2014年电机与拖动实验指导

实验二直流他励电动机机械特性
一、实验目的
1、了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性。

二、实验内容
1、电动及回馈制动特性的测取。

2、电动及反接制动特性的测取。

3、能耗制动特性的测取。

三、实验仪器
1、电机拖动实验装置主控制屏
2、DD01电机导轨、测速发电机TG及转速表
3、ZYDJ01直流复励发电机G
4、ZYDJ04直流并励电动机M
5、ZYDT12三相可调电阻器
6、ZYDT13三相可调电阻器
7、ZYDT14可调电阻器、电容器
8、ZYDT05直流电流表、电压表
9、ZYDT11波形测试及开关板
四、实验原理
在生产实践中，有时希望电力拖动系统尽快地停车（或降速）；或者使位能性负载以稳定的速度下放，这就要求在电机的轴上加一个与转向相反的制动转矩。

制动的方式有很多，最好是采用电气制动，即靠电动机本身产生一个与转向相反的电磁转矩使系统快速停车（或减速）或使位能性负载稳速下放。

这时电动机的运行特点是，它从轴上吸收机械能将它转换称电能（消耗在电机内部或反馈电网），其电磁转矩与转速方向相反，是制动性质。

电气制动的具体实现方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

五、实验步骤及注意事项
注意事项
调节串并联电阻时，要按电流的大小而相应调节串联或并联电阻，防止电阻过流烧毁熔断丝。

1、电动及回馈制动特性
接线图如图1－6。

R1选用900Ω电阻
R2选用180Ω电阻
R3选用3000Ω电阻
R4选用2250Ω电阻（用两只900Ω电阻相并联再加上两只900Ω电阻相串联）
按图1－6接线，在开启电源前，检查开关、电阻等的设置；
（1）、开关S1合向“1”端，S2合向“2”端。

（2）、电阻R1至最小值，R2、R3、R4阻值最大位置。

（3）、直流励磁电源钮子开关和220V可调直流稳压电源钮子开关须在断开位置。

实验步骤：
1)按次序先按下绿色“闭合”电源开关，再合励磁电源船形开关和220V电源钮子开关，使直流电动机M启动运转，调节直流可调电源，使V1读数为U N=220伏，调节R2阻值为零。

2)分别调节直流电动机M的磁场调节电阻R1，发电机MG磁场调节电阻R3，负载电阻R4（先调节相串联的900欧电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器，再调节900欧电阻相并联的旋钮），使直流电动机M的转速n N＝1600r/min，I r+I a=I N=0.55A,此时 I f=I fN，记录此值。

图1－6 直流他励电动机机械特性测定接线图
3)保持电动机的U=U N=220V,，I f=I fN不变，改变R4及R3阻值，测取M在额定负载至空载范围的n、I n，共取5－6组数据填入表1－7中。

N fN
23
并且极性与电动机电枢电压相同。

5)保持电枢电压U=U N=220V，I f=I fN，把开关S2合向’1”端，把R4值减小，直至为零(先调节相串联的900欧电阻旋钮,调到零用导线短接以免烧毁熔断器)。

再调节R3阻值使阻值逐渐增加，电动机M的转速为理想空载转速，继续增加R3阻值，则电动机进入第二象限回馈制动状态进行直至电流接近0.8倍额定值(实验中应注意电动机转速不超过2100转/分)。

6)测取电动机M的n、Ia,共取5-6组数据填入表1-8中。

N fN
222d
1－7。

2
图1－7 直流他励电动机电动及回馈制动特性
2、 电动及反接制动特性
在断电的条件下，对图1－6作如下改动: （1）、R 1为1800欧磁场调节电阻，R 2为900欧电阻。

R 3不用，R 4不变。

（2）、S1合向”1”端，S2合向”2”端(短接线拆掉，把发电机G 的电枢两个插头对调。

实验步骤：
1) 在未上电源前,R 1置最小值,R 2置最大值
2) 按钱前述方法启动电动机，测量发电机G 的空载电压是否和直流稳压电源极性相反，若极性相反可把S 2合向”1”端。

3) 调节R 2为900欧，调节直流电源电压U=U N =220V ，调节R 1使I f =I fN ，保持以上值不变，逐渐减小R 4阻值，电机减速直至为零，继续减小R 4阻值，此时电动机工作于反接制动状态运行(第四象限)。

4) 再减小R 4阻值，直至电动机M 的电流接近0.8倍I N ，测取电动机在第1，第4象限的n 、I 2，共取5-6组数据记录于表1－9中。

2N fN
a 2
图1－8 直流他励电动机电动及反接制动特性
3、 能耗制动特性
图1－6中，R 1用1800欧，R 2改为360欧(采用90欧电阻相串联)，R 3采用900欧电阻，R 4仍用2250欧电阻。

