第六章异步电机试验

来源: | 作者:成娅秦治业 | 发布时间: 2024-05-06 | 2092 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:

第六章异步电机实验

§6-1三相异步电动机的工作特性

一、实验目的

掌握三相异步电动机的工作特性及参数的测量方法。

二、预习要点

1.作异步电动机的空载、短路试验应注意哪些事项?

2.如何用空载,短路试验数据求参数?

3.掌握实验室电动机加负载的方法,测取工作特性时应保持哪些条件不变?测量哪些数据?

4.求异步电动机的工作特性有哪些方法?并比较其优越点。

三、实验内容和实验设备

(一)本次实验主要内容

1.测量定子绕组冷态电阻。

2.测量定子绕组的首末端。

3.作空载、短路试验。

4.作负载试验。

(二)主要仪器设备

1.DJT-I实验台;

+电源 DY03、DY04;模块DY03,DM05,OM07,OM08,DM09,DM21。

2.SDF-4 型或SOF-5型电动发电机组:

3.低功率因数瓦特表,低量程交流电流表;

4.ZFX-R 负载箱。

四、实验说明

(一)测量定子绕组冷态电阻可用伏安法或电桥法，记录当时室温。

(二)测定三相交流绕组的首末端先用万用表出各相绕组的两个出线端,将其中的任意两相绕组串联，

施以单相低电压U=80~100伏,注意电流不应超过额过值,如图6-1所示,测第三相绕组的电压,如测得的电压有一定读数,表示两相绕组的末端与首端相联。反之，

图6-1 三相交流绕组首末端测定

如测得的电压U'≈0,则表示两相绕组的末端与末端(或首端与首端)相联。用同样方法测出第三相绕组的首末端。

(三)空载试验按图6-2接线，图中功率表应为低功率因数的瓦特表。

将调压器输出电压调至零位,闭合开关K,，逐渐升高电压,起动电动机。保持电动机在额定电压下空载运行数分钟,待机械摩擦稳定后再进行试验,调节外施电压由1.2U逐渐降低，直到转差率显著增大,定子电流开始回升为止。每次测量空载电压、空载电流、空载功率，共取读数7~9组，注意在U、附近应多测几点,记录于表6-1。

表6-1

(四) 短路试验试验接线同图6-2,但应注意变更仪表量程,先检查 DY04电动机转动方向，再堵住转子,注意防止制动工具抛出伤害周围人员,调节K电动机外施电压,使短路电流迅速升到1.2I，再逐级降至0.3Iv，共取读数4~5组，其中应记下短路电流等于 BTDMO3或接近额定电流值那一点，当定子电流调到所需值时,立即同时读取三相(DM21)|W短路电流、短路电压、短路功率,记录 ②内④于表6-2中此试验动作要迅速,因为

此时电机不转，散热条件差,定子绕组可能过热。

图6-2 三相异步电动机的空载实验接线图

表6-2

(五)负载试验在实验室中异步电动机常用的负载有两种,分析过的直流发电机和涡流测功器。以分析过的直流发电机作负载,接线如图6-3所示。

图6-3 三相异步电动机的负载试验接线图

试验步骤如下:合开关K₁,K₂,起动电动机一直流发电机组,合K,逐步增加直流发电机负载，以使电动机负载电流上升到1.25I_N,然后保持电动机外施电压U₁=U_n,调节直流发电机励磁电流到规定值并保持不变,逐步减小负载电流,每次记录电动机的三相电流、输入功率、转速以及直流发电机的电枢电流和转速,直至空载,共取读5~6组，记录于表6-3中(电动机的工作特性应在接近正常工作温度后测取,如条件许可,负载试验应在电机温升试验后进行)。

以测功器作负载，

调节测功器的励磁电流,即可调节电动机负载的大小,且负载转距M可以直接从测功器的刻度盘上读出。试验步骤同上,使电动机电流从1.25I_N逐渐减小至空载(测功器励磁电流减小到零)，记录电动机的三相电流、输入功率、转速及负载转距M₂

