東南大學(xué)自動(dòng)化電機(jī)實(shí)驗(yàn)三

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 電機(jī)實(shí)驗(yàn) 第 三 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 直流電機(jī)啟動(dòng)及反轉(zhuǎn) 院 （系）： 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)： 自動(dòng)化 姓 名： 學(xué)號(hào)： 實(shí) 驗(yàn) 室: 羅克·韋爾自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2014年4月20日 評定成績： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)三 直流電機(jī)啟動(dòng)及反轉(zhuǎn)1、 實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)1. 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。（1） 基本構(gòu)造分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。定子包括：主磁極，機(jī)座，換向極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風(fēng)扇等。轉(zhuǎn)子組成:直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部分由電樞鐵芯、電樞、

2、換向器等裝置組成. 電樞鐵芯部分：其作用是嵌放電樞繞組和顛末磁通，為了下降電機(jī)工作時(shí)電樞鐵芯中發(fā)作的渦流損耗和磁滯損耗。電樞部分：作用是發(fā)作電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢，而進(jìn)行能量變換。電樞繞組有許多線圈或玻璃絲包扁鋼銅線或強(qiáng)度漆包線。換向器又稱整流子，在直流電想法中，它的作用是將電刷上的直流電源電流變換成電樞繞組內(nèi)的溝通電流，是電磁轉(zhuǎn)矩的傾向穩(wěn)定不變，在直流發(fā)電機(jī)中，它將電樞繞組溝通電動(dòng)勢變換為電刷端上輸出地直流電動(dòng)勢。(2) 分類（按勵(lì)磁方式分類) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵(lì)磁繞組供電的直流電動(dòng)機(jī)稱為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，永磁直流電動(dòng)機(jī)也可看作他勵(lì)或自激直流電動(dòng)機(jī)，

3、一般直接稱作勵(lì)磁方式為永磁。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來說，勵(lì)磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。（3）工作原理直流電動(dòng)機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替

4、接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。感應(yīng)電動(dòng)勢的方向按右手定則確定（磁感線指向手心，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，其他四指的指向就是導(dǎo)體中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向）。導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向，企圖使電樞逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)起來。（4）特點(diǎn)調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實(shí)

5、現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負(fù)載下起動(dòng)或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。易于控制。（5) 應(yīng)用軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。M他勵(lì)UfIfIaUM復(fù)勵(lì)UM串勵(lì)UM并勵(lì)UIf 圖1：四種勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程稱為啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，電樞電流 、電磁轉(zhuǎn)矩 、轉(zhuǎn)速n都隨時(shí)間變化，是一個(gè)過渡過程。開始啟動(dòng)的一瞬間，轉(zhuǎn)速

6、等于零，這時(shí)的電樞電流稱為啟動(dòng)電流，用 表示，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，用 表示。一般對直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)有如下要求。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大(電動(dòng)機(jī)才能順利啟動(dòng)）。 啟動(dòng)電流 要限制在一定的范圍內(nèi)。啟動(dòng)設(shè)備操作方便，啟動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行可靠，成本低廉。 (1)直接啟動(dòng) 直接啟動(dòng)就是在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞上直接加以額定電壓的啟動(dòng)方式，如圖1所示。啟動(dòng)時(shí)，先合Q1建立磁場，然后合Q2全壓啟動(dòng)。啟動(dòng)開始瞬間，由于機(jī)械慣性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=0電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢勢 。 由電動(dòng)勢平衡方程式 ，可知：起動(dòng)電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩顯然直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的換向火花，造成換向困難，還可能引起過流保護(hù)裝置的誤