（1）、操作前，把S 1合向”2”端，R 1，R 2置最大值，R 3置最大值，R 4置300欧(把两只串联电阻调至零位，并用导线短接,把两只并联电阻调在300欧位置)，S 2合向”1”端。

（2）、按前述方法起动发电机G(此时作电动机使用)，调节直流稳压电源使U=U N =220V ，调节R 1使电动机M 的I f =I fN ，调节R 3使发电机G 的I f =80mA ，调节R 4并先使R 4阻值减小，使电机M 的能耗制动电流I a 接近0.8I aN 数据，记录于表1－10中。

表1－10 R 2=360Ω I fN = mA
（3）、调节R 2到180欧，重复上述实验步骤，测取I n 、n ，共取6-7组数据，记录于表1－11中。

2fN
当忽略不变损耗时，可近似为电动机轴上的输出转矩等于电动机的电磁转距T 2=Cm φI a ，他励电动机在磁通Ф不变的情况下，其机械特性可以由曲线n=f(I a )，见图1－9。

图1－9 直流他励电动机能耗制动特性
六、思考题答案
（1）、直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变，试问电磁转矩的方向是否也不变?为什么?
参考答案：电磁转矩方向改变。

例如当直流电动机进行能耗制动时，由其方程式
2
e M R
n T C C φ=-
⋅⋅⋅
可知，当n>0时，T<0，即当直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变，但电磁转矩方向却改变了。

（2）、M 、G 实验机组，当电动机M 从第一象限运行到第四象限，其转向反了，而电磁转矩方向不变，为什么?作为负载的G ，从第一到第四象限其电磁转矩方向是否改变?为什么?
参考答案：当电动机带动未能性负载进行反接制动时，由于负载转矩大于起动转矩，因此电动机在重力的作用下使重物下放，此时n<0，感应电动势方向改变，但电动机的电磁转矩方向却保持不变。

作为负载的G ，作为发电机运行，当其转速方向改变时，其感应电动势与转速成正比，因此感应电动势方向改变，电枢电流方向改变，从而使得电磁转矩方向改变。

实验三单相变压器
一、实验目的
1、空载和短路实验测定变压器的变比和参数。

2、负载实验测取变压器的运行特性。

二、实验内容
1、空载实验测取空载特性U o＝f(I o)，P o＝f(U o)。

2、短路实验测取短路特性U K＝f(I K)，P K＝f(I K)。

3、负载实验
（1）纯电阻负载保持U1＝U N，COSφ2＝1的条件下，测取U2＝f(I2)。

（2）阻感性负载（COSφ2＝0.8）保持U1＝U1N，COSφ2＝0.8的条件下，测取U2＝f(I2)。

三、实验仪器
1、电机拖动实验装置主控制屏
2、ZYDT08三相组式变压器
3、ZYD83功率、功率因数表
4、ZYDT01交流电流表（数字式）
5、ZYDT02交流电压表（数字式）
6、ZYDT13三相可调电阻器
7、ZYDT11波形测试及开关板
四、实验原理
在使用基本方程组、等效电路和相量图来分析和计算变压器性能时，首先都必须知道变压器的参数，这些参数可以根据变压器所用的材料和有关的几何尺寸，在设计变压器时，通过计算求得，但对已制成的具体变压器来说，也可以通过实验方法求取。

由于变压器的等效电路是一个四端网络，故其参数可以通过空载和短路实验测出。

五、实验内容及注意事项
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。

（2）、短路实验操作要快，否则线圈发热会引起电阻变化。

1、空载实验测空载特性U o＝f(I o)，P o＝f(U o)
1）在三相调压交流电源断电的条件下，按图2－1接线。

被试变压器选用三相组式变压器中的一只作为单相变压器，其额定容量P N＝50W，U1N/U2N＝220/127V，I1N/I2N＝0.227/0.4A。

变压器的低压线圈a、x接电源，高压线圈A、X开路。

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，按下“开”按钮，便接通了三相交流电源。

调节调压器旋钮，使变压器空载电压U o＝1.2U N，然后，逐次降低电源电压，在1.2～0.2U N的范围内，测取变压器的U o、I o、P o。

4）测取数据时，U＝U N点必须测，并在该点附近测的点较密，共测取数据6－7组。

图2－1 空载实验接线图
5）为了计算变压器的变比，在U N 以下测取原方电压的同时测出副方电压，数据也记录于表2－1中。

表2－1
2、短路实验 测短路特性U K ＝f(I K )，P K ＝f(I K )。

图2－2 短路实验接线图
1）按下控制屏上的“关”按钮，切断三相调压交流电源，按图2－2接线（以后每次改接线路，都要关断电源）。

将变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。

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）按通交流电源，逐次缓慢增加输入电压，直到短路电流等于1.1I N 为止，在（0.2～1.1）I N 范围内测取变压器的U K 、I K 、P K 。

