电机学实验指导书最终版.doc

电机学实验指导书西安工程大学电子信息学院电气工程教研室2007-6-15【内容简介】电机实验是学习研究电机理论的重要环节，其目的在于通过实验验证和研究电机理论，使学生掌握电机实验的方法和基本技能，培养学生严肃认真事实求是的科学作风。本讲义主要介绍电气自动化和电力系统自动化中常用的直流电机、变压器、异步电机和同步电机的相关实验和实验原理，学生可以掌握实验方法，学会选择仪表，测取实验数据等基本实验研究技能。通过实验，加深对电机学理论知识的理解。本书主要以电机教学实验为主，又照顾到工程实验应用，在内容讲述和编排上进行一些改革尝试。本讲义可作为高等院校有关专业的辅助教材和参考书，也可供从事电机试验等工程技术人员参考前 言随着教学改革的不断深化，电气工程类各学科的教学内容和教学方式都产生了很大变化。加强实验教学环节，提高学生的动手能力已经成为人们的共识。电机实验课是电机学和其相近课程的重要组成部分，本实验讲义只侧重于掌握实验方法，并运用课堂上学到的电机理论知识来分析研究实验中的各种问题，得出必要的结论，从而达到培养学生在电机这门学科中具备分析问题和解决问题的初步能力。本实验讲义是针对电信学院实验中心电机学实验室的“电机综合实验台”编写的，适用于本学校的电机学等课程的实验教学。在内容上详细介绍了实验的方法，同时还增加了实验的原理，使学生更容易了解实验过程。内容包括：直流电机、变压器、异步电机、同步电机相关实验内容。参加编写工作的有刘毅力、李彦宾。刘重轩教授负责统稿和校正，最后，刘重轩教授审订。由于编者的水平有限，难免有纰漏之处，敬请读者批评指正。 编者2007年7月10日目 录电机学及拖动基础实验的基本要求和安全操作规程1直流电机实验5实验一 认识实验5实验二 直流发电机8实验三 直流他励电动机实验13实验四 他励直流电动机的机械特性实验19三相变压器实验25实验五 三相变压器的参数测量实验25实验六 三相变压器的联接组和不对称短路32实验七 三相变压器的负载运行43实验八 三相变压器的并联运行（选作）48异步电机实验51实验九 三相异步电动机的参数测定实验51实验十 三相异步电动机的工作特性62实验十一 三相绕线式异步电机在各种运行状态下的机械特性实验65同步电机实验75实验十二 三相同步发电机的运行特性75实验十三 三相同步电机参数的测定84实验十四 三相同步发电机的并联运行特性92附 录99103 电机学及拖动基础实验的基本要求和安全操作规程实验的基本要求 电机及电气技术实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。培养学生学会根据实验目的拟定实验线路，选择所需仪表，确定实验步骤，测取所需数据，进行分析研究，得出必要结论，从而完成实验报告。在整个实验过程中，必须集中精力，及时认真做好实验。现按实验过程提出下列基本要求。一.实验前的准备1.实验前应复习教科书中有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题（有些内容可到实验室对照实验预习，如熟悉组件的编号，使用及其规定值等），并按照实验项目准备记录抄表等。2. 实验前应写好预习报告，经指导教师检查认为确实作好了实验前的准备，方可开始作实验。3.认真作好实验前的准备工作，对于培养同学独立工作能力，提高实验质量和保护实验设备都是很重要的。二、实验进行1.实验的进行建立小组，合理分工每次实验都以小组为单位进行，每组由4 5人组成，实验进行中的接线、调节负载、保持电压或电流、记录数据等工作每人应有明确的分工，以保证实验操作协调，记录数据准确可靠。2.选择组件和仪表 实验前先熟悉该次实验所用的组件，记录电机铭牌和选择仪表量程，然后依次排列组件和仪表便于测取数据。3.按图接线 根据实验线路图及所选组件、仪表、按图接线，线路力求简单明了，按接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。为查找线路方便，每路可用相同颜色的导线或插头。4.起动电机，观察仪表 在正式实验开始之前，先熟悉仪表刻度，并记下倍率，然后按一定规范起动电机，观察所有仪表是否正常（如指针正、反向是否超满量程等）。如果出现异常，应立即切断电源，并排除故障；如果一切正常，即可正式开始实验。 5.测取数据 预习时对电机的试验方法及所测数据的大小作到心中有数。正式实验时，根据实验步骤逐次测取数据。6.认真负责，实验有始有终实验完毕，须将数据交指导教师审阅。经指导教师认可后，才允许拆线并把实验所用的组件、导线及仪器等物品整理好。三、实验报告1.实验报告是根据实测数据和在实验中观察和发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。