7、動(dòng)作或引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他用戶的正常用電；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也很大，造成機(jī)械沖擊，易使設(shè)備受損。因此，除個(gè)別容量很小的電動(dòng)機(jī)外，一般直流電動(dòng)機(jī)是不容許直接啟動(dòng)的。 對于一般的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，為了限制啟動(dòng)電流，可以采用電樞回路串聯(lián)電阻或降低電樞電壓啟動(dòng)的啟動(dòng)方法。 圖1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的全壓啟動(dòng) 圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的機(jī)械特性 （2） 電樞回路串電阻啟動(dòng) 電樞回路串電阻啟動(dòng)即啟動(dòng)時(shí)在電樞回路串入電阻，以減小啟動(dòng)電流 ,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再逐漸切除電阻，以保證足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖2為三級電阻啟動(dòng)控制接線和啟動(dòng)工作特性示意圖。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)使勵(lì)磁回路附加電阻為零，以使磁通達(dá)到最大值，能產(chǎn)生較大的

8、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 啟動(dòng)開始瞬間，電樞電路中接入全部啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)電流 達(dá)到最大值，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩將逐漸減小，電動(dòng)機(jī)沿著曲線1的箭頭所指的方向變化。 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至，電流降至 （圖中b點(diǎn)）時(shí)，接觸器KM1觸頭閉合，將電阻R1短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到特性曲線2上的c點(diǎn)（c點(diǎn)的位置可由所串電阻的大小控制），電動(dòng)機(jī)又沿曲線2的箭頭繼續(xù)加速。 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至，電流又降至 （圖中d點(diǎn)）時(shí)，接觸器KM2 觸頭閉合，將電阻R2短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到特性曲線3上的e點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)又沿曲線3的箭頭繼續(xù)加速。 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至，電流又降至 （圖中f點(diǎn)

9、）時(shí)，接觸器KM3 觸頭閉合，將電阻 R3短接，由于機(jī)械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng)機(jī)將瞬間過渡到固有特性曲線4上的g點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)又沿曲線4的箭頭繼續(xù)加速，最后穩(wěn)定運(yùn)行在固有特性曲線上的h點(diǎn)，啟動(dòng)過程結(jié)束。電樞串電阻啟動(dòng)設(shè)備簡單，操作方便，但能耗較大，它不宜用于頻繁啟動(dòng)的大、中型電動(dòng)機(jī)，可用于小型電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。 (3) 降低電樞電壓啟動(dòng) 降低電樞電壓啟動(dòng)，即啟動(dòng)前將施加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓降低，以減小啟動(dòng)電流 ，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再逐漸提高電源電壓，使啟動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩維持在一定數(shù)值，保證電動(dòng)機(jī)按需要的加速度升速，其接線原理和啟動(dòng)工作特性如圖3所示。 較早采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，現(xiàn)已逐步被晶閘管

10、可控整流電源所取代。這種啟動(dòng)方法需要專用電源，投資較大，但啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易控制，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)能耗小，是一種較好的啟動(dòng)方法。 圖3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓時(shí)的機(jī)械特性 2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，而電磁轉(zhuǎn)矩的方向由磁通方向和電樞電流的方向決定。所以，只要將磁通或勵(lì)磁電流任意一個(gè)參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩即可改變方向。在控制時(shí)，通常直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方法有兩種：（1）改變勵(lì)磁電流方向 保持電樞兩端電壓極性不變，將勵(lì)磁繞組反接，使勵(lì)磁電流反向，磁通即改變方向。（2）改變電樞電壓極性 保持勵(lì)磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流即改變方向。 由于他勵(lì)

11、直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組匝數(shù)多，電感大，勵(lì)磁電流從正向額定值變到反向額定值的時(shí)間長，反向過程緩慢，而且在勵(lì)磁繞組反接斷開瞬間，繞組中將產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢，可能造成絕緣擊穿，所以實(shí)際應(yīng)用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。 但在電動(dòng)機(jī)容量很大，對反轉(zhuǎn)速度變化要求不高的場合，為了減小控制電器的容量，可采用改變勵(lì)磁繞組極性的方法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。 2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.電路圖注意：電流表量程0-10A，電壓表量程0-150V。Rc2. 操作步驟（1） 按電路圖連線，將Rc逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底，阻值達(dá)到最大；（2） 先合P2，產(chǎn)生勵(lì)磁；（3） 再合P1，產(chǎn)生U；（4） 將Rc逐漸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，阻值逐

