电机与运动控制系统实验报告1.docx

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电机与运动控制系统实验报告1

实验报告

课程名称：

《电机与运动控制系统》实验第2次实验

实验名称：

直流并励电动机

实验时间：

2015年xx月xx日

实验地点：

xxxxxxxxxxxx组号__________

学号：

xxxxxxxxxxxxx

姓名：

xxxxxxxxxx

指导老师：

xxxxxxx评定成绩：

___________

实验二直流他励（并励）电动机

一、实验目的

1．掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。

2．掌握直流并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（自然和人工）

保持U＝UN和If＝IfN不变，R1=0，测取n、M2、n＝f（Ia）及n=f（M2）。

保持U＝UN和If＝IfN不变，R1+Ra=100％RaN，测取n、M2、n＝f（Ia）及n=f（M2）。

2．调速特性

（1）改变电枢电压调速

保持U＝UN，If＝IfN常值，M0＝常值，测取n＝f（Ua）。

（2）改变励磁电流调速

保持U＝UN，M2＝常值，R1＝0，测取n＝f（If）。

四、实验线路及操作步骤

1、并励电动机的工作特性和机械特性

实验线路如图2—1所示。

图2－1直流并励电动机接线图（实验时接成他励）

电机选用D17直流并励电动机，负载采用涡流测功机或其它装置。

按照实验一方法起动直流并励电动机，其转向从测功机端观察为逆时针方向。

将电动机电枢调节电阻Rl调至零，同时调节直流电源调压旋钮，测功机的加载旋钮和电动机的磁场调节电阻Rf，调到其电机的额定值U＝UN，I＝IN，n＝nN，其励磁电流即为额定励磁电流IfN，在保持U=UN和I＝IfN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即将测功机的加载旋钮逆时针转动直至零。

测取电动机输入电流I，转速n和测功机的转矩M，共取6—7组数据，记录于表2－1中，即为电机的自然机械特性。

然后调节电枢电阻R1，（R1电阻可用90Ω电阻箱串联实现），使R1＋Ra＝100％RaN，RaN值可根据UN/IN求得，Ra值可根据实验一可得。

在保持U=UN和I＝IfN不变的条件下，重新上述特性调节实验，测取电动机输入电流I，转速n和测功机的转矩M，共取6—7组数据，记录于表2－2中，即为电机的人工机械特性。

表2—1U=UN＝__________VIf=IfN＝__________AR1＝_________Ω

实

验

数

据

I（A）

n（r/min）

M2（N·m）

计

算

数

据

Ia（A）

P2（W）

η（%）

表2—2U=UN＝__________VIf=IfN＝__________AR1＝_________Ω

实

验

数

据

I（A）

n（r/min）

M2（N·m）

2．调速特性

（1）改变电枢端电压的调速直流电动机起动后，将电阻Rl调至零，同时调节负载（测功机）、直流电源及电阻Rf，使U＝UN，I＝0.5IN，If＝IfN，保持此时的M2的数值和If＝IfN，逐次增加R1的阻值，即降低电枢两端的电压Ua，Rl从零调至最大值，每次测取电动机的端电压Ua，转速n和输入电流I，共取5—6组数据，记录于表2—3中。

表2—3If=IfN＝__________AM2=_______________N·m

Ua（V）

n（r/min）

I（A）

Ia（A）

（2）改变励磁电流的调速

直流电动机起动后，将电阻Rl和电阻Rf调至零，同时调节直流调压旋钮和测功机加载旋钮，使电动机U＝UN，I＝0.5IN，If＝IfN，保持此时的M2数值和U＝UN的值，逐次增加磁场电阻Rf，直至n＝1.3nN，每次测取电动机的n、If和I，共取5—6组数据，记录于表2—4中。

