《电力机车电机》实验指导书
实验一 直流电机认识实验
一．实验目的
1．学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。
2．认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。
3．熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机方向与调速的方法。
二．预习要点
1．如何正确选择使用仪器仪表。特别是电压表、电流表的量程。
2．直流他励电动机起动时，为什么在电枢回路中需要串联起动变阻器？不连接会产生什么严重后果？
3．直流电动机起动时，励磁回路连接的磁场变阻器应调至什么位置？为什么？若励磁回路断开造成失磁时，会产生什么严重后果？
4．直流电动机调速及改变转向的方法。
三．实验项目
1．了解MEL 系列电机系统教学实验台中的直流稳压电源、涡流测功机、变阻器、多量程直流电压表、电流表、毫安表及直流电动机的使用方法。
2．用伏安法测直流电动机和直流发电机的电枢绕组的冷态电阻。 3．直流他励电动机的起动，调速及改变转向。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）
2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）或电机导轨及校正直流发电机 3．直流并励电动机M03
4．220V 直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部） 5．电机起动箱（MEL-09）。
6．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。
五．实验说明及操作步骤
1．由实验指导人员讲解电机实验的基本要求，实验台各面板的布置及使用方法，注意事项。
2．在控制屏上按次序悬挂MEL-13、MEL-09组件，并检查MEL-13和涡流测功机的连接。
3．直流仪表、转速表和变阻器的选择。
直流仪表、转速表量程是根据电机的额定值和实验中可能达到的最大值来选择，变阻器根据实验要求来选用，并按电流的大小选择串联，并联或串并联的接法。
（1）电压量程的选择
如测量电动机两端为220V 的直流电压，选用直流电压表为300V 量程档。 （2）电流量程的选择。
因为直流并励电动机的额定电流为1.1A ，测量电枢电流的电表可选用2A 量程档，额定励磁电流小于0.16A ，测量励磁电流的毫安表选用200mA 量程档。
（3）电机额定转速为1600r/min，若采用指针表和测速发电机，则选用1800r/min量程档。若采用光电编码器，则不需要量程选择。
（4）变阻器的选择
变阻器选用的原则是根据实验中所需的阻值和流过变阻器最大的电流来确定。在本实验中，电枢回路调节电阻选用MEL-09组件的100Ω/1.22A电阻，磁场回路调节选用MEL-09的3000Ω/200mA可调电阻。
4．直流电动机的起动 R 1：电枢调节电阻（MEL-09） R f ：磁场调节电阻（MEL-09） M ：直流并励电动机M03： G ：涡流测功机
I S ：电流源，位于MEL-13，由“转矩设定”电位器进行调节。实验开始时，将MEL-13“转速控制”和“转矩控制”选择开关板向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针旋到底。 U 1：可调直流稳压电源
U 2：直流电机励磁电源
V 1：可调直流稳压电源自带电压表
V 2：直流电压表，量程为300V 档，位于MEL-06 A ：可调直流稳压电源自带电流表 mA ：毫安表，位于直流电机励磁电源部。
（1）按图1-1接线，检查M 、G 之间是否用联轴器联接好，电机导轨和MEL-13的连接线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确选择。
（2）将电机电枢调节电阻R 1调至最大，磁场调节电阻调至最小，转矩设定电位器（位于MEL-13）逆时针调到底。
（3）开启控制屏的总电源控制钥匙开关至“开”位置，按次序按下绿色“闭合”按钮开关，打开励磁电源船形开关和可调直流电源船形开关，按下复位按钮，此时，直流电源的绿色工作发光二极管亮，指示直流电压已建立，旋转电压调节电位器，使可调直流稳压电源输出220V 电压。
（4）减小R 1电阻至最小。 5．调节他励电动机的转速。
（1）分别改变串入电动机M 电枢回路的调节电阻R 1和励磁回路的调节电阻R f 。
（2）调节转矩设定电位器，注意转矩不要超过1.1N.m ，以上两种情况可分别观察转速变化情况。
6．改变电动机的转向
将电枢回路调节电阻R 1调至最大值，“转矩设定”电位器逆时针调到零，先断开可调直流电源的船形开关，再断开励磁电源的开关，使他励电动机停机，将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述起动电机，观察电动机的转向及转速表的读数。
六．注意事项
1．直流他励电动机起动时，须将励磁回路串联的电阻R f 调到最小，先接通励磁电源，使励磁电流最大，同时必须将电枢串联起动电阻R 1调至最大，然后方可接通电源，使电动机正常起动，起动后，将起动电阻R 1调至最小，使电机正常工作。
2．直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时，必须将电枢串联电阻R 1调回最大值，励磁回路串联的电阻R f 调到最小值，给下次起动作好准备。
3．测量前注意仪表的量程及极性，接法。
七．实验报告
1. 画出直流他励电动机电枢串电阻起动的接线图。说明电动机起动时，起动电阻R 1 和磁场调节电阻R f 应调到什么位置？为什么？
2. 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？
3. 用什么方法可以改变直流电动机的转向？
实验二 直流发电机运行特性实验