12、漸減小到零；（5） 先拉P1；（6） 再拉P2；（7） 斷開電源，拆線整理器材。3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1） 合P2，產(chǎn)生勵(lì)磁；（2） 再合P1，此時(shí)電壓表有示數(shù)；（3） 減小Rc的過程中，啟動(dòng)電阻逐漸減小到零；（4） 拉下P1后，啟動(dòng)電阻又逐漸增大。 數(shù)據(jù)記錄：I=1.8A時(shí)，n=1380r/min3、 問題思考1. 轉(zhuǎn)速表的種類轉(zhuǎn)速儀表經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了多個(gè)種類。轉(zhuǎn)速儀表按照工作原理和工作方式不同，可以分為離心式轉(zhuǎn)速表、磁性轉(zhuǎn)速表、電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表、磁電式轉(zhuǎn)速表、閃光式轉(zhuǎn)速表和電子式轉(zhuǎn)速表等幾個(gè)種類。1、離心式轉(zhuǎn)速表離心式轉(zhuǎn)速表是以離心力和拉力的平衡為原理來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的。離心式轉(zhuǎn)速表的測量精度

13、較低，一般在1到2級，但易于安裝、便于使用。離心式轉(zhuǎn)速表的優(yōu)點(diǎn)是測量直觀、讀數(shù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性好，缺點(diǎn)則是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2、磁性轉(zhuǎn)速表磁性轉(zhuǎn)速表是以旋轉(zhuǎn)磁場為原理來測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的一類轉(zhuǎn)速表。磁性轉(zhuǎn)速表在測量轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力大小，與游絲力進(jìn)行平衡，以指示轉(zhuǎn)速值。磁性轉(zhuǎn)速表的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，多用于摩托車和汽車等設(shè)備使用。3、電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表是測量方式，是將小型交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持與被測軸轉(zhuǎn)速一致，而磁性轉(zhuǎn)速頭又和小型交流電同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣磁性轉(zhuǎn)速頭所指示的轉(zhuǎn)速就是被測軸的轉(zhuǎn)速。電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表適用于異地安裝，有良好的抗震性，多用于柴油機(jī)和船舶等設(shè)備的轉(zhuǎn)速測量。4、磁電式轉(zhuǎn)速

14、表磁電式轉(zhuǎn)速表是利用磁阻元件完成轉(zhuǎn)速測量的一種轉(zhuǎn)速表。磁電式轉(zhuǎn)速表的工作原理，是磁阻的阻抗值隨磁場強(qiáng)弱而變化，當(dāng)被測軸的齒輪接近磁電式轉(zhuǎn)速表時(shí)，齒輪的齒頂與齒谷會(huì)令磁場變化，這樣磁電式轉(zhuǎn)速表就能通過對電阻變化的測量來反應(yīng)被測軸的轉(zhuǎn)速。5、閃光式轉(zhuǎn)速表閃光式轉(zhuǎn)速表是以視覺暫留原理為依據(jù)設(shè)備的一種轉(zhuǎn)速表。閃光式轉(zhuǎn)速表的功能比普通轉(zhuǎn)速表更為豐富，除了能測量往復(fù)速度以外，還能用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)物體的靜像觀測，是機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)、工作狀態(tài)觀測的必備儀表之一。6、電子式轉(zhuǎn)速表電子式轉(zhuǎn)速表的測量工作是通過數(shù)字電路和電磁式線圈作用來完成的。電子式轉(zhuǎn)速表所接受的信號(hào)為數(shù)字脈沖信號(hào)，在數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換下，數(shù)字脈沖信號(hào)變成電壓信號(hào)來控制線圈電流，從而完成指示指針的變化。2. 為什么許多芯片的CS信號(hào)(片選信號(hào))經(jīng)常都是低電平有效？ 解：主要是為了降低功率，因?yàn)檫x中信號(hào)輸出時(shí)，地址譯碼器輸出端為低電平，此時(shí)譯碼器不輸出功率；選中信號(hào)沒有輸出（不選中）時(shí)，譯碼器輸出端為高阻狀態(tài)，輸出