机电传动控制实验指导书第二版

1、吉林大学珠海学院机电传动控制课程实验指导书（第二版）主编：刘向阳 谭颖琦机电工程系2009年9月前 言本书是针对我院机电工程系机械设计制造及其自动化专业，配合机电传动控制这门必修专业基础课所编写的一本机电传动控制实验指导书。机电传动控制课程实验是与机电传动控制这门课相配套的电机系统综合实验。这门实验课是为了使学生更深刻地理解书本上的原理与结论，亲自动手进行验证，提高感性认识和解决问题的能力，使学生能更好地掌握理论知识。所以机电传动控制课程实验指导书是紧密结合学生学习的理论知识，根据教学大纲要求以实验报告形式所编写的一本实验指导书。本实验指导书根据课时要求与课程的重点内容，一共编写了五个实验：直

2、流他励电动机启动和调速实验，鼠笼式异步电动机启动、调速和机械特性实验，线绕式异步电动机启动、调速和机械特性实验，步进电动机实验，交流伺服电动机实验。实验内容包括实验目的、预习要点、实验项目、实验设备及仪器、实验说明及操作步骤。由于编者水平有限，加之时间仓促，书中错误在所难免，恳请读者批评指正。编 者2009年9月目 录实验安全注意事项1实验一 直流他励电动机启动和调速实验2实验二 鼠笼式异步电动机的启动、调速和机械特性6实验三 线绕式异步电动机的启动、调速和机械特性11实验四 步进电动机实验16实验五 交流伺服电机实验20实验安全注意事项一、 在实验之前检查实验台和各实验面板是否处于安全状态，

3、检查联轴器是否连接可靠、电机是否固定、涡流测功机是否连接好等；在整个实验过程中注意人身、设备安全；二、 在实验之前，熟悉实验台和各实验面板的功能、使用方法和注意事项；三、 在实验之前，必须先结合教材预习实验指导书，完成实验指导书上的预习要点题目方可进行实验；四、 在实验过程中，各小组按照实验指导书上的接线图接好线后必须经过实验老师检查通过后，才准予上电；五、 在上电之前，应检查导线是否缠绕在电机轴上，人不要紧挨电机，避免上电后，电机轴高速运转时转轴伤到人；六、 在实验过程中，如果发现不正常现象或不安全因素等，应立即“断开”；七、 完成实验后，应按正确的顺序依次切断各电源，最后要断开控制屏上的漏

4、电保护器，将实验用具摆放整齐，经实验老师许可后方可离开实验台，要养成良好的实验习惯。实验一 直流他励电动机启动和调速实验一实验目的1加深理解直流他励电动机的启动特性。2熟悉直流他励电动机的调速特性及其调速方法。3测绘直流他励电动机的机械特性。二预习要点1直流他励电动机的启动特性是什么？为限制其启动电流，一般有哪些方法？2直流他励电动机的调速方法有哪些？3怎样可以改变直流他励电动机的转向？4什么是直流他励电动机的机械特性？其表达式是怎样的？三实验项目1直流他励电动机的启动。2改变电枢回路的调节电阻r1来调节直流他励电动机的转速。3改变电枢供电电压u来调节直流他励电动机的转速。4直流他励电动机的转

5、向改变。5绘制直流他励电动机机械特性曲线图。四实验设备及仪器1教学实验台主控制屏2电机导轨及测功机、转速转矩测量（nmel-13）3直流并励电动机m034直流电机仪表、电源（nmel-18）（位于实验台主控制屏的下部）5电机起动箱（nmel-09）五实验说明及操作步骤1接线图1-1 直流他励电动机接线图r：电枢调节电阻（nmel-09）rf：磁场调节电阻（nmel-09）m：直流并励电动机m03g：涡流测功机可调直流稳压电源和直流电机励磁电源均位于nmel-18。v：可调直流稳压电源自带电压表a：可调直流稳压电源自带电流表ma：毫安表，位于直流电机励磁电源部。按图1-1接线，检查m、g之间是否