一．实验目的
掌握用实验方法测定直流他励发电机的运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。
二．预习要点
1．什么是发电机的运行特性？对于不同的特性曲线，在实验中哪些物理量应保持不变，而哪些物理量应测取。
2. 做空载试验时，励磁电流为什么必须单方向调节？
三．实验项目
1．空载特性：保持n =n N ，使I=0，测取Uo=f（I f ）。 2．外特性：保持n =n N ，使I f =IfN ，测取U=f（I ）。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）。
2．电机导轨及测功机，转矩转速测量组件（MEL-13）或电机导轨及转速表。 3．直流稳压电源（位于主控制屏下部）。 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。 5．波形测试及开关板（MEL-05）。 6．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。 7．三相可调电阻90Ω（MEL-04）。 8．电机起动箱（MEL-09）。
五．实验说明及操作步骤
按图1-2接线
G ：直流发电机M01，P N =100W，
U N =200V，I N =0.5A，N N =1600r/min M ：直流电动机M03，按他励接法 S 1、S 2：双刀双掷开关，位于MEL-05 R 1：电枢调节电阻100Ω/1.22A，位于MEL-09。
R f1：磁场调节电阻3000Ω/200mA ，位于MEL-09。
R f2：磁场调节变阻器，采用MEL-03最上端900Ω变阻器，并采用分压器接法。
R 2：发电机负载电阻，采用
MEL-03中间端和下端变阻器，采用串并联接法，阻值为2250Ω（900Ω与900Ω电阻串联加上900Ω与900Ω并联）。调节时先调节串联部分，当负载电流大于0.4A 时用并联部分，并将串联部分阻值调到最小并用导线短接以避免烧毁熔断器。
mA 1、A 1：分别为毫安表和电流表，位于直流电源上。 U 1、U 2：分别为可调直流稳压电源和电机励磁电源。
V 2、mA 2、A 2：分别为直流电压表（量程为300V 档），直流毫安表（量程为200mA 档），直流安倍表（量程为2A 档）
（1）空载特性
a ．打开发电机负载开关S 2，合上励磁电源开关S 1，接通直流电机励磁电源，调节R f2，使直流发电机励磁电压最小，mA 2读数最小。此时，注意选择各仪表的量程。
b ．调节电动机电枢调节电阻R 1至最大，磁场调节电阻R f1至最小，起动可调直流稳压电源（先合上对应的船形开关，再按下复位按钮，此时，绿色工作发光二极管亮，表明直流电压已正常建立），使电机旋转。
b ．从数字转速表上观察电机旋转方向，若电机反转，可先停机，将电枢或励磁两端接线对调，重新起动，则电机转向应符合正向旋转的要求。
d ．调节电动机电枢电阻R 1至最小值，可调直流稳压电源调至220V ，再调节电动机磁场电阻R f1，使电动机（发电机）转速达到1600r/min（额定值），并在以后整个实验过程中始终保持此额定转速不变。
e ．调节发电机磁场电阻R f2，使发电机空载电压达V 0=1.2UN （240V ）为止。 f ．在保持电机额定转速（1600r/min）条件下，从U O =1.2UN 开始，单方向调节分压器电阻R f2，使发电机励磁电流逐次减小，直至I f2=o。
每次测取发电机的空载电压U O 和励磁电流If 2, 只取7-8组数据，填入表1-1中，其中U O =UN 和If 2=O两点必测，并在U O =UN 附近测点应较密。
（2）外特性
a ．在空载实验后，把发电机负载电阻R 2调到最大值（把MEL-03中间和下端的变阻器逆时针旋转到底），合上负载开关S 2。
b ．同时调节电动机磁场调节电阻R f1，发电机磁场调节电阻R f2和负载电阻R 2，使发电机的n=nN ,U=UN （200V ），I=IN （0.5A ），该点为发电机的额定运行点，其励磁电流称为额定励磁电流I f2N = A.
c ．在保持n=nN 和I f2=If2N 不变的条件下，逐渐增加负载电阻，即减少发电机负载电流，在额定负载到空载运行点范围内，每次测取发电机的电压U 和电流I ，直到空载（断开开关S 2），共取6-7
组数据，填入表1-2中。其中额定和空载两点必测。
表1-2 n=n1. 起动直流电动机时，先把R 1调到最大，R f2 调到最小，起动完毕后，再把R 1调到最
小。
2. 做外特性时，当电流超过0.4安时，R 2中串联的电阻必须调至零，以免损坏。 七．实验报告
1. 根据空载实验数据，作出空载特性曲线，由空载特性曲线计算出被试电机的饱和系数和剩磁电压的百分数。
2. 绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。
八．思考题
1. 并励发电机不能建立电压有哪些原因？
2. 在发电机一电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会变低？
为了保持发电机的转速n =n N ，应如何调节？
实验三 单相变压器
一．实验目的
1. 通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数。
二．预习要点
1. 变压器的空载和短路实验有什么特点？实验中电源电压一般加在哪一方较合适？ 2. 在空载和短路实验中，各种仪表应怎样联接才能使测量误差最小？ 3. 如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗。
三．实验项目
1. 空载实验 测取空载特性U O =f(IO ) ，P O =f(UO ) 。 2. 短路实验 测取短路特性U K =f(IK ) ，P K =f(IK ) 。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏（含交流电压表、交流电流表） 2．功率及功率因数表（NMEL-20或含在主控制屏内）
