电机学实验指导书电子版

实验一 直流并励电动机

一.实验目的

1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。

二.预习要点

1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 2.直流电动机调速原理是什么？

三.实验项目

1.工作特性和机械特性

保持U=UN 和If =IfN 不变，测取n、T2 、n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性

(1)改变电枢电压调速

保持U=UN 、If=IfN =常数，T2 =常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速

保持U=UN，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(If)。 (3)观察能耗制动过程

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机教学实验台的主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）。 2．电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量（MEL-13）或电机导轨及编码器、转速表。 3．可调直流稳压电源（含直流电压、电流、毫安表） 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。 5．直流并励电动机。 6．波形测试及开关板（MEL-05）。 7．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。 五．实验方法 1．并励电动机的工作特性和机械特性。

实验线路如图1-6所示 U1：可调直流稳压电源 R1、Rf：电枢调节电阻和磁场调节电阻，位于MEL-09。 mA、A、V2：直流毫安、电流、电压表（MEL-06） G：涡流测功机 IS：涡流测功机励磁电流调节，位于MEL-13。

图1-6 直流并励电动机接线图a．将R1调至最大，Rf调至最小，毫安表量程为200mA，电流表量程为2A档，电压表量程为300V档，检查涡流测功机

与MEL-13是否相连，将MEL-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，打开船形开关，按实验一方法起动直流电源，使电机旋转，并调整电机的旋转方向，使电机正转。

b．直流电机正常起动后，将电枢串联电阻R1调至零，调节直流可调稳压电源的输出至220V，再分别调节磁场调节电阻Rf和“转矩设定”电位器，使电动机达到额定值：U=UN=220V，Ia=IN，n=nN=1600r/min，此时直流电机的励磁电流If=IfN（额定励磁电流）。

c．保持U=UN，If=IfN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即逆时针调节“转矩设定”电位器，测取电动机电枢电流Ia、转速n和转矩T2，共取数据7-8组填入表1-8中。

表1-8 U=UN=220V If=IfN= A Ra= Ω

实 验 数 据 Ia（A） n（r/min） T2（N.m） P2（w） P1（w） η（%）

计

算

数 据

2．调速特性

△n（%） （1）改变电枢端电压的调速

a．按上述方法起动直流电机后，将电阻R1调至零，并同时调节负载，电枢电压和磁场调节电阻Rf，使电机的U=UN，Ia=0.5IN，If=IfN，记录此时的T2= N.m

b．保持T2不变，If=IfN不变，逐次增加R1的阻值，即降低电枢两端的电压Ua，R1从零调至最大值，每次测取电动机的端电压Ua，转速n和电枢电流Ia，共取7-8组数据填入表1-9中。

表1-9 If=IfN= A,T2= N.m Ua（V） n（r/min） Ia（A） （2）改变励磁电流的调速

a．直流电动机起动后，将电枢调节电阻和磁场调节电阻Rf调至零，调节可调直流电源的输出为220V，调节“转矩设定”电位器，使电动机的U=UN，Ia=0.5IN，记录此时的T2= N.m

b．保持T2和U=UN不变，逐次增加磁场电阻Rf阻值，直至n=1.3nN，每次测取电动机的n、If和Ia，共取7-8组数据填写入表1-10中。

表1-10 U=UN=220V，T2= N.m n（r/min） If（A） Ia（A）

六．实验报告 1.由表1-8计算出 P2和η，并绘出n、T2、η=f(Ia)及n=f(T2)的特性曲线。 电动机输出功率 P2=0.105nT2

式中输出转矩T2 的单位为N·m，转速n的单位为r／min。 电动机输入功率 P1=UI 电动机效率 η=

P2×100％ P1电动机输入电流

I =Ia +IfN

由工作特性求出转速变化率： Δn=

nO?nN×100％ nN2.绘出并励电动机调速特性曲线n=f(Ua)和n=f(If)。分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。