4）测取数据时，I K ＝I N 点必须测共测取数据5－6组记录于表2－2中。

实验时记下周围环境温度（℃）。

注意：短路实验时操作要快，否则线圈发热会引起电阻变化。

3、负载实验
实验线路如图2－3所示。

变压器低线圈接电源，高压线圈经过开关S 1和S 2，接到负载电阻R L 和电抗X L 上。

图2－3 负载实验接线图
（1）、纯电阻负载 保持U 1＝U N ，COS φ2＝1的条件下，测U 2＝f(I 2)。

1）将调压器旋钮调到输出电压为零的位置，S 1、S 2打开，负载电阻值调到最大。

2）接通交流电源，逐渐升高电源电压，使变压器输入电压U 2＝U N 。

3）在保持U 1＝U N
的条件下，合上S 1逐渐增加负载电流，即减小负载电阻R L 的值，从空载到额定负载的范围内，测取变压器的输出电压U 2的电流I 2。

4）测取数据时，I 2＝0和I 2＝I 2N ＝0.227A 必测，共取数据5－7组，记录于表2－3中。

21N （2）、阻感性负载（COS φ2＝0.8） 保持U 1＝U 1N ，COS φ2＝0.8的条件下，测得U 2＝f(I 2)。

1）用电抗器X L和R L并联作为变压器的负载，S1、S2打开，电阻及电抗值调至最大。

2）接通交流电源电压至U1＝U1N。

3）合上S1、S2，在保持U1＝U1N及COSφ2＝0.8条件下，逐渐增加负载电流，从空载到额定负载的范围内，测取变压器U2和I2。

4）测取数据时，其中I2＝0，I2＝I2N两点必须测，共测取数据5－6组记录于表2－4中。

2N
六、思考题答案
（1）、变压器空载和短路实验中电源电压一般加在哪一方较合适？
参考答案：为了安全起见，空载实验中电源电压一般加在变压器低压侧，短路实验中电源电压一般加在变压器高压侧。

（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？
参考答案：空载实验中，电流表与电压表应采用内接法联接，短路实验中，电流表与电压表应采用外接法连接。

（3）、激磁参数为什么要在额定电压下求取？
参考答案：由于变压器的励磁参数R m和X m与磁路的饱和程度有关，在不同电源电压下测出有不同的数值，为了使测出的参数能符合变压器的实际运行，应选取额定电压时的数据来计算激磁阻抗。

实验四三相鼠笼异步电动机的工作特性
一、实验目的
1、用直接负载法测取三相鼠笼式异步电动机的工作特性。

2、测定三相鼠笼式异步电动机的参数。

3、掌握三相异步电动机的空载、堵转和负载实验的方法。

二、实验内容
1、测量定子绕组的冷态直流电阻
2、判定定子绕组的首末端
3、空载实验
4、短路实验
5、负载实验
三、实验仪器
1、电机拖动实验装置主控制屏
2、DD02电机导轨、测速发电机及转速表
3、ZYDJ12校正直流电动机
4、ZYD83功率、功率因数表
5、ZYDT01交流电流表（数字式）
6、ZYDT02交流电压表（数字式）
7、ZYDT11波形测试及开关板
8、ZYDT13三相可调电阻器
9、ZYDJ11三相鼠笼式异步电动机
四、实验步骤及注意事项
1、测量定子绕组的冷态直流电阻。

将电机在室内放置一段时间，用温度计测量电机绕组或铁心的温度。

当所测温度与冷却介质温度之差不超过2K时，即为实际冷态。

记录此时的温度和测量定子绕组的直流电阻，此阻值即为冷态直流电阻。

（1）、伏安法
电机
定子
一相
绕组
图3－1三相交流绕组电阻测定
1）量程的选择：测量时通过的测量电流小于电机额定电流的20%，即为50毫安，因而直流电流表的量程用200mA档。

三相鼠笼式异步电动机定子一相绕组的电阻约50Ω，因
而当流过的电流为50毫安时二端电压约为2.5伏，所以直流电压表量程用20V档。

2）按图3－1接线。

把R（用900Ω阻值）调至最大位置，合上开关S1，调节直流电源及R阻值使试验电流不超过电机额定电流的20%，以防止因试验电流过大而引起绕组的温度上升，读取电流值，再接通开关S2读取电压值。