6、用联轴器联接好，电机导轨和nmel-13的连接线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确选择。测功机加载控制位于nmel-13，由“转矩设定”电位器进行调节。实验开始时，将nmel-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，以使电机的负载为零，使电机一开始处于空载状态。2直流他励电动机的启动直流他励电动机启动时，首先要先将电机电枢调节电阻r调至最大，磁场调节电阻rf调至最小。问：为什么开始要将电机电枢调节电阻r调至最大，磁场调节电阻rf调至最小？ 答：合上控制屏的漏电保护器，按次序按下绿色“闭合”按钮开关，先打开励磁电源船形开

7、关、再打开可调直流电源船形开关，按下复位按钮，此时，直流电源的绿色工作发光二极管亮，指示直流电压已建立，旋转电压调节电位器，使可调直流稳压电源输出220v电压。启动后，将电枢电阻r调至最小，使电机正常工作。注意：如果需要直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时，必须将电枢串联电阻r调回最大值，励磁回路串联的电阻rf调到最小值，给下次起动作好准备。3他励电动机的调速特性（1）改变串入电动机m03电枢回路的调节电阻r，观察转速的变化情况；问题：当改变电枢回路调节电阻r时，电机的转速发生怎么的变化？为什么？（2）改变串入电动机励磁回路的调节电阻rf 观察转速的变化情况；问题：当

8、改变励磁回路调节电阻rf时，电机的转速发生怎么的变化？为什么？（3）调节转矩设定电位器，使电机在不同的载荷下运行，注意转矩不要超过1.1n.m，观察转速变化情况填写表1-1。表1-1 转矩从0 n.m到1.1 n.m平均取六组值序号123456转矩（n.m）转速（r/min）并用描点法绘制出直流他励电动机的机械特性曲线：4改变电动机的转向将电枢回路调节电阻r1调至最大值，“转矩设定”电位器逆时针调到零，先断开可调直流电源的船形开关，再断开励磁电源的开关，使他励电动机停机。将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述起动电机，观察电动机的转向及转速表的读数。问：如果先断开励磁电源再断开电枢电源，会

9、发生什么状况？从理论上来讲，是一种什么现象？请解释其原因。实验二 鼠笼式异步电动机的启动、调速和机械特性一实验目的1加深理解三相鼠笼式异步电动机的启动特性。2熟悉并更好地理解三相鼠笼式异步电动机的调速方法。3测绘三相鼠笼式异步电动机的机械特性曲线。二预习要点1 鼠笼式异步电动机启动时本身有哪些特性？2 鼠笼式异步电动机有哪些启动方法？每种方法的各有什么特点？3 鼠笼式异步电动机的调速方法有哪些？4 鼠笼式异步电动机的机械特性n-t曲线测绘方法？三实验项目1鼠笼式异步电动机的直接启动。2鼠笼式异步电动机星形三角形（y-）换接启动。3自耦变压器启动。4鼠笼式异步电动机的机械特性曲线绘制。四实验设备

10、及仪器1实验台主控制屏2电机导轨及测功机、转矩转速测量（nmel-13、nmel-14）3交流电压表、电流表4旋转指示灯及开关板（nmel-05）。5三相鼠笼式异步电动机m04。五实验方法及步骤1三相笼型异步电动机直接启动实验。首先按图2-1接线，电机绕组为接法。注意：电压表要并联，电流表要串联，不要接错！图2-1 异步电机直接启动实验接线图确定接好线之后，启动前，把转矩转速测量实验箱（nmel-13）中“转矩设定”电位器旋钮逆时针调到底，“转速控制”、“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，检查电机导轨和nmel-13的连接是否良好。a先把三相交流电源调节旋钮逆时针调到底，合上绿色“闭合”按钮

11、开关。调节调压器，使输出电压达电机额定电压220伏，使电机起动旋转。（电机起动后，观察nmel-13中的转速表，如出现电机转向不符合要求，则须切断电源，调整次序，再重新起动电机。）b断开三相交流电源，待电动机完全停止旋转后，接通三相交流电源，使电机全压起动，观察电机起动瞬间电流值。问：能不能观察得到电机启动瞬间电流值？思考为什么？c断开三相交流电源，将调压器退到零位。用起子插入测功机堵转孔中，将测功机定转子堵住，调节调压器，观察电流表的读数，使电机电流达23倍额定电流。注意实验时，通电时间不应超过10秒，以免绕组过热。2自耦变压器降压起动按图2-1接线。电机绕组为 接法，同直接启动的连接方式一