3．能耗制动时间与制动电阻RL的阻值有什么关系？为什么？该制动方法有什么缺点？

七．思考题

1.并励电动机的速率特性n=f(Ia)为什么是略微下降？是否会出现上翘现象？为什么？上翘的速率特性对电动机运行有何影响？

2.当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端压，为什么会引起电动机转速降低？ 3.当电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速的升高，为什么？ 4.并励电动机在负载运行中，当磁场回路断线时是否一定会出现“飞速”？为什么？

实验二 单相变压器

一．实验目的

1.通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数。 2.通过负载实验测取变压器的运行特性。

二．预习要点

1.变压器的空载和短路实验有什么特点？实验中电源电压一般加在哪一方较合适？ 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？ 3.如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗。

三．实验项目

1.空载实验 测取空载特性UO=f(IO)，PO=f(UO)。 2.短路实验 测取短路特性UK=f(IK)，PK=f(I)。 3.负载实验 (1)纯电阻负载

保持U1=U1N，cos?2=1的条件下，测取U2=f(I2)。 (2)阻感性负载

保持U1=U1N，cos?2=0.8的条件下，测取U2=f(I2)。

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机教学实验台主控制屏（含交流电压表、交流电流表） 2．功率及功率因数表（MEL-20或含在主控制屏内）

3．三相组式变压器（MEL-01）或单相变压器（在主控制屏的右下方） 4．三相可调电阻900Ω（MEL-03） 5．波形测试及开关板（MEL-05） 6．三相可调电抗（MEL-08） 五．实验方法 1．空载实验 实验线路如图2-1 主控制屏三相交流电源输出图2-1 空载实验接线图变压器T选用MEL-01三相组式变压器中的一只或单独的组式变压器。实验时，变压器低压线圈2U1、2U2接电

源，高压线圈1U1、1U2开路。

A、V1、V2分别为交流电流表、交流电压表。具体配置由所采购的设备型号不同由所差别。若设备为MEL-I系列，则交流电流表、电压表为指针式模拟表，量程可根据需要选择；若设备为MEL-II系列，则上述仪表为智能型数字仪表，量程可自动也可手动选择。仪表数量也可能由于设备型号不同而不同。若电压表只有一只，则只能交替观察变压器的原、副边电压读数，若电压表有二只或三只，则可同时接上仪表。

W为功率表，根据采购的设备型号不同，或在主控屏上或为单独的组件（MEL-20或MEL-24），接线时，需注意电压线圈和电流线圈的同名端，避免接错线。

a．在三相交流电源断电的条件下，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底。并合理选择各仪表量程。 变压器T额定容量PN=77W，U1N/U2N=220V/55V，I1N/I2N=0.35A/1.4A

b．合上交流电源总开关，即按下绿色“闭合”开关，顺时针调节调压器旋钮，使变压器空载电压U0=1.2UN c．然后，逐次降低电源电压，在1.2~0.5UN的范围内；测取变压器的U0、I0、P0，共取6~7组数据，记录于表2-1中。其中U=UN的点必须测，并在该点附近测的点应密些。为了计算变压器的变化，在UN以下测取原方电压的同时测取副方电压，填入表2-1中。

e．测量数据以后，断开三相电源，以便为下次实验作好准备。 表2-1 实 验 数 据 序 号 1 2 3 4 5 6 7 U0（V） I0（A） PO（W） U1U1。1U2 计算数据 cos?0 2．短路实验 实验线路如图2-2。（每次改接线路时，都要关断电源） 主控制屏三相交流电源输出图2-2 短路实验接线图实验时，变压器T的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。 A、V、W分别为交流电流表、电压表、功率表，选择方法同空载实验。 a．断开三相交流电源，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即使输出电压为零。 b．合上交流电源绿色“闭合”开关，接通交流电源，逐次增加输入电压，直到短路电流等于1.1IN为止。在0.5~1.1IN范围内测取变压器的UK、IK、PK，共取6~7组数据记录于表2-2中，其中I=IK的点必测。并记录实验时周围环境温度（℃）。