读完后，先打开开关S2，再打开开关S1。

断开S2，S1的次序不能颠倒，以防损坏电压表V。

3）每一电阻测量三次，取平均值，测量定子三相绕组的电阻组，记录于表3－1中。

注意事项：
1）在测量时，电动机的转子须静止不动。

2）测量通电时间不应超过2分钟。

（2）、电桥法
用单臂电桥测量电阻时，应先将刻度盘旋到电桥大致平衡的位置。

然后按下电池按钮，接通电源，等电桥中的电源达到稳定后，方可按下检流计按钮按入检流计。

测量完毕，应先断开检流计，再断开电源，以免检流计受到冲击。

数据记录于表3－2中。

2、判定定子绕组的首末端
先用万用表测出各相绕组的两个线端，将其中的任意两相绕组串联，如图3－2所示。

将控制屏左侧调压器旋钮调至零位，开启电源总开关，按下“开”按钮，接通交流电源。

调节调压旋钮，使在绕组端施以单相低电压U=80V～100V，注意电流不应超过额定值，测出第三相绕组的电压，如测得的电压值有一定读数，表示两相绕组的末端和首端相连，如图3－2（a）所示。

反之，如测得电压近似为零，则两相绕组的末端与末端（或首端与首端）相联，如图3－2（b）所示。

同样方法测出第三相绕组的首末端。

A
3－2（a）3-2(b)
图3－2三相交流绕组首末端测定
3、空载实验
（1）、按图3－3接线。

电机绕组为Δ接法（U N＝220V），负载电机不接。

图3－3三相鼠笼式异步电动机试验接线图
（2）、把交流调压器调至电压最小位置，接通电源，逐渐升高电压，使电机起动旋转，观察电机旋转方向。

并使电机旋转方向符合要求（如转向不符合要求需调整相序时，必须切断电源）。

（3）、保持电动机在额定电压下空载运行数分钟，使机械损耗达到稳定后再进行实验。

（4）、调节电压由1.2倍额定电压开始逐渐降低电压，直至电流或功率显著增大为止。

在这范围读取空载电压、空载电流。

空载功率。

（5）、在测取空载实验数据时，在额定电压附近多测几点，共取数据7－9组记录于表3－3中。

4、短路实验
（1）、测量接线图同3－3。

用制动工具把三相电机堵住。

（2）、调压器退至零，合上电源，调节调压器使之升压到1.2I N，再逐次降压到0.3I N。

（3）、在这范围内读取短路电压、短路电流、短路功率。

（4）、共取数据4－5组记录于表3－4中。

表3－4
5、负载实验
（1）、测量接线图同图3－3。

同轴联接负载电机。

（2）、合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压（试验时保持电压恒定）。

（3）、合上校正的直流电机的励磁电源，调节励磁电流至校正（50mA或100mA）值并保持不变。

（4）、调节负载电阻R L，使异步电动机的定子电流逐渐上升，直至电流上升到1.25倍额定电流。

（5）、从这负载开始，逐渐减小负载直至空载，在这范围内读取异步电动机的定子电流、输入功率、转速。

直流电机的负载I F（可查对应的T2值）等数据。

（6）、共取数据5－6组记录于表3－5中。

五、思考题及答案
（1）、由空载、短路实验数据求取异步电机的等效电路参数时，有哪些因素引起误差？
参考答案：引起误差的主要因素有：
1）测量时的误差；
2）计算空载阻抗时，忽略了定子绕组电阻；
3）假设铁耗的大小与定子电压的平方成正比；
4）作图时人为误差等。

（2）、从短路实验数据我们可以得出那些结论？
参考答案：从短路实验数据我们可以求取异步电动机的短路阻抗以及额定电流时的定、转子铜耗。

实验五三相异步电动机的起动与调速
一、实验目的
1、通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。

二、实验内容
1、异步电动机的直接起动。

2、异步电动机星形-三角形(Y-△)换接起动。

3、自耦式变压器起动。

4、绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器起动。

5、绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器调速。

三、实验仪器
1、电机拖动实验装置主控制屏
2、DD02电机导轨、测速发电机及转速表
3、ZYDJ12校正直流电动机
4、ZYDT16绕线式异步电机转子电阻
5、ZYDT01交流电流表（数字式）
6、ZYDT02交流电压表（数字式）
7、ZYDT11波形测试及开关板
8、ZYDJ11三相鼠笼式异步电动机
9、ZYDJ10三相绕线式异步电动机
四、实验原理
异步电动机直接起动时起动电流大而起动转矩小，过大的起动电流将引起电网电压的波动，影响接在同一电网上的其它电机与电气设备的正常运行；而且使电机本身受到过大的电磁力冲击；经常起动的电机还有可能使绕组过热而烧坏。

