5、6三相异步电动机工作特性与参数测定实验和启动调速实验

3-1 三相鼠笼异步电动机的工作特性

一、实验目的

1、掌握用日光灯法测转差率的方法。

2、掌握三相异步电动机的空载、堵转和负载试验的方法。 3、用直接负载法测取三相鼠笼式异步电动机的工作特性。 4、测定三相鼠笼式异步电动机的参数。

二、预习要点

1、用日光灯法测转差率是利用了日光灯的什么特性？ 2、异步电动机的工作特性指哪些特性？

3、异步电动机的等效电路有哪些参数？它们的物理意义是什么？ 4、工作特性和参数的测定方法。

三、实验项目

1、测定电机的转差率。 2、测量定子绕组的冷态电阻。 3、判定定子绕组的首末端. 4、空载实验。 5、短路实验。 6、负载实验。

四、实验方法

1、实验设备

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序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 型 号 DD03 DJ23 DJ16 D33 D32 D34-3 D31 D42 D51 名 称 导轨、测速发电机及转速表 校正过的直流电机 三相鼠笼异步电动机 交流电压表 交流电流表 单三相智能功率、功率因数表 直流电压、毫安、安培表 三相可调电阻器 波形测试及开关板 数 量 1件 1件 1件 1件 1件 1件 1件 1件 1件 2、屏上挂件排列顺序

D33、D32、D34-3、D31、D42、D51 三相鼠笼式异步电机的组件编号为DJ16。 3、用日光灯法测定转差率

日光灯是一种闪光灯，当接到50Hz电源上时，灯光每秒闪亮100次，人的视觉暂留时间约为十分之一秒左右，故用肉眼观察时日光灯是一直发亮的,我们就利用日光灯这一特性来测量电机的转差率。

（1）异步电机选用编号为DJ16的三相鼠笼异步电动机（UN=220V，Δ接法）极数2P=4。直接与测速发电机同轴联接，在DJ16和测速发电机联轴器上用黑胶布包一圈，再用四张白纸条（宽度约为3毫米），均匀地贴在黑胶布上。

60f1 1500 （2）由于电机的同步转速为 n 0  转 / 分  25 转 /秒 ，而日光灯P闪亮为100次/秒，即日光灯闪亮一次，电机转动四分之一圈。由于电机轴

上均匀贴有四张白纸条，故电机以同步转速转动时，肉眼观察图案是静止不动的（这个可以用直流电动机DJ15、DJ23和三相同步电机DJ18来验证）。

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（3）开启电源，打开控制屏上日光灯开关，调节调压器升高电动机电压，观察电动机转向，如转向不对应停机调整相序。转向正确后，升压至220V，使电机起动运转，记录此时电机转速。

（4）因三相异步电机转速总是低于同步转速，故灯光每闪亮一次图案逆电机旋转方向落后一个角度，用肉眼观察图案逆电机旋转方向缓慢移动。 （5）按住控制屏报警记录“复位”键，手松开之后开始观察图案后移的圈数，计数时间可订的短一些（一般取30秒）。将观察到的数据记录于表4-1中。

（6）停机。将调压器调至零位，关断电源开关。 表3-1

N（转） 转差率

t（秒） S（转差率） n（转/分） N60PntSN60f1tf1n0P 式中 t为计数时间，单位为秒。 N为t秒内图案转过的圈数。 f1为电源频率，50Hz。

（7）将计算出的转差率与实际观测到的转速算出的转差率比较。

4、测量定子绕组的冷态直流电阻。

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心的温度。当所测温度与冷却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

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测量线路图为图3-1。直流电源用主控屏上电枢电源先调到50V。开关S1、S2选用D51挂箱，R用D42挂箱上1800Ω可调电阻。

0-250V可调直流电枢电源-RS2S1电机定子一相绕组

++AV- 图3-1 三相交流绕组电阻测定

量程的选择：测量时通过的测量电流应小于额定电流的20%，约为50毫安，因而直流电流表的量程用200mA档。三相鼠笼式异步电动机定子一相绕组的电阻约为50Ω， 因而当流过的电流为50毫安时二端电压约为2.5伏，所以直流电压表量程用20V档。

