《电机原理及拖动第4版》(实验指导书)

电机拖动实验

指导书

第一章电机实验理论

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一、刖百

电机原理及拖动实验是自动化专业电机原理及拖动技术基础课程的重要组成部分，也是

学习研究电机理论的重要环节。它的先修课程是电机原理及拖动、电工学，它的实验也是在

电工原理、电子技术等实验课的基础上进行的，比较接近工程实际。也是学生首次接触大功

率设备实验。它与基础课如电工原理、电子技术基础及后续大功率电子线路、供电和控制系

统等实验既有相似之处又有不同。基础课的实验偏重基础理论的消化与巩固，专业课的实验

则偏重与对系统的分析与研究。而电机原理与拖动实验则兼顾基础理论的消化和对实际问题

的研究这样两个方面。因此电机原理及拖动实验具有用电设备功率较大、接近工程实际、涉

及电量和非电量的测量、电量和机械转动量的测量等特点。

电机原理及拖动实验的目的就是在于通过实验验证和研究课堂讲授的电机基本理论，使

学生掌握电机实验的基本方法和操作技能。培养学生根据实验目的拟定实验线路、选择所需

仪表、测取实验数据、进行分析研究，从而获得解决实际问题的初步能力。电机系统是一个

包含了电、磁、力等物理量的综合系统，电机实验就是要使用合理的测量方法、正确的实验

线路，通过适当的计算得出尽可能准确的数据，进而推导出符合实际的结论。培养学生分析

和解决实际问题的基本能力。

本书实验部分所用实验设备为DSZT电机拖动实验系列。进行实验前必须阅读并遵守

电机拖动实验守则。

二、电机拖动实验安全操作规程

电机拖动实验室的电源分为220V、380V,足以使人触电致死，同时实验室中电机的转

动部分，也易引起事故。为了既保证按时完成电机实验，又确保实验时人身安全与设备安全，

要严格遵守实验室的安全操作规程，电机实验的安全操作规程如下：

1.人身安全

(1)人体严禁接触带电线路。进行实验时严格遵守先接线路后送电源，先断电源后拆

线的操作程序。

(2)严禁带电操作。在改接线路时应特别注意严禁带电操作，以免发生触电事故。实

验时不得赤脚或穿拖鞋，最好穿胶底鞋。

(3)人体严禁接触机械的转动部分。不得用手去促使电机起动或停转，以免发生危险。

(4)实验时应特别注意衣角、发辫、导线等防止被电机的转动部分卷入，实验人员最

好穿工作服或紧袖口衣服。

(5)实验前应检查机组的防护罩是否放好，联轴器是否拧紧。

(6)通电之前，须经认真检查线路后并在周边人员知晓的情况下，开始通电实验。

(7)在实验过程中若发生异常情况，应立即关断电源，待查明原因、排除故障后方可

继续实验。

(8)总电源开关不得擅自扳动。

2.仪表安全

连线前要求做好以下准备工作：

(1)按实验要求合理选择仪表类型、量程、精度等级、功率表的功率因数。

(2)按照合理布局的原则：电路简单、读表准确、便于调节、安全运行。

(3)接线原则是先接串联主回路，再接并联支路。

(4)接线前应搞清楚电路图与实物的对应关系，看懂实验电路图。

(5)接线要牢固。防止发生电机超速或飞车事故以致损坏设备，特别应注意：

a.直流电动机激磁回路的接线必须认真检查，确保接牢固。

b.具有调节激磁回路电流的有关实验，必须调整好激磁回路电阻的位置。

(6)电流表串联在电路中，选择量程应考虑电机起动和变压器合闸时的冲击电流。

(7)电压表并联在电路中，选择量程应考虑电感回路在拉闸时续流产生的过电压，同

时注意不能将电压表并联在电感电路中。

三、电机实验的特点、性质和目的

1、电机实验的特点

电机实验是比较接近工程实际的一种实验，也是学生首次接触较大功率设备的实验。它

与电工原理、电子技术基础等基础课实验，与变流技术、供电和控制系统等专业课实验，既

有相似之处又有不同。基础课的实验偏重基础理论的消化与巩固，专业课的实验则偏重对系

统的分析与研究。而电机实验则兼顾基础理论的消化和对实际问题的研究这两个方面。从基

础课实验过渡到电机实验要考虑下述特点：

(1)有较大的功率，例如：选择导线时要考虑导线的截面及允许的电流，选择电器、

开关等设备要考虑他们的容量和电压。

(2)比较接近工程实际，例如：电机的空载损耗与机组的安装有关，电机的参数与；

环境温度及电机的温升有关。

(3)涉及电量和非电量的测量，例如：即涉及电压、电流、功率、……等电量，又涉

及转速、转矩、温度等非电量的测量。

2、电机实验的性质

电机实验接近工程实际，但又区别与电机制造厂的型式试验和出广试验。生产厂的试验

以测量电机的性能、参数为目的，而其中许多参数对我们自动化专业并不重要。所以我们说

电机实验的性质是一种教学实验，用以帮助学生消化理论知识、学习实验技能为主，同时也

是学生接近工业试验的一种手段。

3、电机实验的目的

（1）电机实验的目的就是在于通过实验验证和研究课堂讲授的基本理论，使学生掌握

电机实验的基本方法和操作技能。培养学生根据实验目的拟定实验线路、选择所需仪表、测

取实验数据、进行分析研究，从而获得解决实际问题的初步能力。

（2）电机系统是一个包含了电、磁、力等物理量的综合系统，电机实验就是要用合理

的测量方法、正确的实验线路，通过适当的计算得出尽可能准确的数据，进而推导出符合实

际的结论。

（3）电机实验使学生掌握安排工程实验的初步知识，为今后研究工程实际问题组织实

验打下基础，掌握必要的测试手段和技能，从而能灵活的运用适当的方法进行工程问题的测

试。

（4）电机实验培养学生严肃认真，实事求是的作风，独立思考，独立工作的能力。

四、电机实验的方法

1.直接法

直接法是对所要测量的物理量进行直接测量例如：用电压表测量电压、用电流表测量电

流、用欧姆表测量电阻、用测功机测量电机的转矩等。这种方法直观，测量的精度可以由所

使用的测量仪表的精度确定。它的缺点是有些物理量无法测量例如：电机的电磁功率、电磁

转矩、转动中电机绕组的直流电阻的测量等。有时直接测量需要使用复杂的测试设备例如:

测量转矩需要使用测功机或转矩转速传感器和它的显示装置。所以在条件有限时就要采用间

接测量的方法。

2.间接法

间接法是通过各物理量之间的联系，用测量与被测量有关的其他物理量的方法来测定并

计算出被测量的大小。例如：用伏安法测量电阻，用空载、短路实验方法来测定电机的参数，

用测功机的方法来测定转矩，用测转子频率的方法来测量异步电动机的转速，用测出电机在

起动过程中速度对时间的变化规律从而分析出电机的角加速度并间接的测量出电机转矩的

方法等。它的缺点是测试精度涉及许多复杂因素，因而较难准确计量（涉及到许多物理量的

测量精度，各物理量之间计算公式的精度）。

3.电机实验中的可变负载

为求出被试电机在各种运转状态下的机械特性，需要一个可变的负载。以直流他励电机

做被试电机的负载，在实验中负载电机的接线方式有以下几种：

(1)负载电机接成发电机

负载电机接成发电机时产生的电磁转矩为：

T----!-n

Ra+Rc

图IT负载电机接成发电机时的特性图-2被试电机在电动状态时的负载特性

式中GG、Q①为负载电机的转矩常数及电势常数；&、Rc为负载电机的电枢绕组及外串

电阻。若负载电机的磁通及外串电阻保持恒定，则上式为一条通过坐标原点的直线。根据负

载转矩正方向的规定，此直线应穿过一、三象限。当改变外串电阻在时・，便可得到一簇位

于一、三象限的直线。如图1T所示的直线3、4、5等。若不计机组的空载转矩To这些直

线与被试电机的交点即为待测的稳定运行点，如图1T中的a、b、c、d各点。若考虑空载

转矩T。则被试电机的电磁转矩应是负载电机的电磁转矩T与机组空载转矩之和，故被试电

机的负载转矩曲线应由负载电机的转矩曲线T=f(n)与机组的空载转矩To=f(n)合成而得

(见图1-2曲线4)

设被试电机参数下标用s表示；负载电机参数下标用L表示。此时机组能量关系如图

13。由此能量关系图可知，若从负载端计算被试电机的电磁转矩则

T=9.55PM/n

=9.55(ULIL+I2LRL+PO)/nN•m

若从被试电机端计算被试电机的电磁转矩则

T=9.55PM/n

=9.55(Usls—PsRs)/nN•m

负载电机的这种接线方式只能测出被试电机在电动状态下的机械特性。

图1-3被试电机在电动状态时的能流图

（2）负载电机接电源

1）负载电机的转向与被试电机的转向相反，此时负载电机的机械特性表达式为

TCQU①C,①

1-------------n

Ra+RcRa+Rc

式中n的符号在被试电机的n为正时，式中的n取负号，反之若被试电机的n为负时，上式

中的n应取正号。当电源电压U恒定，励磁电流及外串电阻Rm保持不变时，上式代表一条

通过理想空载点且穿过一、四象限的直线改变外串电阻及便可得到一簇直线，如图『4中

的3、4、5、6等。当电机处于电动状态时，负载电机处于电势反接状态；若负载电机工作

在电动状态，则被试电机便处于电势反接状态。图负载电机的外串电阻较大，则可得到被试

电机在电动状态下的稳定运行点（图『4中的a、b点）；若负载电机的外串电阻较小，则可

得到被试电机在电势反接状态下的稳定运行点（图1-4中的c、d点）。因此负载电机的这种

接线方式可以测出被试电机在电动状态及电势反接状态下的机械特性，如图「4所示。图中

曲线1、2为被试电机特性；曲线3、4、5、6为负载电机特性。

当被试电机在电动状态下运行时，机组的空载转矩由被试电机负担；被试电机的电磁转

矩为负载电机的电磁转矩与空载转矩之和，被试电机的负载转矩曲线如图1-5曲线2所示。

当被试电机在电势反接状态下运行时，机组的空载转矩由负载电机负担。此时被试电机的负

载转矩曲线如图15曲线3所示。被试电机在电动状态下工作时的能量关系如图1-3.从被

试电机端计算被试电机的电磁转矩可按下式进行：

T=9.55PM/n

=9.55（USIS—RRS）/nN•m

从负载电机端计算被试电机的电磁转矩为：

T=9.55PM/n

=9.55(ULIL+H.RL+PO)/nN•m

图1-4负载电机接电源时被试电机特性和负载电机特性

特性图

当被试电机工作在电势反接状态时，能量关系与上述相反。此时从被试电机端计算被试

电机电磁转矩为：

T=9.55PM/n

=9.55(UsIs+PsRs)/nN•m

从负载端计算被试电机的电磁转矩为：

T=9.55PM/n

=9.55(ULIL-I'LRL-PO)/nN♦m

图1-6负载电机接电源时的能流图

2)负载电机转向与被试电机转向相同，此时负载电机机械特性表达式为:

TCT①uG①G①

1=----------------------------n

Ra+RcRa+Rc

根据正方向的规定，上式中的T应为负号，是位于第二象限的直线(图1-7中的曲线1、

2)0负载电机的这种接线方式可测出被试电机第二象限的回馈制动和能耗制动特性。此时不

管被试电机是在回馈制动状态还是在能耗制动状态，空载转矩总是与被试电机的转矩同方

向，即空载转矩是由负载电机负担的，因此被试电机的负载特性应如图18、9所示。从被

试电机端计算电磁转矩可用下式：

T=9.55PM/n

2

=9.55(UsIs+lsRs)/nN•m

图1-7负载电机接成电动状态转向与被试电机相同时的特性

从负载端计算电磁转矩为：

T=9.55PM/n

2

=9.55(Udi—ILRL—Po)/nN•m

图1-8被试电机在回馈制动时的负载特性图1-9被试电机在能耗制动时的负载特性

(3)负载电机接成电动机

负载电机由发电机组供电。这种接线方式适于测定异步电动机机械特性时采用。由于异

步电动机机械特性的非线性，为测出法的自然特性和能耗制动机械特性(全特性)要求负载

电机具有很硬的机械特性，以获得较为稳定的工作点。负载电机的这种接线方式即能满足此

要求。根据负载转矩正方向的规定，若负载电机的转向与被试电机相同则其机械特性应位于

第一、二象限，调节励磁发电机可得一簇互相平行的特性。如图1-10中的平行线。这些直

线与异步机的机械特性的交点(A、B、C、D等)便是待测的稳定点。从图中可见，当机组

转速高于被试异步机的同步特速时，被试电机工作在再生发电状态，负载电机则处于电动状

态，发电机处于发电状态，电动机处于电动状态。于是可得被试电机在再生发电状态下的稳

定运行点(图1T0中的A、B等点)。降低发电机电压使负载电机的转速下降，当转速低于

同步速度时，被试电机处于电动状态，负载电机处于再生发电状态而发电机则为电动状态。

此时可得到被试电机在电动状态下的稳定运行点（图1T0中C、I）、E、F各点）当发电机的

励磁电流降至零时，如发电机无剩磁，则负载电机便处于能耗制动状态，将励磁电压反极性

并增加励磁电流，则被试电机先是降速，进而改变转向进入反接制动状态，而负载电机又变

为电动状态发电机则为发电状态，于是可得被试机在反接刺动状态下的稳定运转点（图1-

10中HI各点）。

如将被试异步机定子从交流电网切断并通入直流，利用同样的方法可测得被试电机在

能耗制动状态下的稳定运行点（图1T0中C'、D'、E'、F'各点）此时负载电机工作于电动

状态，发电机处于发电状态。

图1-10被试电机和负载电机的特性曲线

总之，当测取被试电机的回馈制动特性、能耗制动及反接制动特性时。负载电机均处于

电动状态，因此机组的空载转矩特性To都由负载电机负担。被试电机的电磁转矩由下式决

定：

T=9.55PM/n

2

=9.55（ULIL—ILRL-Po）/nN•m

当测试被试电机在电动状态下的特性时，负载电机处于再生发电状态，机组空载转矩To

由被试电机负担，此时被试电机的电磁转矩由下式决定：

T=9.55PM/n

=9.55（ULIL+FLRL+PO）/nN-m

如果由被试电机端的测试数据来计算其电磁转矩，可由测出的被试电机定子功率Pi铁

损P”定子电流L及定子绕组电阻等数据按下式计算：

T=9.55(Pl—PFC—3I2|R1)/nN•m

以上对负载电机的各种接线方式作了说明。在试验时应根据内容要求选择一种合适的负

载电机的接线方式。在拟定实验线路时要考虑到变更负载电机运行状态时应使改变接线最简

单或不需改变接线。例如在测定直流它励电动机电枢串电阻RC=200%RN的人工特性及反

接特性时，负载电机采用负载电机接电源的接线方式，则只需改变负载电机外串电阻的大小

即可测出此两种特性，不必改变负载电机的接线.