2.实验报告要简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。3.实验报告包括以下内容：实验名称、专业班级、姓名、实验日期、室温；列出实验中所用组件的名称及编号，电机铭牌数据(、)等；列出实验项目并绘出实验时所用的线路图，并注明仪表量程，电阻器阻值，电源端编号等；数据的整理和计算；按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线，图纸尺寸不小于8cm8cm，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线，不在曲线上的点仍按实际数据标出。4.根据数据和曲线进行计算和分析，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解并最后写出结论。实验报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。每次实验每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。实验安全操作规程 为了按时完成电机及电气技术实验，确保实验时人身安全与设备安全，要严格遵守如下规定的安全操作规程：1.学生应按时到达实验室在辅导教师宣布开始实验后，按预习中的分工及仪表清单领取仪表及电压、电流插头，并布置设备、接线。凡在某一项实验中暂时不用的设备、仪表应整理好放在一边，以免用错发生意外。书包、衣服等不能放在实验台或仪器设备上。2.接线须整齐、清楚，力求简单、避免交叉导线的长短、粗细选择应合适。一个接线柱上最多接两根线，以免导线松脱线路布置(仪器摆放，接线等)应文明，安全、便于检查和操作。仪表位置应正确、便于准确读数。3.接线完毕，组内应互相认真检查，且每个成员对全部线路都应掌握。实验中不用的导线应整理好放回原处。然后请辅导教师检查，未经教师检查和同意不得进行实验。4.合闸前，要检查有关的各调节量(调压器、变阻器等)是否在适当的位置。在调节负载或改变电阻、电压、转速等量时，必须考虑到其他量的变化关系，随时注意其他量是否超过额定值、全组同学应明确分工、统一指挥，以免发生因配合不当而使设备过载乃至损坏的事故。5.原始记录中应包括实验日期、小组成员、主要铭牌数据及实验数据(包括实验保持条件等)。记录数据要清晰，尽量避免涂改。对所作记录应随时检查，以免事后返工。实验内容完成后，组内应先检查所记录的数据，确信合理后再将原始记录送交教师审查，教师认可后方能拆线。实验数据不符合要求的应返工重做。学生将拆下的导线及电压，电流插头整理好并放归原处后，再请教师签字。签字后的原始记录不得再随意涂改。6.在操作过程中，如果发生故障，学生应在教师的帮助下，学习判断分析故障原因和排除方法。如果发生事故，当事人要按时交出事故报告，以便实验室查明情况，酌情处理。7.实验中应注意安全： (1) 实验时不得穿大衣、戴围巾，女同学(长发的)须戴好安全帽，禁止身体接触有电线路的裸露部分和设备的转动部分，以免发生人身伤害事故。 (2) 接线时，后接电源线；拆线时，须先切断电源。严禁带电改接线。合闸前须通知全组成员。调节时不应过猛。8.机器运转后，小组成员不得远离机器。一旦发生事故，应立即切断电源，保持除电源刀闸外的一切现场，并报告辅导教师处理。实验前须知由实验指导人员介绍电机及电气技术实验装置各面板布置及使用方法，讲解电机实验的基本要求，安全操作和注意事项。1.仪表选择：教学实验所用仪表，多数采用准确度为1.0级，量程略大于被测电机铭牌标明的额定值。如电压为则应选择电压表，的应选；额定电流为，则应选（或）的电流表，励磁电流约为额定电流的，可选或的电流表。2.导线的选择根据电流的大小来选取导线的粗细，一般来说导线截面应适当选择大些，且以多股短线为宜。导线的参考载流量见表。接线可按“先串联后并联”或“先接粗线后接细线”的原则进行。通常一个同学接线，另一同学查线，或分工接线，互相检查。电压表和直流电机的磁场回路一律用带颜色的塑料细线联接。橡皮绝缘铜芯导线的容许电流标称截面()铜芯 （A）单芯双芯三芯0.5101.02016132.53426224.04538296.05647368.070594610.08572553.励磁回路调节电阻的接法和选择一般直流电动机调节电阻采用串接法，发电机的励磁回路采用分压器接法。调节电阻的电流规格根据回路通过的最大电流选取，电阻值的规格约接近励磁绕组本身的阻值。变阻器选用的原则是根据实验中所需的阻值和流过变阻器最大的电流来确定。直流电机实验实验一 认识实验一、实验目的1、学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。