五、实验报告

(一)计算基准工作温度时的相电阻

如果定子绕组有首末端引出,可直接测得每相电阻值,如果三相绕组在电机内部接成接法,则相电阻下式计算:

r₁=1/2r

如果三相绕组在电机内部接成△接法,则相电阻按下式计算:

r₁=3/2r

式中r为在电动机出线端上量得的三个电阻值的算术平均值。应换算到基准工作温度时的相电阻值

(二)作空载特性曲线I₀、P₀、cosα=∫（U₀)及短路特性曲线I_k=∫(U_k)

(三)由空载、短路试验数据据求简化R Pmec的等值线路参数

1、确定机械耗及铁耗作曲线p'。=P₀-3I²₀=∫(U²₀)图6-4所示,延长曲线交纵轴于k点,k点的纵坐标即为机 U械耗，过k点作点划线平行于横轴,即可得相应于不同电压值的铁耗P_Fe。

2.求激磁参数

由空载试验数据U。I₀所得参数求得Z₀=U₀_α/I₀_α₌Z₁+Z_m=r₁+jx₁_ɑ+r_m+jx_m

因r_1,r₁_ɑr_m ≦X_M

激磁电抗X_M ≈U₀_α/I₀_α

激磁电阻 R_M ≈P_Fe/3I₀_α²

式中Uon、I空载额定相电压、相电流。

3. 求短路参数短路阻抗

短路电阻 z_k=U₀_α/I₀_α

短路电抗 r_k=P_k/3I_K_α²

式中U₀_αI₀_α-----相应于I_K=I_N时的相电压、相电流;

p_k--三相短路功率。

转子电阻的折合值r'₂≈r_k-r₁

定子、转子漏抗 x₁_α=x’₂_α=x_k/2

(四)按表6-3试验数据，计算工作特性,填人表6-4。

表中

P₁=P₁±P₁

I₁=1/3(I_A+I_B+I_C)

M₂---电动机输出转矩,即直流发电机输入转矩M，由直流发电机电枢电流I_F,查直流机校正

曲线 M=f(l_F)而得。相应的电动机输出功率为: P₂=0.105nM₂(瓦)

Cosα₁=P₁/√3U₁I₁

以表6-4数据画工作特性曲线P₁、I₁、M₂、s、cosα、η=f(P₂)。

(五)用损耗分析法求效率电动机的总损耗为

∑p=p_me_c+p_Fe+P_Cm1+p_c_M₂+P_od

其中铁耗P_Fe机械耗P_mec由空载损耗分析得。

定子绕组铜耗 Pcm₁=3I_α²÷r_w

式中 I_α一相电流;

r_w--基准工作温度时定子绕组相电阻。转子绕组铜耗

P_Cm1=P_cm/100 s

式中 P_cm=P₁-P_Cm₁-P_F_e

S------输人功率为P1时的转差率

杂散耗P_ad可实测，或选取P_ad=1~3%P_N_,极对数少者取较大值,对于非额定输出的各点,用以下公式换算:

P_ad=P_adN(I/I_N)²

式中I--各点的定子电流;

I_N一额定电流。

上述各项损耗算出后,即可求出P₂与 η。

P₂=P₁-∑p=p₁-(P_Fe+p_mec+p_Cu1+p_Cu2+p_ad

η=p₂/p₁×100%

§6-2 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方法。

二、预习要点

1.复习异步电动机的主要起动方法和调速的原理。

2.如何应用短路试验数据求取起动电流和起动转矩?

