实验项目一 并励直流电动机的认识实验与特性测试
实验地点：实验楼0121电气传动实验室 同组人员：肖斌 尹佶 叶超彦 刘晶晶 吴华全
一、实验任务与目的
1、实验任务
（1）、了解实验室概况，熟悉电源与实验设备布局，常用设备、仪表的使用及安全操作规程；
（2）、并励直流电动机的起动、调速与反转；
（3）、测取一台直流并励电动机的工作特性和机械特性。保持U=UN和If=IfN不变，测取n、T2、η=f（Ia）和n=f（T2）。
（4）、 明确电动机机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T的关系。
2、实验目的
（1）、通过直流电机认识实验，了解实验中所用设备和仪表的使用及安全操作规程；
（2）、学会并励直流电动机的接线和操作方法，掌握并励直流电动机的起动、调速和实现反转的方法；
（3）、通过测取并励直流电动机工作特性和机械特性，掌握测试电机的基本技能和方法，树立工程意识，从运行的角度理解机电能量转换的原理，深入理解工作特性和机械特性的内涵，为熟练掌握和灵活运用电动机奠定基础。
二、实验原理（条件）
1、对于并励直流电动机，有以下关系成立：
（1）电压平衡方程：
（2）电流平衡方程：
（3）转矩平衡方程：
（4）转速公式：
（5）功率平衡方程：
（6）电机效率公式：
2、直流电动机的工作特性：
在外加电压
，励磁电流
且电枢回路无外串电阻时，转速n、电磁转矩
和效率
与输出功率
之间的关系，即n、、
。在实际应用中，由于电枢电流
较易测量，且随着的增大而增大，故也可以将工作特性表示为n、、
的关系。
（1）转速特性：
当电源电压恒定时，对于并励直流电动机、
时，
的关系称为速率特性。把代入电压平衡方程
，可得：
可见，若不考虑电枢反应的影响，当
增加时转速n下降，不过
较小，电枢电压
一般只占额定电压的5%左右，因此转速下降不多，所以是一条略向下倾斜的直线。
（2）转矩特性：
当
时，
的关系称为转矩特性。根据直流电机电磁转矩公式
可得电动机转矩特性表达式
；在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比，若考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上升的速度比电流的上升速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。
（3）效率特性：
当时，
的关系称为效率特性。
空载损耗
是不随负载电流变化的，当负载电流较小时效率较低，输入的功率大部分消耗在空载损耗上；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当电流达到一定程度时，铜损耗快速增大，此时效率又开始变小。
3、直流电机的机械特性：
是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒定值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：
。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为直流电机的机械特性。
三、实验内容与步骤
1、主要实验设备编号及电动机铭牌数据：
（1）主要实验设备：
表1-1 主要实验设备
（2）电动机铭牌数据：
2、实验内容与步骤：
（1）并励直流电动机的认识实验——并励直流电动机的起动、调速与反转
①接线图
实验线路接线图如图1-2所示。直流并励电动机的电枢绕组和励磁绕组并联由同一直流电源供电。
图1－2 直流并励电动机实验线路图
R1、R2：电枢回路调节电阻和励磁回路调节电阻，均位于D44部件。 选择电阻值
R1=180Ω；R2=1800Ω。
B：涡流测功机，安装于电机导轨。
U：光码盘测速系统。
Is：涡流测功机励磁电流调节，位于涡流测功机控制箱D55-4。
A、mA、V：直流电流表、毫安表、电压表。
②实验准备及测试步骤如下：
a、将直流并励直流电动机M的电枢串联起动电阻R1调至最大值，励磁调节电阻R2调至最小值；