3．三相组式变压器（NMEL-01）或单相变压器（在主控制屏的右下方） 4．三相可调电阻900Ω（NMEL-03） 5．旋转指示灯及开关板（NMEL-05） 6．三相可调电抗（NMEL-08）
五．实验方法
1．空载实验
实验线路如图2-1。
变压器T 选用NMEL-01三相组式变压器中的一只或单独的组式变压器。实验时，变压器低压线圈2U1、2U2接电源，高压线圈1U1、1U2开路。
A 、V 1、V 2分别为交流电流表、交流电压表。具体配置由所采购的设备型号不同由所差别。若设备为MEL-Ⅰ系列，则交流电流表、电压表为指针式模拟表，量程可根据需要选择；若设备为MEL-Ⅱ系列，则上述仪表为智能型数字仪表，量程可自动也可手动选择。仪表数量也可能由于设备型号不同而不同。若电压表只有一只，则只能交替观察变压器的原、副边电压读数，若电压表有二只或三只，则可同时接上仪表。
W 为功率表，根据采购的设备型号不同，或在主控屏上或为单独的组件（MEL-20或MEL-24），接线时，需注意电压线圈和电流线圈的同名端，避免接错线。
a ．在三相交流电源断电的条件下，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底。并合理选择各仪表量程。
变压器T 额定容量P N =77W，U 1N /U2N =220V/55V，I 1N /I2N =0.35A/1.4A
b ．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U 0=1.2UN ，（读测取变压器的U 0、I 0、P 0。）
c ．然后，逐次降低电源电压，在1.2~0.5UN 的范围内；测取变压器的U 0、I 0、P 0，共取6~7组数据，记录于表2-1中。其中U=UN 的点必须测，并在该点附近测的点应密些。为了计算变压器的变化，在U N 以下测取原方电压的同时测取副方电压，填入表2-1中。
e ．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
2．短路实验
实验线路如图2-2。（每次改接线路时，都要关断电源）
实验时，变压器T 的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。
A 、V 、W 分别为交流电流表、电压表、功率表，选择方法同空载实验。 a ．断开三相交流电源，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即使输出电压为零。 b ．合上交流电源绿色“闭合”开关，接通交流电源，逐次增加输入电压，直到短路电流等于1.1I N 为止。在0.5~1.1IN 范围内测取变压器的U K 、I K 、P K ，共取6~7组数据记录于
表2-2中，其中I=IK 的点必测。并记录实验时周围环境温度（℃）。
表2-2 室温θ= ℃
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。
七．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／U 2U1. 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(IO ) ，P O =f(UO ) ，cos ϕO =f(UO ) 。 式中：cos ϕo =
P O
U O I O
(2)计算激磁参数
从空载特性曲线上查出对应于Uo=UN 时的I O 和P O 值，并由下式算出激磁参数
r m =
P o
2I o
Z m =
U o
I o
22
X m =Z m -r m
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(IK ) 、P K =f(IK ) 、cos ϕK =f(IK ) 。 （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 =IN 时的U K 和P K 值，由下式算出实验环境 温度为θ（C ）短路参数。
'
Z K =
O
U K
I K
r K ' =
P K 2 I K
2
2
折算到低压方
Z K =
' Z K
' ' ' X K =Z K -r K
K 2
'
r K
,
r K =
K 2
,
X K =
' X K
K 2
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O
度75C 时的阻值。
234. 5+75
r K 75o C =r K θ
234. 5+θ
Z
K 75O C
2
=r K 75O C +X K
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
U K =
U Kr =U KX =
I N Z K 75o C
U N
U N
⨯100%
I N r K 75o C
⨯100%
I N X K
⨯100% U N
2
I K = IN 时的短路损耗p KN =I N r K 75O C
4. 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。
实验四 三相鼠笼异步电动机的工作特性
一．实验目的
1．掌握三相异步电机的空载、堵转和负载试验的方法。 2．用直接负载法测取三相鼠笼异步电动机的工作特性。 3．测定三相笼型异步电动机的参数。
二．预习要点
1．异步电动机的工作特性指哪些特性？
2．异步电动机的等效电路有哪些参数？它们的特理意义是什么？ 3．工作特性和参数的测定方法。
三．实验项目
1．测量定子绕组的冷态电阻。 2．判定定子绕组的首未端。 3．空载试验。 4．短路试验。 5．负载试验。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及测功机、矩矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。
