控制變量法獲取三相繞線式異步電動機的機械特性實驗

賴智通，吳兵，馬狄，高翱

（貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025）

控制變量法獲取三相繞線式異步電動機的機械特性實驗

賴智通，吳兵，馬狄，高翱

（貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025）

三相異步電動機相比單項異步電動機具有節省材料、運行性能更好的特點，廣泛應用于各類機械設備。在實驗中可以使用控制變量的方法分別研究在不同R的阻值下電動機的反轉特性以及電動機空載，負載時的機械特性，并繪制出各種機械特性的特性圖，并據此分析得出三相繞線式異步電動機的機械特性。

控制變量法；三相繞線式異步電動機；機械特性

電機是用來驅動負載的，其目的就是向工作機械提供一定的轉矩，并使工作設備能以一定的轉速旋轉工作［1-2］。因此，轉矩和轉速是衡量電機性能的基本指標。如何在電機中應用控制技術，利用電機轉速和轉矩之間的關系，充分發揮電機的特性，就使得研究電機的機械特性具有重要的意義。

1　實驗方案

在不同工況下選用三相繞線式異步電動機時，需要預先確定該電機的機械特性［3］，本實驗項目通過利用測功機、轉速表、電壓電流表等測量設備，設計一套適用的實驗步驟來測取三相繞線式異步電動機的Ua、Ia、n及電動機M的定子電流I1值等特性數據，并通過繪制特性圖等方式，最終獲得所研究的三相繞線式異步電動機的機械特性規律［4］。實驗中使用的電路圖如圖1所示。

圖1　實驗電路原理圖

圖1中電機M在本實驗中采用的是實驗元件編號為DJ17的的三相繞線式異步電動機，其連接方式采用的是Y形連接法，電樞電流使用電壓UN大小為220 V，電機MG是實驗元件編號為DJ23的校正直流測功機。開關S1、S2、S3分別為實驗元件編號為D51的可換實驗懸掛模塊上的通斷開關，實驗中首先將通斷開關S1接通，通斷開關S2向左接通形成短接狀態，使得即三相繞線式異步電機M的轉子短路，通斷開關S3向左方接通2'的回路，與電樞回路斷開。R1的電阻總值為4 230 Ω，其組成是利用電阻元件D44的180 Ω阻值+串聯在一起的電阻元件D42上的四只900 Ω的電阻+兩只并聯在一起的900 Ω的電阻元件；R2的電阻值為1 800 Ω，是通過接入電阻元件D44的電阻值獲得的；RS的電阻值為36 Ω，其獲得是首先通過將電阻元件D41上的三組90 Ω與90 Ω的電阻元件分別并聯起來獲得三組大小各為45 Ω的可調電阻，再利用萬用表將RS的電阻值逐步調節到36 Ω.本試驗中使用的測量儀器分別為：交流電流表A1的量程為3 A，交流電壓表V1的量程為300 V；直流電流表A2和A4的量程都為5 A，A3的量程為200 mA，直流電壓表V2的量程為1 000 V.

本實驗采用控制變量法研究三相繞線式異步電動機的機械特性。

（1）RS=0時的反轉性狀態下機械特性、電動狀態機械特性及再生發電制動狀態小機械特性。

在保證RS=0的條件下，調節“電樞電源”輸出電壓或者R1阻值，使電動機M的轉速下降，直至為0.把轉速表置反向位置，并把R1的D42上的四個900 Ω串聯的電阻調至0后用導線短接，繼續減小R1阻值或者調高電樞電壓使電機反向運轉，直至n=-1 300 r/min為止。然后增大電阻R1或者減小校正直流測功機的電樞電壓使電動機從反轉運行狀態進入堵轉然后進入電動運行狀態，在該范圍內測量電機MG的Ua、Ia、n及電動機M的電流表A1的I1值。