表2-2 室温θ= ℃

实 验 数 据 序 号 1 2 3 4 5 6 U（V） I（A） P（W） 计算数据 cos?k 3．负载实验

实验线路如图2-3所示。

变压器T低压线圈接电源，高压线圈经过开关S1和S2，接到负载电阻RL和电抗XL上。RL选用MEL-03的两只900Ω电阻相串联，XL选用MEL-08。开关S1采用MEL-05的双刀双掷开关，电压表、电流表、功率表（含功率因数表）的选择同空载实验。

主控制屏三相交流电源输出图2-3 负载实验接线图主控制屏三相交流电源输出

图2-3 负载实验接线图

（1）纯电阻负载

a．未上主电源前，将调压器调节旋钮逆时针调到底，S1断开，负载电阻值班财到最大。 b．合上交流电源，逐渐升高电源电压，使变压器输入电压U1=UN=55V

c．在保持U1=UN的条件下，合下开关S1，逐渐增加负载电流，即减小负载电阻RL的值，从空载到额定负载范围内，测取变压器的输出电压U2和电流I2。

d．测取数据时，I2=0和I2=I2N=0.35A必测，共取数据6~7组，记录于表3-3中。

表3-3 cos?2=1 U1=UN=55V 序 号 U2（V） I2（A） 1 2 3 4 5 6 7

六．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。

七．实验报告

1.计算变比

由空载实验测取变压器的原、副方电压的三组数据，分别计算出变比，然后取其平均值作为变压器的变比K。

K=U1u1.1U2／U2u1.2u2 2.计算励磁参数

从空载特性曲线上查出对应于Uo=UN时的IO和PO值，并由下式算出激磁参数

rm?PO2IO'ZK? Zm?UO IO

22 Xm?Zm?rm3.计算短路参数

UKP rK'?K 2IKIK'ZK'rK

'''XK?ZK?rK22

折算到低压方

ZK?K2,

rK?K2,

XK?'XKK2

4.利用空载和短路实验测定的参数，画出被试变压器折算到低压方的“T”型等效电路。 5.变压器的电压变化率ΔU

(1)绘出cos?2=1和cos?2=0.8两条外特性曲线U2=f(I2)，由特性曲线计算出I2=I2N时的电压变化率ΔU U20?U2?100% U20 (2)根据实验求出的参数，算出I2=I2N、cos?2=1和I2=I2N、cos?2=0.8时的电压变化率ΔU。

?U? ΔU = ( UKrcos?2 + UKx sin?2 )

将两种计算结果进行比较，并分析不同性质的负载对输出电压的影响。

实验三 三相鼠笼异步电动机的工作特性

一．实验目的

1．掌握三相异步电机的空载、堵转和负载试验的方法。 2．用直接负载法测取三相鼠笼异步电动机的工作特性。 3．测定三相笼型异步电动机的参数。

二．预习要点

1．异步电动机的工作特性指哪些特性？

2．异步电动机的等效电路有哪些参数？它们的特理意义是什么？ 3．工作特性和参数的测定方法。

三．实验项目

1．测量定子绕组的冷态电阻。 2．判定定子绕组的首未端。 3．空载试验。 4．短路试验。 5．负载试验。

三．实验设备及仪器

1．MEL系列电机教学实验台主控制屏。

2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。

3．交流功率、功率因数表（MEL-20或MEL-24或含在实验台主控制屏上）。 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06或含在实验台主控制屏上）。 5．三相可调电阻器900Ω（MEL-03）。 6．波形测试及开关板（MEL-05）。 7．三相鼠笼式异步电动机M04。

五．实验方法及步骤

1．测量定子绕组的冷态直流电阻。

准备：将电机在室内放置一段时间，用温度计测量电机绕组端部或铁芯的温度。当所测温度与冷动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 测量线路如图3-1。

S1，S2：双刀双掷和单刀双掷开关，位于MEL-05。 R：四只900Ω和900Ω电阻相串联（MEL-03）。

A、V：直流毫安表和直流电压表，或采用MEL-06，或在主控制屏上。

量程的选择：测量时，通过的测量电流约为电机额定电流的图3-1 三相交流绕组电阻的测定 220V可调直流稳压电源电机定子一相绕组10%，即为50mA，因而直流毫安表的量程用200mA档。三相笼型异步电动机定子一相绕组的电阻约为50欧姆，因而当流过的电流为50mA时三端电压约为2.5伏，所以直流电压表量程用20V档，实验开始前，合上开关S1，断开开关S2，调节电阻R至最大（3600Ω）。

