交流异步电动机的参数及机械特性的测量 - 图文

1.1电动机的应用及优点

电能是现代社会最主要的能源之一，电机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛的应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电动机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中（现代化的家电工业中）电机愈来愈广泛的应用起来。

各种电动机中应用最广的是交流异步电动机（又称感应电动机）。它使用方便、运行可靠、价格低廉、结构牢固，但功率因数较低，调速也较困难。大容量低转速的动力机常用同步电动机。同步电动机不但功率因数高，而且其转速与负载大小无关，只决定于电网频率。工作较稳定。在要求宽范围调速的场合多用直流电动机。但它有换向器，结构复杂，价格昂贵，维护困难，不适于恶劣环境。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，交流电动机的调速技术渐趋成熟，设备价格日益降低，已开始得到应用 。电动机在规定工作制式（连续式、短时运行制、断续周期运行制）下所能承担而不至引起电机过热的最大输出机械功率称为它的额定功率，使用时需注意铭牌上的规定。

电动机运行时需注意使其负载的特性与电机的特性相匹配，避免出现飞车或停转。电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：1保持输入功率不变。通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。2控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

在现实当中交流异步电动机的种类和型号越来越多，而且各种机械电子设备和家用电器等所需要的电机型号也不同，因此在选用交流异步电动机之前了解其参数和机械特性是十分必要的。在毕业设计中，所选择的课题是《交流异步电动机的参数及机械特性的测量》，我选用的是实验室的某台鼠笼式交流异步电动机为测试对象，以进行所需要实验数据的测定和计算。

1.2国内外发展概况

在1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动。最先制成电动机的人，据说是德国的雅可比。他于1834年前后制成了一种简单的装置：在两个U型电磁铁中间，安装一个六臂轮，每臂带两根棒型磁铁。通电后，棒型磁铁与U型磁铁之间产生相互

吸引和排斥作用，带动轮轴转动。后来，雅可比做了一个大型的装置，并安装在小艇上，用320个丹尼尔电池供电，1838年小艇在易北河上首次航行，时速只有2.2km/h。与此同时，美国的达文波特也成功地制出了驱动印刷机的电动机，印刷过美国电学期刊《电磁和机械情报》。但这两种电动机都没有多大商业价值，用电池作电源，成本太大、不实用。

直到第一台实用直流发动机问世，电动机才行了广泛应用。1870年比利时工程师格拉姆发明了直流发电机，在设计上，直流发电机和电动机很相似。后来，格拉姆证明向直流发动机输入电流，其转子会象电动机一样旋转。于是，这种格拉姆型电动机大量制造出来。效率也不断提高。与此同时，德国的西门子接制造更好的发电机，并着手研究由电动机驱动的车辆，于是西门子公司制成了世界电车。1879年，在柏林工业展览会上，西门子公司不冒烟的电车赢得观众的一片喝彩。西门子电机车当时只有3马力，后来美国发明大王爱迪生试验的电机车已达12—15马力。但当时的电动机全是直流电机，只限于驱动电车。

1888年南斯拉夫出生的美国发明家特斯拉发明了交流电动机。它是根据电磁感应原理制成，又称感应电动机，这种电动机结构简单，使用交流电，无需整流，无火花，因此被广泛应用于工业的家庭电器中，交流电动机通常用三相交流供电。

1902年瑞典工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。同步电动机工作原理同感应电动机一样，由定子产生旋转磁场，便转子绕组用直流供电，转速固定不变，不受负载影响。因此同步电动机特别适用于钟表，电唱机和磁带录音机。

直流电动机是直流激磁，工作特性接其激磁绕组的接线方式不同而有区别。串激电动机起动转矩大，适用于牵引和起重，并激电动机转速随负载大小而变动较小，且可以调节，可用为定速或调速之用，复激电动机兼有以上两种激磁方式发动机的特性。

