第1章 直流电机
实验一 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）。
1
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
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UM和电流Ia。将电机转子分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取UM、Ia，填入表1-1。
（3）增大R（逆时针旋转）使电流分别达到0.15A和0.1A，用上述方法测取六组数据，填入表1-1。
取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值Ra=
Ra1Ra2Ra3
。
3
2
表中Ra1=（Ra11+Ra12+Ra13）/3
Ra2=（Ra21+Ra22+Ra23）/3 Ra3=（Ra31+Ra32+Ra33）/3
（4）计算基准工作温度时的电枢电阻
由实验测得电枢绕组电阻值，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电枢绕组电阻值：
Raref=Ra235ref
235a
式中Raref——换算到基准工作温度时电枢绕组电阻。（Ω）
Ra ——电枢绕组的实际冷态电阻。（Ω） θθ
ref——基准工作温度，对于
E级绝缘为75℃。
（℃） a ——实际冷态时电枢绕组的温度。
4．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。
5．直流电动机的起动 R1：电枢调节电阻（MEL-09）
3
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1-2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R1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R1电阻至最小。 6．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R1和励磁回路的调节电阻Rf （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
7．改变电动机的转向
4
将电枢回路调节电阻R1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Rf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R1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R1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R1调回最大值，励磁回路串联的电阻Rf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.画出直流并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R1 和磁场调节电阻Rf 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？
4.为什么要求直流并励电动机磁场回路的接线要牢靠？
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实验二 直流发电机
一．实验目的
1．掌握用实验方法测定直流发电机的运行特性，并根据所测得的运行特性评定该被试电机的有关性能。
2．通过实验观察并励发电机的自励过程和自励条件。
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？
3.并励发电机的自励条件有哪些？当发电机不能自励时应如何处理？ 4.如何确定复励发电机是积复励还是差复励？
三．实验项目
1.他励发电机
(1)空载特性：保持n=nN，使I=0，测取Uo=f(If)。 (2)外特性：保持n=nN，使If =IfN，测取U=f(I)。 (3)调节特性：保持n=nN，使U=UN，测取If =f(I)。 2.并励发电机 (1)观察自励过程
(2)测外特性：保持n=nN，使Rf2 =常数,测取U=f(I)。 3.复励发电机
积复励发电机外特性：保持n=nN，使Rf=常数，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．直流并励电动机M03。 4．直流复励发电机M01。
5．直流稳压电源（位于主控制屏下部）。 6．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。
6
7．波形测试及开关板（MEL-05）。 8．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。 9．三相可调电阻90Ω（MEL-04）。 10．电机起动箱（MEL-09）。
五．实验说明及操作步骤
1．他励发电机。
按图1-3接线
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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。
mA1、A1：分别为毫安表和电流表，位于直流电源上。 U1、U2：分别为可调直流稳压电源和电机励磁电源。
V2、mA2、A2：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S2，合上励磁电源开关S1，接通直流电机励磁电源，调节Rf2，使直流发电机励磁电压最小，mA2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R1至最大，磁场调节电阻Rf1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R1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Rf1，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Rf2，使发电机空载电压达V0=1.2UN（240V）为止。 f．在保持电机额定转速（1600r/min）条件下，从UO=1.2UN开始，单方向调节分压器电阻Rf2，使发电机励磁电流逐次减小，直至If2=o。
每次测取发电机的空载电压UO和励磁电流If2,只取7-8组数据，填入表1-2中，其中UO=UN和If2=O两点必测，并在UO=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R2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S2。
b．同时调节电动机磁场调节电阻Rf1，发电机磁场调节电阻Rf2和负载电阻R2，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If2N= A.