2、认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件。3、熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机转向与调速的方法。二、预习要点1、如何正确选择使用仪器仪表，特别是电压表电流表的量程。2.直流电动机起动时，为什么在电枢回路中需要串接起动变阻器？不串接会产生什么严重后果？3、直流电动机起动时，励磁回路串接的磁场变阻器应调至什么位置？为什么？若励磁回路断开造成失磁时，会产生什么严重后果？4、直流电动机调速及改变转向的方法。三、实验项目1、由教师讲解实验室的有关规章制度,电源布置及取用方法,电机的名牌数据及接线板、负载电阻及转速表的使用方法，导线及熔丝的选择。2、了解试验台中的电枢电源、励磁电源及直流电机的使用方法。3、直流他励电动机的起动、调速及改变转向。四、使用实验设备和仪表直流电动机和发电机实验台 相关参数 直流电动机Z2-32 容量2.2kw 220V 额定电流12.35A 等级 定子E 电枢 A 转数 1500转/分 直流发电机 Z2-32 容量1.7kw 电压 230V 电流12.35A 调节变阻器 ZB60-035 范围：087电流4/12.3A ZB60 范围：0115电流2/14A滑线式变阻器 BX8-13 1.8A 375 BX7-16 1A 390五、实验说明及操作步骤1.直流他励电动机的起动准备图1-1中，为直流电动机，为直流发电机，两机同轴相联（虚线所示），两个分别为两者的励磁绕组。接好线后必须经过教师检查，同意后才能接通电源。图1-1 直流电动机接线原理图 下图是实验时所用的实验台。(a) 直流电机实验台控制面板（b）背部接线端子 图1-2 直流电机实验台电动机起动前应注意：a. 实验台控制面板上“原动机电枢调节”接起动电阻箱调到最大值，以限制起动电流。“原动机励磁调节”接滑线电阻，调到最小阻值，以产生较大的磁通，获得较大的起动转矩。控制面板上有相应的电压表和电流表。 b. 实验台背部接线端子的“直流电源”接入直流电源。“原动电机励磁”、“原动电机电枢”端子接至电动机引出线的相应端子上。c. 发电机先不加励磁电源。（1）起动 线路检查无误后，接通直流电源，按下“正转启动”按钮,电动机逐渐升速。电动机起动过程中，请同学们注意观察电表的极性、电机的旋转方向，若不正确，应立即断电，停机纠正。（2）调速 增大电枢回路所串电阻或减小电枢电压可以降低转速；减小励磁电流（增大励磁回路所串电阻）即减小磁通可以增加转速。实验中可利用上述几种方法操作，观察转速变化情况。操作过程中注意转速不要超过额定转速的1.2倍（转速表采用离心式转速表）。（3）改变转向 按下“正转停止”按钮，起动电阻和磁场调节电阻退到起动前的位置。按下“反转启动”按钮，再起动电机，观察电机转向。按下“反转停止”按钮，切断电源。（4）停机，切断电源！2发电机电压建立、求出励磁绕组的电阻值（1）他励发电机的电压建立将试验台背部“发电机励磁”、“发电机电枢”端子接至发电机引出线的相应端子；控制面板上，“发电机励磁调节”接入滑线电阻器。电动机起动后，将其转速调至发电机的额定值且保持不变；调节磁场电流使发电机发出的电压为额定值，记录此时发电机的励磁电压和励磁电流，求出励磁绕组电阻值。（2）并励发电机的电压建立 图1-3 直流发电机并励接线图将发电机励磁回路改接成并励接法，发电机电枢连线保留，将其励磁连线串接电流表与滑线变阻器后与电枢端子并接，发电机接线原理如图所示。起动电动机并将其转速调至额定值，调节发电机磁场调节电阻，观察发电机电枢两端电压表电压变化情况。若电压上升，说明励磁电流产生的磁通与剩磁方向相同，励磁绕组接法正确。如电压减小不能建压，说明励磁绕组接法不正确，应调换励磁绕组两端接线，重新再试。六、实验报告1、画出直流他励电动机电枢串电阻起动的接线图。说明电动机起动时，起动电阻和磁场调节电阻应调到什么位置？为什么？2、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？3、用什么方法可以改变直流电动机的转向？4、为什么要求直流他励电动机磁场回路的接线要牢靠？起动时电枢回路必须串联起动变阻器？七、思考题1、如何选择导线规格？接线按怎样的步骤为好？2、直流并励电动机磁场回路的接线为什么要牢靠？实验二 直流发电机原 理直流发电机是应用电磁感应原理将原动机的机械能转换为直流电能输出。本实验中输入机械能的原动机是采用了直流电动机。直流电动机拖动直流发电机的电枢旋转，直流发电机的励磁绕组通入电流产生磁场，旋转的电枢导体切割磁场感应电势，可以看出，感应电势正比于转速及每极磁通。在发电机带负载时，因为电枢电流与感应电势同方向，即向外输出功率。