电机与运动控制系统实验指导书_20xx修改4个实验

电机与运动控制系统实验指导书

使用班级：1607101、YZ04121、YZ04122

电气与自动化工程学院

2013.9

实验一单相变压器的空载、短路实验

一、实验目的

通过空载、短路实验，掌握单相变压器的参数及测定方法。

二、实验项目

1．空载实验：测取空载特性：,,。

2．短路实验：测取短路特性：。

三、实验设备及仪器

1．交流电压表、电流表、功率、功率因数表

2．可调电阻箱（NMEL-03/4）

3．波形测试及开关板（NMEL-05）

4．单相变压器（U_1N/U_2N=220V/110V，I_1N/I_2N=0.4A/0.8A）

四、实验线路及操作步骤

1．空载实验

（1）准备工作

①按图2-1接线。

②实验时，变压器低压线圈2U1、2U2接电源，高压线圈1U1、1U2开路。

③A、V₁、V₂分别为交流电流表和交流电压表。W为功率表，需注意将电压线圈和电流线圈的同名端（标*端子）短接，避免接错线。合理选择各仪表量程。

④未上主电源前，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底。

（2）实验

①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=1.2U_N。

②逐渐降低外加电压，在范围内，测量空载电压、空载电流、空载损耗，共取数据6~7组，其中（低压侧的额定电压）点的数据必测，且在该点附近测点应较密，将所测数据记于表2-1中。

（3）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 单相变压器空载实验

2．短路实验

（1）准备工作

①按图2-2接线（每次改接线路时，都要关断电源）。

②实验时，变压器的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。

④测量环境温度，作为实验时绕组的实际温度。

（2）实验

注意：为避免损坏变压器，短路实验时A₁表电流应控制在≈0.44A以下，并且应尽可能快的完成。

①未上主电源前，将调压器调节旋钮逆时针调到底。

②合上交流电源绿色“闭合”开关，接通交流电源。调节调压器逐渐增大外加电压，使短路电流升至(为0.4A)。

③逐渐减小电流，在（范围内，测量短路功率，短路电流，短路电压。共测取6~7组数据（包括的点），记于表2-2中。

表2-2 单相变压器短路实验室温θ= ℃

五、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。

六、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．绘出空载特性曲线和计算激磁参数

（1）绘出空载特性曲线U_O=f(I_O)，P_O=f(U_O)，=f(U_O)。

式中：

（2）计算激磁参数

从空载特性曲线上查出对应于Uo=U _N时的I _O和P _O值，并由下式算出激磁参数

3．绘出短路特性曲线和计算短路参数

（1）绘出短路特性曲线U_K=f(I_K)、P_K=f(I_K)、=f(I_K)。

（2）计算短路参数。

从短路特性曲线上查出对应于短路电流I _K=I _N时的U _K和P _K 值，由下式算出实验环境温度为θ（ ^OC）短路参数。

折算到低压方

由于短路电阻r _K随温度而变化，因此，算出的短路电阻应按国家标准换算到基准工作温度75 ^OC时的阻值。

式中：234.5为铜导线的常数，若用铝导线常数应改为228。

阻抗电压

I _K = I _N时的短路损耗

3．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。

七、思考题

1．在空载和短路实验中，各种仪表怎样联结才能是测量误差最小？

2．如何用实验方法测定变压器的铁耗和铜耗？

3．变压器空载及短路实验时应注意哪些问题？一般电源应接在哪一方比较合适？

实验二他励直流电动机的机械特性和调速特性

一、实验目的

1．掌握用实验方法测取他励直流电动机的机械特性。

2．掌握他励直流电动机的调速方法。

二、实验项目

1．机械特性：保持U=U_N和I_fM=I_fMN不变，测取n=f(I)。

2．调速特性

（1）改变电枢电压调速：保持U=U_N，I_f=I_fMN，I_fG=I_fGN，I_F(发电机电枢电流)=常数，测取n=f(U)。

（2）改变励磁电流调速：保持U=U_N，I_fG=I_fGN，I_F(发电机电枢电流)=常数，测取n=f(I_fM)。

三、实验设备及仪器

1．实验台主控制屏

2．电机导轨及转速表

3．可调电阻（NMEL-03/4）

4．开关板（NMEL-05）

5．直流电压、电流、毫安表（NMEL-06/1）

6．直流电动机电枢电源（NMEL-18/1）

7．直流电动机励磁电源（NMEL-18/2）

8．直流发电机励磁电源（NMEL-18/3）

四、实验线路及操作步骤

1．机械特性n=f(I)

