汕头大学实验报告控制3文档格式.docx
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6
D44
可调电阻器、电容器
7
D51
波形测试及开关板
8
D41
9
DT2234A
数字测速表
三、实验原理及步骤
1、用伏安法测直流并励电动机电枢的直流电阻(选做)
图3-1测电枢绕组直流电阻接线图
(1)按图3-1接线,经检查无误后接通电枢电源,并调至220V。
调节R使电枢电流达到0.2A(如果电流太大,可能由于剩磁的作用使电机旋转,测量无法进行;
如果此时电流太小,可能由于接触电阻产生较大的误差),迅速测取电机电枢两端电压U和电流I。
将电机分别旋转三分之一和三分之二周,同样测取U、I三组数据列于表3-1中。
(2)增大R使电流分别达到0.15A和0.1A,用同样方法测取六组数据列于表3-1中。
取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值。
3、并励电动机的工作特性和机械特性
(1)按图3-2接线。
2)将直流并励电动机M的磁场调节电阻Rf1调至最小值,电枢串联起动电阻R1调至最大值,接通控制屏下边右方的电枢电源开关使其起动,检查电机的旋转方向应符合转速表正向旋转的要求。
4、调速特性
(1)改变电枢端电压的调速
1)直流电动机M运行后,将电阻R1调至零,If2调至校正值,再调节负载电阻R2、电枢电压及磁场电阻Rf1,使M的U=UN,I=If+Ia=0.5IN=0.6A,If=IfN记下此时MG的IF值。
2)保持此时的IF值(即T2值)和If=IfN不变,逐次增加R1的阻值,降低电枢两端的电压Ua,使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,调速过程中须保持If2值为校正值不变。
3)共取数据8-9组,记录于表3-3中。
2)改变励磁电流的调速
1)直流电动机运行后,将M的电枢串联电阻R1和磁场调节电阻Rf1调至零,将MG的If2调至校正值,再调节M的电枢电源调压旋钮和MG的负载,使电动机M的U=UN,I=0.5IN记下此时的IF值。
2)保持此时MG的IF值(T2值)和M的U=UN不变,逐次增加磁场电阻阻值:
直至n=1.3nN,nN为直流并励电机DJ15的额定转速,具体数值见电机铭牌。
每次测取电动机的n、If和Ia,调速过程中也须保持If2值为校正值不变。
共取7-8组记录于表3-4中。
5、直流他励电动机R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性
按图3-3接线
(1)R1、R2分别选用D44的1800Ω和180Ω阻值,R3选用D42上4只900Ω串联共3600Ω阻值,R4选用D42上1800Ω再加上D41上6只90Ω串联共2340Ω阻值。
6、R2=400Ω时的电动运行及反接制动状态下的机械特性
(1)在确保断电条件下,改接图3-3,R1阻值不变,仍然选用D44的1800Ω阻值,R2用D42的900Ω与900Ω并联并用万用表调定在400Ω,R3用D44的180Ω阻值,R4用D42上1800Ω阻值加上D41上6只90Ω电阻串联共2340Ω阻值。
(2)转速表n置正向1800r/min量程,S1合向1端,S2合向2'
端(短接线仍拆掉),把电机MG电枢的二个插头对调,R1、R3置最小值,R2置400Ω阻值,R4置最大值。
7、能耗制动状态下的机械特性
(1)图3-3中,R1阻值不变,仍然选用D44的1800Ω阻值,R2用D44的180Ω固定阻值,R3用D42的1800Ω可调电阻,R4阻值不变。
(2)S1合向2短接端,R1置最大值位置,R3置最小值位置,R4调定180Ω阻值,S2合向1'
端。
四、实验结果与分析
1、用伏安法测直流并励电动机电枢的直流电阻。
实验中测量数据如下表:
表3-1室温24℃
序号
U(V)
I(A)
R(平均)(Ω)
Ra(Ω)
Raref(Ω)
3.7
0.2
Ra11=18.5
Ra1=18.83
19.01
=19.01*(235+75)/(235+20)
=23.11
3.8
Ra12=19
Ra13=19
2.9
0.15
Ra21=19.3
Ra2=18.88
2.8
Ra22=18.67
Ra23=18.67
2.0
0.10
Ra31=20
Ra3=19.33
1.9
Ra32=19
Ra33=19
即电枢电阻
=23.11Ω。
2、并励电动机的工作特性、机械特性和调速特性。
(1)工作特性、机械特性:
测得数据如下:
表3-2U=UN=220VIf=IfN=69.6mAIf2=99.7mA
实
验
数
据
Ia(A)
1.14
1.06
0.94
0.83
0.71
0.61