五、电机实验的注意事项

1.实验目的明确

实验前应充分预习，做到心中有数目的明确。实验课堂是学生验证课堂基本理论和培养

提高动手能力的重要场所。有人认为实验就是动手，有手就会干，这是错误的。没有理论依

据，在实验中就会手足无措，不知道从何处入手及为什么要这么干，会手忙脚乱。对出现的

现象也无法解释，甚至造成人身事故和损坏仪器仪表设备。因此要求每个同学在实验前必须

按照要求进行预习，首先认真研读实验教程,其次复习电机原理及拖动基础课本的有关章节，

了解实验目的、内容、方法，拟定纪录表格，选择所需仪器仪表。实验前的准备工作是保证

学生实验质量的重要一环，没有充分预习做不好实验。所谓胆大心细，遇事不慌是建立在有

准备的基础之上的。

2.根据预定计划测取数据

实验中应能根据预定计划测取数据做到先看现象后读数据。读数前要适当调整仪表量程,

读数要尽可能正确，记录要求表格化，一目了然。对记录的数据应能做初步判断，保证得到

满意的数据。在实验过程中若出现异常现象应立即切断电源，排除故障后再继续实验。

3.常见的故障及其解决办法

(1)断路故障是在串联电路中有一段电阻为8,这时全部电压降落在8电阻上，用电

压表或欧姆表能找到故障所在。断路故障的现象是：一段线路接好后，检查无误，合闸后没

有电流或起动电机不转，表明电路不远，有断路的地方。

(2)短路故障大多是接线错误造成的。电流通过短路线而不是通过电器设备，用欧姆

表可检查出故障所在。短路故障的现象是：电流过大或烧断保险丝或不能合闹。在认真检查

线路的情况下是可以避免的，但若由于设备内部短路，或接线错误使故障已经烧断保险丝，

在没有排除故障时不允许合闸。

六、课前预习及实验报告

1、实验前预习要求

课前预习关系到实验能否顺利进行，能否在实验过程中发挥主观能动性和收到预期的效

果。预习、实验、实验报告应按1:1:1来分配时间。实验课前必须仔细阅读实验教材，复

习教科书。明确实验目的、内容、了解实验基本原理及实验线路、方法、步骤，清楚实验中

要观察哪些现象，记录哪些数据和注意哪些事项。应做到以下几点：

（1）要完全了解清楚实验内容和原理。

（2）读透实验线路图。教学实验与科学研究实验不同，只验证课本理论，大多已有成

型的电路图。学生应在课前自己动脑读图，尽量把图中每点每线都看透，这对顺利完成实验

很重要。

（3）拟定实验步骤。

（4）编写注意事项和做实验表格。

（5）预测实验结果的大趋势和预选仪器仪表的量程。

2、实验报告

实验报告是每次实验的全面总结，是将理论与实践相结合的过程，写报告的过程就是总

结提高的过程，使认识从感性向理性飞跃的过程。实验报告中应有误差分析。应根据实验数

据和实验过程中观察到的现象及发现的问题加以分析研究后编写。报告应简明扼要、字迹清

楚、图表整洁、结论明确。应独立完成。

七、电机实验的基本步骤

1.实验前

要做好电机实验应在实验前清楚：由实验目的来确定实验做什么内容；为完成实验内容

而需要了解实验原理;根据实验原理设计实验线路;根据实验线路和实验原理确定实验方法;

