《控制系统电机》实验指导书.docx
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《控制系统电机》实验指导书
《控制电机》
实验指导书
适用专业:
信息、测控
课程代码:
8401630
总学时:
56总学分:
3.5
编写单位:
电气信息学院
编写人:
伟
审核人:
审批人:
批准时间:
年月日
实验一直流伺服电动机实验………………………………………………………………………………1
实验二单相变压器实验……………………………………………………………………………………3
实验三旋转变压器实验…………………………………………………………………………….………7
实验四步进电动机实验…………………………………………………………………………….………
注释…………………………………………………………………………………………………25
主要参考文献……………………………………………………………………………………………26
实验一直流伺服电动机实验
一、实验目的和任务
1、掌握用实验方法测取直流伺服电动机的机械特性；
二、实验容
1、测取直流伺服电动机的固有机械特性；
2、测取直流伺服电动机的人为机械特性；
三、实验仪器、设备及材料
1、DZSZ-1型实验装置主控制屏；
2、DD03导轨、测速发电机及转速表；
3、DJ23校正直流测功机，DJ15直流并励电动机；
4、挂件D31（直流电压、毫安电流表）、D41（三相可调电阻器）、D42（三相可调电阻器）、D52-2（智能转矩、转速、输出功率测试），D51（波形测试及开关板）。
四、实验步骤
1、直流伺服电动机机械特性测定：
图1-1直流伺服电动机接线图
1）按图1-1接线，校正直流测功机MG按他励发电机连接，在此作为直流电动机M的负载，用于测量电动机的转矩和输出功率。
Rf1、Rf2分别选用D42的900Ω串联900Ω共1800Ω阻值。
R1用D41的90Ω与90Ω串联阻值。
R2为发电机的负载电阻，选用D42的900Ω与900Ω变阻器串联，加上D41的90Ω与90Ω串联变阻器4只，阻值最大2160Ω。
当负载电流大于0.4A时用D41的90Ω与90Ω串联变阻器4只，而将D42的900Ω与900Ω变阻器串联部分阻值调到最小并用导线短接。
2）将直流他励电动机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，其旋转方向符合转速表正向旋转的要求。
3）M起动正常后，将其电枢串联电阻R1调至零，并用导线将其短接。
调节电枢电源的电压为220V，调节校正直流测功机的励磁电流使其等于校正值100mA。
将测速发电机的转速信号和校正直流测功机的电枢电流引入D52-2，选择功能2，按位/+即可。
调节校正直流测功机的负载电阻R2和电动机的磁场调节电阻Rf1，使电动机达到额定值：
U=UN，I=IN，n=nN。
此时M的励磁电流If即为额定励磁电流IfN。
4）保持U=UN，If=IfN，逐次减小电动机负载。
测取电动机的转速n和电动机输出转矩T2。
共取数据8-9组，记录于表1-1中。
表1-1UN=220VIfN=_______mA
Ia
n（r/min）
5）调节电枢电源的电压为U=150V。
保持U=150V和If=IfN不变，逐次减小电动机负载。
测取电动机的转速n和电动机输出转矩T2。
共取8-9组数据记录于表1-2中。
表1-2UN=150VIfN=_______mA
Ia
n（r/min）
五、实验报告要求
1、由表1-1和1-2分别绘出直流伺服电动机的固有和人为机械特性曲线n=f（T2）。
六、思考题
1、当电动机的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？
实验二单相变压器实验
一、实验目的和任务
1、通过空载实验测定变压器的激磁阻抗；
2、通过短路实验测定变压器的短路阻抗。
二、实验容
1、空载实验：
测取空载特性U0=f（I0），P0=f（U0），cosφ0=f（U0）；
2、短路实验：