3．交流功率、功率因数表（MEL-20或MEL-24或含在实验台主控制屏上）。 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06或含在实验台主控制屏上）。 5．三相可调电阻器900Ω（MEL-03）。 6．波形测试及开关板（MEL-05）。 7．三相鼠笼式异步电动机M04。
五．实验方法及步骤
1．测量定子绕组的冷态直流电阻。
准备：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芯的温度。当所测
（1）伏安法 测量线路如图3-1。
S1，S2：双刀双掷和单刀双掷开关，位于MEL-05。 R ：四只900Ω和900Ω电阻相串联（MEL-03）（3600Ω）。
A 、V ：直流毫安表和直流电压表，或采用MEL-06，或在主控制屏上。
量程的选择：测量时，通过的测量电流约为电机额定电流的10%，即为50mA ，因而直流毫安表的量程用200mA 档。三相笼型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50mA 时三端电压约为2.5V ，所以直流电压表量程用20V 档，实验开始前，合上开关S 1，断开开关S 2，调节电阻R 至最大（3600Ω）。
分别合上绿色“闭合”按钮开关和220V 直流可调电源的船形开关，按下复位按钮，调节直流可调电源及可调电阻R ，使试验电机电流不超过电机额定电流的10%，以防止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S 2读取电压值。读完后，先打开开关S 2，再打开开关S 1。
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3-1中。
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（选做）
用单臂电桥测量电阻时，应先将刻度盘旋到电桥能大致平衡的位置，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。测量完毕后，应先断开检流计，再断开电源，以免检流计受到冲击。记录数据于表3-2中。
电桥法测定绕组直流电阻准确度以灵敏度高，并有直接读数的优点。
2．判定定子绕组的首未端
先用万用表测出各相绕组的两个线端，将其中的任意二相绕组串联，如图3-2所示。 将调压器调压旋钮退至零位，合上绿色“闭合”按钮开关，接通交流电源，调节交流电源，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，如测得的电压有一定读数，表示两相绕组的未端与首端相联，如图3-2（a ）所示；反之，如测得电压近似为零，则二相绕组的未端与未端（或首端与首端）相连，如图3-2（b ）所示。用同样方法测出第三相绕组的首未端。
3．空载试验
测量电路如图3-3所示。电机绕组为△接法（U N =220伏），且电机不同测功机同轴联接，不带测功机。
a ．启动电压前，把交流电压调节旋钮退至零位，然后接通电源，逐渐升高电压，使电机启动旋转，观察电机旋转方向。并使电机旋转方向符合要求。
b ．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。 c ．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。
d ．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3-3中。
4．短路实验
测量线路如图3-3。将测功机和三相异步电机同轴联接。
a ．将起子插入测功机堵转孔中，使测功机定转子堵住。将三相调压器退至零位。 b ．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。
a ．在这范围内读取短路电压、短路电流、短路功率，共取4-5组数据，填入表3-4中。做完实验后，注意取出测功机堵转孔中的起子。
5．负载实验
选用设备和测量接线同空载试验。实验开始前，MEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。
a ．合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压，并在试验中保持此额定电压不变。
b ．调节测功机“转矩设定”旋钮使之加载，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。
c ．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、转矩等数据，共读取5-6组数据，记录于表3-5中。
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：
235+θref
r 1lef =r lc
235+θC
式中 r lef ——换算到基准工作温度时定子绕组的相电阻，Ω；
r 1c ——定子绕组的实际冷态相电阻，Ω；
θθ
ref c
——基准工作温度，对于E 级绝缘为75C ； ——实际冷态时定子绕组的温度，C 。
O
O
2. 作空载特性曲线：I 0、P 0、cos ϕ0=f(U0) 3. 作短路特性曲线：I K 、P K =f(UK )
4. 由空载、短路试验的数据求异步电机等效电路的参数。
(1)由短路试验数据求短路参数
短路阻抗
Z K =U K
(2)由空载试验数据求激磁回路参数 空载阻抗 Z o =空载电阻 r o =
U o
I o
P o
23I
o
2
空载电抗 X o =Z o -o 2