（1）按图1-1接线。

l V₁为NMEL-18/1中直流电动机电枢电源自带；

l V₂为NMEL-06/1中的直流电压表，量程选择300V；

l mA₁、 mA₂分别为NMEL-18/2中直流励磁电源自带毫安表；

l A₁、 A₂为NMEL-06/1中的直流电流表，量程选择2A；

l R为NMEL-03/4中R₂的两组电阻并联再与R₃的两组电阻并联相串联；

l 开关S₁、S₂选用NMEL-05中的双刀双掷开关。

（2）通电前的准备工作。

l S₁、S₂都处于断开状态；

l R阻值至最大位置，直流发电机励磁电源、直流电动机励磁电源调至最大，直流电动机电枢电源调至最小；

l 直流电动机励磁电源船形开关、直流发电机励磁电源船形开关和直流电动机电枢电源船形开关须在断开位置。

（3）通电实验

①按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合直流电动机励磁电源、直流发电机励磁电源船型开关和直流电动机电枢电源船形开关。

②合上S₁、S₂使直流电动机起动运转，调节直流电机电枢电源，使V₁读数为U_N=220伏。

③分别调节直流电动机励磁电流、发电机励磁电流以及负载电阻R，使直流电动机的转速n_N=1600r/min， I_a=I_N=1.0A，此时得到的电动机励磁电流为额定励磁电流，即I_f=I_fN，记录此值。

④逐步增大发电机回路串接电阻R，测取电动机在额定负载至空载（空载时，断开S₂）范围的n、I_a，共取5-6组数据填入表1-1中。注意，实验过程中保持电动机的U=U_N=220V，I_f=I_fMN不变，在调节R以后应注意观察V₁和mA₁表读数有无变化，如有变化应及时调节相关电位器。

表1-1 他励直流电动机机械特性

保持条件U=U_N= V ，I_f=I_fMN= A

图1-1 他励直流电动机机械特性接线图

2．调速特性

（1）改变电枢电压的调速特性n=f(U)

①接线如图1-1，按照测定机械特性实验内容做好起动前准备工作。

②按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合直流电动机励磁电源、直流发电机励磁电源船型开关和直流电动机电枢电源船形开关。

③合上S₁、S₂使直流电动机起动运转，调节直流电机电枢电源，使V₁读数为U_N=220伏。

④分别调节直流电动机励磁电流、发电机励磁电流以及负载电阻R，给电动机加适当负载，使电动机输入电流I≈0.6A（A₁表），发电机电枢电压为其额定值左右。记录此时发电机的励磁电流I_fG（mA₂表）和电枢电流I_F（A₂表）。

⑤在保持发电机励磁电流I_fG和电枢电流I_F不变（即转矩=常数）以及电动机励磁电流为额定励磁电流，即I_fM=I_fMN不变的条件下，逐渐调节RP电位器，逐渐减小电枢电压U，记录5~6组数据于表1-2中。

表1-2 改变电枢电压调速实验

保持条件：I_fM=I_fMN= A ，I_FG= A ，I_F= A

（2）改变励磁电流调速

①接线如图1-1，按照测定机械特性实验内容做好起动前准备工作。

②按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合直流电动机励磁电源、直流发电机励磁电源船型开关和直流电动机电枢电源船形开关。

③合上S₁、S₂使直流电动机起动运转，调节直流电机电枢电源，使V₁读数为U_N=220伏。

⑤在保持发电机励磁电流I_fG和电枢电流I_F不变（即转矩=常数）以及电动机端电压为U_N的条件下，逐渐减小电动机减小励磁电流I_fM，记录5~6组数据于表1-3中。注意转速不得大于1.2n_N。

表1-3改变励磁电流调速实验

保持条件：U=U_N= A ，I_F= A ，I_fG= A

五、实验报告

1．绘制他励直流电动机的机械特性曲线n=f(I)。

2．绘制他励直流电动机的调速特性曲线n=f(U)和n=f(I_fM)，并比较两种调速方法的优缺点。

六、实验注意事项

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。

七、思考题

1．并励直流电动机的励磁回路为什么不能断线？后果会怎样？

2．直流电动机的调速原理是什么？调速方法有哪些？各有何特点？

实验三转速、电流双闭环直流调速系统

一、实验目的

1．了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及各主要单元部件的原理。

2．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。

3．熟悉MCL-18, MCL-33的结构及调试方法

4．掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

二、实验设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2． MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33组件或MCL—53组件。