测取短路特性Uk=f（Ik），Pk=f（Uk），cosφk=f（Uk）。
三、实验仪器、设备及材料
1、DZSZ-1型实验装置主控制屏；
2、挂件D33（交流电压表）、D32（交流电流表）、D34-3（单三相智能功率、功率因数表）；
3、DJK10（三相组式变压器）。
四、实验原理
变压器等效电路中的各种电阻、电抗或阻抗如Rk、xk、Rm、xm等称为变压器的参数，它们对变压器运行能有直接的影响。
知道了变压器的参数后，就可以利用变压器的等效电路来分析和计算其运行性能。
同时，从设计、制造的观点看，合理地选择参数对变压器产品的成本和技术经济性能都有较大的影响。
变压器的参数可以通过空载试验和短路试验来测定。
空载实验用于测定变压器的激磁阻抗。
实验时为安全起见，通常在变压器低压侧加电压，将高压侧开路，然后通过三表（电压、电流、功率表）测得变压器在空载时的原边电压、电流及功率，再通过计算间接求得变压器的激磁阻抗。
短路实验用于测定变压器的短路阻抗。
实验时通常在变压器高压侧加电压，将低压侧直接短路，，然后通过三表（电压、电流、功率表）测得变压器在短路时的原边电压、电流及功率，再通过计算间接求得变压器的短路阻抗。
五、主要技术重点、难点
在进行空载实验时，电压表应接在靠近电源侧，而电流表应接在靠近变压器绕组侧，而在进行短路实验时则恰好相反，这样做的目的是为了减小测量误差；
六、实验步骤
1、空载实验：
1）在三相调压交流电源断电的条件下，按图2-1接线。
被测变压器选用三相组式变压器DJK10中的一只作为单相变压器，其额定容量SN=50VA，U1N/U2N=127/31.8，I1N/I2N=0.4/1.6A。
变压器的低压线圈a、x接电源，高压线圈A、X开路。
图2-1单相变压器空载实验接线图
2）选好所有电表量程。
将控制屏左侧调压器旋钮向逆时针方向旋转到底，即将其调到输出电压为零的位置。
3）合上交流电源总开关，接通三相交流电源。
调节三相调压器旋钮，使变压器空载电压U0=1.2UN（UN=31.8V），然后逐次降低电源电压，在1.2～0.2UN的围，测取变压器的U0、I0、P0。
4）测取数据时，U=UN点必须测，并在该点附近测的点较密，共测取数据7-8组，录于表2-1中。
表2-1
序号
实验数据
U0（V）
I0（A）
P0（W）
UAX（V）
1
2
3
4
5
6
7
8
2、短路实验：
1）切断三相调压交流电源，按图2-2接线。
将变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。
图2-2单相变压器短路实验接线图
2）选好所有电表量程，将交流调压器旋钮调到输出电压为零的位置。
3）接通交流电源，逐次缓慢增加输入电压，直到短路电流等于1.1IN（IN=0.4A）为止，在（0.2～1）IN围测取变压器的Uk、Ik、Pk。
4）测取数据时，Ik=IN点必须测，共测取数据6-7组记录于表2-2中。
实验时记下周围环境温度（℃）。
表2-2室温_____℃
序号
实验数据
Uk（V）
Ik（A）
Pk（W）
1
2
3
4
5
6
7
七、实验报告要求
1、给出空载特性曲线和计算激磁参数；
1）绘出空载特性曲线I0=f（U0），P0=f（U0）；
2）计算激磁参数：
从空载特性曲线上查出对应于U0=UN时的I0和P0值，并由下面几个式子计算出激磁参数：
，
，
。
2、绘出短路特性曲线和计算短路参数：
1）绘出空载特性曲线Ik=f（Uk），Pk=f（Uk）；
2）计算短路参数：
从短路特性曲线上查出对应于Ik=IN时的Uk和Pk值，并由下面几个式子计算出环境温度为θ（℃）时的短路参数：
，
，
，折算到低压侧为
，
，
。
由于短路电阻RK随温度变化，因此算出的电阻应按国家标准换算到基准工作温度75℃时的阻值，换算公式为
，
。
注意，式中234.5为铜导线的常数，若用铝导线常数应改为228。
3、利用空载和短路实验测定的参数，画出实验变压器折算到低压侧的“T”型等效电路。
八、实验注意事项
1、在变压器实验中，应注意电压表、电流表、功率表的合理布置及量程选择；
2、短路实验操作要快，否则线圈发热引起电阻变化。