0.50
0.4
0.29
n(r/min)
1602
1611
1620
1629
1640
1646
1659
1674
1690
IF(A)
0.86
0.8
0.7
0.6
0.5
0.3
0.1
T2(N·
m)
1.16
1.05
0.82
0.72
计
算
P2(W)
195.1
177.6
159.9
140.3
124.0
105.4
87.1
70.3
53.2
P1(W)
266.1
248.5
222.1
197.9
171.5
149.5
125.3
103.3
79.16
η(%)
73.3
71.5
71.99
70.89
72.3
70.5
69.5
68.1
67.2
Δn(%)
由此可得η=f(Ia)及n=f(T2)的特性曲线
由图可知当Ia=IaN=1.14A时,电动机的效率达到最大值,忽略误差,可知减小电动机的的负载,电动机的效率也会减小(因为输出转矩明显减小,而转速变化不明显),电动机的效率在0.7~1.06之间出现上下波动的原因可能是在实验过程中没有保证If=IfN=69.6mA。
图表分析:
忽略误差,n与T2的关系曲线因该是直线的,属于线性关系,相关系数r=0.9899,说明线性度很好。
直线与纵坐标的相交点的n值是理想空载转速,直线的斜率反映的是并励电动机的硬特性(并励电机的硬特性,指的是启动初期,扭矩比较大,转速很快上升到额定转速,到达额定转速后,转速不再继续上升,扭矩也迅速减小,并保持稳定在一个水平)。
由工作特性求出转速变化率:
=
(2)改变电枢端电压的调速特性:
表3-3If=IfN=60.4mAT2=0.59N·
m
Ua(V)
214
210
200
190
180
170
160
150
140
1698
1608
1586
1503
1418
1341
1253
1169
1086
0.54
0.53
0.52
因此得n=f(Ua)曲线
分析:
实验过程中保证IF(T2)的值不变,即是在负载不变的情况下,调节电枢两端电压来调节电机转速,实验应该是在电枢端电压为额定值开始记录,但操作错误,从电压为214V开始。
忽略操作误差,可知在负载不变的条件下,增大电枢端电压,能增大电机转速(
),但电枢端电压不能超过额定值,即电机转速也不能超过额定转速。
可以看出,在负载恒定的情况下,电机转速与电枢电压满足线性关系,相关系数r=0,9965,说明线性值可靠,线性度很好。
结合图表可知,改变电枢端电压调速时,电枢电流与电枢端电压无关。
(3)改变励磁电流的调速特性:
表3-4U=UN=220VT2=0.59N·
1470
1504
1520
1551
1596
1703
If(mA)
95.8
87.0
80.4
77.8
70.9
67.9
60.7
59.3
0.51
0.56
0.57
0.59
可得n=f(If)曲线如下图所示。
忽略数据误差,可知,在负载恒定的情况下,电机转速与励磁电流是负相关的(
),相关系数r=0.97759,可知线性度较高。
随着励磁电流的增加,电枢电流降低。
其中,回归方程的斜率的倒数表示电动机机械特性的硬度,截距表示电动机的理想空载转速。
1、两种调速方式的电枢电流变化规律。
A、改变电枢端电压的调速:
由表3-3可知电枢电流几乎没变化,因为实验中保证I=If+Ia=0.5IN=0.6A,而If=60.4mA不变,故可知Ia不变。
B、改变励磁电流的调速:
由表3-4可知电枢电流随着励磁电流的减小而增大。
2、两种调速方式的优缺点。
优点是电枢端电压与转速成正相关,调节电压可以从小到大来调节转速,较为安全;
可以实现无级调速;
调速稳定性好;
调速范围较宽。
缺点是调节电压增大,电枢电流不变,电枢回路所消耗的能源相对较大,电机发热严重。
能量损耗小,电机发热不严重;
可以无级调速。
缺点:
因为是通过改变励磁电流来改变磁通,实现调速,故受限制,调速范围较窄;
稳定性差,不利于控制。
3、直流他励电动机机械特性。
(1)R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性:
表3-5UN=220VIfN=100mA
0.44
0.38
0.32
0.30
0.27
0.26
0.17
1644
1650
1658
1672
1679
1684
1687
1689
1706
表3-6UN=220VIfN=100mA
-0.06
-0.12
-0.25
-0.30
-0.35
-0.45
-0.50
-0.53
1733
1749
1763
1798
1815
1828
1864
1891
1900
(2)R2=400Ω时的电动运行及反接制动状态下的机械特性:
表3-7UN=220VIfN=100mAR2=400Ω
0.31
0.33
0.35