12、样。先把调压器退到零位，合上电源开关，调节调压器旋钮，使输出电压达110伏，断开电源开关，待电机停转后，再接通三相交流电源，使电机处于自耦变压器降压启动状态（在110v启动），观察电机启动瞬间的电流值。再将电压调到150v，用同样的方法测量电机在150v和190v启动时，观察电机启动瞬间的电流值。将观察到的数值填入下表2-1并按以下公式算出启动转矩、启动电流。对应于额定电压的起动转矩tst和起动电流ist按下式计算：式中ik：起动试验时的电流值，a； tk：起动试验时的转矩值，n.m；式中uk：起动试验时的电压值，v； un：电机额定电压，v；表2-1测 量 值计 算 值uk（v）ik（a）t

13、k（n.m）tst(n.m)ist(a)110150190从上表的数据可以得出什么结论？思考为什么降压后可以观察到启动电流的值？3星形三角形（y-）起动图2-2 异步电机星形-三角形启动按图2-2接线，电压表、电流表的选择同前，开关s选用nmel-05。注意三刀双掷开关和电机的连接方式！将开关合向右边接为y接法，开关合向左边接为接法。起动前，把三相调压器退到零位，三刀双掷开关合向右边（y）接法。合上电源开关，逐渐调节调压器，使输出电压升高至电机额定电压un=220v，断开电源开关，待电机停转。待电机完全停转后，合上电源开关，观察起动瞬间的电流，然后把s合向左边（接法），电机进入正常运行，整个起

14、动过程结束，观察起动瞬间电流表的显示值以与其它起动方法作定性比较。再分别测出输出电压升高至110v、150v和190v时，采用y启动和启动的时的启动电流瞬时值，将观察到的数据填入表2-2。表2-2启动电压110v150v190v220vy启动启动 从上表可以得出什么结论？4. 鼠笼式异步电动机的机械特性曲线测绘电机为三相鼠笼式异步电动机m04，接法。g为涡流测功机，与m04电机同轴安装。起动电机前，将三相调压器旋钮逆时针调到底，并将nmel-13中“转矩控制”和“转速控制”图2-3 鼠龙式异步电机的m-s测绘接线图选择开关扳向“转矩控制”，并将“转矩控制”调节旋钮逆时针调到底。实验步骤：（1）

15、按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出调节旋钮，使电压输出为220v，起动交流电机。观察电机的旋转方向，是否符合要求。（2）顺时针缓慢调节“转矩控制”， 在空载转速至200转/分范围内，测取89组数据，其中在最大转矩附近多测几点，填入表2-3，并绘制n-t机械特性曲线图。（注意：转速低于200转/分时，有可能造成电机转速不稳定。）表2-3un=220v接法序 号123456789转矩（n.m）00.20.40.60.81.01.21.41.5转速（r/min）实验三 线绕式异步电动机的启动、调速和机械特性一实验目的1加深理解三相线绕式异步电动机的启动特性。2熟悉并更好地理解三相线绕式异步电

16、动机的调速方法。3测绘三相线绕式异步电动机的机械特性曲线。二预习要点1 线绕式异步电动机启动时本身有哪些特性？2 线绕式异步电动机有哪些启动方法？每种方法的各有什么特点？3 线绕式异步电动机的调速方法有哪些？4 线绕式异步电动机的机械特性n-t曲线测绘方法？三实验项目1线绕式异步电动机电枢绕组串入可变电阻器启动。 2绕线式异步电动机电枢绕组串入可变电阻器调速。3线绕式异步电动机的机械特性曲线绘制。四实验设备及仪器1实验台主控制屏2电机导轨及测功机、转矩转速测量（nmel-13、nmel-14）3交流电压表、电流表4三相可调电阻器90（nmel-04）。6电机起动箱（nmel-09）7绕线式异步