直流发电机的电势平衡方程式，可用来分析直流发电机的运行特性。衡量直流发电机的性能，通常用其特性曲线来判定。最常用的特性曲线是空载特性、外特性和调节特性。原动机拖动直流发电机保持的速度旋转，负载电流时，改变励磁电流的大小，端电压将跟着变化。这个变化关系曲线被称为直流发电机的空载特性曲线，该曲线可以看出电机运行点的磁路饱和程度。若保持直流发电机的转速，保持励磁回路电阻不变，调节直流发电机的负载电流，端电压随负载电流变化的关系被称为直流发电机的外特性。直流发电机的主要运行性能指标之一电压调整率可由曲线查得。采用不同的励磁方式，其外特性是不同的，他励直流发电机的，并励发电机的。并励发电机的外特性曲线比他励式下降程度大，是因为无论是他励式或并励式直流发电机都有电枢电阻压降的存在和电枢反应去磁的影响，使得端电压下降，但并励直流发电机的励磁绕组是并联在电枢两端，那么由于前述原因使电枢端电压下将而使得励磁电流将进一步下降，其结果就必然造成并励式直流发电机的端电压又进一步下降。所以并励式比他励式直流发电机的外特性曲线下降程度大。具体的各系列中小型直流电机技术条件中均有具体标准规定，其容量即试验实测值与标准中保证值的容许偏差在国家标准GB75581中有具体规定。积复励发电机运行时，也存在电枢反应，但由于串励绕组起着增加励磁磁势的作用，使得端电压有升高的趋势。如果随着负载电流的增加，端电压上升，额定负载时，称为过复励；如果随着负载电流的增加端电压下降，额定负载时，称为欠复励；如果额定负载时，称为平复励。由于积复励发电机随负载电流的变化端电压变化较小，故用在要求电源电压基本不变的场合。调节特性是指转速，端电压，负载电流变化时，励磁电流的调节规律。并励和复励发电机由于其励磁电流由自身的感应电势产生，因此其电压的初始建立需满足一定的条件，即铁心中要有剩磁、励磁绕组和电枢绕组的接法正确及励磁回路中的电阻要小于临界电阻，这也是本实验中需要完成的环节。实验内容一、实验目的1、掌握用实验方法测定直流发电机的各种运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。2、通过实验观察并励发电机的自励过程和自励条件。二、预习要点1、什么是发电机的运行特性？在求取直流发电机的特性曲线时，哪些物理量应保持不变，哪些物理量应测取。2、做空载特性实验时，励磁电流为什么必须保持单方向调节？3、并励发电机的自励条件有哪些？当发电机不能自励时应如何处理？4、如何确定复励发电机是积复励还是差复励？三、实验项目1求取他励发电机的空载特性 当，时，测取随变化的关系曲线。2求取他励发电机的外特性当，时，测取随变化的关系曲线。3.求取他励发电机的调节特性当，时，测取随变化的关系曲线。 4求取并励发电机的外特性 当，励磁回路所串电阻时，测取随变化的关系曲线。 5求取积复励发电机外特性 当，励磁回路所串电阻时，测取随变化的关系曲线。四、使用实验设备和仪表直流电动机和发电机实验台 相关参数 直流电动机Z2-32 容量2.2kw 220V 额定电流12.35A 等级 定子E 电枢 A 转数 1500转/分 直流发电机 Z2-32 容量1.7kw 电压 230V 电流12.35A 调节变阻器 ZB60-035 范围：087电流4/12.3A ZB60 范围：0115电流2/14A滑线式变阻器 BX8-13 1.8A 375 BX7-16 1A 390五、实验方法1他励发电机他励发电机的接线，按图接线。图中为直流电动机，为直流发电机，与由联轴器直接联接（虚线所示）。电阻选用调节电阻器，作为直流他励电动机的起动电阻。电阻选用滑线变阻器，作为直流他励电动机励磁回路串接电阻。电阻选用调节电阻箱，作为发电机的负载电阻。电阻选用滑线变阻器，作为发电机的励磁回路电阻。图2-1 直流他励发电机接线图（1）空载特性 接线完成后，电动机励磁回路电阻调至阻值最小，电枢回路起动电阻调至阻值最大，发电机励磁回路电阻调至输出电压最小（即电阻值最大）的位置。 合上电源开关，主电源面板红色指示灯亮，电源接通。 观察励磁电流表读数大小（若无读数，切不可起动电动机）；按下“正转启动”按钮，直流电动机启动。 调节电阻，使电动机输入电压为（控制面板上“原动机电枢电压”），调节电动机磁场调节电阻(切记不可过小)，使发电机转速达额定值，并在以后整个实验过程中始终保持此额定转速不变。 调节发电机磁场电阻，观察发电机励磁电流范围，最大不超过。在保持发电机的条件下，从励磁电流最大值开始，单方向调节分压器电阻，使发电机励磁电流逐次减小。每次测取发电机的空载电压和励磁电流，共取组数据，记录于表中。其中和两点必须测取，并在 附近多测几点。表2-1 空载实验数据（2）外特性 操作步骤如下： 空载实验完成后，把发电机负载电阻调到最大值，合上负载开关，即按下“负载接入”按钮。 