九、思考题
1、变压器的空载和短路实验中电源电压一般加在哪一方较合适？
为什么？
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？
为什么？
实验三旋转变压器实验
旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。
当激磁绕组以一定频率的交流电激励时，输出绕组的电压可与转角的正弦、余弦成函数关系，或在一定围可以成线性关系。
它广泛用于自动控制系统中的三角运算、传输角度数据等，也可以作为移相器用。
一、使用说明
XSZ-1型旋转变压器实验装置由旋转变压器中频电源和旋转变压器实验仪两部分组成。
（一）实验仪
1、旋转变压器技术指标
型号：
36XZ20-5
电压比：
0.56
电压：
60V
频率：
400Hz
激励方：
定子
空载阻抗；2000Ω
绝缘电阻：
≥100MΩ
精度：
1级
2、刻度盘
1）本装置将旋转变压器转轴与刻度盘固紧连接，使用时旋转刻度盘手柄即可完成转轴旋转。
2）刻度盘上的分尺有20小格刻度线，每小格为3＇，转角按游标尺读数。
3）将固紧滚花螺母拧松后，便可轻松旋转刻度盘（不允许用力向外拉，以防轴头变形）。
需固定刻度盘时，可旋紧滚花螺母。
3、接线柱
本装置将旋转变压器的引线端与接线柱一一对应连接，使用时根据实验接线图用手枪插头（或鳄鱼夹），将接线柱连结即可完成实验要求。
（二）中频电源
1、技术参数
波形：
正弦波
频率：
400Hz±5Hz
电压：
0～70V
失真度：
1%
负载：
36XZ20-5旋转变压器
2、电原理框图如图3-3-1所示。
图3-3-1中频电源电原理框图
3、结构特征
1）前面板
电压表用于指示输出电压
（1）VA口：
0——200V电压输入
VB口：
0——70V电压输出
IA口：
0——200mA电流输入
IB口：
输出电流指示
注：
波段开关用于上述四口的切换，系统分立取样。
各口可同时使用，波段开关可直接显示切换，此电压表只测量外部信号。
（2）旋钮顺时针旋转为增大输出幅度，逆时针旋转为减小输出幅度。
二、正余弦旋转变压器实验
（一）实验目的
1、研究测定正余弦旋转变压器的空载输出特性和负载输出特性。
2、研究测定二次侧补偿、一次侧补偿的正余弦旋转变压器的输出特性。
3、了解正余弦旋转变压器的几种应用情况。
（二）预习要点
1、正余弦旋转变压器的工作原理。
2、正余弦旋转变压器的主要特性及其实验方法。
（三）实验项目
1、测定正余弦旋转变压器的空载时的输出特性
2、测定负载对输出特性的影响
3、二次侧补偿后负载时的输出特性
4、一次侧补偿后负载时的输出特性
5、正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图
（四）实验设备及挂件排列顺序
1、实验设备
序号
型号
名称
数量
1
D56（XSZ-1）
旋转变压器中频电源
1件
2
XSZ-1
旋转变压器实验装置
1件
3
D42
三相可调电阻器
1件
4
D51
波形测试及开关板
1件
2、屏上挂件排列顺序
D56、D51、D42
（五）实验方法
1、测定正余弦旋转变压器空载时的输出特性
图3-3-2正余弦旋转变压器空载及负载实验接线图
1）按图3-3-2接线。
图中R、RL均用D42上900Ω串联900Ω共1800Ω阻值，并调定在1200Ω阻值。
开关S1、S2、S3用D51上相应开关，D1、D2为激磁绕组，D3、D4为补偿绕组，Z1、Z2为余弦绕组，Z3、Z4为正弦绕组。
2）开关S1、S2、S3都在打开位置。
3）定子励磁绕组两端D1、D2施加额定电压UfN（60V、400Hz）且保持不变。
4）用手缓慢旋转刻度盘，找出余弦输出绕组输出电压为最小值的位置，此位置即为起始零位。
5）在0º-180º间每转角10º测量转子余弦空载输出电压Ur0与刻度盘转角ɑ的数值。
并记录于表3-3-1中。
表3-3-1UfN=60V
ɑ（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