三、实验内容和实验设备(一)本次实验主要内容

1.观察各种起动设备的结构。

2.绕线式异步电动机的起动。(1)转子接人起动变阻器起动。(2)转子串人频敏电阻器起动。

3.鼠笼式异步电动机的起动(1)直接起动

(2)星形--三角形连接起动(3)自耦变压器起动

4.异步电动机的调速

(1)绕线式转子串入电阻调速(2)变频调速(3)变极调速

5.作短路试验,确定起动电流和起动转矩(二)主要仪器设备

1.DJT-I实验台:

电源 DY04,模块DM03,DM05,DM16， DY04

DM21,DM22。

2.SDF-4、SDF-5型电动发电机组:

3.SB-1三相起动调速变阻器,频敏变阻器。

4.变频电源,多速异步电机等。

四、实验说明

(一)观察绕线式电动机的结构，了解滑环的短路装置、举刷装置及其操作方法。了解起动变阻器的结构及使用方法

(二)绕线式电动机的起动

1.转子接入起动变阻器起动按图6-5 图6-5 变阻器起动

接线，将变阻器的手柄放在电阻值最大位置，作好起动准备。

起动步骤：

合上电源开关下,观察起动瞬间的电流及电机转速，缓慢转动变阻器手柄，减少起动电阻，直到起动变阻器被切除，转子绕组被短路，电机便进人稳定运行，起动过程结束。记录起动瞬间的电流。重复以上起动

步骤，观察转子串接不同起动电阻时的起动电流，并记录各电流值

2.转子串人频敏变阻器起动绕线式电动机采用转子串人起动变阻器起动时，由于分段切除起动电阻,转矩的变化较大，使生产机械受到冲击，为克服此缺点,生产中常采用频敏变阻器起动。频敏变阻器实质上是一个铁心损耗非常大的三相电抗器，在起动过程中，由于其等值阻抗随转子电流频率减小而下降,故脱频实现自动变阻，而使电动机能平稳的起动起来。频敏变阻器起动接线如图6—6所示，图中BP 为频敏变阻器，接触器1JC 用于短接转子绕组，2JC 用于接人或切除频敏电阻，接触器的控制线路省略未画

三）鼠笼型电动机的起动

1. 星形一三角形(Y一^)起动

定子绕组作三角形(人)接法的异步电动机，可采用星形一一三角形起动,常用的接线方法如图6一7，图6一8所示

按图6--7接线,先合上电源开关K,，然后将K合向上方，定子绕阻接成三角形，电机起动，这是三角形接法的电机直接起动。记下此时起动瞬间的电流Y-△起动步骤是先合电源开关K，，再将开关K₂合向下方,定子绕阻接成Y形，电机起动记下起动电流,待电机转速升高后，将K:接断,合向上方，定子绕组接成△形，起动完毕。比较上述二种情况下起动瞬间的电流。实用中常用专门制作的星形--三角形起动开关,其线路如图6-8所示。

2. 自耦变压器(即起动补尝器)法起动如图6-9所示,起动步骤如下:把手柄运行推向起动位置，此时电机由自耦变压器手柄供给低电压(通常起动补偿器的抽头分起动别为电源电压的80%、60%和40%),电机开始转动,当转速接近稳定时,将手柄迅速推向运转位置,起动过程完毕。记下自耦变压器所用的变化,观察并记录起动瞬间的电流。

(四)异步电动机的调速

1.绕线式电动机转子串入电阻时的调速

试验接线如图6-5所示。注意选用的变阻器应是调速电阻,将电机带一定负载起动后，改变转子电阻,观察转速变化,然后置变阻器手柄于2~3个位置

如1/4,1/2 1调速电阻分别测出各位置时变阻器的电阻值及相应的电动机转速,并做记录。

2.变频调速因为异步电动机的转速n=(1-s)60f:/p,故改变电源频率可实现调速。给电动机带上一定的负载,选择恒转矩调速，保持电压U、f=常数，

调节电源频率,测出各不同频率下电动机相应的转速，并做记录。

3.变极调速由转速基本关系式可见，改变极对数P也能调速。在单绕组

多速电机中，多采用改变绕组的接法来 20 123 3

实现变极调速,例如为获得2,4极,可把 123 5

接电源,绕组接成YY,则电机形成两图6-10所示.图中绕组引出线端点中若1、2、3短接,4、5、6 接电源,4、5、6不接， YY △绕组接成△，则电机形成四极磁场。分别 2极 4测出两种可发的转速。