式中 U0、I 0、P 0 —— 相应于U 0为额定电压时的相电压、相电流、三相空载功率。 激磁电抗 X m =X O -X 1σ 激磁电阻 r m =
P Fe
23I o
式中 PFe 为额定电压时的铁耗，由图3-4确定。
5. 作工作特性曲线P 1、I 1、n 、η、s 、cos ϕ1=f(P2)
由负载试验数据计算工作特性，填入表3-6中。
表3-6 U1 = 220V（△） If = A
33
计算公式为：I 1= S =
A B C
1500-n
⨯100% 1500
P
cos ϕ1=1
3U 1I 1
P 2=0. 105nT 2 η=
P 2
⨯100% P 1
式中 I1——定子绕组相电流，A ；
U1——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 P Fe 机械损耗 P mec 定子铜耗 P CU 1=3I 12r 1 转子铜耗 P CU 2=
P em S
100
杂散损耗P ad 取为额定负载时输入功率的0.5％。 式中 P em ——电磁功率，W ； Pem = P1 -P cul - PFe 铁耗和机械损耗之和为：
P0′= PFe + Pmec = PO - 3IO r 1
2
' 2
为了分离铁耗和机械损耗，作曲线P O =f (U O ) ，如图3-4。
延长曲线的直线部分与纵轴相交于P 点，P 点的纵座标即为电动机的机械损耗P mec ，过P 点作平行于横轴的直线, 可得不同电压的铁耗P Fe 。
电机的总损耗ΣP = PFe + Pcul + Pcu2 + Pad
于是求得额定负载时的效率为：η=
P 1-∑P
⨯100% P 1
式中 P1、S 、I 1由工作特性曲线上对应于P 2为额定功率P N 时查得。
七．思考题
1. 由空载、短路试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. 从短路试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？
《电力机车电机》实验指导书
实验一 直流电机认识实验
一．实验目的
1．学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。
2．认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。
3．熟悉他励电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机方向与调速的方法。
二．预习要点
1．如何正确选择使用仪器仪表。特别是电压表、电流表的量程。
2．直流他励电动机起动时，为什么在电枢回路中需要串联起动变阻器？不连接会产生什么严重后果？
3．直流电动机起动时，励磁回路连接的磁场变阻器应调至什么位置？为什么？若励磁回路断开造成失磁时，会产生什么严重后果？
4．直流电动机调速及改变转向的方法。
三．实验项目
1．了解MEL 系列电机系统教学实验台中的直流稳压电源、涡流测功机、变阻器、多量程直流电压表、电流表、毫安表及直流电动机的使用方法。
2．用伏安法测直流电动机和直流发电机的电枢绕组的冷态电阻。 3．直流他励电动机的起动，调速及改变转向。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机系统教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）
2．电机导轨及测功机、转速转矩测量（MEL-13）或电机导轨及校正直流发电机 3．直流并励电动机M03
4．220V 直流可调稳压电源（位于实验台主控制屏的下部） 5．电机起动箱（MEL-09）。
6．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。
五．实验说明及操作步骤
1．由实验指导人员讲解电机实验的基本要求，实验台各面板的布置及使用方法，注意事项。
2．在控制屏上按次序悬挂MEL-13、MEL-09组件，并检查MEL-13和涡流测功机的连接。
3．直流仪表、转速表和变阻器的选择。
直流仪表、转速表量程是根据电机的额定值和实验中可能达到的最大值来选择，变阻器根据实验要求来选用，并按电流的大小选择串联，并联或串并联的接法。
（1）电压量程的选择
如测量电动机两端为220V 的直流电压，选用直流电压表为300V 量程档。 （2）电流量程的选择。
因为直流并励电动机的额定电流为1.1A ，测量电枢电流的电表可选用2A 量程档，额定励磁电流小于0.16A ，测量励磁电流的毫安表选用200mA 量程档。
（3）电机额定转速为1600r/min，若采用指针表和测速发电机，则选用1800r/min量程档。若采用光电编码器，则不需要量程选择。
（4）变阻器的选择
变阻器选用的原则是根据实验中所需的阻值和流过变阻器最大的电流来确定。在本实验中，电枢回路调节电阻选用MEL-09组件的100Ω/1.22A电阻，磁场回路调节选用MEL-09的3000Ω/200mA可调电阻。
4．直流电动机的起动 R 1：电枢调节电阻（MEL-09） R f ：磁场调节电阻（MEL-09） M ：直流并励电动机M03： G ：涡流测功机
I S ：电流源，位于MEL-13，由“转矩设定”电位器进行调节。实验开始时，将MEL-13“转速控制”和“转矩控制”选择开关板向“转矩控制”，“转矩设定”电位器逆时针旋到底。 U 1：可调直流稳压电源
U 2：直流电机励磁电源
V 1：可调直流稳压电源自带电压表
V 2：直流电压表，量程为300V 档，位于MEL-06 A ：可调直流稳压电源自带电流表 mA ：毫安表，位于直流电机励磁电源部。
（1）按图1-1接线，检查M 、G 之间是否用联轴器联接好，电机导轨和MEL-13的连接线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确选择。
（2）将电机电枢调节电阻R 1调至最大，磁场调节电阻调至最小，转矩设定电位器（位于MEL-13）逆时针调到底。