17、电动机m09。五实验方法及步骤1绕线式异步电动机电枢转绕组串入可变电阻器起动。图3-1 绕线式异步电机转子绕组串电阻起动实验接线图按图3-1连接实验线路，电机定子绕组y形接法。起动电源前，把调压器退至零位，起动电阻调节为零。注意：试验时通电时间不应超过20秒的以免绕组过热。a 转子串入的电阻由刷形开关来调节，调节电阻采用nmel-09的绕线电机起动电阻（分0，2，5，15，五档），首先将启动电阻调到0；b nmel-13中“转矩控制”和“转速控制”开关扳向“转矩控制”，逆时针调节“转矩设定”电位器到底，即转矩调到最低；c合上交流电源，调节交流电源使电机起动。注意电机转向是否符合要求。当调节电压

18、到180伏时，把电源断开；加载到0.3n.m附近。d再把电源合上，观察此时的瞬间启动电流值和启动转矩值并填入表3-1。e用刷形开关切换起动电阻，（注意：切换启动电阻时，要断开电源切换电阻），按以上同样的方法分别读出起动电阻为2、5、15的起动转矩tst和起动电流ist，填入表3-1中。表3-1 u=180伏rst（）02515tst（n.m）ist（a）2绕线式异步电动机绕组串入可变电阻器调速。实验线路同前。nmel-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针到底。nmel-09“绕线电机起动电阻”调节到零。a合上电源开关，调节调压器输出电压至un=22

19、0伏，使电机空载起动。b调节“转矩设定”电位器调节旋钮，使电动机输出功率接近额定功率并保持输出转矩t2不变，此时保持输出转矩值为额定转矩值0.7 n.m不变，改变转子附加电阻，分别测出对应的转速，记录于表3-2中。表3-2 u=220伏 t2=0.7 n.mrst（）02515n（r/min）3绕线式异步电动机的机械特性曲线测绘电机采用三相绕线式异步电动机m09，y接法。按图3-2接法，电压表和电流表的选择同前，转子调节电阻采用nmel-04中2只90电阻相并联。nmel-13的开关和旋钮的设置同前，调压器退至零位。图3-2 绕线式异步电机的m-s测绘接线图（1）绕线电机的转子调节电阻调到零（

20、三只旋钮顺时针到底），顺时针调节调压器旋钮，使电压升至180v，电机开始起动至空载转速。扳向“转速控制”，将“转速控制”顺时针到底，再逆时针调节“转速设定”旋钮，m09的负载随之增加，电机转速开始下降，继续逆时针调节该旋钮，电机转速下降至1000转/分左右。在空载转速至1000转/分范围时，读取89组绕线电机转矩t、转速n记录于表3-3，并绘制出对应各转子调节电阻时的n-t机械特性曲线。表3-3u=180vy接法rs=0序 号123456789转速（r/min）转矩（n.m）（2）绕线电机的转子调节电阻调到2（须断开电源，用万用表测量，三相需对称），重复以上步骤，记录相关数据。表3-4u=18

21、0vy接法rs=2序 号123456789转速（r/min）转矩（n.m）（3）绕线电机的转子调节电阻调到5（须断开电源，用万用表测量，三相需对称），重复以上步骤，记录相关数据。表3-5u=180vy接法rs=5序 号123456789转速（r/min）转矩（n.m）实验四 步进电动机实验一实验目的1加深了解步进电动机的工作原理及工作情况。2步进电动机基本特性的测定。注意：因为电机要高速旋转，所以开机前先检查联轴器是否联接可靠，电机是否固定可靠，导线是否可能与电机轴出现缠绕现象。二预习要点1步进电动机的工作原理是什么？2 步进电动机三相三拍和三相六拍的通电顺序是什么，它们的步距角有何区别？三

22、实验设备及仪器1实验台主控制屏。2电机导轨及测速表3步机电机驱动电源（nmel-10）4步进电机m10 三实验项目1单步运行状态2角位移和脉冲数的关系3电机的转速与脉冲频率的关系4电机脉冲频率偏低及偏高时，电机的运行状态四实验方法及步骤1接线按图4-1所示接线，注意线不可接错，且接线时需断开控制电源。接好线后，请实验教师检查后方可通电。图4-1 步进电机实验接线图2单步运行状态接通电源，按下“单步”键开关，“复位”按钮，“清零”按钮。每按一次“单步”按钮，步进电机将走一步距角，绕组相应的发光管发亮，不断按下“单步”按钮，电机转子也不断作步进运行。分别进行电机在正转、反转、三拍、六拍的不同工作状