0.41
0.46
0.49
0.62
0.68
0.74
0.93
547
493
414
239
84.5
-101.5
-302
-400.8
-612
-826.7
-1077
-1451
(3)能耗制动状态下的机械特性:
表3-8R2=180ΩIfN=100mA
0.85
0.75
0.65
0.55
0.45
0.25
0.21
1601
1402
1201
1005
811.0
626
444
366
表3-9R2=90ΩIfN=100.2mA
0.91
0.80
0.70
0.60
0.40
0.24
991
868.0
744.7
625.0
519
412.1
306.0
242.0
根据实验数据,绘制直流他励电动机运行在第一、第二、第四象限的电动和制动状态及能耗制动状态下的机械特性n=f(Ia)
1、R2=0,电动机工作在电动状态,电磁转矩T克服额定负载在额定转速下工作,当增大R4,减小负载,使转速增加。
调节R3,使转速增高达到理想空载转速n0,当n>
n0,感应电动势大于电源电压,故电枢中电流方向便与电动状态相反,转矩的的方向也由于电流方向的改变,而与电动运转状态相反,以发电机的形式向电源回馈电能,直到达到一个新的平衡为止,故称为回馈制动。
回馈制动的理想空载转速和特性的斜率与电动状态下的一致。
2、R2=400,实验中是改变电枢电动势的方向而产生的反接制动(倒拉反接制动),在进行倒拉反接制动前,电机是出于正向电动状态,减小R4即是增大负载,电动机的转矩小于负载转矩,故转速下降,电枢电流增大,电动机的转矩增大但依然小于负载转矩,知道转速为零,电动机的反电动势也为零,但是电枢在外加电压的作用下还有很大电流,其电流产生堵转矩且小于负载转矩(减小R4增大负载转矩),故电动机的电枢反向转,当电动势与电压方向相同时,电枢电流增大,电动机转矩增大直到负载转矩,也即是Ia=IaN,转速不再增加。
3、实验中,把外施电枢电压然降为零,由于机械惯性,电动机乃在转,磁通和转速的存在,是电枢绕组上继续有感应电动势,其方向与电动状态方向相同。
电动势在电枢和所R2回路内产生电流Ia,该电流方向和电动状态下由电源电压所决定的电枢电流方向相反,而磁通方向未改变,故电磁转矩T=CMΦIa反向,T与n反向,T变成制动转矩。
当忽略不变损耗时,可近似认为电动机轴上的输出转矩等于电动机的电磁转矩T=CMΦIa,他励电动机在磁通Φ不变的情况下,其机械特性可以由曲线n=f(Ia)来描述,因为
,故
CMΦIa,所以当Ia减小时,n减小,当R2增大时,n增大(由图也能看出)。
五、思考题
1、用什么方法可以改变直流电动机的转向?
直流他励电动机原理图
答:
①可以通过继电器、PLC等对电机的正反转控制;
②反接制动:
包括电源反接制动及倒拉反接制动。
2、当电动机负载转矩和励磁电流不变时,减小电枢端电压,为什么会引起电动机转速降低?
如右图,电枢电路电动势平衡方程:
,则电机的转速特性:
,又由电磁转矩方程:
,其中
和
为常数。
当电动机负载转矩和励磁电流不变时,可知电枢电流
不变,若此时减小电枢电压,转速n将降低。
3、在电动机轻载及额定负载时,增大电枢回路的调节电阻,电机的转速如何变化?
增大励磁回路的调节电阻,转速又如何变化?
由电磁转矩方程
可知,当电动机轻载时,电枢电流很小,由
可知增大电枢回路电阻电机转速变化很小;
当电机处在额定负载时,如果增大电枢回路的调节电阻电机转速将有较大幅度的降低。
增大励磁回路的调节电阻,励磁电流降低,
减小,由
可知,不管电机处于轻载还是额定负载,其转速均增大。
4、当电动机负载转矩和电枢端电压不变,减小励磁电流会让转速升高,为什么?
显然励磁电流降低,磁链
减小,由机械特性方程
可知转速与磁通成反比,而减小励磁电流会使磁通减小,电机转速降升高。
5、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“飞车”?
为什么?
并励电动机的机械特性方程为:
,可知当磁场回路断线时,磁链
为零,此时不管电机处于空载、轻载还是额定载荷,电机将发生飞车事故。
6、回馈制动实验中,如何判别电动机运行在理想空载点?
电动机运行在理想空载点时有两个基本特性,即T=0和
。
实验中转速测量仪不易读准转速,因此判别电动机的理想空载点的依据是实验电路中的
表的电流值为0。
电枢电流为零,输出转矩为零,电动机空载。
六、实验心得
该实验用校正直流测功机MG,按他励发电机连接,作为直流电动机的负载,导致实验过程中连线过多复杂,容易出安全事故和浪费时间,能否更改负载,比如他励电动机能耗制动,把负载改成重物,n=f(T)来描述制动特性。
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