（3）开启控制屏的总电源控制钥匙开关至“开”位置，按次序按下绿色“闭合”按钮开关，打开励磁电源船形开关和可调直流电源船形开关，按下复位按钮，此时，直流电源的绿色工作发光二极管亮，指示直流电压已建立，旋转电压调节电位器，使可调直流稳压电源输出220V 电压。
（4）减小R 1电阻至最小。 5．调节他励电动机的转速。
（1）分别改变串入电动机M 电枢回路的调节电阻R 1和励磁回路的调节电阻R f 。
（2）调节转矩设定电位器，注意转矩不要超过1.1N.m ，以上两种情况可分别观察转速变化情况。
6．改变电动机的转向
将电枢回路调节电阻R 1调至最大值，“转矩设定”电位器逆时针调到零，先断开可调直流电源的船形开关，再断开励磁电源的开关，使他励电动机停机，将电枢或励磁回路的两端接线对调后，再按前述起动电机，观察电动机的转向及转速表的读数。
六．注意事项
1．直流他励电动机起动时，须将励磁回路串联的电阻R f 调到最小，先接通励磁电源，使励磁电流最大，同时必须将电枢串联起动电阻R 1调至最大，然后方可接通电源，使电动机正常起动，起动后，将起动电阻R 1调至最小，使电机正常工作。
2．直流他励电机停机时，必须先切断电枢电源，然后断开励磁电源。同时，必须将电枢串联电阻R 1调回最大值，励磁回路串联的电阻R f 调到最小值，给下次起动作好准备。
3．测量前注意仪表的量程及极性，接法。
七．实验报告
1. 画出直流他励电动机电枢串电阻起动的接线图。说明电动机起动时，起动电阻R 1 和磁场调节电阻R f 应调到什么位置？为什么？
2. 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？
3. 用什么方法可以改变直流电动机的转向？
实验二 直流发电机运行特性实验
一．实验目的
掌握用实验方法测定直流他励发电机的运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。
二．预习要点
1．什么是发电机的运行特性？对于不同的特性曲线，在实验中哪些物理量应保持不变，而哪些物理量应测取。
2. 做空载试验时，励磁电流为什么必须单方向调节？
三．实验项目
1．空载特性：保持n =n N ，使I=0，测取Uo=f（I f ）。 2．外特性：保持n =n N ，使I f =IfN ，测取U=f（I ）。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏（MEL-I 、MEL-IIA 、B ）。
2．电机导轨及测功机，转矩转速测量组件（MEL-13）或电机导轨及转速表。 3．直流稳压电源（位于主控制屏下部）。 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。 5．波形测试及开关板（MEL-05）。 6．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。 7．三相可调电阻90Ω（MEL-04）。 8．电机起动箱（MEL-09）。
五．实验说明及操作步骤
按图1-2接线
G ：直流发电机M01，P N =100W，
U N =200V，I N =0.5A，N N =1600r/min M ：直流电动机M03，按他励接法 S 1、S 2：双刀双掷开关，位于MEL-05 R 1：电枢调节电阻100Ω/1.22A，位于MEL-09。
R f1：磁场调节电阻3000Ω/200mA ，位于MEL-09。
R f2：磁场调节变阻器，采用MEL-03最上端900Ω变阻器，并采用分压器接法。
R 2：发电机负载电阻，采用
MEL-03中间端和下端变阻器，采用串并联接法，阻值为2250Ω（900Ω与900Ω电阻串联加上900Ω与900Ω并联）。调节时先调节串联部分，当负载电流大于0.4A 时用并联部分，并将串联部分阻值调到最小并用导线短接以避免烧毁熔断器。
mA 1、A 1：分别为毫安表和电流表，位于直流电源上。 U 1、U 2：分别为可调直流稳压电源和电机励磁电源。
V 2、mA 2、A 2：分别为直流电压表（量程为300V 档），直流毫安表（量程为200mA 档），直流安倍表（量程为2A 档）
（1）空载特性
a ．打开发电机负载开关S 2，合上励磁电源开关S 1，接通直流电机励磁电源，调节R f2，使直流发电机励磁电压最小，mA 2读数最小。此时，注意选择各仪表的量程。
b ．调节电动机电枢调节电阻R 1至最大，磁场调节电阻R f1至最小，起动可调直流稳压电源（先合上对应的船形开关，再按下复位按钮，此时，绿色工作发光二极管亮，表明直流电压已正常建立），使电机旋转。
b ．从数字转速表上观察电机旋转方向，若电机反转，可先停机，将电枢或励磁两端接线对调，重新起动，则电机转向应符合正向旋转的要求。
d ．调节电动机电枢电阻R 1至最小值，可调直流稳压电源调至220V ，再调节电动机磁场电阻R f1，使电动机（发电机）转速达到1600r/min（额定值），并在以后整个实验过程中始终保持此额定转速不变。
e ．调节发电机磁场电阻R f2，使发电机空载电压达V 0=1.2UN （240V ）为止。 f ．在保持电机额定转速（1600r/min）条件下，从U O =1.2UN 开始，单方向调节分压器电阻R f2，使发电机励磁电流逐次减小，直至I f2=o。
每次测取发电机的空载电压U O 和励磁电流If 2, 只取7-8组数据，填入表1-1中，其中U O =UN 和If 2=O两点必测，并在U O =UN 附近测点应较密。
（2）外特性
a ．在空载实验后，把发电机负载电阻R 2调到最大值（把MEL-03中间和下端的变阻器逆时针旋转到底），合上负载开关S 2。
b ．同时调节电动机磁场调节电阻R f1，发电机磁场调节电阻R f2和负载电阻R 2，使发电机的n=nN ,U=UN （200V ），I=IN （0.5A ），该点为发电机的额定运行点，其励磁电流称为额定励磁电流I f2N = A.