c．在保持n=nN和If2=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S2），共取6-7组数据，填入表1-3中。其中额定和空载两点必测。
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表1-3 n=n（3）调整特性
a．断开发电机负载开关S2，调节发电机磁场电阻Rf2，使发电机空载电压达额定值（UN=200V）
b．在保持发电机n=nN条件下，合上负载开关S2，调节负载电阻R2，逐次增加发电机输出电流I，同时相应调节发电机励磁电流If2，使发电机端电压保持额定值U=UN，从发电机的空载至额定负载范围内每次测取发电机的输出电流I和励磁电流If2，共取5-6组数据填入表1-4中。
表1-4 n=n
按图1-4接线
R1、Rf1：电动机电枢调节电阻 和磁场调节电阻，位于MEL-09。 A1、mA1：直流电流表、毫安表，位于可调直流电源和励磁电源上。 mA2、A2：直流毫安表、电流表位于MEL-06。
Rf2：MEL-03中二只900Ω电阻相串联，并调至最大。
R2：采用MEL-03中间端和下端变阻器，采用串并联接法，阻值为2250Ω。 S1、S2：位于MEL-05
V1、V2：直流电压表，其中V1位于直流可调电源上，V2位于MEL-06。
b．断开S1、S2，按前述方法（他励发电机空载特性实验b）起动电动机，调节电动机转速，使发电机的转速n=nN，用直流电压表测量发电机是否有剩磁电压，若无剩磁电压，可将并励绕组改接他励进行充磁。
c．合上开关S1，逐渐减少Rf2，观察电动机电枢两端电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件，如果不能自励建压，将励磁回路的两个端头对调联接即可。
（2）外特性
a．在并励发电机电压建立后，调节负载电阻R2到最大，合上负载开关S2，调节电动机的磁场调节电阻Rf1，发电机的磁场调节电阻Rf2和负载电阻R2，使发电机n=nN,U=UN，I=IN。
b．保证此时Rf2的值和n=nN不变的条件下，逐步减小负载，直至I=0，从额定到负载运行范围内，每次测取发电机的电压U和电流I，共取6-7组数据，填入表1-5中，其中额定和空载两点必测。
表1-5 n=n
3．复励发电机
（1）积复励和差复励的判别 a．接线如图1-5所示
R1、Rf1：电动机电枢调节电阻和磁场调节电阻，位于MEL-09。 A1、mA1：直流电流、毫安表
V2、A2、mA2：直流电压、电流、毫安表，采用MEL-06组件。 Rf2：采用MEL-03中两只900Ω电阻串联。
R2：采用MEL-03中四只900Ω电阻串并联接法，最大值为2250Ω。 S1、S2：单刀双掷和双刀双掷开关，位于MEL-05开关板上。
按图接线，先合上开关S，将串励绕组短接，使发电机处于并励状态运行，按上述并励
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发电机外特性试验方法，调节发电机输出电流I=0.5IN，n=nN，U=UN。
b．打开短路开关S1，在保持发电机n，Rf2和R2不变的条件下，观察发电机端电压的变化，若此电压升高即为积复励，若电压降低为差复励，如要把差复励改为积复励，对调
中，其中额定和空载两点必测。
六．注意事项
小。
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1.起动直流电动机时，先把R1调到最大，Rf2 调到最小，起动完毕后，再把R1调到最
2.做外特性时，当电流超过0.4安时，R2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.在同一张座标上绘出他励、并励和复励发电机的三条外特性曲线。分别算出三种励磁方式的电压变化率：
ΔU=
UOUN
100 UN
并分析差异的原因。
3.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=nN，应如何调节？
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实验三 直流并励电动机
一.实验目的
1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。
二.预习要点
1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性？ 2.直流电动机调速原理是什么？
三.实验项目
1.工作特性和机械特性
保持U=UN 和If =IfN 不变，测取n、T2 、n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性
(1)改变电枢电压调速
保持U=UN 、If=IfN =常数，T2 =常数，测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速
保持U=UN，T2 =常数，R1 =0，测取n=f(If)。 (3)观察能耗制动过程
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机教学实验台的主控制屏（MEL-I、MEL-IIA、B）。
2．电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量（MEL-13）或电机导轨及编码器、转速表。 3．可调直流稳压电源（含直流电压、电流、毫安表） 4．直流电压、毫安、安培表（MEL-06）。 5．直流并励电动机。
6．波形测试及开关板（MEL-05）。 7．三相可调电阻900Ω（MEL-03）。
五．实验方法
1．并励电动机的工作特性和机械特性。
实验线路如图1-6所示
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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，打开船形开关，按实验一方法起动直流电源，使电机旋转，并调整电机的旋转方向，使电机正转。
b．直流电机正常起动后，将电枢串联电阻R1调至零，调节直流可调稳压电源的输出至220V，再分别调节磁场调节电阻Rf和“转矩设定”电位器，使电动机达到额定值：U=UN=220V，Ia=IN，n=nN=1600r/min，此时直流电机的励磁电流If=IfN（额定励磁电流）。
c．保持U=UN，If=IfN不变的条件下，逐次减小电动机的负载，即逆时针调节“转矩设定”电位器，测取电动机电枢电流Ia、转速n和转矩T2，共取数据7-8组填入表1-8中。表1-8 U=UN=220V If=IfN= A Ka= Ω
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2．调速特性
（1）改变电枢端电压的调速
a．按上述方法起动直流电机后，将电阻R1调至零，并同时调节负载，电枢电压和磁场调节电阻Rf，使电机的U=UN，Ia=0.5IN，If=IfN，记录此时的T2= N.m