调出发电机的额定运行点，确定发电机的额定励磁电流。方法为：调节电动机的电枢调节电阻、磁场调节电阻(慎重)，使发电机的；调节发电机的磁场调节电阻，使发电机的；调节发电机负载电阻，使发电机的。注意：以上三个电阻的调节过程是互有影响的，必须互相配合反复调节才可调出。当发电机运行满足、时，该点即为发电机的额定运行点，此时对应的励磁电流称为额定励磁电流。 在保持(调节)和不变(不变)的条件下，逐次增加负载电阻，即减小发电机负载电流。从额定负载到空载运行点范围内，测取发电机的电压和电流，共取组数据，记录于表。空载点为断开负载，其中额定点和空载点必测。表2-2 他励外特性实验数据 （3）调节特性操作步骤如下： 外特性实验完成后，调节发电机的磁场调节电阻，使发电机空载电压为额定电压，调节电动机磁场电阻，使发电机，接入负载。 减小负载电阻(减小方法同上)，逐次增加发电机输出电流，同时相应地调节发电机励磁电流，使发电机端电压保持额定值，调节电动机磁场电阻，使发电机，从发电机的空载至额定电流范围内，测取发电机的输出电流和励磁电流，共取组数据，记录于表中。表2-3 调节特性实验数据2.并励发电机 他励发电机实验完成后，需要关掉直流电源开关停机，重新改接发电机部分接线。 操作步骤如下： 将发电机结成并励式，并使其能建立额定电压。在并励发电机建压后，调节负载电阻到最大，接入负载。 调节电动机的磁场调节电阻，发电机的磁场调节电阻 和负载电阻，使发电机的、（即发电机的额定运行点，调节方法同上）。 保持此时的值和不变的条件下，逐步减小负载电流（即增大），直至（断开负载），从额定到空载运行范围内，测取发电机的电压和电流，共取组数据，记录于表中，其中额定点和空载点必测。表2-4 并励外特性实验数据3复励发电机积复励发电机的外特性 实验方法与测取并励发电机的外特性相同。先将发电机调到额定运行点，在保持此时的和不变的条件下，逐次减小发电机负载电流，直至。从额定负载到空载范围内，测取发电机的电压和电流，共取组数据，记录于表中，其中额定点和空载点必测。表2-5 积复励外特性实验数据常值图2-2 直流发电机空载特性 六、实验报告1、根据空载实验数据，作出空载特性曲线，由空载特性曲线计算出被试电机的饱和系数和剩磁电压的百分数。 求的方法如图2-2，延长空载特性的直线部分，与对应于额定电压的的直线交于点。因长度相当于励磁电流产生的空载总磁势，的长度相当于气隙中的磁势，相当于气隙中的磁势，故饱和系数为2、在同一张坐标纸上绘出他励、并励和复励发电机的三条外特性曲线。分别算出三种励磁方式的电压变化率：，并分析差异原因。3、绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。七、思考题1、在发电机电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会变低？为了保持发电机的转速，应如何调节？2为什么直流电动机起动时，要把电枢回路所串电阻放在最大位置？而磁场回路所串电阻放在最小位置？3改变并励直流电动机电源极性，电机转向能否改变？4在发电机电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会变低？为了保持发电机的转速，应如何调节？实验三 直流他励电动机实验原理标志直流电动机运行特性的主要指标有工作特性和机械特性，它反映了当负载变化时电动机的主要输出量和效率的变化情况。分析表明，不同的励磁方式其运行性能有很大的不同，本次实验主要针对他励直流电动机。工作特性是指电动机的电枢电压，时，效率、转速、转矩随输出功率变化的关系，即、。上述条件中，为额定励磁电流，即输出功率达到额定功率，转速达到额定转速时的励磁电流。保持不变，对并励电动机，即保持励磁回路电阻不变。机械特性曲线是电源电压常数，励磁回路电阻常数时，转速随电磁转矩变化的关系曲线。当，电枢回路不外串电阻时的机械特性称为固有机械特性。调速性能是衡量电动机性能的另一个重要指标。直流电动机具有良好的调速性能。由直流电动机的转速公式可知，电动机调速的控制方法有两种：（1）电枢控制，其又可分为改变电枢电压和电枢回路串入调速电阻两种方法；（2）磁场控制，即调节励磁电流。但是一般书上均将第一种分为两种，直接说成直流电动机有三种调速方法。按三种方法中的任一方法调节电动机的转速，实际上其机械特性也相应改变，从而与负载的机械特性交于新的点，在新的转速下运行。如果使三个可调节量中的两个不变，单独调节另一个，从其机械特性变化的情况，可以看出这种调速方法的特点。如改变电枢电压调速，电动机的机械特性的理想空载转速点改变，而机械特性的斜率不变，改变后机械特性的曲线为一簇平行线，电压越低则转速越低，如图3-（1）所示。这种方法具有较好的调速性能，但需专门的调压电源。