東南大學自動化電機實驗三

1、東南大學電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電機實驗 第 三 次實驗實驗名稱： 直流電機啟動及反轉(zhuǎn) 院 （系）： 自動化學院 專業(yè)： 自動化 姓 名： 學號： 實 驗 室: 羅克·韋爾自動化實驗室 實驗時間： 2014年4月20日 評定成績： 審閱教師： 實驗三 直流電機啟動及反轉(zhuǎn)1、 實驗知識點1. 直流電動機直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機。因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。（1） 基本構造分為兩部分：定子與轉(zhuǎn)子。定子包括：主磁極，機座，換向極，電刷裝置等。轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵芯，電樞繞組，換向器，軸和風扇等。轉(zhuǎn)子組成:直流電動機轉(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，為了下降電機工作時電樞鐵芯中發(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)矩和感應電動勢，而進行能量變換。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)電機中，它將電樞繞組溝通電動勢變換為電刷端上輸出地直流電動勢。(2) 分類（按勵磁方式分類) 他勵直流電動機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電動機稱為他勵直流電動機，永磁直流電動機也可看作他勵或自激直流電動機，

3、一般直接稱作勵磁方式為永磁。并勵直流電動機 并勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵電動機來說，勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同。串勵直流電動機串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源。這種直流電動機的勵磁電流就是電樞電流。復勵直流電動機復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。（3）工作原理直流電動機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場方向?qū)⒏淖?，因此此時轉(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，所以電機能保持一個方向轉(zhuǎn)動。感應電動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運動方向，其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向）。導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力矩，這個力矩在旋轉(zhuǎn)電機里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動。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)矩以及其它負載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。（4）特點調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”，是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機可以在重負載條件下，實

5、現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都用直流電動機拖動。易于控制。（5) 應用軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設備。用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。M他勵UfIfIaUM復勵UM串勵UM并勵UIf 圖1：四種勵磁方式的電動機2.他勵直流電動機的起動電動機轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后達到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程稱為啟動。電動機在啟動過程中，電樞電流 、電磁轉(zhuǎn)矩 、轉(zhuǎn)速n都隨時間變化，是一個過渡過程。開始啟動的一瞬間，轉(zhuǎn)速

6、等于零，這時的電樞電流稱為啟動電流，用 表示，對應的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩，用 表示。一般對直流電動機的啟動有如下要求。 啟動轉(zhuǎn)矩足夠大(電動機才能順利啟動）。 啟動電流 要限制在一定的范圍內(nèi)。啟動設備操作方便，啟動時間短，運行可靠，成本低廉。 (1)直接啟動 直接啟動就是在他勵直流電動機的電樞上直接加以額定電壓的啟動方式，如圖1所示。啟動時，先合Q1建立磁場，然后合Q2全壓啟動。啟動開始瞬間，由于機械慣性，電動機轉(zhuǎn)速n=0電樞繞組感應電動勢勢 。 由電動勢平衡方程式 ，可知：起動電流 起動轉(zhuǎn)矩顯然直接啟動時啟動電流將達到很大的數(shù)值，將出現(xiàn)強烈的換向火花，造成換向困難，還可能引起過流保護裝置的誤

7、動作或引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他用戶的正常用電；啟動轉(zhuǎn)矩也很大，造成機械沖擊，易使設備受損。因此，除個別容量很小的電動機外，一般直流電動機是不容許直接啟動的。 對于一般的他勵直流電動機，為了限制啟動電流，可以采用電樞回路串聯(lián)電阻或降低電樞電壓啟動的啟動方法。 圖1 他勵直流電動機的全壓啟動 圖2 他勵直流電動機串電阻啟動的機械特性 （2） 電樞回路串電阻啟動 電樞回路串電阻啟動即啟動時在電樞回路串入電阻，以減小啟動電流 ,電動機啟動后，再逐漸切除電阻，以保證足夠的啟動轉(zhuǎn)矩。圖2為三級電阻啟動控制接線和啟動工作特性示意圖。電動機啟動前，應使勵磁回路附加電阻為零，以使磁通達到最大值，能產(chǎn)生較大的