b．保持T2不变，If=IfN不变，逐次增加R1的阻值，即降低电枢两端的电压Ua，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，共取7-8组数据填入表1-9中。
表1-9 I
（2）改变励磁电流的调速
a．直流电动机起动后，将电枢调节电阻和磁场调节电阻Rf调至零，调节可调直流电源的输出为220V，调节“转矩设定”电位器，使电动机的U=UN，Ia=0.5IN，记录此时的T2= N.m
b．保持T2和U=UN不变，逐次增加磁场电阻Rf阻值，直至n=1.3nN，每次测取电动机的n、If和Ia，共取7-8组数据填写入表1-10中。
一7接线 f：直流电机电枢调节和磁场调节电阻）
MEL-03中两只电阻并联。
（MEL-05）
．将开关S合向“1”
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端，R1调至最大，Rf调至最小，起动直流电机。
b．运行正常后，从电机电枢的一端拨出一根导线，使电枢开路，电机处于自由停机，记录停机时间。
c．重复起动电动机，待运转正常后，把S合向“2”端记录停机时间。 d．选择不同RL阻值，观察对停机时间的影响。
六．实验报告
1.由表1-8计算出 P2和η，并绘出n、T2、η=f(Ia)及n=f(T2)的特性曲线。 电动机输出功率 P2=0.105nT2
式中输出转矩T2 的单位为N·m，转速n的单位为r／min。 电动机输入功率 P1=UI 电动机效率 η=
P2
×100％ P1
电动机输入电流 I =Ia +IfN
由工作特性求出转速变化率： Δn=
nOnN
×100％ nN
2.绘出并励电动机调速特性曲线n=f(Ua)和n=f(If)。分析在恒转矩负载时两种调速的电枢电流变化规律以及两种调速方法的优缺点。
3．能耗制动时间与制动电阻RL的阻值有什么关系？为什么？该制动方法有什么缺点？
七．思考题
1.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？
2.当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端压，为什么会引起电动机转速降低？
3.当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的升高，为什么？
4.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“飞速”？为什么？
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实验四 直流串励电动机
一．实验目的
1.用实验方法测取串励电动机工作特性和机械特性。 2.了解串励电动机起动、调速及改变转向的方法。
二．预习要点
1.串励电动机与并励电动机的工作特性有何差别。串励电动机的转速变化率是怎样定义的？
2.串励电动机的调速方法及其注意问题。
三．实验项目
1.工作特性和机械特性
在保持U=UN的条件下，测取n、T2 、η=f(Ia)以及n=f(T2)。 2.人为机械特性
保持U=UN 和电枢回路串入电阻R1 =常值的条件下，测取n=f(T2)。 3.调速特性
(1)电枢回路串电阻调速
保持U=UN和T2=常值的条件下，测取n=f(Ua)。 (2)磁场绕组并联电阻调速
保持U=UN、T2=常数及R1=0的条件下，测取n=f(If)。
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（MEL-13） 3．可调直流稳压电源（含直流电压、毫安、安倍表） 4．直流电压、毫安、安倍表（MEL-06） 5．三相可调电阻器900Ω（MEL-04） 6．波形测试及开关板（MEL-05） 7．直流串励电动机（M02）
五．实验线路及操作步骤
实验线路如图1-8所示。
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1．串励电动机的工作特性和机械特性。
a．由于串励电动机不允许空载起动，所以测功机“转矩设定”电位器顺时针转过一定角度，即给串励电动机施加一定负载（MEL-13的开关设置同实验三）
b．调节直流串励电动机M的电枢串联起动电阻R1和磁场调节电阻Rf到最大值，断开开关S，按实验一方法起动直流电源，并观察转向是否正确。
c．电机运转后，调节R1至零，调节可调直流稳压电源使电动机的电枢电压U=UN=220V，同时调节测功机“转矩设定”电位器，使电机电枢电流I=1.2IN。
d．在保持U1=UN的条件下，逐次减小负载直至n＜1.5nN为止，每次测取I、N、T2，共取6-7组数据填入表1-10中。
表1-10 Ue．若要在实验中使串励电动机M停机，须将电枢回路的串联起动电阻R1调回到最大值，断开直流电源。
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2．测取电枢串电阻后的人为机械特性。
a．按前述方法起动串励电动机M后，调节可调直流稳压电源至220V，并同时调节串入电枢的电阻R1和测功机“转矩设定”电位器旋钮，使电机的电枢电流I=IN，转速n=0.8nN。
b．保持此时的R1不变和U=UN，逐次减小电动机的负载，直至n≤1.5nN为止，每次测取U2、I、n、T2，共取6-7组数据填入表1-11中。
表1-11 U=U
3．调速特性
（1）电枢回路串电阻调速
a．按前述方法电动机带负载起动后，将R1调至零。同时调节可调直流稳压电源和测功机“转矩设定”电位器旋转，使U1=UN=220V，I≈IN，记录此时电动机的n= r/min，I= A，T2= N.m
b．在保持U1=UN以及T2不变的条件下，逐次增加R1阻值，每次测n、I、U2，共取6-7组数据，填入表1-12中。
（2）磁场绕组并联电阻调速
a．合上电源前，打开开关S，分别将R1和Rf调至最大值。 b．电机带负载起动后，调节R1至零，合上开关S。
c．调节可调直流稳压电源使U1=UN=220V，T2=0.8TN，记录此时电动机的N、I、If、T2。
d．在保持U=UN及T2不变的条件下，逐次减小Rf阻值，注意Rf不能短接，直至n≤1.5nN为止。每次测取n、I、If，共取6-7组数据后，填入表1-13 中。
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六．实验报告
1.绘出直流串励电动机的工作特性曲线n、T2 、η=f(Ia )。 2.在同一张座标纸上绘出串励电动机的自然和人为机械特性。
3.绘出串励电动机恒转矩两种调速的特性曲线。试分析在U=UN 和T2不变条件下调速时的电枢电流变化规律。比较两种调速方法的优缺点。
七．思考题
1.串励电动机为什么不允许空载和轻载起动？
2.磁场绕组并联电阻调速时，为什么不允许并联电阻调至零？
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