对于电枢回路串电阻调速的方法，当增大电枢回路电阻后，电动机的机械特性的理想空载转速点不变，但机械特性斜率增大，改变后机械特性的曲线为一簇射线，电阻越大则转速越低，如图3-（2）所示。此法的特点是设备简单，但转速只能向低调，流过串联电阻的电流大，不易做成连续可调，且串联电阻要消耗大量电能。而改变励磁电流调速的方法，也就是改变磁通调速，由于只能比额定磁通减小，所以机械特性的理想空载转速点增大，机械特性斜率增大，如图3-（3）所示。这种调速方法能量损失小，且电阻可做成连续可调，便于控制，但转速只能向高调，最高转速受电机本身机械强度及换向的限制。 （1）改变电枢电压调速（2）改变电枢回路串电阻调速 （3）改变励磁电流调速本次实验所做的调速特性为改变电枢电压和改变励磁电流两种。因为实验时需要调节电动机所带机械负载的大小，本次实验中使用的是直流发电机作为机械负载。电动机与发电机通过联轴器相连，调节发电机电枢电流的大小就可调节负载转矩的大小，可间接计算出转矩数据。实验内容一、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、实验内容 1工作特性和固有机械特性 保持和不变时，测取工作特性、及固有机械特性。 2调速特性 （1）改变电枢电压调速 保持电动机不变，常数，测取。 （2）改变励磁电流调速 保持，常数，时，测取。 3观察能耗制动过程四、使用实验设备和仪表直流电动机和发电机实验台 相关参数 直流电动机Z2-32 容量2.2kw 220V 额定电流12.35A 等级 定子E 电枢 A 转数 1500转/分 直流发电机 Z2-32 容量1.7kw 电压 230V 电流12.35A 调节变阻器 ZB60-035 范围：087电流4/12.3A ZB60 范围：0115电流2/14A滑线式变阻器 BX8-13 1.8A 375 BX7-16 1A 390五、实验说明及操作步骤图3-1 他励直流电动机接线图 1他励直流电动机的工作特性和固有机械特性图中是为直流电动机。电阻选用调节电阻箱，作为直流他励电动机的起动电阻，电阻、选用滑线变阻器，分别作为电动机、发电机励磁回路串接电阻；电阻选用调节电阻箱，作为直流发电机的负载。操作步骤如下：（1）将电动机励磁调节电阻调至阻值最小，电枢回路起动电阻调至阻值最大。 （2）合上电源开关，主电源面板红色指示灯亮。 （3）观察励磁电流表读数大小（若无读数或偏小，切不可起动电动机），按下“正转启动”按钮，直流电动机起动。 （4）调节使电动机输入电压为额定电压，缓慢调节电动机磁场调节电阻，使电动机转速达额定值。按下“负载接入”按钮，负载应处于最小（阻值最大）。 （5）调出电动机的额定运行点，确定电动机的额定励磁电流。其方法为：调节负载电阻和，使电动机电枢电流，调节使电动机的，调节电动机的磁场调节电阻，使电动机的。注意：以上三个额定值的调节过程是互有影响的，必须互相配合反复调节才可调出。当电动机的额定值，同时满足时，其励磁电流即为额定励磁电流。（6）在保持，不变的条件下，逐次减小电动机的负载，从额定负载到空载范围内，测取电动机电枢电流、转速，共取组数据，记录于表中。表3-1 工作特性和固有机械特性实验数据 实验数据计算数据2调速特性 （1）改变电枢电压的调速直流电动机起动后，按上述方法调出电动机的额定运行点，即电动机的，。同时满足，保持此时的值和不变；调节电阻，使电枢两端电压减小，测取电动机的电枢电压、转速和电枢电流，从至范围内，共取组数据，记录于表中。表3-2 改变电枢端电压调速实验数据 （2）改变励磁电流的调速直流电动机起动后,将电阻减小使电动机，从，调节磁场调节电阻使，保持此时的值和值不变，逐次增加磁场电阻阻值，直至（约），每次测取电动机的、和，共取组数据，记录于表中。表3-3 改变励磁电流调速实验数据 六、实验报告 1由表计算出、和，并绘出、及的特性曲线。 由工作特性曲线求出转速变化率： 关于计算，的说明： 实验中如果负载是测功机，则电动机的输出转矩可直接读出；如果用直流电动机直流发电机组来测电动机的工作特性，则可以如下计算。 电动机的电枢回路电阻由实验室给出，也可由实验一测量结果求出，并折合到。 如果不知道电动机的空载损耗曲线，则需要求出，由于电动机从空载到满载速度变化不大，所以可近似地认为空载损耗不变。 当发电机空载时，电动机的输入功率近似等于两台电机的空载损耗之和（因此时电动机的铜耗很小，可忽略不计）则其中，电动机的输入功率 、分别为电动机、发电机的空载损耗。由于同轴的两台电机容量、体积差不多，所以可近似认为它们的空载损耗相等，即，并且是个常数。所以 电动机的电磁转矩、输出功率 输入功率： 铜 耗： 电磁功率： 电磁转矩： （）输出功率： 效 率： 2绘出他励电动机调速特性曲线和。