658
1672
1679
1684
1687
1689
1706
表3-6UN=220VIfN=100mA
Ia（A）
0
-0.06
-0.12
-0.25
-0.30
-0.35
-0.45
-0.50
-0.53
n（r/min）
1733
1749
1763
1798
1815
1828
1864
1891
1900
（2）R2=400Ω时的电动运行及反接制动状态下的机械特性：
测得数据如下：
表3-7UN=220VIfN=100mAR2=400Ω
Ia（A）
0.31
0.33
0.35
0.41
0.46
0.49
0.53
0.59
0.62
0.68
0.74
0.82
0.93
n（r/min）
547
493
414
239
84.5
0
-101.5
-302
-400.8
-612
-826.7
-1077
-1451
（3）能耗制动状态下的机械特性：
测得数据如下：
表3-8R2=180ΩIfN=100mA
Ia（A）
0.85
0.75
0.65
0.55
0.45
0.35
0.25
0.21
n（r/min）
1601
1402
1201
1005
811.0
626
444
366
表3-9R2=90ΩIfN=100.2mA
Ia（A）
0.91
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.24
n（r/min）
991
868.0
744.7
625.0
519
412.1
306.0
242.0
根据实验数据，绘制直流他励电动机运行在第一、第二、第四象限的电动和制动状态及能耗制动状态下的机械特性n=f（Ia）
分析：
1、R2=0，电动机工作在电动状态，电磁转矩T克服额定负载在额定转速下工作，当增大R4，减小负载，使转速增加。
调节R3，使转速增高达到理想空载转速n0，当n>n0,感应电动势大于电源电压，故电枢中电流方向便与电动状态相反，转矩的的方向也由于电流方向的改变，而与电动运转状态相反，以发电机的形式向电源回馈电能，直到达到一个新的平衡为止，故称为回馈制动。
回馈制动的理想空载转速和特性的斜率与电动状态下的一致。
2、R2=400，实验中是改变电枢电动势的方向而产生的反接制动（倒拉反接制动），在进行倒拉反接制动前，电机是出于正向电动状态，减小R4即是增大负载，电动机的转矩小于负载转矩，故转速下降，电枢电流增大，电动机的转矩增大但依然小于负载转矩，知道转速为零，电动机的反电动势也为零，但是电枢在外加电压的作用下还有很大电流，其电流产生堵转矩且小于负载转矩（减小R4增大负载转矩），故电动机的电枢反向转，当电动势与电压方向相同时，电枢电流增大，电动机转矩增大直到负载转矩，也即是Ia=IaN,转速不再增加。
3、实验中，把外施电枢电压然降为零，由于机械惯性，电动机乃在转，磁通和转速的存在，是电枢绕组上继续有感应电动势，其方向与电动状态方向相同。
电动势在电枢和所R2回路内产生电流Ia，该电流方向和电动状态下由电源电压所决定的电枢电流方向相反，而磁通方向未改变，故电磁转矩T=CMΦIa反向，T与n反向，T变成制动转矩。
当忽略不变损耗时，可近似认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，因为
，故
CMΦIa，所以当Ia减小时，n减小，当R2增大时，n增大（由图也能看出）。
五、思考题
1、用什么方法可以改变直流电动机的转向？
直流他励电动机原理图
答：
①可以通过继电器、PLC等对电机的正反转控制；②反接制动：
包括电源反接制动及倒拉反接制动。
2、当电动机负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端电压，为什么会引起电动机转速降低？
答：
如右图，电枢电路电动势平衡方程：
，则电机的转速特性：
，又由电磁转矩方程：
，其中
和
为常数。
当电动机负载转矩和励磁电流不变时，可知电枢电流
不变，若此时减小电枢电压，转速n将降低。
3、在电动机轻载及额定负载时，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？
答：
由电磁转矩方程
可知，当电动机轻载时，电枢电流很小，由
可知增大电枢回路电阻电机转速变化很小；当电机处在额定负载时，如果增大电枢回路的调节电阻电机转速将有较大幅度的降低。
增大励磁回路的调节电阻，励磁电流降低，
减小，由
可知，不管电机处于轻载还是额定负载，其转速均增大。
4、当电动机负载转矩和电枢端电压不变，减小励磁电流会让转速升高，为什么？
答：
显然励磁电流降低，磁链
减小，由机械特性方程
可知转速与磁通成反比，而减小励磁电流会使磁通减小，电机转速降升高。
5、并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？
答：
并励电动机的机械特性方程为：
，可知当磁场回路断线时，磁链
为零，此时不管电机处于空载、轻载还是额定载荷，电机将发生飞车事故。
6、回馈制动实验中，如何判别电动机运行在理想空载点？
答：
电动机运行在理想空载点时有两个基本特性，即T=0和
。
实验中转速测量仪不易读准转速，因此判别电动机的理想空载点的依据是实验电路中的
表的电流值为0。
电枢电流为零，输出转矩为零，电动机空载。
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