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

9、）時，接觸器KM3 觸頭閉合，將電阻 R3短接，由于機械慣性轉(zhuǎn)速不能突變，電動機將瞬間過渡到固有特性曲線4上的g點，電動機又沿曲線4的箭頭繼續(xù)加速，最后穩(wěn)定運行在固有特性曲線上的h點，啟動過程結束。電樞串電阻啟動設備簡單，操作方便，但能耗較大，它不宜用于頻繁啟動的大、中型電動機，可用于小型電動機的啟動。 (3) 降低電樞電壓啟動 降低電樞電壓啟動，即啟動前將施加在電動機電樞兩端的電源電壓降低，以減小啟動電流 ，電動機啟動后，再逐漸提高電源電壓，使啟動電磁轉(zhuǎn)矩維持在一定數(shù)值，保證電動機按需要的加速度升速，其接線原理和啟動工作特性如圖3所示。 較早采用發(fā)電機-電動機組實現(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。這種啟動方法需要專用電源，投資較大，但啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩容易控制，啟動平穩(wěn)，啟動能耗小，是一種較好的啟動方法。 圖3 他勵直流電動機降壓時的機械特性 2.他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)要使電動機反轉(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，只要將磁通或勵磁電流任意一個參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩即可改變方向。在控制時，通常直流電動機的反轉(zhuǎn)實現(xiàn)方法有兩種：（1）改變勵磁電流方向 保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，磁通即改變方向。（2）改變電樞電壓極性 保持勵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

11、直流電動機的勵磁繞組匝數(shù)多，電感大，勵磁電流從正向額定值變到反向額定值的時間長，反向過程緩慢，而且在勵磁繞組反接斷開瞬間，繞組中將產(chǎn)生很大的自感電動勢，可能造成絕緣擊穿，所以實際應用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。 但在電動機容量很大，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，可采用改變勵磁繞組極性的方法實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。 2、 實驗內(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逆時針旋轉(zhuǎn)到底，阻值達到最大；（2） 先合P2，產(chǎn)生勵磁；（3） 再合P1，產(chǎn)生U；（4） 將Rc逐漸順時針旋轉(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. 實驗結果（1） 合P2，產(chǎn)生勵磁；（2） 再合P1，此時電壓表有示數(shù)；（3） 減小Rc的過程中，啟動電阻逐漸減小到零；（4） 拉下P1后，啟動電阻又逐漸增大。 數(shù)據(jù)記錄：I=1.8A時，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)點是測量直觀、讀數(shù)方便、運行穩(wěn)定、可靠性好，缺點則是結構復雜。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轉(zhuǎn)速的一類轉(zhuǎn)速表。磁性轉(zhuǎn)速表在測量轉(zhuǎn)速時，會根據(jù)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力大小，與游絲力進行平衡，以指示轉(zhuǎn)速值。磁性轉(zhuǎn)速表的結構簡單，使用方便，多用于摩托車和汽車等設備使用。3、電動式轉(zhuǎn)速表電動式轉(zhuǎn)速表是測量方式，是將小型交流電動機的轉(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，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，多用于柴油機和船舶等設備的轉(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弱而變化，當被測軸的齒輪接近磁電式轉(zhuǎn)速表時，齒輪的齒頂與齒谷會令磁場變化，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，除了能測量往復速度以外，還能用于往復運動物體的靜像觀測，是機械設備運動、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)速表所接受的信號為數(shù)字脈沖信號，在數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換下，數(shù)字脈沖信號變成電壓信號來控制線圈電流，從而完成指示指針的變化。2. 為什么許多芯片的CS信號(片選信號)經(jīng)常都是低電平有效？ 解：主要是為了降低功率，因為選中信號輸出時，地址譯碼器輸出端為低電平，此時譯碼器不輸出功率；選中信號沒有輸出（不選中）時，譯碼器輸出端為高阻狀態(tài)，輸出