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。七、思考题 1他励电动机的速率特性为什么是略微下降？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，减小电枢端电压，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. 为什么当直流电动机的电枢电流太大时，效率反而降低？实验四 他励直流电动机的机械特性实验原 理电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系。机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，由运动方程式相联系，即将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一空载转矩，即。在一般情况下，因为空载转矩相比或很小，所以在一般的工程计算中可以略去，即在电机学中已知直流电动机的机械特性方程式为式中为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空载转速记为，记为，为机械特性的斜率。 当，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。当改变或或电枢回路串电阻时，其机械特性的或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。 若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨、象限的直线。其中第象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向(转速的方向)相同，第、象限为制动运行状态。电动机在制动状态运行，是产生一个与转向相反的阻力矩，以使电机拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态转矩的方向与转速的方向相反，此时电动机从输出轴上吸收机械能并转化为电能反馈回电网或消耗在电阻中。第象限为反向电动运行。 制动运行的方式分为能耗制动、反接制动和回馈制动。1能耗制动能耗制动的接线图如图所示，其机械特性为一过原点的直线，如图所示。如果负载为反抗性负载，闸刀合向制动方向，电动机的运行点由点变到点，产生制动转矩使拖动系统很快停车，和的变化在机械特性的第象限段，这一段称之为能耗制动过程。若是位能性负载，转速由B点变到0点后，负载转矩，将拖动电动机反向转动，最后稳定在特性曲线的点运行，制动转矩限制了转速的进一步增加，此种运行状态称为能耗制动运行。 电动机电枢回路串的电阻值不同，机械特性的斜率不同，运行点、不同。选择不同的阻值，可以得到不同的初始制动转矩。 能耗制动中，系统中的动能全部转换为电能消耗在电枢回路的电阻上。能耗制动是一个转速连续变化的动态过程，为了测取曲线上的点，本实验采取将电动机同轴连接的发电机作为电动机拖动被试电动机转动，维持在某一转速时即可测出该转速和对应的电枢电流值。由于，而不变，则转矩和电枢电流成正比，所以和机械特性成比例关系。 图4-1 能耗制动接线原理与能耗制动的机械特性本次实验只做能耗制动过程（第象限）。2反接制动 反接制动分为电压反接制动和电势反接制动两种。 （1）电压反接制动图4-3 电势反接制动的机械特性图4-2电压反接制动的接线 电压反接制动的机械特性 电压反接制动的接线图如图4-2所示。闸刀合在上方为正向电动运行，合在下方，电枢回路串入电阻为电压反接制动。反接后不变，反向，反向，所以反向。在机械特性上，反接瞬间，运行点变到，转矩为负，产生制动作用，转速逐渐降低为零，运行点变到点，此时应立即拉开闸刀，否则电动机有可能反向转动。整个过程如图4-2所示。（2）电势反接制动图4-4 正向回馈的机械特性接线仍为电动机正向运行，负载为位能性负载。电动机正向运行时，电枢回路串入电阻，运行点由点变到点，然后随着转速的下降，经过点转速为零，由于负载的作用，电动机将反向转动，最后在电动机的机械特性和负载的机械特性交于第象限的点稳定运行，如图所示。 本实验中要做的是电势反接制动。用另一台直流电动机拖动被试电动机反向旋转，模拟位能性负载的作用。同样也是测取转速和电枢电流，因为，不变，则转矩和电枢电流成正比，以模拟与其成正比的机械特性。 3 回馈制动（或称再生制动）回馈制动分为正向回馈制动和反向回馈制动两种。 （1）正向回馈制动电动机在正向运行时，由于负载或电枢电压降低等原因，使得转速高于时，电动机，这时电动机向电网回馈能量，运行在第象限机械特性，见图所示，因为转向为正，所以称为正向回馈。