c ．在保持n=nN 和I f2=If2N 不变的条件下，逐渐增加负载电阻，即减少发电机负载电流，在额定负载到空载运行点范围内，每次测取发电机的电压U 和电流I ，直到空载（断开开关S 2），共取6-7
组数据，填入表1-2中。其中额定和空载两点必测。
表1-2 n=n1. 起动直流电动机时，先把R 1调到最大，R f2 调到最小，起动完毕后，再把R 1调到最
小。
2. 做外特性时，当电流超过0.4安时，R 2中串联的电阻必须调至零，以免损坏。 七．实验报告
1. 根据空载实验数据，作出空载特性曲线，由空载特性曲线计算出被试电机的饱和系数和剩磁电压的百分数。
2. 绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。
八．思考题
1. 并励发电机不能建立电压有哪些原因？
2. 在发电机一电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会变低？
为了保持发电机的转速n =n N ，应如何调节？
实验三 单相变压器
一．实验目的
1. 通过空载和短路实验测定变压器的变比和参数。
二．预习要点
1. 变压器的空载和短路实验有什么特点？实验中电源电压一般加在哪一方较合适？ 2. 在空载和短路实验中，各种仪表应怎样联接才能使测量误差最小？ 3. 如何用实验方法测定变压器的铁耗及铜耗。
三．实验项目
1. 空载实验 测取空载特性U O =f(IO ) ，P O =f(UO ) 。 2. 短路实验 测取短路特性U K =f(IK ) ，P K =f(IK ) 。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏（含交流电压表、交流电流表） 2．功率及功率因数表（NMEL-20或含在主控制屏内）
3．三相组式变压器（NMEL-01）或单相变压器（在主控制屏的右下方） 4．三相可调电阻900Ω（NMEL-03） 5．旋转指示灯及开关板（NMEL-05） 6．三相可调电抗（NMEL-08）
五．实验方法
1．空载实验
实验线路如图2-1。
变压器T 选用NMEL-01三相组式变压器中的一只或单独的组式变压器。实验时，变压器低压线圈2U1、2U2接电源，高压线圈1U1、1U2开路。
A 、V 1、V 2分别为交流电流表、交流电压表。具体配置由所采购的设备型号不同由所差别。若设备为MEL-Ⅰ系列，则交流电流表、电压表为指针式模拟表，量程可根据需要选择；若设备为MEL-Ⅱ系列，则上述仪表为智能型数字仪表，量程可自动也可手动选择。仪表数量也可能由于设备型号不同而不同。若电压表只有一只，则只能交替观察变压器的原、副边电压读数，若电压表有二只或三只，则可同时接上仪表。
W 为功率表，根据采购的设备型号不同，或在主控屏上或为单独的组件（MEL-20或MEL-24），接线时，需注意电压线圈和电流线圈的同名端，避免接错线。
a ．在三相交流电源断电的条件下，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底。并合理选择各仪表量程。
变压器T 额定容量P N =77W，U 1N /U2N =220V/55V，I 1N /I2N =0.35A/1.4A
b ．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U 0=1.2UN ，（读测取变压器的U 0、I 0、P 0。）
c ．然后，逐次降低电源电压，在1.2~0.5UN 的范围内；测取变压器的U 0、I 0、P 0，共取6~7组数据，记录于表2-1中。其中U=UN 的点必须测，并在该点附近测的点应密些。为了计算变压器的变化，在U N 以下测取原方电压的同时测取副方电压，填入表2-1中。
e ．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
2．短路实验
实验线路如图2-2。（每次改接线路时，都要关断电源）
实验时，变压器T 的高压线圈接电源，低压线圈直接短路。
A 、V 、W 分别为交流电流表、电压表、功率表，选择方法同空载实验。 a ．断开三相交流电源，将调压器旋钮逆时针方向旋转到底，即使输出电压为零。 b ．合上交流电源绿色“闭合”开关，接通交流电源，逐次增加输入电压，直到短路电流等于1.1I N 为止。在0.5~1.1IN 范围内测取变压器的U K 、I K 、P K ，共取6~7组数据记录于
表2-2中，其中I=IK 的点必测。并记录实验时周围环境温度（℃）。
表2-2 室温θ= ℃
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。
七．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／U 2U1. 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(IO ) ，P O =f(UO ) ，cos ϕO =f(UO ) 。 式中：cos ϕo =
P O
U O I O
(2)计算激磁参数
从空载特性曲线上查出对应于Uo=UN 时的I O 和P O 值，并由下式算出激磁参数
r m =
P o
2I o
Z m =
U o
I o
22
X m =Z m -r m
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(IK ) 、P K =f(IK ) 、cos ϕK =f(IK ) 。 （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 =IN 时的U K 和P K 值，由下式算出实验环境 温度为θ（C ）短路参数。
'
Z K =
O
U K
I K
r K ' =
P K 2 I K
2
2
折算到低压方
Z K =
' Z K
' ' ' X K =Z K -r K
K 2
'
r K
,
r K =
K 2
,
X K =
' X K
K 2
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O
度75C 时的阻值。
234. 5+75
r K 75o C =r K θ
234. 5+θ
Z
K 75O C
2
=r K 75O C +X K
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
U K =
U Kr =U KX =
I N Z K 75o C
U N
U N
⨯100%
I N r K 75o C
⨯100%
I N X K
⨯100% U N
2
I K = IN 时的短路损耗p KN =I N r K 75O C
4. 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。
实验四 三相鼠笼异步电动机的工作特性
一．实验目的
1．掌握三相异步电机的空载、堵转和负载试验的方法。 2．用直接负载法测取三相鼠笼异步电动机的工作特性。 3．测定三相笼型异步电动机的参数。
二．预习要点
1．异步电动机的工作特性指哪些特性？
2．异步电动机的等效电路有哪些参数？它们的特理意义是什么？ 3．工作特性和参数的测定方法。
三．实验项目
1．测量定子绕组的冷态电阻。 2．判定定子绕组的首未端。 3．空载试验。 4．短路试验。 5．负载试验。
四．实验设备及仪器
1．MEL 系列电机教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及测功机、矩矩转速测量（MEL-13、MEL-14）。
