东南大学自动化电机实验三资料

东南大学电工电子实验中心
实验报告
电机实验课程名
称：
第三次实验
实验名称：直流电机启动及反转
实验三直流电机启动及反转
一、实验知识点
1. 直流电动机
直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。

因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。

1）基本构造
分为两部分：定子与转子。

定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。

转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。

转子组成: 直流电动机转子部分由电枢铁芯、电枢、换向器等装置组成.
①电枢铁芯部分：其作用是嵌放电枢绕组和颠末磁通，为了下降电机工作时电枢铁芯中发作的涡流损耗和磁
滞损耗。

②电枢部分：作用是发作电磁转矩和感应电动势，而进行能量变换。

电枢绕组有许多线圈或玻璃丝包扁钢铜
线或强度漆包线。

③换向器又称整流子，在直流电想法中，它的作用是将电刷上的直流电源电流变换成电枢绕组内的沟通电
流，是电磁转矩的倾向稳定不变，在直流发电机中，它将电枢绕组沟通电动势变换为电刷端上输出地直流电动势。

（2）分类（按励磁方式分类）
①他励直流电动机励磁
绕组与电枢绕组无联接关
系，而由其他直流电源
对励磁绕组供电的直流电
动机称为
他励直流电动机，永磁直流电动机也可看作他励或自激直流电动机，一般直接称作励磁方式为永磁。

②并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电
源，从性能上讲与他励直流电动机相同。

③串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源。

这种直流电动机的励磁电流就
是电枢电流。

④复励直流电动机
复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组。

若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。

若两个磁通势方向相反，则称为差复励。

（3）工作原理
直流电动机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再
继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向）。

力矩
导体
（4）特点
①调速性能好。

所谓“调速性能” ，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。

直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

②起动力矩大。

可以均匀而经济地实现转速调节。

因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

③易于控制。

（5）应用
①轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。

②用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。

图：四种励磁方式的电动机
2. 他励直流电动机的起动
电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程称为启动。

电动机在启动过程中，电枢电流I a、电磁转矩T em、转速n 都随时间变化，是一个过渡过程。

开始启动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为启动电流，用I st表示，对
应的电磁转矩称为启动转矩，用T st表示。

般对直流电动机的启动有如下要求。

①启动转矩足够大(T st T L 电动机才能顺利启动) 。

② 启动电流I st 要限制在一定的范围内。

③启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。

(1) 直接启动
直接启动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式，如图 1 所示。

启动时，先合Q1 建立磁场，然后合Q2 全压启动。

启动开始瞬间，由于机械惯性，电动机转速n=0 电枢绕组感应电动势势E a C e n 0 。

由电动势平衡方程式U Ea I a Ra，可知：
起动电流
I st U N/R a
起动转矩T st C T I st
显然直接启动时启动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；启动转矩也很大，造成机械冲击，易使设备受损。

因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不容许直接启动的。

对于一般的他励直流电动机，为了限制启动电流，可以采用电枢回路串联电阻或降低电枢电压启动的启动方法。

图1 他励直流电动机的全压启动
图 2 他励直流电动机串电阻启动的机械特性
（2）电枢回路串电阻启动 电枢回路串电阻启动即启动时在电枢回路串入电阻， 以减小启动电流 I s ,t 电动机启
动 后，再逐渐切除电阻，以保证足够的启动转矩。

图 2 为三级电阻启动控制接线和启动工作特性示意图。

加电阻为零，以使磁通达到最大值，能产生较大的启动转矩。

达到最大值， 随着电动机转速的不断增加， 电枢电流和电磁转矩将逐渐减小， 电动机沿着曲 线 1 的箭头所指的方向变化。

当转速升高至 ，电流降至 I
（图中 b 点）时，接触器 KM1触头闭合，将电阻 R1 短 1 st2 接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线 2 上的 c 点（c 点的位置可
由所串电阻的大小控制） ，电动机又沿曲线 2 的箭头继续加速。

电动机启动前， 应使励磁回路附 启动开始瞬间，电枢电路中接入全部启动电阻，启动电流
I st
R a R 1 R 2 R 3
当转速升高至 n ，电流又降至
I （图中 d 点）时，接触器 st2
KM2 触头闭合，将电阻
R2 短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线 又
沿曲线 3 的箭头继续加速。

3 上的 e 点，电动机
当转速升高至 n3 ，电流又降至
I st2（图中 f 点）时，接触器
KM3 触头闭合，将电阻
R3 短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到固有特性曲线
4 上的 g 点，电 动机又沿曲线 4 的箭头继续加速，最后稳定运行在固有特性曲线上的 h 点，启动过程结束。

动机，可用于小型电动机的启动。

（3） 降低电枢电压启动 降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，
以减小启动 电流 ，电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，保证电动 机按需要的加速度升速，其接线原理和启动工作特性如图 3 所示。