由实验方法引出实验步骤。

2.实验中

看懂实验线路，将实验线路实现为一个需要的实验系统。按照已知实验步骤完成实验。

一般实验步骤为：按图接线；初始条件定位（开关、电位计、所有可调的器件）；合开关；

测数据；加负载；循环直到实验结束。

3.实验后

实验结束后应该及时整理数据；总结实验过程；写出实验报告。

第二章直流电机及拖动实验

一、他励直流电动机试运转实验

实验电机技术参数

序编绝缘等

名称国(W)/（K）<v(A)n(r/min)3）

号号/V级

他激直流电

1D26802200.551500220<0.13E

动机

1.实验目的

1）熟悉实验设备，如电源、实验台、电阻器及仪表的位置；

2）学习基本的线路连接方法和正确选择仪表量程；

3）学习电动机的起动、升速、停机条件；

4）正确记录实验数据

2.实验原理

要保证电机的可靠运行，机械检查是必不可少的。譬如电机轴承故障能引起转子扫膛而

烧毁电机；两台互相连接的电机由于安装位置不正确，在运行中会引起振动，在严重情况下

甚至会造成轴的折断；联轴节螺丝脱落会造成人身或设备事故；电刷松动会引起换向器环火

等等。所以在接电运行之前要对电机的机械部分进行必要的检查。对初学电机的学生来说，

还是一次熟悉结构的实践。

电枢能够转动的必要条件是要有足够的电磁转矩，因此要有能够产生转矩的磁场和电流,

电枢电流太小起动转矩不够；电流太大又损坏电机，电枢回路串电阻起动可以限制电机的起

动电流。电机的转速既与励磁电流有关也与电枢回路串电阻的大小有关。

3.预习内容

1）直流电机的结构及工作原理；

2）如何改变电动机的旋转方向；

3）直流电机的转速和哪些因素有关。

4.实验内容

1）熟悉与本实验有关的设备，如电源、实验台、电阻器及仪表；

2）对实验验机组进行机械方面的检查；

3）测量电机的绝缘电阻和电机绕组的直流电阻；

4）进行试运转实验（包括电动机的起动、升、降速及停车）。

5.实验步骤和方法

（-）机械方面的检查大致包括以下几个方面：

1）各部分紧固件的检查，尤其是联轴结的螺钉的检查；

2）转动部分的检查用手转动机轴，观察有无摩擦阻碍和撞击，轴承有无不正常的音响；

3）电刷机构的检查，打开端盖上的观察孔，检查电刷安放是否正确，电刷与换向器表

面接触是否良好，电刷压力是否正确，刷握及摇环是否固定可靠，转子绑线是否完好，转动

部分是否与定子上的引线发生摩擦等。

4）电机转向的检查，只允许单方向旋转的电机，在外部均有箭头表示。对标志不清的电

机可以根据电刷的安放情况来确定转向。电刷与换向器表面垂直的电机允许正反转，电刷表

面倾斜的电机只允许按固定方向旋转，否则会因电刷产生的机械自锁而烧毁换向器。

（-）熟悉铭牌及接线图

1）检查接线端子板螺丝是否紧固，绝缘是否良好。

2）记录铭牌及接线图。

3）按接线图检查接线。

（三）测量各绕组的绝缘电阻

用兆欧表测量个绕组对地及相互间的绝缘电阻并记录数值（测量方法见第一章第三节基

本物理量的测量）。

（四）测量绕组的直流电阻

用电压表——电流表法测量各绕组的直流电阻。测量要在接近该绕组额定电流的条件下

进行（测量方法见第一章第三节基本物理量的测量），测电枢绕组时要在转子互差120。机

械角度的位置下分别测量三次，取平均值同时记下室温。

由于这时电机是冷态，可以将室温作为绕组的实际温度。

（五）检查和调整电刷位置

电机不转时，电枢绕组可以看成一个螺旋管。当电刷在几何中线位置上时，这个螺旋管

的轴线与与励磁绕组的轴线垂直，因而两个绕组之间没有磁的交链。所以当改变励磁电流时，

在两电刷之间不产生感应电势。如果电刷不在几何中线位置上，当改变励磁电流时，电枢绕

组中将产生感应电势。如图2T所示。

先将分压电阻R1放在输出电压最小的位置上，合上闸刀K,调节R至额定励磁电流的

10%左右。这时将A合上、拉开，观察ir变化的瞬间mV表是否发生偏转。如果mV表偏转很

小，则可以加大ir,重复上述步骤。如果当i「加大到额定励磁电流时，重复开、关K而mV

表的偏转电流仍然很小则说明电刷位置在几何中线上。否则当L偏转很大时，要松开摇

环上的紧固螺丝，仔细调整电刷位置直至开、合K时MV表的偏转很小为止。这种检查电刷

位置的方法称为感应法。

it

图2-1检查电刷位置实验接线图

（六）它励直流电动机的起动

它励直流电动机的起动时的接线如图2-2所示，起动前将电枢回路外串电阻R?置于电

阻最大位置以限制起动电流，励磁回路所串电阻R则置于电阻最小位置，以保证满激磁起

动。合闸以后逐步减小R?随着比的减小转速逐渐升高。在转速稳定以后，用转速表测量转

速，以防止超过电动机的额定转速。通常在满激磁的条件下，起动至R2=0时的电机转速是

不会超过额定转速的。

在起动过程中注意观察电枢回路电流的变化情况，每切除一段电阻的值先是突然增加然

后逐渐下降。如果一次观察不清楚，可以将电机停下重新起动再进行观察。在起动过程中一

般不允许RzWO长时通电，因为起动电阻都是按短时工作设计的，长时通过大电流会使电阻

发热以至烧毁，所以起动结束时一定使R2=0,即切除起动电阻。

起动时如果发生换向器冒火，机组产生强烈振动或不正常音响时，应立即将总电源开关

切断寻找故障原因。如果电枢回路和励磁回路分别供电时，切勿误将励磁电源切断，否则会

产生极危险的飞车事故。所以一般情况下励磁电源不设单独的开关和保险丝。

（七）它励直流电动机的调速

改变Ri和R?的阻值均可以对它励直流电动机进行调速，但要注意在减激磁（增大R）

调速时一定要监视电动机的转速，绝不允许超过1.2%,。

在调速试验时注意观察改变R、艮时电机转速变化的情况。

（A）它励直流电动机的停车

将总电源K开关切断，电动机中没有电流，因此没有电磁转矩，机组进入自由停车状

态，依靠机组的摩擦转矩使电机慢慢停下来，记录自由停车时间。停车以后一定要将Rz放在

阻值最大的位置；将R放在电阻值最小位置，以防止下次合闸时造成短路。

6.实验报告

1）抄录被试电机的铭牌数据。

2）记录被试电机的测试参数。包括绝缘电阻及绕组的直流电阻。

3）电机试运转中发现的问题及电机能否投入运行的结论。

4）定性绘制自由停车转速过渡过程曲线。

7.思考题

1）直流电动机在自动时如果把电枢回路变阻器放在短路位置（R产0）上，这时合闸会有

什么现象发生？为什么？

2）如果没有励磁电流（ir=0）起动电机会有什么现象发生？为什么？如果运行中励磁

回路断电（ir=0）又会怎样？

3）什么叫满激磁起动？为什么要采用满激磁起动？

4）测电枢绕组的直流电阻时，如果电机的转速n不等于零，这时测出的结果是否正确？

为什么？

5）感应法检查电刷位置时为什么要反复接通及切断励磁电流if?这时在电枢上产生的

感应电势与电枢旋转时产生的电势是否相同？如果i「不变，电势的大小如何？在接通及切

断励磁电流瞬间，接在电枢两端的mV表偏转的方向是否相同？为什么？

二、他励直流发电机特性实验

实验电机技术参数

序编绝缘等

名称心(W)u,v（v）Av(A)〃八G/min)UQ(V)I/A)