b、将测功机控制箱D55-4的控制方式开关，指向转矩控制模式，调节涡流测功机的控制旋钮为最小（电动机空载），闭合测功机的电源开关并将数字显示清零。
c、起动电动机。电枢电源的电压调节旋钮置最小，接通电枢电源开关，逐步增加电枢电源的电压，观察电动机的起动过程（应按其规定的方向旋转），逐步调节电枢电源的电压为220V。
d、改变电枢端电压调速。M起动正常后，保持此时的If和T2不变，调节电枢串联电阻R1，由最大值逐步减小至零，测取电动机电枢端电压Ua，转速n及电枢电流值Ia记录于表1-3。
表1－3 If＝ 102.9 mA T2＝ 0.00 N·m
e、改变励磁电流调速。直流电动机运行后，M的电枢串联电阻R1和励磁调节电阻R2调至零，保持电动机M的U=UN，记下此时的T2值（电机未施加负载转矩）。逐次增加励磁调节电阻阻值R2直至n＝1.2nN，每次测取电动机的n、If和Ia，共取 7－8组记录于表1－4中。
注意：导线连接要牢固，严禁励磁回路开路，电动机转速不得超过1.2nN。
表1－4 U＝UN＝ 219.4 V T2＝ 0.00 N·m
f、改变电动机的转向。将电枢绕组或励磁绕组中的任意一个绕组的两端对调。起动电动机（注意：电枢串联起动电阻R1调至最大值，励磁调节电阻R2调至最小值），观察转向变化并记录（从电动机轴端视顺时针或逆时针）。
实际操作：在上面实验基础上只将电枢两端接线端调换即可。
实验现象为：调换前前电机逆时针方向旋转，调换后电机顺时针方向旋转。
(2）并励直流电动机的特性测试
①直流并励电动机工作特性和机械特性实验线路，可参考图3-4所示接线。
②将直流并励直流电动机M的电枢串联起动电阻R1调至最大值，励磁调节电阻R2调至最小值，接通电源开关，起动电动机。M起动正常后，将其电枢串联电阻R1调至零，调节电枢电源的电压为220V。
③闭合测功机开关并将数字显示清零，在转矩模式下调节涡流测功机控制旋钮，逐步增加电机负载转矩，同时调节励磁电阻R2，使电动机达到额定运行点：U＝UN，Ia＝IaN，n＝nN，此时电动机M的励磁电流If即为额定励磁电流IfN。记录额定点数据：UN、IfN、IaN、nN、电动机的输出转矩T2 =TN和输出功率P2=PN。
④保持U＝UN，If=IfN，从额定运行点开始，逐次减小电动机负载，直至电动机空载。测取电动机的电枢电流Ia，转速n和输出转矩T2、输出功率P2，共取数据9-10组，记录于表1-5中。
表1－5 工作特性数据 U＝UN＝ 220 V If=IfN= 77.39 mA
四：实验数据处理
1、并励直流电动机的特性测试，据测量数据计算I、P1、η、Δn并填入表中。
输入电流： I=Ia+IfN 电动机输入功率： P1=UI
电动机效率： 
计算转速变化率：
(1)计算输入电流：
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（A）
（2）电动机输入功率：
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（W）
（3）电动机效率：
（4）计算转速变化率：
2、绘制出并励电动机的工作特性和机械特性n、T、η＝f（Ia）及n＝f（T）曲线(忽略T0时, T≈T2)。曲线图请见附页坐标纸。
五、实验现象分析
1、由，，当电机启动时，n=0r/min,此时
；对于并励直流电动机启动时电枢回路中串联的电阻取较大值的目的是限制启动电流，此时电枢电流为最大；由转矩公式
可知，由于电枢电流很大，此时的启动转矩很大。而励磁回路串联电阻取较小值目的是保证励磁绕组得到接近全额的电源电压，进而产生足够的磁通产生反电势。
2、电机空载时，电枢电流很小或者趋近于零，由转矩公式可知，此时的电磁转矩T很小或者趋近于零。
3、在本实验中，对于输入电压恒定，有2种调节电机转速速方法：
（1）、电枢回路串电阻调速；（2）、改变磁通调速（即调节励磁电流调速）。
（1）、电枢回路串电阻调速； 在电机启动后，让电机空载，此时的负载制动转矩
等于0，根据转速公式
可知，缓慢调节电枢串联电阻
的阻值大小，使的阻值由最大值减小至零，此时D55-4上显示电机的转速慢慢增大，此时电枢电压也随之增大。此过程中，电路电流I基本保持不变，因为的阻值很小，U恒定，励磁电流
，