按图3-1接线。把R调至最大位置，合上开关S1，调节直流电源及R阻值使试验电流不超过电机额定电流的20%，以防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3-2中。

表3-2 室温 ℃ I（mA） U（V） R（Ω）

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绕 组 Ⅰ 绕 组 Ⅱ 绕 组 Ⅲ 注意事项

<1> 在测量时，电动机的转子须静止不动。 <2> 测量通电时间不应超过1分钟。 (2) 电桥法

用单臂电桥测量电阻时，应先将刻度盘旋到电桥大致平衡的位置。然后按下电池按钮，接通电源，等电桥中的电源达到稳定后，方可按下检流计按钮接入检流计。测量完毕，应先断开检流计，再断开电源，以免检流计受到冲击。数据记录于表3-3中。

电桥法测定绕组直流电阻准确度及灵敏度高，并有直接读数的优点。 表3-3

R（Ω） 5、判定定子绕组的首末端

图3-2 三相交流绕组首末端测定

先用万用表测出各相绕组的两个线端，将其中的任意两相绕组串联，如图3-2所示。将控制屏左侧调压器旋钮调至零位，开启电源总开关，按下“开”按钮，接通交流电源。调节调压旋钮，并在绕组端施以单相低电压U=80～100V,注意电流不应超过额定值，测出第三相绕组的电压， 如测得的电压值

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绕 组 Ⅰ 绕 组 Ⅱ 绕 组 Ⅲ AAAAU=80～100VBYXZVU=0U=80～100VYXZVU=0CBC有一定读数，表示两相绕组的末端与首端相联，如图3-2(a)所示。反之，如测得电压近似为零，则两相绕组的末端与末端(或首端与首端)相联，如图3-2(b)所示。用同样方法测出第三相绕组的首末端。 6、空载实验

1) 按图3-3接线。电机绕组为Δ接法(UN=220V)，直接与测速发电机同轴联接，负载电机DJ23不接。

2) 把交流调压器调至电压最小位置，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( 如转向不符合要求需调整相序时，必须切断电源)。

3) 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。

VW*W*AVVVA*U*WAAIFRf+ 220V励磁电源MGIfMAVRL-

图3-3 三相鼠笼式异步电动机试验接线图

4) 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。

5) 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3-4中。

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表3-4 序 号 UAB U0L（V） UBC UCA U0L IA I0L（A） IB IC I0L PⅠ P0（W） P P0 cosφ0 7、短路实验

1) 测量接线图同图3-3。用制动工具把三相电机堵住。制动工具可用DD05上的圆盘固定在电机轴上，螺杆装在圆盘上。

2) 调压器退至零，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。 3) 在这范围内读取短路电压、短路电流、短路功率。 表 3-5 序 UKL（V） IA IKL（A） IB IC IKL PⅠ PK（W） PⅡ PK cosφK 号 UAB UBC UCA UKL 78

4) 共取数据5～6组记录于表3-5中。 8、负载实验

1) 测量接线图同图3-3。同轴联接负载电机。图中Rf用D42上1800Ω阻值，RL用D42上1800Ω阻值加上900Ω并联900Ω共2250Ω阻值。 2) 合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压并保持不变。 3) 合上校正过的直流电机的励磁电源，调节励磁电流至校正值( 50mA

或100mA)并保持不变。

4) 调节负载电阻RL（注：先调节1800Ω电阻，调至零值后用导线短接再调节450Ω电阻），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。

5) 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、直流电机的负载电流IF等数据。 6) 共取数据8～9组记录于表3-6中。 表3-6 U1φ=U1N=220V（Δ） If= mA 序 号 IA I1L（A） IB IC I1L 79

P1（W） PⅠ PⅡ P1 IF T2 n (A) (N·m) (r/min) 五、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：

r1refr1C235ref235C 式中 ｒ1ref —— 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 θ

ref c

——基准工作温度 ，对于E级绝缘为75℃；

——实际冷态时定子绕组的温度，℃；

2、作空载特性曲线：I0L、P0、cosφ0=f(U0L) 3、作短路特性曲线：IKL、PK=f(UKL)