Ur0（V）
ɑ（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
Ur0（V）
2、测定负载对输出特性影响
1）在图3-3-2中，开关S1、S2仍打开，开关S3闭合，使正余弦旋转变压器带负载电阻RL运行。
2）重复实验方法3中3）、4）、5）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角ɑ的数值并记录于表3-3-2中。
表3-3-2UfN=60V
ɑ（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
UrL（V）
ɑ（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
UrL（V）
3、测量二次侧补偿后负载时的输出特性
1）在图3-3-2中，开关S1打开，S3闭合接通负载电阻RL，开关S2也闭合，使二次侧正弦输出绕组端Z3、Z4经补偿电阻R闭合。
2）重复实验方法3中3）、4）、5）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角ɑ的数值并记录于表3-3-3中。
实验时注意一次侧输出电流的变化。
表3-3-3UfN=60V
ɑ（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
UrL（V）
ɑ（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
UrL（V）
4、测量一次侧补偿后负载时输出特性
1）在图3-3-2中，开关S3闭合接通负载电阻RL，S1也闭合，把一次侧接成补偿电路，开关S2打开。
2）重复实验方法3中3）、4）、5）的步骤，记录余弦负载输出电压UrL与转角ɑ的数值并记录于表3-3-4中。
表3-3-4UfN=60V
ɑ（deg）
0º
10º
20º
30º
40º
50º
60º
70º
80º
90º
UrL（V）
ɑ（deg）
100º
110º
120º
130º
140º
150º
160º
170º
180º
UrL（V）
5、正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图如图3-3-3所示。
1）按图3-3-3接线。
图中RL用D42上900Ω串联900Ω共1800Ω阻值并用万用表调至1200Ω固定不变。
2）重复实验方法3中3）、4）和5）的步骤，在-60º-60º间，每转角10º记录输出电压Ur与转角ɑ的数值并记录于表3-3-5中。
图3-3-3正余弦旋转变压器作线性应用时的接线图
表3-3-5UfN=60V
ɑ（deg）
-60º
-50º
-40º
-30º
-20º
-10º
0º
Ur（V）
ɑ（deg）
10º
20º
30º
40º
50º
60º
Ur（V）
（六）、实验报告
1、根据表3-3-1的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器空载时输出电压Ur0与转子转角ɑ的关系曲线，即Ur0=f（ɑ）。
2、根据表3-3-2的实验记录数据，绘制负载时输出电压UrL与转子转角ɑ的关系曲线，即UrL=f（ɑ）。
3、根据表3-3-3的实验记录数据，绘制二次侧补偿后负载时输出电压UrL与转子转角ɑ的关系曲线，即UrL=f（ɑ）。
4、根据表3-3-4的实验记录数据，绘制一次侧补偿后负载时输出电压UrL与转子转角ɑ的关系曲线，即UrL=f（ɑ）。
5、根据表3-3-5的实验记录数据，绘制正余弦旋转变压器作线性应用时输出电压Ur与转子转角ɑ的关系曲线，即Ur=f（ɑ）。
注：
（1）要保持电压不变,可将转角固定,微调旋钮。
（2）负载RL参考值为1200Ω。
（七）、思考题
1、试分析旋转变压器一、二次侧补偿的原理。
2、试分析正余弦旋转变压器作线性变压器的原理。
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