在调节的过程中不变；根据并励直流电机电流关系可知，在调节过程中电枢电流基本上没有变化。这种调速方法会使得在接入电阻后电动机的效率降低，机械特性变软。
（2）、改变磁通调速（即调节励磁电流调速）；弱磁调速的特点是电动机转速只能向上调高而不能向下调低。空载时，负载制动转矩等于0；
，在
逐渐增大的过程中，由
知，电路的电流I会随之变小；由可知
也随之减小；又由于电枢回路中的总电阻不变，电压U恒定，
会有微弱的上升，总体上基本上趋于不变。由于减小会引起磁通
的减小，由转速公式可知，随着的增大转速n会随之增大。这种调速方式会使得电动机电枢电流随着电机转速n的增大而增大，结果会使得电机的温度升高，转向条件变坏；转速过高，还会出现不稳定的现象。
当然也可以采用两种方法同时进行的调速。
4、当额定电压不变的情况下，改变电枢回路的接线方向或者改变励磁绕组的接入方向，都会改变电磁转矩的方向。由左手定则可知：在磁场方向不变的情况下，若想改变电磁转矩的方向则必须改变电枢电流的方向；如果保持电枢电流的方向不变的情况下，想改变电磁转矩的方向，只有改变磁场方向，而磁场方向是由励磁绕组的接入来决定的，所以在保持电枢电流的方向不变的情况下，想改变电磁转矩的方向，只有改变励磁绕组的接入方向。对于电动机来说，电磁转矩是拖动性质的，改变了电磁转矩的方向就改变了电机的转动方向，所以在改变电枢电流的方向后，电枢的转动方向由逆时针变为顺时针。
5、当端电压U恒定，负载减小时，并励电动机的输出功率减小，输入功率也相应减小由电机功率平衡方程，可知电枢电流减小；而励磁电流（端电压U恒定），保持不变，励磁电流不变决定了磁通也保持不变；由转速公式，电枢电流减小，使得电机转速增大；由转矩公式可知，负载制动转矩也随着电枢电流的减小而减小；由并励直流电动机电路总电流关系可知总电流I也随之减小；由输入总功率
可知，输入总功率
也随之减小；由电机效率公式
可知电机效率会随着负载的减小而减小。
6、本次实验中电源的选取：
实验仪器中的直流电机电源有2种，一种是直流励磁电源（220V，5A）,另一种是可调直流电源（40-230V，3A）。本次实验中由于电压要慢慢地由小调到大，故选择可调直流电源（40-230V，3A）直流电源。
7、本次实验中电表量程的选取：
实验仪器中的直流电表量程有2种，一种是量程为0-1000mA，另一种是量程是0-5A。由于本次实验中的直流并励电机的额定电流
，额定励磁电流
；故调速实验中选取量程为0-1000mA的电流表，在特性测试实验中选取量程为0-5A的电流表。
8、电枢串联电阻及励磁回路串联电阻的接法：根据实验仪显示接孔均有5个，要使得电阻可调，在中接
、
接孔，在中接
、
接孔。
六、实验结论
1、通过测试数据和分析，我画出了并励直流电机转速n、电磁转矩和效率分别与电枢电流的关系曲线图分别为：直流电动机的转速特性曲线图、转矩特性曲线图和效率特性曲线图）即并励直流电机工作特性曲线图，在误差允许的范围内，与理论上的直流电机工作特性曲线图相吻合。
2、通过测试数据和分析，我画出了并励直流电机机械特性曲线图，在误差允许的范围内，与理论上的直流电机机械特性特性曲线图相吻合。
七、实验总结与收获:
1、实验总结：
本次实验比较顺利，我总结在实验中的一些问题及其处理方法：
（1）实验前的预习和准备工作很重要，它决定了实验进程的快慢。
（2）在操作高压电时，我们特别要注意安全。特别要树立起安全第一的意识！
（3）、在开启电源的时候要向周围同学提示打开电源的消息，实验仪上的电源开关必须关闭。
（4）、为了不让电枢电流一开始就很大，在实验前应该先把
调至最大，保证在开启电源的时候电枢电流较小，不至于烧坏电机。
调至最小，保证在开启电源的时候，有足够大的励磁电流产生走够大的磁场，使得电机启动。
（5）、在实验接线环节，应现串联后并联，防止电路接线错误。
（6）、当报警器蜂鸣时，应当立即关闭电源，防止事故发生。
（7）、在实验中，电机也不能超负荷运行，如果电机超负荷运行，反电动势立即减小，使得电枢电流立即增大，同时产生的电磁转矩小于负载转矩，电机必将立即减速甚至停止运转，导致电枢电流进一步增大，很可能会烧毁电枢绕组和换向器。在实验时我们必须小心谨慎地严格按规则操作实验仪器。