4、由空载、短路实验数据求异步电机的等效电路参数。 (1) 由短路实验数据求短路参数

短路阻抗： Z K

UKIK3UKLIKLPKPKr2 短路电阻： K3I2IKLK

22 短路电抗： X K  Z KrK

IKLUU , I ，PK——电动机堵转时的相电压，相电 式中 K KL K

3流，三相短路功率（Δ接法）。

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转子电阻的折合值：

'rKr1C r 2≈

式中r1C是没有折合到75℃时实际值。 定、转子漏抗：

XK1 X ≈X ≈ 2

'2 (2) 由空载试验数据求激磁回路参数

空载阻抗 Z 0 

空载电阻

空载电抗 X0Z02r02

式中 U 0  U 0L ,   I 0L ，P0——电动机空载时的相电压、相电流、三相 I03空载功率（Δ接法）。 激磁电抗 X mX0X1

U0I03U0LI0Lr0P0P0223I0I0LPFePFer 激磁电阻 m 2 I23 I00L

式中PFe为额定电压时的铁耗，由图3-4确定。

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P0'2P0'f(U0)PFeKPmecOU2NU02

图3-4 电机中铁耗和机械耗

5、作工作特性曲线P1、I1、η、S、cosφ1=f(P2)。 由负载试验数据计算工作特性，填入表3-7中。 表3-7 U1=220V(Δ) If = mA 电动机输入 序 号

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电动机输出 T2 n P2 (W) 计 算 值 S (%) I1 (A) P1 (W) η (%) (N·m) (r/min) cosφ1 计算公式为：

3331500nS100%1500P1cos13U1I1P20.105nT2I1I1LIAIBICP2100%P1 式中 I 1 ——定子绕组相电流，A；  U 1 ——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

23I 定子铜耗： P CU11r1PemPSCU2 转子铜耗： 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；

铁耗和机械损耗之和为：

2P0'PFePmecP0I0r1‘2(U 为了分离铁耗和机械损耗，作曲线 P 0  f 0 ) ，如图4-4。

PemP1Pcu1PFe

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延长曲线的直线部分与纵轴相交于K点，K点的纵座标即为电动机的机械损耗Pmec，过K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

PPFePcu1Pcu2PadPmec 于是求得额定负载时的效率为：

PP1P1100%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。

六、思考题

1、由空载、短路实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、从短路实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？

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3-2 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、直接起动

2、星形——三角形(Y-Δ)换接起动。 3、自耦变压器起动。

4、线绕式异步电动机转子绕组串入可变电阻器起动。 5、线绕式异步电动机转子绕组串入可变电阻器调速。

四、实验方法

1、实验设备 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 型 号 DD03 DJ16 DJ17 DJ23 D31 D32 D33 D43 名 称 导轨、测速发电机及转速表 三相鼠笼异步电动机 三相线绕式异步电动机 校正过的直流电机 直流电压、毫安、安培表 交流电流表 交流电压表 三相可调电抗器 85

数 量 1件 1件 1件 1件 1件 1件 1件 1件 9 10 11 D51 DJ17-1 DD05 波形测试及开关板 起动与调速电阻箱 测功支架、测功盘及弹簧秤 1件 1件 1套 2、屏上挂件排列顺序

D33、D32、D51、D31、D43 3、三相鼠笼式异步电机直接起动试验

WVVUA 图3-5 异步电动机直接起动

1) 按图3-5接线。电机绕组为Δ接法。异步电动机直接与测速发电机同轴联接，不联接负载电机DJ23。

2) 把交流调压器退到零位，开启电源总开关，按下“开”按钮，接通三相交流电源。

3) 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，(如电机旋转方向不符合要求需调整相序时，必须按下“关”按钮，切断三相交流电源)。

4)再按下“关”按钮，断开三相交流电源，待电动机停止旋转后，按下 “开”按钮，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(按指针式电流表偏转的最大位置所对应的读数值定性计量)。