号号级

1D13发电机1002000.51600E

2D17电动机1852201.11600220<0.16E

1.实验目的

（1）通过他励发电机的空载特性，分析电机的饱和程度；

（2）研究不同励磁方式下，励磁回路不作调节时的外特性曲线，从中理解影响端电压的

几个原因；

（3）观察并了解励发电机端电压的自励过程。

2.实验原理

直流发电机的基本方程式

电势公式Ea=CeOn

电磁转矩公式T=g①]a

发电机电势平衡方程式U=Ea-laRa

不论是电动机还是发电机，其内部都存在感应电势Ea和电磁转矩T,在发电机中，感

应电势向外输出电流，电势与电流方向相同。发电机电磁转矩为制动转矩，原动机要克服电

磁转矩输出电能，必须Ea〉Uo每极磁通中是由励磁电流L产生的，当电枢流过电流la时，

产生电枢反应，因受磁路饱和的影响，电枢反应会使每极总磁通①略为减少，这对发电机性

能会带来一定的影响。

直流发电机性能中有4个可变的参数，n、U、la和其中转速n是原动机供给的，

常把转速定为不变的常数，余下的3个参数固定1个为常数，其它2个参数的函数关系即为

发电机的特性曲线，即

外特性曲线U=f(Ia),I产常数

空载特性曲线U=f(Ir),Ia=常数=0

调节特性曲线L=f(Ia),U=常数

直流发电机性能的中心问题是电压问题，其主要特性是外特性U=f(la),从基本方程式

可看出，影响端电压下降的原因有二：①电枢回路电阻压降laRa;②电枢反应的去磁作用使

Ea下降。所以，它励直流发电机外特性曲线形状随负载电流增加端电压略有下降，下降的

程度用电压变化率来标志。

Ia=O时U=f(L)为发电机的空载特性，即电机的磁化曲线，此曲线可查出电机工作点

的饱和程度(严格来讲，发电机的空载特性应该称为无载特性或开路特性。这里沿用习惯称

法)。

当负载增加后，保持端电压不变，L与la的函数关系即为调节特性。从调节特性曲线

上可以查出励磁电流变化的大小，并可用它来计算磁场中串联调节电阻的范围。

直流并励发电机当转速接近额定时，建立额定电压必须满足三个条件：①发电机要有剩

磁；②励磁绕组与电枢并接要正确，使励磁电流所产生的磁通与剩磁同方向；③励磁绕组的

电阻要小于建压临界电阻。如果端电压开始就顺利建立，也可将励磁绕组再反接，观察结果，

加强对建压条件的认识。

3.预习内容

1)影响并励和复励发电机端电压有哪几个因素？怎样改变并励发电机输出端电压的极

性？

2)怎样判别复励发电机是积复励还是差复励？

3)磁场回路中的电阻有两种接法：①串接法；②电位计接法。求取空载特性曲线时为

什么要采用电位计接法？

4)什么叫电枢反应？发电机的电枢反应对性能有什么影响？

5)实验室的直流发电机是由直流电动机带动。起动直流电动机为什么要用起动器？

4.实验内容

1)求取它励发电机工作特性：

⑴空载特性：〃=%,h=0时测取U。=/(//)。

⑵外特性：〃=时，测取U=/(/a)。

2)观察并励发电机的自励建压并求取其外特性：

⑴观察自励建压的过程和改变并励发电机的端电压极性。

⑵外特性：〃=磁场电阻叼=常数时，测取/=/(/〃)

Ja

5、实验步骤和方法

首先记录电机铭牌数据并据此选择仪表和导线，按图连接实验线路。

1）空载实验

它励直流发电机的空载特性是在发电机转速保持额定，电枢开路时发电机电枢端电压与

励磁电流之间的关系。由于铁芯的磁滞特性，空载特性具有磁滞回线的形状。我们取其中的

下降支作为被试电机的空载特性，如图2-3。

空载实验的原理线路如图2-4所示。图中G为它励直流发电机；M为拖动直流发电机的

直流电动机；A1均为直流电流表；Vi为直流电压表；及为直流电源开关；R、R3分别为励

磁回路的可变电阻；R2为电动机的起动电阻。

图2-4空载特性实验接线图

⑴起动电动机前应检查：①电枢串接的电阻L必须在最大位置；②励磁回路调节电阻

R放在最小位置；③K-处于断开的位置。实验过程中重新起动电动机M时也必须遵守这几

点。转速可通过控制台上的转速表获得。

⑵合上k观察电压、电流表极性是否正确；电动机转速调节到额定值。

⑶合及观察直流电流表A,极性是否正确，机组起动后逐步减小Rz,此时应见到机组逐

步升速，如有异常现象须停车检查后再重新起动。

⑷逐步减小电阻RN必要时可增加R,)调节直流电动机M的转速调到发电机G的额定转

速。

⑸通过改变电阻Rs调节发电机的励磁电流,使发电机的空载电压为额定电压的1.1倍，

即U。=1.lUo维持发电机的转速为额定转速，改变电阻比逐步减小发电机的励磁电流直至

最小。

⑹断开K2,此时励磁电流为零，发电机电压为剩磁电压。

实验过程中记录8〜10组数据。如U。达不到1.则从可能达到的最大电压开始。如

果转速达不到额定转速，则测得的空载电压要用下式换算：

U=U?

%

式中：ni-----实际转速；

Uoi-----在ni下的空载电压；

U0一一在额定转速时的空载电压。

在改变励磁电流L时应注意保持单纯的递减。因为励磁电流的忽增忽减会使曲线上出

现小回环，这样测出的曲线就会与实际特性不符。

将记录数据填入表2-1中。

注意：①调节励磁电流只允许单方向变化，以免产生局部磁滞回线，对数据带来影响：

②在U”附近多读几点，以利作曲线。

表2-1

n=DN=r/minia=0Uo=f(Ir)