(五)短路试验试验接线按图6-5,但仪表量程应适用于短路时的电压,电流和功率,堵住转子

(注意此处短路电流较大,堵转工具必须可靠,以免出事故),外加三相平衡电压,读取短路电压、

短路电流及短路功率,用磅秤或弹簧秤测量短路转矩,如无条件实测转矩,应在每点读数后紧接着

测量定子热态电阻,并做记录,为了安全,短路电流可在1~3倍频定电流范围内取数点,但最大短路

电流应不小于3倍额定电流(此时电流表和瓦特表的电流线圈可接入电流互感器),试验时每次通

电时间不应超过10秒,以免绕组过热，共取读数4~5组，记录于表6-5中。

画曲线lgL=f(lgI),如图6-11,

Ik,Uk分别为短路电流及短路电压,延长曲线,查出对应于额定电压时的短路电流，此值即为额定电压时电机直接起动的起动电流I

对应于额定电压时的起动转矩M按下式计算:M,-(/)'M,

式中I-一短路试验中最大短路

M.-对应于最大短路电流I时测得的或计算所得的短路转矩。短路转矩M,可按下式计算:

M.Px1000(牛顿.米)

式中n一同步转速(转/分);

P，短路时的输人功率(千瓦):

P-短路时的杂散耗(包括铁耗),取为0.05P(千瓦); Pu短路时定子绕组的铜耗(千瓦)。

Picm=31÷r

式中11-短路相电流:

n-定子相电阻。

五、实验报告

(一)总结异步电动机不同起动方法的优缺点。(二)比较分析三种调速方法的优缺点。

(三)由短路试验数据求以下三种情况下的起动电流及起动转矩:

1.外施额定电压。

2.外施电压为Ux/√3.

3.外施电压为UN/K,式中Kx为起动用自耦变压器的变比。

（四)比较由电流表读得的起动电流和由短路试验算得的起动电流之大小,并分析其不同的原因。

§6-3 异步电动机的温升试验

一、实验目的

掌握异步电动机温升试验的方法

二、预习要点

1.如何用回馈法做异步电动机的温升试验?它们的运行特点是什么?

2.如何用电阻法、温度计法测定温升?应注意哪些事项?

三、实验内容

(一)本次实验主要内容

1.冷却介质温度的测定。

2.用温度计法测定子铁芯温升。

3.在直接负载下,用电阻法测定子绕组的平均温升。(二)主要仪器设备

1.DJT-I实验台;

电源 DYO3、DY04.模块 DM03,DM05,DM21;其它模块根据选定的机组而定。

2.异步电动机组或SDF-4、SDF-5、SDF-6、SDF-7中之一组

3.温度计若干,ZFX-R型负载箱;

4.电桥,或数字欧姆表。

四、实验说明

(一)冷却介质的温度测定用几只水银温度计(或酒精温度计)放置在冷却空气进入电动机的途径中,距离电动机的1~2米,并应不受外来幅射热及气流的影响,几只温度计读数的平均值即为冷却介质的温度。

(二)定子绕组冷态电阻的测定用电桥法或伏安法测量三相定子绕组在室温下的冷态电阻。

(三)定子铁芯温升的测定采用温度计法测定,将酒精温度计(注意因铁芯表面有磁场变化,不能用水银温度计)。球部一端与被试电机定子铁芯表面紧贴(如拧去吊攀,温度计插入螺孔),并设法固定,试验开始时铁芯温度也即介质温度,当被试电机带上负载后,铁芯温度开始上升,以后每隔一刻钟测取一次,直至铁芯温升达到实验稳定状态,即一小时内定子铁芯温度的变化不超过1C为止。读取数据记录于表6-6中。