较早采用发电机 - 电动机组实现电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。

这 种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小，启动转矩容易控制，启动平稳，启动 能耗小，是一种较好的启动方法。

图 3 他励直流电动机降压时的机械特性
2. 他励直流电动机的反转
要使电动机反转， 必须改变电磁转矩的方向， 而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流 的方向决定。

所以，只要将磁通或励磁电流任意一个参数改变方向，电磁转矩即可改变方向。

在控制时，通常直流电动机的反转实现方法有两种： （1）改变励磁电流方向
保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向。

（2）改变电枢
电压极性
保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢绕组反接，电枢电流即改变方向。

由于他励直流电动机的励磁绕组匝数多， 电感大， 励磁电流从正向额定值变到反向额定 值的时间长， 反向过程缓慢， 而且在励磁绕组反接断开瞬间， 绕组中将产生很大的自感电动 势，可能造成绝缘击穿， 所以实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机的 反转。

但在电动机容量很大， 对反转速度变化要求不高的场合， 为了减小控制电器的容量， 采用改变励磁
电枢串电阻启动设备简单，操作方便，但能耗较大，
它不宜用于频繁启动的大、中型电
绕组极性的方法实现电动机的反转。

二、实验内容
1. 电路图
2. 操作步骤
1）按电路图连线，将Rc 逆时针旋转到底，阻值达到最大；
2）先合P2，产生励磁；
3）再合P1，产生U；
4）将Rc 逐渐顺时针旋转，阻值逐渐减小到零；
5）先拉P1；
6）再拉P2；
7）断开电源，拆线整理器材。

3. 实验结果
1）合P2，产生励磁；
2）再合P1，此时电压表有示数；
3）减小Rc 的过程中，启动电阻逐渐减小到零；
4）拉下P1 后，启动电阻又逐渐增大。

数据记录：I=1.8A 时，n=1380r/min
三、问题思考
1. 转速表的种类
转速仪表经过多年的发展已经形成了多个种类。

转速仪表按照工作原理和工作方式不同，可以分为离心式转速表、磁性转速表、电动式转速表、磁电式转速表、闪光式转速表和电子式转速表等几个种类。

1、离心式转速表离心式转速表是以离心力和拉力的平衡为原理来测量电机转速的。

离心式转速表的测量精度较低，一般在1到2 级，但易于安装、便于使用。

离心式转速表的优点是测量直观、读数方便、运行稳定、可靠性好，缺点则是结构复杂。

2、磁性转速表磁性转速表是以旋转磁场为原理来测量电机转速的一类转速表。

磁性转速表在测量转速时，会根据转速产生的旋转力大小，与游丝力进行平衡，以指示转速值。

磁性转速表的结构简单，使用方便，多用于摩托车和汽车等设备使用。

3、电动式转速表
电动式转速表是测量方式，是将小型交流电动机的转速，保持与被测轴转速一致，而磁性转速头又和小型交流电同轴转动，这样磁性转速头所指示的转速就是被测轴的转速。

电动式转速表适用于异地安装，有良好的抗震性，多用于柴油机和船舶等设备的转速测量。

4、磁电式转速表磁电式转速表是利用磁阻元件完成转速测量的一种转速表。

磁电式转速表的工作原理，是磁阻的阻抗值随磁场强弱而变化，当被测轴的齿轮接近磁电式转速表时，齿轮的齿顶与齿谷会令磁场变化，这样磁电式转速表就能通过对电阻变化的测量来反应被测轴的转速。

5、闪光式转速表闪光式转速表是以视觉暂留原理为依据设备的一种转速表。

闪光式转速表的功能比普通转速表更为丰富，除了能测量往复速度以外，还能用于往复运动物体的静像观测，是机械设备运动、工作状态观测的必备仪表之一。

6、电子式转速表电子式转速表的测量工作是通过数字电路和电磁式线圈作用来完成的。

电子式转速表所接受的信号为数字脉冲信号，在数/ 模转换电路的转换下，数字脉冲信号变成电压信号来控制线
圈电流，从而完成指示指针的变化。

2.为什么许多芯片的CS信号（片选信号）经常都是低电平有效？
解：主要是为了降低功率，因为选中信号输出时，地址译码器输出端为低电平，此时译码器不输出功率；选中信号没有输出（不选中）时，译码器输出端为高阻状态，输出消耗功率也为0。

因此芯片的CS信号采用低电平有效可以最大程度减小片选控制的功率消耗。

此外，低电平有效也可以最大程度地减小干扰和保证控制的可靠性。

低电平有效时，外部的任何干扰都不能进入被控制的芯片，因而保证芯片的可靠工作。

这样在干扰信号能够进入芯片时是在芯片不工作时（片选无效），也就是说，干扰信号对芯片的工作没有影响。

而若采用高电平有效，在芯片工作时不要说外部干扰信号能够很容易地进入芯片干扰，造成各种误动作，就连电源的任何波动都可能影响芯片的正常工作。