表2—4U=UN＝__________VM2=_____________N·m

n（r/min）

If（A）

I（A）

Ia（A）

五、实验报告

1．计算出Ia、P2和η，并绘出n、M、n＝f（Ia）及n＝f（M2）的自然特性曲线。

电动机输出功率P2＝0.105nM2

式中输出转矩M2的单位为N．M，转速n的单位为r／min。

电动机输入功P1＝U（Ia＋IfN）

电动机效率η＝

×100％

由工作特性求出转速变化率：

Δn＝

×l00％

2．由表2－1在同一坐标纸上画出R1+Ra=100％RaN时的人工机械特性曲线。

3．绘出并励电动机调速特性曲线n＝f（U）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、实验数据

1、并励电动机的工作特性和机械特性

公式推导：

所以

，此时为电动机的自然机械特性

，该式即为电动机的人工机械特性

表2—1U=UN＝____220____VIf=IfN＝__0.114______AR1＝___0____Ω

实

验

数

据

I（A）

0.48

0.62

0.77

0.90

1.06

1.22

1.38

n（r/min）

1500

1484

1464

1447

1426

1406

1388

M2（N·m）

0.255

0.455

0.655

0.855

1.055

1.255

1.455

计

算

数

据

Ia（A）

0.48

0.62

0.77

0.90

1.06

1.22

1.38

P2（W）

40.16

70.90

100.69

129.90

157.97

185.28

212.05

η（%）

30.73%

43.91%

51.77%

58.23%

61.16%

63.13%

64.52%

公式推导：

电动机输出功率P2＝0.105nM2

式中输出转矩M2的单位为N．M，转速n的单位为r／min。

电动机输入功P1＝U（Ia＋IfN）

电动机效率η＝

×100％

由工作特性求出转速变化率：

Δn＝

×l00％

表2—2U=UN＝__220____VIf=IfN＝____0.111___AR1＝___190___Ω

实

验

数

据

I（A）

0.33

0.39

0.46

0.52

0.55

0.59

n（r/min）

1069

971

876

774

734

677

M2（N·m）

0.028

0.128

0.228

0.328

0.378

0.428

N与Ia的拟合公式为y=-126.45x+1561.2，R2=0.99943，说明拟合效果较好

N与M2的拟合公式为y=-94.643x+1525.9，R2=0.99902，说明拟合效果较好

N与Ia的拟合公式为y=-1509x+1564.4，R2=0.99907，说明拟合效果较好

N与M2的拟合公式为y=-972.84x+1096.3，R2=0.99954，说明拟合效果较好

2．调速特性

（1）改变电枢端电压的调速

表2—3If=IfN＝___0.111___AM2=____0.354_______N·m

Ua（V）

216.7

212.8

205.8

192.9

185.3

176.7

n（r/min）

1494

1482

1438

1358

1301

1236

I（A）

0.5482

0.5543

0.5618

0.5828

0.5989

0.6185

Ia（A）

0.5482

0.5543

0.5618

0.5828

0.5989

0.6185

（2）改变励磁电流的调速

表2—4U=UN＝___220_______VM2=____0.35_________N·m

n（r/min）

1510

1612

1691

1776

1842

1915

If（A）

0.11

0.09

0.079

0.07

0.064

0.06

I（A）

0.55

0.56

0.58

0.59

0.59

0.60

Ia（A）

0.55

0.56

0.58

0.59

0.59

0.60

分析：

调压调速是在基速以下调节转速的方法，电压越小，转速越小。

调压调速的优点：

（1）可实现无级调速；

（2）相对稳定性较好；（3）调速范围较宽，D可达10-20；（4）调速经济性较好。

调压调速的缺点：

需要一套可控的直流电源。

弱磁调速是在基速以上调节转速的方法，励磁电流减小，磁通变小，转速升高。

弱磁调速的优点：

（1）控制方便，能量损耗小；

（2）可实现无级调速。

弱磁调速的缺点：

由于受电动机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，调速范围窄，一般要与调压调速配合使用。

结论：

由于调压调速属于恒转矩调速，所以为了充分发挥电机的性能，保证Ia=

，所以应该将其使用在恒转矩负载上；同样，作为恒功率调速，弱磁调速应该使用在恒功率负载上，以做到调速特性与负载特性的匹配。

在恒转矩负载时，对于调压调速（降速），电枢电流等于额定电枢电流，对于弱磁调速（升速），电枢电流将增大。

七、实验数据误差分析

1、由于在实验过程中电机转速不够稳定，且线路存在电阻、杂散电感电容影响，所以引入了系统误差；

2、由于实验测量仪器不够精准，示数波动较大，所以引入了系统误差；

3、在读取实验仪器的示数时，由于是人眼读取数据，因而存在估读、错读、漏读等可能，所以引入了人为误差；

4、由于长时间使用，实验元器件的标称值与实际值不符，且各项性能都逐渐变差，所以引入了系统误差；

5、实验过程中由于电机的转速需要过较长时间才能稳定下来，而在读取转速时可能转速还没有稳定下来，所以引入了人为误差；

八、实验小结

1、在做电机实验时，由于所做实验内容较多，所以每次实验前应该先预习一下实验内容的理论基础知识，这样做实验时才能够事半功倍；

2、由于在测电机转速时，需要等待较长时间，因此要有足够的耐心，否则如果过于急躁，那么没有等到电机稳定下来就读取电机转速，会给实验结果引入很大的人为误差；

3、由于电机控制步骤和注意事项较多，所以在做电机实验时应该小心谨慎，不能够过于急躁，避免发生事故；

4、直流电动机在运行过程中，励磁回路绝不可以断开，即绝不可以失磁，因为如果失磁，由于剩磁作用电机的转速将会迅速升高，有可能引发严重的事故；

5、只有使电动机的调速特性和实际负载的特性相匹配，电动机才可以得到充分利用，不过实际上，由于电动机容量分成若干等级，有时候只能尽量接近而不能相等；

九、思考题

1．并励电动机的速率特性n=f（Ia）为什么是略微下降?

是否出现上翘现象?

为什么?

上翘的速率特性对电动机运行有何影响?

答：

，而一般电动机的机械特性较硬，斜率为负且较小；

，在满足一定条件的情况下，磁通下降可能引起转速的上升，即出现上翘现象；

这样的变化与电枢回路电流增大引起的转速降相抵消，对电动机的影响是使电动机的转速变化很小。

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?

答：

，

，减小U，则转速n下降。

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?

答：

，励磁电流减小，则

减小，在

时，

减小会导致转速升高。

4．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“飞速”?

为什么？

答：

不一定。

这是因为当电动机负载较轻时，电动机的转速将迅速上升，造成“飞车”；但若电动机的负载为重载时，则电动机的电磁转矩将小于负载转矩，使电动机转速减小，但电枢电流将飞速增大，超过电动机允许的最大电流值，烧毁电枢绕组。