交流换向器电动机，即转子具有换向器的交流电动机。因它既可用于交流 又可用于直流，故称作交直流两用电动机或通用电动机，多用于家用电器。

电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机其调速在过去一直占统治地位，但由于本身结构原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。而交流电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优势，在工业生产中得到了极广泛的应用，也正在发挥着越来越重要的作用。

2电动机总体设计方案

本次毕业设计中需要完成的是通过经典的测试方法测量交流异步电动机的参数及机械特性，并以实验室某一型号交流异步电动机为测量对象。

一．测量电动机的参数，分别通过直流法、交流法、电桥法测量及堵转实验。 二．测量电动机的机械特性，通过D-F系统对电动机在空载和加载情况下分别测量和计算，并绘制其机械特性曲线。

三．除交流电动机外还涉及到直流电动机、三相调压器、单相调压器、整流滤波、电桥、使用功率表、转速表等仪器仪表及相关内容。

电动机参数的测量如图2.1。

R交流异步电动机L静态法电桥法直流法交流法电桥法堵转实验数字表通直流电图2.1交流电动机的参数测量 D-F系统测量电动机空载和加载时的械特性如图2.2。 WAA三相调压器DWF 图2.2 D-F系统测量电动机的机械特性

3电动机电路

3.1交流异步电动机

3.1.1交流异步电动机的结构及各部分的作用

一般电动机主要由定子和转子两部分组成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。另外还有端盖、风扇、罩壳、机座、接线盒等。

定子的作用是用来产生磁场和作电动机的机械支撑。电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子绕组镶嵌在定子铁心中，通过电流时产生感应电动势，实现电能量转换。机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。电动机运行时，因内部损耗而发生的热量通过铁心传给机座，再由机座表面散发到周围空气中。为了增加散热面积，一般电动机在机座外表面设计为散热片状。电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是作为电动机磁路的一部分。转子绕组的作用是感应电动势，通过电流而产生电磁转矩。转轴是支撑转子的重量，传递转矩，输出机械功率的主要部件。

图3.1鼠笼式交流异步电动机结构

3.1.2交流异步电动机的工作原理

1．旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转，如图3.2所示。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。

图3.2旋转磁场

若定子每相绕组由P个线圈串联，绕组的始端之间互差360°/P，将形成P对磁极的旋转磁场。

旋转磁场的转速（同步转速）可用下式表示：n=60f/P。

定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，如图3.3：

图3.3电磁力产生

转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。

电动机长期稳定运行时，电磁转矩T和机械负载转矩T2相等，即T=T2。 2．转差率

旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。

1450140013500.511.522.5

图5.1电动机加载时的机械特性曲线

5.2数据及误差分析

5.2.1二瓦特计法测功率分析？？？

从测量功率的角度讲可用一表法、两二法、三表法，在本次毕业设计中我采用的是二表法（即二瓦特计法）。其原理为在一个三相系统中,任何一相都可以成为另一相的参考点。Y型接法通常选择中性点作为参考点，即便是三相三线制也将中性点作为参考点。Y型接法的好处是每一相的电压、电流和功率都可以独立测量。如果将三相中的某一相作为参考点，就可以用两只瓦特计测量整个三相系统的功率（如图）。

ABCWWAM

图5.2 二瓦特计法测功率

P1?UACIAcos?AC P2?UBCIBcos?BC

因此，在毕业设计中只需要使用两块功率表，若只用一块表就分别测量两相绕组的功

率，通过公式P?W1?W2得出。

5.2.2.数据分析

在毕业设计中通过观察测量的数据和机械特性曲线发现电动机的参数存在一定的关系。

1在各个电压下依次加负载电动机的转速都降低，但降低的很小。 2负载不变时，当电流增大时，转速n减小，转矩T增大。 3负载不变时，当转速增大时，电压U增大，转矩T减小。