(四)定子绕组平均温计的测定

用回馈法做温升试验，常用的回馈方法有两种(对于小容量电动机的温升试验，电动机负载可采用直流发电机或同步发电转动回馈法机负载,以电阻负载作为发电机的负载进行实验):

1.皮带轮传动回馈

接线如图6-12,

图中D_I,D_II为两台规格相同(极数相同，功率相等)的异步电动机,D，为被试电机，D1为负载电机，两台电机转子用皮带轮传动，两皮带轮外径之比一般取为1.05～1.2，D1的皮带轮外径较大，经检查两台电机的转向相同后，闭合电源，D，作电动机运行，D1作发电机运行，D1从电网取得电能转换为机械能，传送给D1，D1把机械能转换为电能，回馈给电网（异步发电机实验见6-4节）。温升试验应在电源为额定频率及额定电压，额定电流下进行，但是为了缩短试验时间，在试验开始时可以适当的过载，其后转入额定运行。调节皮带松紧（一般作负载粗调）或适当调节负载电机外施电压（作负载细调）使被试电机在额定负载下运行，每隔一刻钟，读取发电机和电动机的电压、电流、功率、铁芯温度及介质温度，直至铁芯温升达到失约稳定状态。记录数据填入表6-6中。

表6-6 海拔高_____米

序号	时间	电动机				铁芯温度θ⁰	发电机				介质温度θ°
序号	时间	U_D（伏）	I_D（安）	PD_I（瓦）	PDI（瓦）	铁芯温度θ⁰	UF（伏）	I_F（安）	P_FI（瓦）	P_F_I（瓦）	介质温度θ°

2．变频电源回馈

用一台规格相同的电机作被试电机的负载，经检查被试电机与负载电机转向相同后，用联轴器联接，被试电机施以额定频率的额定电压，负载电机施以由变频电源机组供给的频率较其额定值低的额定电压，此时负载电机作发电机运行，产生的电能通过变频机组回馈给电网，调节变频电源频率，使被试电机电流达额定值（试验方法同前）。

电机温升稳定后（即铁芯温升达实际稳定状态），做好测量定子绕组热态电阻的准备，断开电源，堵转电机，迅速测量定子绕组的热态电阻，同时用秒表测量距离断电瞬间的时间间隔t，读取不同t时的r₁值，共取读数4～5组，记录于表6-7。应特别注意尽快读取最初一点的r₁值，即相应于图6-13中t₁的r₁值。

表6-7

序号
电阻值	r₁（欧）
时间间隔	t（秒）

如实验室有带电测温装置，应尽可能在电源不切断的情况下测量热态电阻。也可采用数字式欧姆表，以迅速显示出断电瞬间的热态电阻。

如果电机断电以后绕组电阻开始增大，然后再减小，则应取所测电阻的最大值作为断电瞬间的电阻值。

（五）电机的允许温升与试验地点的海拔高度有关，应按下列规定校正：

1．电机试验地点的海拔超过1000米（但不超过4000米），其允许温升应按海拔每超过100米增加0.5℃。

2．电机试验地点的海拔低于1000米，其温升限度应按海拔每低100米减少0.5℃。

海拔1000米时电机各部分允许温升见有关的国家标准。

五、实验报告

（一）计算定子绕组平均温升

画曲线，如图6-13，从最初一点延长曲线，交纵轴于即为断电瞬间的绕组电阻。利用绕组的直流电阻随着温度变化的关系，可按下式求得定子绕组平均温升为τ。

图6-13 断电瞬间的电阻

式中 θ——实际冷态时绕组的温度(℃)