小的起动转矩将使拖动系统的起动时间太长而影响生产率；对于重载起动将非常困难。

为此，必须采取人为措施以改善其起动性能。

对笼型电机而言，主要是用降低定子端电压的办法来限制起动电流；而对绕线式电动
机而言，主要是用转子回路串电阻起动，既可以限制起动电流，由可以增大起动转矩。

由异步电动机的转速公式
1
60(1)f n s p
=
- 可知，改变异步电动机的转速的方法有改变电源频率、改变电机定子绕组的极对数和改变转差率，改变转差率的方法很多，主要有改变定子电压、转子回路串电阻等，本实验采用的调速方法是绕线式异步电动机的转子回路中串电阻。

五、实验步骤及注意事项
1、 三相笼型异步电动机直接起动实验。

按图3-5接线,电机绕组为△接法
仪表的选择：交流电压表为数字式或指针式均可，交流电流表则为指针式。

1）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。

图3－5 异步电机直接起动实验接线图
2）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。

注：按指针式电流表偏转的最大位置所对应的读数值计量。

电流表受起动电流冲击，电流表显示的最大值虽不能完全代表起动电流的读数，但用它可和下面几种起动方法的起动电流作定性的比较。

3）断开三相交流电源，将调压器退到零位。

用堵转工具将电动机堵住。

4）合上三相交流电源，调节调压器，观察电流表，使电机电流达2-3倍额定电流，读取电压值U k ，电流值I k ，转矩值T K ，填入表3—6中，注意实验时，通电时间不应超过10秒，以免绕组过热。

对应于额定电压的起动转矩T ST 和起动电流I 比较下式计算:
T ST =K K ST T I I 2
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛ 式中I K ：起动试验时的电流值，A ； T K ：电机额定电压，V ；
K K N ST I U U I ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=
式中U K ：起动实验是的电压值，V ； U N ：电机额定电压，V 。

2、 星形-三角形 (Y-Δ)起动
图3－6 异步电机Y －△起动接线图
按图3-6接线，电压表，电流表的选择同前。

1）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U N =220V ，断开电源开关，待电机停转。

2）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(Δ接法)，电机进入正常运行，整个起动过程结束，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。

3、自耦变压器降压起动
按图3-5接线，电机绕组为Δ接法。

1）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110V ，断开电源开关，待电机停转。

2）待电机完全停转后，再合上电源开关，使电机就自耦变压器降压起动，观察电流表的瞬间读数值，经一定时间后，调节调压器使输出电机达电机额定电压U N =220V ，整个起动过程结束。

3、 绕线式异步电动机转绕组串入可变电阻器起动。

实验线路如图3-7，电机定子绕组Y 形接法，转子串入的电阻由刷形开关来调节，调节电阻采用绕线电机起动电阻(分0，4，8，12，16，∞六档)。

图3－7 绕线式异步电机转子绕组串电阻起动实验接线图
1）起动电源前，把调压器退至零位，起动电阻调节为零。

2）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。

3）在定子电压为180伏时，绕线式电机转动缓慢(只有几十转)，读取此时的转矩值T st 。

和起动电流 I st 。

4）用刷形开关切换起动电阻，分别读出起动电阻为4欧,8欧,12欧的起动转矩T st 和起动电流 I st ，填入表3-7中。

注意：实验时通电时间不应超过20秒，以免绕组过热。

表3－7 U=180V
5、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。

绕线电机起动电阻调节到零。

1）合上电源开关，调节调压器输出电压至U N =220V ，使电机空载起动。

2）使电动机输出功率接近额定功率并保持输出转矩T 2不变，改变转子附加电阻，分别测出对应的转速，记录于表3-8中。

2六、思考题答案
（1）、是不是异步电动机拖动的负载越重，则起动电流越大？为什么？ 参考答案：起动电流大小与负载转矩的大小无关，起动电流的大小由异步电动机本身的参数和起动时的定子端电压所决定。

（2）、说明降压起动、Y －Δ起动等起动方式是否适合于重载起动。

参考答案：降压起动和Y －Δ起动的方式一般适用于轻载起动。

因为降低起动时电机的端电压，虽然减小了起动电流，但是也同时降低了电动机的起动转矩。

如果电压降低为额定值的1/2，起动转矩将下降为原来的1/4。

对于Y －Δ起动，起动时相电压降低为额定时的1/3。

由于起动转矩下降很多，这就不适合于重载起动的情况。