分别合上绿色“闭合”按钮开关和220V直流可调电源的船形开关，按下复位按钮，调节直流可调电源及可调电阻R，使试验电机电流不超过电机额定电流的10%，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。

调节R使A表分别为50mA，40mA，30mA测取三次，取其平均值，测量定子三相绕组的电阻值，记录于表3-1中。

表3-1 室温 ℃

I（mA） U（V） R（Ω） 绕组I 绕组Ⅱ 绕组Ⅲ 注意事项：（1）在测量时，电动机的转须静止不动。

（2）测量通电时间不应超过1分钟。

2．空载试验

测量电路如图3-3所示。电机绕组为△接法（UN=220伏），且电机不同测功机同轴联接，不带测功机。 a．起动电压前，把交流电压调节旋钮退至零位，然后接通电源，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。

b．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试验。

c．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。在这范围内读取空载电压、空载电流、空载功率。 主控制屏三相交流电源输出图3-3a 三相笼型异步电机实验接线图（MEL-I、MEL-IIA）d．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。

主控制屏三相交流电源输出图3-3b 三相笼型异步电机实验接线图（MEL-IIB）序号 1 2 3 4 5 6 7 UAB UOC（V） UBC UCA UOL IA IOL（A） IB IC IOL PI PO（W） PII PO cos? 3．短路实验

测量线路如图3-3。将测功机和三相异步电机同轴联接。

a．将起子插入测功机堵转孔中，使测功机定转子堵住。将三相调压器退至零位。

b．合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至短路电流到1.2倍额定电流，再逐渐降压至0.3倍额定电流为止。 a．在这范围内读取短路电压、短路电流、短路功率，共取4-5组数据，填入表3-4中。做完实验后，注意取出测功机堵转孔中的起子。 序号 1 2 3 4 5 6 7 UAB UOC（V） UBC UCA UK IA IOL（A） IB IC IK PI PO（W） PII PK cos?K 4．负载实验

选用设备和测量接线同空载试验。实验开始前，MEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。

a．合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压，并在试验中保持此额定电压不变。

b．调节测功机“转矩设定”旋钮使之加载，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。

c．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、转矩等数据，共读取5-6组数据，记录于表3-5中。

表3-5 UN=220伏（△） 序号 1 2 3 4 5 6 IA IOL（A） IB IC I1 PI PO（W） PII P1 T2（N.m） n（r/min） P2（W）

六．实验报告

1.计算基准工作温度时的相电阻

由实验直接测得每相电阻值，此值为实际冷态电阻值。冷态温度为室温。按下式换算到基准工作温度时的定子绕组相电阻：

r1lef?rlc235??ref235?θC

式中 rlef ——换算到基准工作温度时定子绕组的相电阻，Ω；

r1c———定子绕组的实际冷态相电阻，Ω；

θ

ref——基准工作温度，对于E级绝缘为75C；

O

O

θc——实际冷态时定子绕组的温度，C。

2.作空载特性曲线：I0、P0、cos?0=f(U0) 3.作短路特性曲线：IK、PK=f(UK)

4.由空载、短路试验的数据求异步电机等效电路的参数。

(1)由短路试验数据求短路参数

短路阻抗 ZK?短路电阻 rK?UK IKPK23IK 22短路电抗 XK?ZK ?rK式中 UK、IK、PK——由短路特性曲线上查得，相应于IK为额定电流时的相电压、相电流、三相短路功率。 转子电阻的折合值 r2'?rK?r1 ''定、转子漏抗 X1??X2??POXK 2P=f(U)O2O(2)由空载试验数据求激磁回路参数 空载阻抗 ZO?空载电阻 rO?UO IOPFeKPmec0U2NPO 23IO22空载电抗 XO?ZO ?rOU2O图3-4 电机中的铁耗和机械耗式中 U0、I0、P0——相应于U0为额定电压时空载功率。 激磁电抗 Xm?XO?X1? 激磁电阻 rm?PFe 23Io的相电压、相电流、三相式中 PFe为额定电压时的铁耗，由图3-4确定。