θ^`——试验结束时冷却介质的温度（C）；

r_m——断电瞬间绕组的热态电阻（欧）；

r——实际冷态时定子绕组的电阻（欧）；

K——常数，对于铜K=235，铝K=228

（二）求定子铁芯温升

从表6-6记录数据中选取最后稳定的铁芯温度与当时冷却介质温度之差即为铁芯温升。

（三）分析温升试验中存在哪些误差？如何提高温升试验的准确性？对被试电机的温升情况作出评价。

§6-4 三相异步发电机

一、实验内容和实验设备

（一）本次实验主要内容

为研究三相异步发电机的自激条件、工作特性及运行问题，通常需进行下列试验：

1．空载试验

（二）主要仪器设备

1.DJT-1实验台；

电源DY03，DY04；模块DM03，DM05，DM07，DM08，DM09，DM10。

2．SDF-4或SDF-5电动发电机组。

3．转速表，ZFX-R负载箱。

二、实验说明

三相异步电机主要作为电机动运行，但也可以作为发电机运行，三相异步电机与电网并联，当其转速大于同步速(n>n_c)时，即处于发电机运行状态，这对于研究异步电机的不同运行方式与可逆原理是很有意义的。而本实验则专门研究三相异步电动机在定子绕组上并联三相电容器作为自激异步发电机应用的原理、特性及运行问题。

（一）异步发电机的自激磁

三相自激异步发电机的试验线路如图6-14，a）所示。

图6--14 三相自激异步发电机原理图

a）自激发电机接线图 b）自激向量图 c）空载特性与容抗直线

同步发电机通常以专用励磁机或可控硅整流装置供给的直流电励磁，而异步发电机可以在定子绕组上接电容器，以电容电流激磁，故称为自激磁。

自激磁过程：转子上应有剩磁Φ＇，（无剩磁须充磁，方法见后）当转子转动时Φ＇，被定子绕阻割切，在定子绕组感应电势E＇，（滞后于Φ＇，90^。），于是在定子绕组与电容器构成的回路中有电流流通，绕组中电流Ic越前于E＇，90^。（与Φ＇，同方向），产生Φc，使磁场增强，于是定子绕组感应电势E继续增长，直至稳定运行点A为止，建立起稳定电压。如图6-14b）、c）所示。

（二）空载试验

开关K断开，起动原动机，保持发电机转速为额定值不变，调节电容器，即调节电容电流Ic，读取对应的空载电压U₀，共读取6～7组，记录于表6-8中。

表6-8 n=n_N_______转／分

序号	U。（伏）	U₀^*	I（安）	Ic*	C（微法）

根据空载试验数据可作出空载特性曲线，如图 6-15所示。

图中α₁为临界电容角，C1<C2<C3当α₂>α₁不能自激，当α_α<α₁能自激，并有某一稳定激磁电压。

（三）保持n=n_N=常数时，空载电压与电容的关系。

由图6-16可见，电压与电容的关系曲线与空载特性曲线相似，只有当电容量达一定数值时，空载电压才能趋于稳定。

6-15 空载特性曲线图6-16 电压与电容的关系曲线

（四）保持电容C＝常数，测取空载电压与转速（频率）的关系，即U₀=f(n)

当转速在一定范围的内增加，空载电压也增加，近似于线性关系，超过额定转速时应缓慢调速，以免过电压。曲线如图6-17所示，图中C₁<C₂<C₃

（五）保持常数，测电容与频率的关系。图6-18表明频率低时所需电容量大，在低转速时要达到额定电压需要的电容量增加很多。

6-17 空载电压与频率的关系曲线（c=常数） 6-18 电容与频率的关系曲线

（六）外特性

保持发电机转速为额定值，电容量一定，带电阻负载时，线电压与负载电流的关系如图6-19中曲线1所示，负载增加时电压下降，当负载增至临界值，继续增加负载，电流反减小，线电压急剧下降，如曲线1虚线部分所示。如带电感负载，当负载增加时电压下降更快，如曲线2所示。可见异步发电机主要适用于带电阻性负载，如需带电感性负载时则需配更多电容量。

（七）电容器的选择

在图6-15中，由空载特性曲线上可查得额定电压时的空载电流I0，结合图6-20异步发电机简化等值线路，可计算所需电容量。

1．空载时电容量的近似计算

额定电压时由空载特性曲线上查得的空载电流I0包含有功分量 Ior及无功分量I，即