（8）、在课堂上老师再讲解与本次实验有关的理论知识点时，我认真听讲，做好笔记，认真分析，使得我对实验理论知识更加熟练，这是确保本次实验成功地前提。
2、实验中的收获：
通过本实验，我基本熟练理解和掌握到：
（1）、在本次实验中所用设备和仪表的使用及安全操作规程；
（2）、并励直流电动机的接线和操作方法，并励直流电动机的起动、调速和实现反转的方法；
（3）、我更加深刻理解了并励直流电动机工作特性和机械特性，掌握测试电机的基本技能和方法，树立了工程意识，从运行的角度理解了机电能量转换的原理，为熟练掌握和灵活运用电动机奠定了基础。
八、实验致谢
本次实验虽然比较成功，但是我在实验过程中也遇到很多问题；在实验过程中我们的指导老师窦老师总是尽职尽责不厌其烦地为我们解决，在此我特别对窦老师表示感谢！
九、实验思考题
1、 他励（或并励）直流电动机调速的原理是什么？方法有几种？各有何特点？
答：（1）直流电动机调速的原理是：
并励直流电机转速公式
（2）直流电动机调速方法有3种（以他励电动机为例）。
（3）3种调速方法分别为：
a、改变电枢电压调速；转速特性为一组平行下移的直线，特点是空载转速随电枢电压的下降而减小。
b、电枢回路串电阻调速；转速特性为一组空载转速不变的直线，特点是所串电阻要消耗功率，电机转速随所串电阻的增加而下降。
c、改变磁通调速；弱磁调速的特点是电动机转速只能向上调高而不能向下调低，当然也可以采用两种方法同时进行的调速。
2、当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端电压，会引起电动机转速如何变化？为什么？电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速如何变化？为什么？
答：由电机的转速公式
可知：当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端电压，会引起电动机转速转速会减小；电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速增大（因为励磁电流减小使得主磁通减小）。
3、如何改变电动机的旋转方向？为什么？
答：改变并励、串励、复励直流电动机的旋转方向均可采用对调励磁绕组或者电枢绕组的接线端子的方法；若两者同时对调，直流电动机转向不变。 因为电磁转矩对于电动机来说是拖动性质的，对调励磁绕组或者电枢绕组的接线端子都会改变电磁转矩的方向，从而改变了电机的旋转方向。
4、并励电动机在运行中，当励磁回路断线时是否一定会出现“飞车”？为什么？
答：不一定会出现“飞车”。若并励直流电动机在运行中励磁绕组断开，励磁电流
，主磁通迅速下降到剩磁磁通，此时电动机仍接有额定电压，感应电动势很小，将会使电枢电流迅速增大并超过额定值。若电动机空载，转速迅速上升会造成“飞车”；若电动机负载，磁通很小使电动机产生的电磁转矩克服不了负载转矩，电动机会停转，使电枢电流
，电流过大会烧坏电动机绕组。（这两种情况都是不允许的）
5、什么是直流电动机的工作特性和机械特性？
答：直流电动机的工作特性是指：在外加电压，励磁电流且电枢回路无外串电阻时，转速n、电磁转矩和效率与输出功率之间的关系，即n、、。在实际应用中，由于电枢电流较易测量，且随着的增大而增大，故也可以将工作特性表示为n、、的关系。
直流电机的机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒定值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为直流电机的机械特性。
6、并励电动机的速率特性n＝f（Ia）为什么是略微下降？是否会出现上翘现象？为什么？上翘的速率特性对电动机运行有何影响？
答：当电源电压恒定时，对于并励直流电动机、时，的关系称为速率特性。把代入电压平衡方程，可得：可见，若不考虑电枢反应的影响，当增加时转速n下降，不过较小，电枢电压一般只占额定电压的5%左右，因此转速下降不多，所以是一条略向下倾斜的直线。
十、参考资料
[1] 窦晓霞.电机工程技术实践与实验.实践教学校内教材，2007.10
[2] 顾绳谷.电机及拖动基础（第3版）.北京：机械工业出版社，2004.1