5.作工作特性曲线P1、I1、n、η、S、cos?1=f(P2)

由负载试验数据计算工作特性，填入表3-6中。

表3-6 U1 = 220V（△） If = A

序号 电动机输入 1 2 3 电 动 机 输 出 计 算 值 I1(A) P1(W) T2(N·m) n(r／min) P2（W） S(％) η(％) cos?1 4 5 6 计算公式为：I1? S? 33

IA?IB?IC1500?n?100% 1500P cos?1?1

3U1I1 P2?0.105nT2 ??P2?100% P1 式中 I1——定子绕组相电流，A； U1——定子绕组相电压，V； S——转差率； η——效率。

6.由损耗分析法求额定负载时的效率

电动机的损耗有： 铁耗 PFe 机械损耗 Pmec 定子铜耗 PCU1?3I12r1 转子铜耗 PCU2?PemS 100 杂散损耗Pad取为额定负载时输入功率的0.5％。 式中 Pem——电磁功率，W； Pem = P1 -Pcul - PFe 铁耗和机械损耗之和为：

P0′= PFe + Pmec = PO- 3IOr1 2'2 为了分离铁耗和机械损耗，作曲线PO?f(UO)，如图3-4。

延长曲线的直线部分与纵轴相交于P点，P点的纵座标即为电动机的机械损耗Pmec，过P点作平行于横轴的直线,可得不同电压的铁耗PFe。

电机的总损耗ΣP = PFe + Pcul + Pcu2 + Pad 于是求得额定负载时的效率为：??P1??P?100% P1式中 P1、S、I1由工作特性曲线上对应于P2为额定功率PN时查得。

七．思考题

1.由空载、短路试验数据求取异步电机的等效电路参数时，有哪些因素会引起误差？ 2.从短路试验数据我们可以得出哪些结论？

3.由直接负载法测得的电机效率和用损耗分析法求得的电机效率各有哪些因素会引起误差？

实验四 三相异步电动机的起动与调速

一．实验目的

通过实验掌握异步电动机的起动和调速的方法。

二．预习要点

1．复习异步电动机有哪些起动方法和起动技术指标。 2．复习异步电动机的调速方法。

三．实验项目

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。

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏（含交流电压表）。 2．指针式交流电流表。

3．电机导轨及测功机、转矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。 4．电机起动箱（MEL-09）。 5．鼠笼式异步电动机（M04）。 6．绕线式异步电动机（M09）。

五．实验方法

1．三相笼型异步电动机直接起动试验。

按图3-5接线，电机绕组为△接法。

起动前，把转矩转速测量实验箱（MEL-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MEL-13的连接是否良好。

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。

a．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MEL-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，并主控制屏记录在表2-1中。 三相交流注：按指针式电流表偏转的最大位置所对应的读数值计量。电源输出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。

图3-5 异步电机直接起动实验接线图2．自耦变压器降压起动

按图3-5接线。电机绕组为 △接法。

a．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。

b．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，并记录在表2-1中。经一定时间后，调节调压器使输出电机达电机额定电压UN=220伏，整个起动过程结束。 3．星形——三角形（Y-△）起动 按图3-6接线，电压表、电流表的选择同前，开关S选用MEL-05。 a．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。 b．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，整个起动过程结束。观察起动瞬间电流表的显示值，将数值记录在表2-1中，以与其它起动方法作定性比较。

主控制屏 三相交流 电源输出 MEL-05 图3-6 异步电机星形-三角形起动 表2-1 起动瞬间电流 I(A) 直接起动试验 降压起动试验 Y-△起动 六．实验报告

1.比较异步电动机不同起动方法的优缺点。

七．思考题

1.起动时的实际情况和上述假定是否相符，不相符的主要因素是什么？

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