图4-5 反向回馈制动机械特性本次实验中做的是正向回馈。由另一台直流电动机拖动被试直流电动机，使其转速高于，测取转速和电枢电流。因为，不变，则转矩和电枢电流成正比，以模拟与其成正比的机械特性。（2）反向回馈制动反向回馈是在带动位能性负载的情况下发生的。电动机按反转接线，如图所示。电动机在正向运行的状态，闸刀合向反接制动方向，运行点到点，电动机经过反接制动过程，转速为零，运行点到点，再反向起动，当转速为负，最后在位能性负载的带动下，直到，稳定在点运行。整个变化过程如图所示。 在点，由于，所以，负载具有的动能转化为电能回馈到电网，同时由于转向为负，所以称为反向回馈。实验内容一、实验目的了解直流电动机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的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又是什么情况？三、实验内容 1求取电动机电动及正向回馈制动时的机械特性曲线。 2求取电动机电动及电势反接制动时的机械特性曲线。 3求取直流电动机不同制动电阻值时的能耗制动曲线。四、使用实验设备和仪表直流电动机和发电机实验台 相关参数 直流电动机Z2-32 容量2.2kw 220V 额定电流12.35A 等级 定子E 电枢 A 转数 1500转/分 直流发电机 Z2-32 容量1.7kw 电压 230V 电流12.35A 调节变阻器 ZB60-035 范围：087电流4/12.3A ZB60 范围：0115电流2/14A滑线式变阻器 BX8-13 1.8A 375 BX7-16 1A 390五、实验说明及操作步骤实验原理线路如图4-6，图中为被试他励直流电动机，为直流发电机，作的负载；被试电机、直流发电机同轴相联（虚线所示）。被试电机与直流发电机用同一直流稳压电源和励磁电源。电阻、选用滑线电阻器，、选用电阻箱。 图4-6 直流电机机械特性接线原理1电动及正向回馈制动特性操作步骤如下：（1）将电阻、置最大值，置最小值。（2）合上直流电源开关，观察励磁电流表读数大小（若无读数，切不可起动电动机）；再按下“正转启动”按钮（即打向），使电动机起动，然后调节，使电动机电枢电压为额定值。 （3）按下“负载接入”按钮，相当于打向，调节电阻使电动机电枢电压为额定；调节电阻使电动机转速达到额定；调节和使电机电枢电流为额定。注意：以上三个量的调节互有影响的，必须互相配合反复调节才可调出。当电动机运行满足、时，且此时，即电动机的额定运行点。（4）保持电动机的电枢额定电压、不变，改变及阻值，测取电动机在额定负载至空载范围的电枢电流、转速，共取组数据记录于表4-1中。（5）停机，切断电源。表4-1 电动状态运行实验数据 （6）从控制台背部直流电源处，将直流电源引出与电阻箱串联后，接入控制面板上的“负载”端子，且使发电机的空载电压与直流电源极性相同；启动直流电动机，调节使直流发电机的空载电压与直流电源电压值相等；按下“负载接入”按钮，即合向端。 （7）将逐渐调至最小，再将阻值逐渐增加，发电机的转速升高，当电机转速超过其理想空载转速时，电动机则从第象限进入到第象限，进入回馈制动状态运行。（8）继续增加阻值，测取电动机回馈制动状态运行时的、。（注意，电机转速不超过转/分。共取组数据记录于表4-2中。（9）停机，切断电源。表4-2 回馈制动状态运行实验数据 因为，而为常数，则，为简便起见，只要求画特性。2电动及电势反接制动特性 接线原理图如前，只需将“发电机电枢”电源反向；或接线保持不变，电动机用“反转启动”按钮操作。 操作步骤如下： （1）电阻置最小值，、置最大值；闭合电源，按下“正转启动”按钮，即开关合向端，启动直流电动机。 （2）测量发电机的空载电压看是否和直流稳压电源电压极性相反，若极性相反可按下“负载接入”按钮，即合向端。 （3）反复调节电阻、，使、，且保持，即电动机的额定运行点。 （4）先将调至最大，再将调至最大。（5）逐渐减小阻值，电机速度将减至零，继续减小阻值，此时电动机进入到电势反接制动状态 (第IV象限)。测取电机在I、IV象限的、，共取组数据记录于表4-3。表4-3 电动及反接制动运行实验数据 为简便起见，画特性曲线。3.能耗制动特性 操作步骤如下： （1）电动机作为发电机用（即开关合向2-2端），电阻、置最大值，电阻置最小值, 电阻置最大。 （2）起动发电机(此时作电动机用，开关合向1-1端)，调节使其电枢电压为额定，调节使电动机的（前面已测出）。 （3）将调至最大，缓慢减小，电流增加到额定，再增加，使电流减至最小，在电动机的制动电流减小的过程中测取、,共取组数据记录于表4-4。表4-4 时能耗制动实验数据 (4) 改变电阻, 重复实验步骤(3)，减小阻值，使电流增加额定，再逐渐增加阻值