4．MEL-11挂箱

5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。

6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件。

7．直流电动机M03。

8．双踪示波器。

三、注意事项

1．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

2．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。

3．系统开环连接时，不允许突加给定信号U_g起动电机

4．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。

5．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

6．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。

7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

四、实验内容

1．各控制单元调试

2．测定电流反馈系数。

3．测定开环机械特性及闭环静特性。

4．闭环控制特性的测定。

5．观察，记录系统动态波形。

五、实验步骤及方法

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为付环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的组成如图6-8所示。

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动电流的目的, ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到限制a_min和b_min的目的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。

1．按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲60⁰，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

（4）将Ublr接地,可观察反桥晶闸管的触发脉冲。

2．双闭环调速系统调试原则

（1）先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。

（2）先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。

（3）先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。

3．开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入，测功机加载旋钮应逆时针旋到底（或直流发电机所接负载电阻R_G断开）。

（2）使U_g=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°，合上主电路电源，逐渐增加给定电压Ug，使电机起动，直至电机空载转速n₀=1500r/min，调节直流发电机负载电阻R_G，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流I_d，测出系统的开环外特性n=f (I)。

4．单元部件调试

（1）速度调节器ASR的整定参照实验一。

（2）电流调节器ACR的整定

①按图1-1接线。

②调整输出正,负限幅值：“9”、“10”端接电容，使ACR调节器构成PI调节器，加入一定的输入电压（由给定Ug调节），调整正、负限幅电位器，使输出限幅值在±6V左右。

③测定输入输出特性：将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

④观察PI特性：断开“9”、“10”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变数值。

5．系统调试

将Ublf接地，即使用正组桥。

（1）电流环调试（内环）：电动机不加励磁

①调试电流环时系统开环，按图2-1将控制电压U_ct由给定器U_g直接接入，U_g输出电压为正，主回路（三相整流电路）中串入直流电流表和电阻R_d并调至最大（R_d由MEL—03的两只900Ω电阻并联）。经检查无误后通电，逐渐增加给定电压U_g，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化。

②增加给定电压U_g，减小主回路串接电阻R_d，直至Id=1.1Ied，再调节MCL-01挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅为±5V）。

③关闭电源后，断开U_g至U_ct的接线，将给定U_g接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至U_ct，即系统构成电流单闭环系统。然后将ASR的“9”、“10”端接电容，可预置7μF，同时，将ASR的反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。

④经检查无误后，再接通电源，逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Uif增加，直至Id<1.1Ied；如Id<Ied，则可将R_d减小直至切除，此时应增加有限，小于过电流保护整定值，这说明系统已具有限流保护功能。记录此时的电流环反馈电压U_if= V和最大电流I_dm= A，并计算电流反馈系数。

（2）速度变换器的调试：电动机加额定励磁

①调试转速环时系统开环，按图2-1将给定电压U_g直接接至U_ct，Ug作为输入给定，测速发电机反馈电压接速度变换器FBS的输入“1”端和“2”端，然后接通主电源，逐渐增加正给定，当转速n=1500r/min时，调节中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右，记录此时的转速n_N=1500r/min和转速反馈电压Ufn_f= V，并计算速度反馈系数。

②速度反馈极性判断：在测速度反馈系数的同时，用万用表判别速度变换器FBS的输出端电压极性，务必使接入速度调节器ASR“1”端的电压极性为负极性。使系统构成负反馈系统。

6．系统特性测试

（1）按图2-1接线，将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。

（2）机械特性n=f（I_d）的测定

接线经指导老师检查后通电，调节给定电压Ug，使电机空载转速达到1500 r/min，再调节发电机负载电阻Rg，从空载（空载时发电机不加励磁）至电机堵转或接近堵转时，分别记录7～8点，需要包含电机转速发生转折的转折点，测出系统静特性曲线n=f（I_d）