5) 断开电源开关，将调压器退到零位，电机轴伸端装上圆盘（注：圆盘直径为10cm）和弹簧秤。

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6) 合上开关，调节调压器，使电机电流为2～3倍额定电流，读取电压值UK、电流值IK，转矩值TK(圆盘半径乘以弹簧秤力)， 试验时通电时间不应超过10秒，以免绕组过热。对应于额定电压时的起动电流ISt和起动转矩TSt按下式计算：

DTKF()2UIst(N)IKUK2IstTst(2)TKIK 式中 IK——起动试验时的电流值，A； TK——起动试验时的转矩值，N·m。 表3-8

测 量 值 UK(V)

4、星形——三角形(Y-Δ)起动

图3-6 三相鼠笼式异步电机星形——三角形起动

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计 算 值 F(N) TK(N·m) ISt(A) Tst(N·m) IK(A) BUAAXCVYVWCZASY 1) 按图3-6接线。线接好后把调压器退到零位。

2) 三刀双掷开关合向右边(Y接法)。合上电源开关，逐渐调节调压器使升压至电机额定电压220伏，打开电源开关，待电机停转。

3) 合上电源开关，观察起动瞬间电流，然后把S合向左边，使电机(Δ)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以与其它起动方法作定性比较。 5、自耦变压器起动。

1) 按图3-7接线。电机绕组为Δ接法。

2) 三相调压器退到零位，开关S合向左边。自耦变压器选用D43挂箱。 3) 合上电源开关，调节调压器使输出电压达电机额定电压220伏，断开电源开关，待电机停转。

4) 开关S合向右边，合上电源开关，使电机由自耦变压器降压起动( 自耦变压器抽头输出电压分别为电源电压的40%、60%和80%)并经一定时间

WVVSUAV 图3-7 三相鼠笼式异步电动机自耦变压器法起动

再把S合向左边，使电机按额定电压正常运行，整个起动过程结束。 观察

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起动瞬间电流以作定性的比较。

6、线绕式异步电动机转子绕组串入可变电阻器起动

电机定子绕组Y形接法

UA15Ω5Ω2Ω 15Ω5Ω2ΩVVW 图3-8 线绕式异步电机转子绕组串电阻起动

15Ω5Ω2Ω 1) 按图3-8接线。

2) 转子每相串入的电阻可用DJ17-1起动与调速电阻箱。 3) 调压器退到零位，轴伸端装上圆盘和弹簧秤。

4) 接通交流电源，调节输出电压(观察电机转向应符合要求)，在定子电压为180伏，转子绕组分别串入不同电阻值时，测取定子电流和转矩。 5) 试验时通电时间不应超过10秒以免绕组过热。数据记入表3-9中。 表3-9

Rst(Ω) F(N) Ist(A) Tst(N·m) 0 2 5 15 7、线绕式异步电动机转子绕组串入可变电阻器调速

1) 实验线路图同图4-8。同轴联接校正直流电机MG作为线绕式异步电

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动机M的负载，MG的实验电路参考图2-5左接线。电路接好后，将M的转子附加电阻调至最大。

2) 合上电源开关，电机空载起动， 保持调压器的输出电压为电机额定电压220伏，转子附加电阻调至零。

3) 调节校正电机的励磁电流If为校正值(100mA或50mA)，再调节直流发电机负载电流，使电动机输出功率接近额定功率并保持这输出转矩T2不变，改变转子附加电阻(每相附加电阻分别为0Ω、2Ω、5Ω、15Ω)， 测相应的转速记录于表3-10中。

表 3-10 U=220V If= mA T2= N·m

rst(Ω) n(r/min) 0 2 5 15 五、实验报告

1、比较异步电动机不同起动方法的优缺点。

2、由起动试验数据求下述三种情况下的起动电流和起动转矩： (1) 外施额定电压UN。(直接法起动) (2) 外施电压为 U 。(Y-Δ起动) N 3 (3) 外施电压为UK/KA,式中KA为起动用自耦变压器的变比。(自耦变压器起动)。

3、线绕式异步电动机转子绕组串入电阻对起动电流和起动转矩的影响。 4、线绕式异步电动机转子绕组串入电阻对电机转速的影响。

六、思考题

1、起动电流和外施电压成正比，起动转矩和外施电压的平方成正比在什么情况下才能成立？

2、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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