5.2.3误差分析

数据产生误差有如下原因：

1金属表面由于氧化原因造成的测量误差。

2测量使用的仪器仪表由于刻度相对较大造成的读数误差。 3观测仪器仪表读数时观测的角度不同造成的读数误差。 4计算时由于小数部分不能精确的原因产生的计算误差。

通过多次测量取平均值的方法可减小误差，但误差是不可避免的。

6电动机调试分析

在毕业设计中，由于操作等原因遇到了如下问题。

1在某一次测量中，电流表没有读数，在同学的帮助下反复检查电路结果发现是电流表的正负极接反了造成的，而且差点造成了电流表的损坏。再测量时把正负极接对，读数正常问题解决。

2在用功率表测量电动机机械特性时功率表的读数很小，几乎不能读数。在老师的指点下发现是功率表的档位调的太大的原因，把表调到合理的档位测量问题得以解决。

3堵转实验中由于把电动机堵转用的钳子没有掐紧造成实验无法进行，自己发现及时调整得以解决。

结论

在本次毕业设计中，我所选择的题目是《交流异步电机的参数及机械特性的测定》，虽然这个课题有一定的难度，而且需要使用的仪器仪表和动手操作的部分都较多，但还是在老师的悉心指导下经过十九周的认真实验，完成了毕业设计，任务所要求测量和计算的数据的全得出，基本上符合本次课题的要求。

能量动力是发展程度的标志。发电机、电动机使人类社会发展中脱离了人力畜力及水力火力的现场，是生产力发展的巨大动力源，是电力工业成为可能的基础，支撑着现代生活的方方面面。

直流电机调速性能优越，易平滑调速，这个是交流电机无法取代的直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短，要经常维护，使用场合受到限制，价格也贵一些所以很多地方都用交流电机取代了。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。相比来说三相异步电动机拥有结构简单，运行可靠，成本低廉，过载能力强，操作简单，易于控制等等的优点，在必将工业生产中发挥重要作用。

通过十九周的毕业设计使我更加了解了交流异步电动机在工业生产中的重要性，而它的参数和机械特性在使用之前也是需要预先考虑到的，经过努力我丰富了这方面的知识。我作为一名自动化的学生，我对我所学专业很感兴趣，相信在不久的将来我会在这个领域有所作为。

致谢

本项毕业设计是在指导教师尹明德老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，他严谨的教学精神，精益求精的工作作风深深的感染和激励着我。尹老师平日里工作繁忙，不仅有教学任务，且在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计电路图，再到自己连接电路和测量、计算数据等每个过程都耐心的督促指点我，纠正我存在的错误，这样我才克服一个一个的困难和疑惑，直至试验顺利完成。除了敬佩尹老师的专业水平外，他对教学和学生负责的态度也是我学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作，在此表示深深的感谢。

还要感谢我的同学们，感谢他们的支持和帮助，最后感谢我的母校南航三年来对我的教育和栽培。

参献考文

[1] 顾绳谷 电机及拖动基础 机械工业出版社 2007 5

[2] 周希章 周全等 电动机的起动、制动和调速 机械工业出版社 2001 5 [3] 李发海 王岩 电机与拖动基础 清华大学出版社 2005 8 [4] 汪国梁 电机学 机械工业出版社 1988

[5] 朱耀忠 电机与电力拖动 北京航空航天出版社 2005 9 [6] 刘启新 电机与拖动基础 中国电力出版社 2005 8 [7] 邸敏艳 电机与控制(第2版) 电子工业出版社 2007 2

[8] 赵君有 张爱军 控制电机(高等学校十一五精品规划教材) 中国水利水电出版社2006 9

[9] 程周 电机拖动与电控技术（第2版）电子工业出版社 2007 3 [10] 朱咏梅 董桂菊等 电路与电机控制 清华大学出版社 2007 5 [11] 王益全 电动机原理与实用技术 科学出版社 2005 7 [12] 龙飞文 电动机 中国劳动社会保障出版社 2006 3

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[14] RAO A R.A taxonomy for texture description and identification[M].New York:Springer-Verlag 1990

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