（3）降低Ug给定，测出n=1000 r/min时的静特性曲线。

n=1000 r/min时的静特性

六、实验报告

1．根据实验数据，画出系统开环机械特性曲线。

2．计算双闭环系统的电流反馈系统和速度反馈系数。

3．根据实验数据，分别在同一坐标中画出n=1500r/min，n=1000r/min和n=500r/min的闭环机械特性，并计算静差率。

七、思考题

1．过电流保护环节的工作原理是什么？怎样整定？

2．改变转速可以调节什么参数？改变最大电流可以调节什么参数？

3．电流负反馈未接好或极性接错，会产生什么后果？

4．转速反馈极性接错会有什么后果？

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方法。

二、实验项目

1．异步电动机的直接起动。

2．绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器起动。

3．绕线式异步电动机转子绕组串入可变电阻器调速。

三、实验设备及仪器

1．实验台主控制屏

2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（NMEL-13）

3．交流电压表、电流表、功率、功率因数表

4．波形测试及开关板（NMEL-05）

5．可调电阻箱（NMEL-03/4）

6．三相鼠笼式异步电动机M04

7．绕线式异步电动机M09

四、实验线路及操作步骤

1．三相笼型异步电动机直接起动实验。（电机用M04）

（1）按图3-1接线，电机绕组为Y接法。

图3-1三相笼型异步电动机直接起动实验接线图

（2）起动前准备

①把转矩转速测量实验箱（NMEL-13）中“转速/转矩设定”电位器旋钮逆时针调到底，“转速控制”、“转矩控制”选择开关拨向“转矩控制”。

②检查电机导轨和NMEL-13的连接是否良好。

（3）实验

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NMEL-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。）

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。

③断开三相交流电源，将调压器退到零位。用起子插入测功机堵转孔中，将测功机定转子堵住。

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3-1中，注意试验时，通电时间不应超过10秒，以免绕组过热。

表3-1 三相笼型异步电动机直接起动参数

对应于额定电压的起动转矩T_ST和起动电流I比按下式计算：

式中I_k：起动试验时的电流值，A；

T_K：起动试验时的转矩值，N.m；

2．绕线式异步电动机的转子串电阻起动（电机用M09）

（1）实验线路如图3-2，电机定子绕组Y形接法。

图3-2 绕线式异步电动机转子绕组串电阻起动实验接线图

（2）起动前准备

①转子串入的电阻由刷形开关来调节，调节电阻采用NMEL-03/4的绕线电机起动电阻（分0，2，5，15，∞五档），NMEL-13中“转矩控制”和“转速控制”开关拨向“转矩控制”，“转速/转矩设定”电位器旋钮逆时针调节到底。

②起动电源前，把调压器退至零位，起动电阻调节为零。

（3）实验

①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。

②在定子电压为180伏时，顺时针调节“转速/转矩设定”电位器到底，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。

③用刷形开关切换起动电阻，分别读出起动电阻为2Ω、5Ω、15Ω的起动转矩T_st和起动电流I_st，填入表3-2中。

表3-2 绕线式异步电动机的转子串电阻起动 U=180V

3．绕线式异步电动机的转子串电阻调速（电机用M09）

（1）实验线路如图3-2。

（2）起动前准备

NMEL-13中“转矩控制”和“转速控制”选择开关拨向“转矩控制”，“转速/转矩设定”电位器逆时针到底，NMEL-03/4“绕线电机起动电阻”调节到零。

（3）实验

①合上电源开关，调节调压器输出电压至U_N=220伏，使电机空载起动。

②调节“转速/转矩设定”电位器调节旋钮，使电动机输出功率接近额定功率并保持输出转矩T₂不变，改变转子附加电阻，分别测出对应的转速，记录于表3-3中。

表3-3绕线式异步电动机的转子串电阻调速

实验中的保持条件：U=220V ，T₂= N.m

五、实验报告

绘制绕线式异步电动机转子串电阻调速的调速特性曲线，并分析转子串电阻对起动电流、起动转矩及电动机转速的影响。

六、思考题

1．三相异步电动机的主要起动方法有哪些？

2．三相异步电动机的主要调速方法有哪些？

3．起动电流、起动转矩和起动电压的关系如何？

实验五变频器控制的异步电动机调速实验

一、实验目的

1．了解变频调速的原理，通过实验理解基频以下变频调速是如何工作在恒转矩调速方式的。

2．初步了解FR-D700型变频器的使用及部分功能。

二、实验项目

基频以下恒转矩调速：是否为常数

三、实验设备及仪器

1．实验台主控制屏

2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（NMEL-13）

3．变频器挂箱（GDJ-BPQ）

4．三相鼠笼式异步电动机M04

四、变频调速的原理

根据三相异步电动机的转速公式：

（其中称为同步转速）（1）

可知，改变异步电动机定子绕组供电电源的频率，就可以改变同步转速，从而改变转速。如果频率能够实现连续可调，则异步电机可以实现平滑调速，这就是变频调速的原理。

三相异步电动机运行时，如忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为：

（2）

式中为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；为定子电源频率；为定子每相绕组匝数；为基波绕组系数；为每极气隙磁通量。如果我们改变频率，且保持定子电源电压不变，则由式（2）可知，气隙每极磁通将增大，而引起电动机铁心磁路饱和，从而导致励磁电流过大，严重时会导致损坏电机，这是不允许的。因此，降低电源频率时，必须同时降低电压，达到控制的目的。