Uo,

in

ni

Uo

以上是空载特性曲线的下降部分，也可再读取上升部分，以观察直流发电机的磁滞回线。

2)外特性

它励直流发电机的外特性是在转速保持额定转速n”发电机励磁电流为额定励磁电流

Lx条件下测取的发电机端电压与输出电流之间的关系。它励直流发电机输出电流与电枢电

流相等(I=L),所以U=f(L,)。

实验的原理线路如图2-5所示。

⑴首先将发电机的负载电阻R,调至阻值最大位置，然后按照前面所述步骤起动电动机

至转速为发电机的额定转速。

⑵合上L使发电机产生空载电压；观察电流表A：,、A,；调节发电机负载的大小和励磁电

流的大小，使发电机输出电流为额定值L,端电压为额定值U、。调节时要同时照顾电枢电流

L、U和励磁电流L的变化。粗暴地调节某一个变阻器会造成数据大幅度变化，甚至使电机

过载保险丝烧断。

上述过程是调节发电机额定工作点的过程。调整到发电机的额定工作点后，记下这时的

电压、电流和额定励磁电流。

⑶保持发电机的励磁电流为额定励磁电流，保持发电机的转速为额定转速，逐渐减小发

电机的输出电流直至为零，记录发电机的端电压及输出电流8点数据填入表2-2。

图2-5外特性实验接线图

6.实验报告

⑴由空载实验数据在纸上作出空载曲线如图2-6所示，将空载曲线的直线部分延长，使

0C与对应额定电压UN的AB直线相交于C点，AB长度相当于励磁电流产生的总磁势，AC为

AR

气隙中磁势。电机饱和系数为K=—

AC

图2-6由空载曲线求电机饱和度

K<1.25为低饱和；K=l.25〜1.75为中饱和；K〉1.75为高饱和。大部分电机设计在中饱

和程度，如果饱和程度太低，则费材料；饱和程度太高，电机的性能不能满足要求。

⑵在同一坐标尺上画出它励发电机的外特性。计算电压变化率并评价电机的运行性能。

⑶分析并励发电机的自励条件，阐述自励发电时电压建立的过程。讨论自励发电时可能

遇到的问题及解决办法。

⑷讨论并总结它励发电机空载特性及外特性实验的做法，发现的问题、解决的办法及理

论依据。

7.思考题

⑴起动直流电动机时，电枢回路为什么要串联一个大电阻？励磁回路串联的电阻为什么

要调到最小？若将励磁回路串联的电阻调至阻值最大的位置，会有什么后果？

⑵发电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率？直流电动机铭牌上的电压乘

电流是输入功率还是输出功率？

⑶测发电机空载特性时，为什么不能使L忽增忽减？具体操作应调节哪个变阻器？如

何调节？

⑷直流发电机转速下降30%,电枢电流la和励磁电流L不变的情况下，其端电压下降

多少？容量是否变化？

⑸并励发电机的电压如果建立不起来，可能有哪些原因？应采取什么措施？

⑹并励发电机已经自励发电，如果将它的转向改变，这时电机是否仍然发电，为什么？

⑺做发电机外特性时，如果增加发电机的负载或减少发电机的负载，机组的转速会不会

变化？是升高还是降低？为什么？应当怎样调节才能随时保持n=nN不变？

三、他励直流电动机机械特性

实验电机技术参数

序编绝缘等

名称&(W)4⑷纵（厂/min）U")