23、态下，各相绕组的通电顺序及步距角，填入表4-1中。表4-1运行状态步距角第一步通电相第二步通电相第三步通电相第四步通电相第五步通电相第六步通电相第七步通电相正转三拍六拍反转三拍六拍问：正转三拍，六拍及反转三拍，六拍的各相的通电顺序是什么？三拍与六拍的步距角各为多少？3. 角位移和脉冲数的关系按下“置数”键开关，给拔码开关预置步数，分别按下“复位”、“清零”按钮（注意：操作以上步骤须将控制板上的“启动/停止”开关置于“停止”的位置，让电机处于停止状态），记录电机所处位置。按下“启动/停止”开关，电机运转，观察并记录电机偏转角度，填入表4-2中。重复观察并记录电机偏转角度，并利用公式计算电机偏转角

24、度与实际值是否一致。表4-2序 号预置步数状态实际转子偏转角度理论电机偏转角度160正转/三拍2正转/六拍3反转/三拍4反转/六拍5120正转/三拍6正转/六拍7反转/三拍8反转/六拍进行上述实验时，若电机处于失步状态，则数据无法读出，须调节“调频”电位器，寻找合适的电机运转速度（可观察电机是否能正常实现正反转），使电机处于正常工作状态。建议，频率可选300hz左右。问：电机处于三拍和六拍状态时，控制电机的频率不变时，经过同样的步数，理论上电机转过的角度关系如何？电机的转速如何变化？4平均转速和脉冲频率的关系将控制面板的“连续”键按下，使其进入连续运行状态，改变“调频”旋钮，测量频率f（由频率

25、计读出）与对应的转速n，填入下表中。表4-3序 号f（hz）n(r/min)1300三拍六拍2400三拍六拍3500三拍六拍4600三拍六拍5700三拍六拍5 观察脉冲频率很低及很高时电机的运行状态，其声音有何变化？（注：为了保护电机，最高转速不能超过1500转）实验五 交流伺服电机实验一实验目的1掌握交流伺服电动机机械特性2 掌握幅值控制时的电机调速特性二预习要点1二相交流伺服电机的工作原理是什么？为什么三相调压器输出的线电压uuw与相电压uvn在相位上相差90°？2交流伺服电机的特点是什么？。4交流伺服电动机有几种控制方式？哪种方法最常用？三实验设备及仪器1教学实验台主控制屏2电

26、机导轨及测功机、转速转矩测量（nmel-13）3交流伺服电机m134三相可调电阻900（nmel-03）5交流伺服电机电源（nmel-21）6电源控制屏（mel-002）四实验项目1通过改变控制绕组的极性改变交流伺服电机的转动方向。2 测定交流伺服电动机控制电压为0.8un时的机械特性。3 测定交流伺服电机空载运行时的控制电压与转速的关系4 测定交流伺服电机加载运行时的控制电压与转速的关系五实验方法实验线路见下图5-1所示。图5-1 交流伺服电机幅值控制接线图图中，交流伺服电机采用m13，额定功率pn=25w, 额定控制电压un=220v，额定激磁电压un=220v，堵转转矩m=0.3nm，空

27、载转速=2700 r/min。三相调压器输出的线电压uuw（nmel05）接交流伺服电机的控制绕组。g为测功机，通过航空插座与nmel13相连。六 实验准备 1 按图中的接线图接线，先将交流电压表并联到励磁绕组的两端，并通过调整旋钮，调整图中a3触点的位置，使励磁绕组上的电压为220v，并且在整个实验的过程中保持不变。 2 将交流电压表并联到控制绕组上，以观察控制绕组上的电压值，将此电压值调整到220v。（注意，整个实验过程中控制绕组上的电压不能超过额定值220v） 3 将转矩及转速显示仪表调零。 4 将nmel-13板上的“转速/转矩”控制转换开关打到“转矩控制”。将“突加负载/突减负载”控制转换开关打到“突加负载”，将“转矩调节”旋钮，逆时针拧到头，也就是说，电机上加的负载为零。七 实验过程1通过改变控制绕组的极性，改变电机的转速 将控制绕组上的两个接线端对调，在转速表上观察转速的变化，将现象写到下面