3．交流功率、功率因数表（MEL-20或MEL-24或含在实验台主控制屏上）。 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06或含在实验台主控制屏上）。 5．三相可调电阻器900Ω（MEL-03）。 6．波形测试及开关板（MEL-05）。 7．三相鼠笼式异步电动机M04。
五．实验方法及步骤
1．测量定子绕组的冷态直流电阻。
准备：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芯的温度。当所测
（1）伏安法 测量线路如图3-1。
S1，S2：双刀双掷和单刀双掷开关，位于MEL-05。 R ：四只900Ω和900Ω电阻相串联（MEL-03）（3600Ω）。
A 、V ：直流毫安表和直流电压表，或采用MEL-06，或在主控制屏上。
量程的选择：测量时，通过的测量电流约为电机额定电流的10%，即为50mA ，因而直流毫安表的量程用200mA 档。三相笼型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50mA 时三端电压约为2.5V ，所以直流电压表量程用20V 档，实验开始前，合上开关S 1，断开开关S 2，调节电阻R 至最大（3600Ω）。
分别合上绿色“闭合”按钮开关和220V 直流可调电源的船形开关，按下复位按钮，调节直流可调电源及可调电阻R ，使试验电机电流不超过电机额定电流的10%，以防止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S 2读取电压值。读完后，先打开开关S 2，再打开开关S 1。
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3-1中。
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（选做）
用单臂电桥测量电阻时，应先将刻度盘旋到电桥能大致平衡的位置，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。测量完毕后，应先断开检流计，再断开电源，以免检流计受到冲击。记录数据于表3-2中。
电桥法测定绕组直流电阻准确度以灵敏度高，并有直接读数的优点。
2．判定定子绕组的首未端
先用万用表测出各相绕组的两个线端，将其中的任意二相绕组串联，如图3-2所示。 将调压器调压旋钮退至零位，合上绿色“闭合”按钮开关，接通交流电源，调节交流电源，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，如测得的电压有一定读数，表示两相绕组的未端与首端相联，如图3-2（a ）所示；反之，如测得电压近似为零，则二相绕组的未端与未端（或首端与首端）相连，如图3-2（b ）所示。用同样方法测出第三相绕组的首未端。
3．空载试验
测量电路如图3-3所示。电机绕组为△接法（U N =220伏），且电机不同测功机同轴联接，不带测功机。
a ．启动电压前，把交流电压调节旋钮退至零位，然后接通电源，逐渐升高电压，使电机启动旋转，观察电机旋转方向。并使电机旋转方向符合要求。
b ．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。 c ．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。
d ．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3-3中。
4．短路实验
测量线路如图3-3。将测功机和三相异步电机同轴联接。
a ．将起子插入测功机堵转孔中，使测功机定转子堵住。将三相调压器退至零位。 b ．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。
a ．在这范围内读取短路电压、短路电流、短路功率，共取4-5组数据，填入表3-4中。做完实验后，注意取出测功机堵转孔中的起子。
5．负载实验
选用设备和测量接线同空载试验。实验开始前，MEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。
a ．合上交流电源，调节调压器使之逐渐升压至额定电压，并在试验中保持此额定电压不变。
b ．调节测功机“转矩设定”旋钮使之加载，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。
c ．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、转矩等数据，共读取5-6组数据，记录于表3-5中。
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：
235+θref
r 1lef =r lc
235+θC
式中 r lef ——换算到基准工作温度时定子绕组的相电阻，Ω；
r 1c ——定子绕组的实际冷态相电阻，Ω；
θθ
ref c
——基准工作温度，对于E 级绝缘为75C ； ——实际冷态时定子绕组的温度，C 。
O
O
2. 作空载特性曲线：I 0、P 0、cos ϕ0=f(U0) 3. 作短路特性曲线：I K 、P K =f(UK )
4. 由空载、短路试验的数据求异步电机等效电路的参数。
(1)由短路试验数据求短路参数
短路阻抗
Z K =U K
(2)由空载试验数据求激磁回路参数 空载阻抗 Z o =空载电阻 r o =
U o
I o
P o
23I
o
2
空载电抗 X o =Z o -o 2
式中 U0、I 0、P 0 —— 相应于U 0为额定电压时的相电压、相电流、三相空载功率。 激磁电抗 X m =X O -X 1σ 激磁电阻 r m =
P Fe
23I o
式中 PFe 为额定电压时的铁耗，由图3-4确定。
5. 作工作特性曲线P 1、I 1、n 、η、s 、cos ϕ1=f(P2)
由负载试验数据计算工作特性，填入表3-6中。
表3-6 U1 = 220V（△） If = A
33
计算公式为：I 1= S =
A B C
1500-n
⨯100% 1500
P
cos ϕ1=1
3U 1I 1
P 2=0. 105nT 2 η=
P 2
⨯100% P 1
式中 I1——定子绕组相电流，A ；
U1——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 P Fe 机械损耗 P mec 定子铜耗 P CU 1=3I 12r 1 转子铜耗 P CU 2=
P em S
100
杂散损耗P ad 取为额定负载时输入功率的0.5％。 式中 P em ——电磁功率，W ； Pem = P1 -P cul - PFe 铁耗和机械损耗之和为：
P0′= PFe + Pmec = PO - 3IO r 1
2
' 2
为了分离铁耗和机械损耗，作曲线P O =f (U O ) ，如图3-4。
延长曲线的直线部分与纵轴相交于P 点，P 点的纵座标即为电动机的机械损耗P mec ，过P 点作平行于横轴的直线, 可得不同电压的铁耗P Fe 。
电机的总损耗ΣP = PFe + Pcul + Pcu2 + Pad
于是求得额定负载时的效率为：η=
P 1-∑P
⨯100% P 1
式中 P1、S 、I 1由工作特性曲线上对应于P 2为额定功率P N 时查得。
七．思考题
1. 由空载、短路试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. 从短路试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？