号级

1D26被试电机802200.551500220<0.13E

2D17负载电机1852201.11600220<0.16E

1.实验目的

(1)掌握他励直流电动机在电动状态下自然机械特性与人工机械特性的测取方法。

(2)掌握他励直流电动机的起动、调速、改变转向的方法和注意事项。

(3)观察他励电动机的起动过程和调速过程

2.实验原理

直流电动机的基本方程式

电势公式Ea=CeOn

电磁转矩公式T=g①la

电动机电势平衡方程式U=Ea+IaRa

在电动机内部有电磁转矩，也有感应电势，但电动机中感应电势是反抗电流流入电枢绕

组，电势与电流方向相反，称为反电势。电磁转矩为拖动转矩，克服一部分损耗后输出机械

功率，因此U〉Ea。每极总磁通是由励磁电流L和电枢电流la共同产生。电枢反应的去磁

作用对直流电动机会有较大的影响，分析性能时应考虑它的作用。

直流电动机是一种原动机，其性能的中心问题是转速和转矩。即机械特性n=f(T)和工

作特性。工作特性中有转速特性n=f(P2)、转矩特性T=f(R)和效率特性n=f(PD。

起动性能和调速性能也是电动机的主要指标之一。起动时要求起动转矩大,起动电流小。

从直流电动机的基本公式可知，在起动时n=0,反电势Ea=0,这样U=IaRa。，电压U若为

额定值(如HOv),而电枢电阻Ra通常很小，只是小数点以后的数量级，所以起动电流很

大，必须在电枢回路串入适当的电阻限制起动电流。但串联电阻又不能太大，电阻太大后la

变小，从转矩公式可知起动转矩大小，起动时间就较长。因此，常使起动电流在1〜2h范围

内来计算起动电阻。

调速性能，在工程机械中往往要求平滑调速，且调速范围要大。根据电势公式和电压平

衡公式可写成—laRa,即

U-laRa

ii-------------

Ce①

由上式可知，改变转速有三种方法：①调电压：转速可升可降。但需要专用直流电源。

②电枢串电阻：转速只能在原有基础上下降。③改变每极磁通中：转速只能在原有基础上上

升。从实验过程中经具体操作加强对其物理过程的理解。但应注意，任何情况下转速不要超

过额定转速的L2倍。

应特别注意的是上式中①=0时，n=8。我们称此为“飞车”。也就是说它励直电动机

励磁电流在任何情况下不能等于零。因此，在实验中接好线后必须严格检查以免发生事故。

3.预习内容

(1)电枢反应对直流电动机有什么影响？对特性曲线会产生怎样的变化？

⑵如果是并励电动机所接电源极性对调，能改变电机转向吗？为什么？

⑶何为自然机械特性；何为人为机械特性？

4.实验内容

⑴测定它励直流电动机的自然机械特性。U=UN,I尸IIN，Rc=O,n=f(T)o

⑵测定它励直流电动机电枢串电阻时的人工机械特性。U=UN，IrlfN，RcWO,n=f(T)。

⑶测定它励直流电动机减磁通时的人工机械特性。U=UN.If=C＜尿，Rc=O,n=f(T)。

5.实验步骤和方法

⑴它励直流电动机的自然机械特性

本实验只做第一象限的自然机械特性。实验条件为U=UN,卜=尿，Rc=O«

㈠按图2-7连接实验线路。空载起动直流电动机M至额定转速方。合刀闸K2给发电机

加励磁电流；改变电阻器R4的大小，使发电机逐步带上负载。将电阻器R2调至阻值为零的

位置。调整发电机负载电阻Rq和电动机励磁电阻R”使直流电动机运行在额定工作点，即

U=UN»I=IN»n=nNo

直流电动机运行于额定工作点时的励磁电流叫做额定励磁电流IfiMo额定励磁电流找到

后，在测取自然机械特性过程中要始终保持励磁电流为额定值，即I尸加不变。

图2-7电动机机械特性实验接线图

㈡保持L=L,逐步减小直流电动机的负载(减小直流发电机的电流)，以测取不同负载

下的电动机电枢电流la和转速n,直至发电机电枢开路并同时切断发电机励磁回路电流。

记录6~7组数据填入记录表2-3。

表2-3

V,A,Q

U=UN=If=IfN=R2=

UaM

IaM

UaG

IaG

n

⑵它励直流电动机电枢串电阻时的人工机械特性

实验中保持条件:U=UNIf=IraR2=C>0»（推荐R2=100%R）

自然机械特性测完后，将直流电动机电枢回路的可变电阻器R2由零调至某个电阻值。

在测试中R2保持这个数值不变，同时用电压表测得R2两端电压，计算出R2的数值。其测

试方法和测试过程与自然机械特性类似，记录6~7组数据填入表2-4。

⑶它励直流电动机减磁通时的人工机械特性

实验中保持条件：U=UNR2=0If=C<IfN„

实验内容（2）做完后，将电阻R2切除，并将直流电动机的励磁电流从额定值调到某个

数值，即If<IfN。

在测定该项机械特性的过程中，保持此励磁电流不变。册数晟个与前面所述相同，记录

6~7组数据填入记录表2-5o

表2-4

Q〉

U=UN=V,1尸1册二A,R?=0

UaM

UM

U,G

IaG

n

表2-5

U=UN=V,If=A<ItN,R2=Q

UaM

LIM

UaG

LG

n

6.实验报告

⑴用直角坐标纸作出直流电动机的自然机械特性曲线。

⑵用直角坐标纸作出直流电动机电枢回路串电阻的机械特性曲线。

⑶用直角坐标纸作出直流电动机在某个励磁电流下的机械特性曲线。

⑷用直角坐标纸作出直流电动机在某个电源电压下的机械特性曲线。

⑸每条特性曲线的各点可列表计算：

⑹比较测取的各条机械特性曲线，讨论电动机的性能及能量关系。

表2-6

n

T

7.思考题

⑴做自然机械特性实验时为什么要找电动机的额定运行点？怎样测定电动机的额定励

磁电流？

⑵起动直流电动机时：

1）电枢电路是否可以不串电阻，降低电源电压来起动？

2）励磁电路要否串电阻？为什么？

3）励磁电源单独供电时，励磁电源应比电枢先接入还是后接入？

（3）它励直流电动机运行时，假如励磁回路突然断开，会出现什么情况？

（4）什么是直流电机的额定电阻

四、他励直流电动机在不同状态下运转实验

实验电机技术参数

编绝缘等

名称与(W)4")几⑷nN{rlmin)I/A)

号级

1D26被试电机802200.551500220<0.13E

2D17负载电机1852201.11600220<0.16E

1.实验目的

⑴在“他励直流电动机特性实验”基础上，培养独立设计实验方案，编制实验报告的

能力。

⑵研究在电动状态、回馈制动状态、反接制动及能耗制动状态下的机械特性。

⑶巩固各种仪表的使用方法及检查线路的方法；掌握实验数据处理及实验曲线绘制。

⑷学习观察分析实验现象，处理事故和分析讨论实验结果的方法。

2.实验原理

它励直流电动机在电动状态下运行时，电源电压U与电枢电动势Ea方向相反，且U）

Ea,电枢电流la从电源流向电枢，产生拖动转矩，电动机从电源吸收电功率Ula>0。如果

能设法使Ea>U,测Ea将迫使la改变方向，电磁转矩也改变方向成为制动转矩，电动机进

入制动状态。此时由于U与la方向相反，la从电枢流向电源，UIa<0,电动机向电源馈送

功率Ula,这种制动称为回馈制动。反接制动状态的能量传输是从电网输入的电能以及从位

能负载系统的位能转变的电能，这两方面的能量都消耗在反接制动电阻上。

在进行电势反接以前电动机运行在电动状态，随着转速的下降，电枢电势Ea减小，电

枢电流增大，当电枢反电势Ea为零时，由于外加电压的存在电枢电流产生堵转转矩Tdu，由

于Td'TL在TL作用下电动机开始反转，电枢电势也因电机的反转而改变方向，此时Ea与

U方向相同；电磁转矩与电机转向相反为制动转矩。

在能耗制动过程中，因U=0,电动机与电源无能量转换关系，而电磁功率PM=EaIa

=TQ<0,说明电动机从轴上输入机械功率，除去空载损耗其余的功率通过电磁作用转变成

电功率，消耗在电枢回路的电阻上，即N=(Ra+Rc)。电动机吸收的机械功率来自降速过

程中系统释放的动能。当制动到n=0时，系统动能全部释放完毕，制动过程结束。

3.预习内容

⑴什么叫电动机的固有机械特性？为什么在固有机械特性上对应额定电磁转矩时，有额

定转速降落？

⑵电动机电动状态和回馈制动状态分别位于哪个象限？

⑶回馈制动与其它制动的主要区别是什么？在哪些情况下能出现回馈制动状态？

⑷电压反接与电动势反接制动有何异同点？

⑸能耗制动过程与能耗制动运行有什么区别？

⑹怎样判断直流电动机是处于电动状态还是处于制动状态？

4.实验内容

测出电动机在下列各状态下的机械特性：

⑴自然机械特性。

(2)Rc+Ra=100%RN的人工机械特性。

其中Rc—外串电阻；

Ra-电枢绕组电阻；

RN--额定电阻RN=UN/IN。

(3)Rc=0的回馈制动状态。

⑷电动状态下Rc+Ra=200%RN的人工机械特性。

其中Rc-外串电阻；

Ra-电枢绕组电阻；

RN——额定电阻RN=UN/IN。

⑸电势反接状态Rc+Ra=200%RN的人工机械特性。

⑹能耗制动状态。Rc+Ra=200%