（2）RS=36 Ω時的反轉性狀態下機械特性、電動狀態機械特性及再生發電制動狀態下機械特性。

將開關S2合向右端，繞線式異步電動機轉子每相串入36 Ω電阻。

在保證RS=36 Ω的條件下，重復上述實驗步驟，測量電機MG的Ua、Ia、n及電動機M的電流表A1的I1值。

（3）能耗制動狀態下的機械特性

首先，確認在“停機”狀態下。把開關S1合向右邊2端，S2合向右端（RS仍保持36 Ω不變），S3合向左邊2'端，R1用D44上1 800 Ω阻值并調至最大，R2用D42上1 800 Ω阻值并調至最大，R3用D42上900 Ω與900 Ω并聯共900 Ω阻值并調至最大。

然后，開啟“勵磁電源”，調節R2阻值，使A3表If=100 mA，開啟“電樞電源”，調節電樞電源的輸出電壓U=220 V，再調節R3使電動機M的定子繞組流過I=0.6 A，IN=0.36 A并保持不變。

最后，在R1阻值為最大的條件下，把開關S3合向右邊1'端，減小R1阻值，使電機MG起動運轉后轉速約為1 600 r/min，增大R1阻值或減小電樞電源電壓（但要保持A4表的電流I不變）使電機轉速下降，直至轉速n約為50 r/min，其間測取電機MG的Ua，Ia及n值。

2　結果與分析

（1）三相異步電動機的固有機械特性

根據以上步驟測量及計算可以得到不同轉矩Tem和轉速n之間的關系，并利用這些測得值繪制出該繞線式三相異步電動機的轉矩轉速曲線［5-7］，即可得到三相異步電動機的固有機械特性，具體分析如圖2所示。

圖2　三相異步電動機固有機械特性曲線

在電機正常啟動時，首先隨著轉矩從零增大到啟動轉矩Tst=0.743 N·m時，電機開始轉動；隨著轉速的升高，電動機轉矩隨轉速成正比關系增大至最大值TM=1.614 N·m，此時對應的電機轉速為1134 r/min；轉速進一步升高，轉矩開始逐步減小，當轉矩減小到額定轉矩TN=0.6 725 N·m時，對應的電機轉速為1 420 r/min；當電動機的轉速達到最大值1 500 r/min時，轉矩減小至零。由圖上可以看出，當轉速從0上升到1 134 r/min時（對應轉矩從啟動轉矩Tst到TM），曲線的斜率較大，說明電機轉速變化較快，狀態是不穩定的；當轉速從1 134 r/min繼續上升到額定轉速1 420 r/min及最高轉速1 500 r/min的過程中，曲線的斜率都較小，說明狀態變化是近似趨于穩定的，這就是電機正常工作所需的區間［8-9］。

（2）降低繞線式三相異步電動機定子輸入時的人為機械特性

最大轉矩Tm及起動轉矩Tst均與UN2成正比，n與UN無關（即保持不變）。降低繞線式三相異步電動機定子UN輸入時，可得到不同UN輸入時對應的電機機械特性，即人為機械特性。人為機械特性曲線的繪制方法為：先繪出固有機械特性，在不同的轉速處，固有機械特性上的轉矩值乘以電壓變化后與變化前比值的平方，即得人為機械特性上對應的轉矩值，圖3中異步電動機定子輸入電壓從0.8 UN減小為0.5 UN.可以看出當降低異步電動機定子輸入電壓時，最大轉矩Tm及起動轉矩Tst與異步電動機轉速成正比的變化，最高轉速并不隨電壓的變化而變化，最大轉差率Sm也不隨電壓的變化而變化。但是從圖上也可以看出，隨著電壓的降低，電機穩定工作的區間變窄了，這會使得在實際使用時，電機負載轉矩到額定轉矩的區間變窄了，對電機的穩定使用是不利的。

圖3　降低繞線式三相異步電動機定子輸入的人為機械特性曲線

（3）改變繞線式三相異步電動機轉子回路串聯對稱電阻時的人為機械特性，如圖4.

圖4　改變繞線式三相異步電動機轉子回路串聯對稱電阻的人為機械特性曲線

當在繞線式三相異步電動機轉子回路中繞組串入不同的對稱電阻時，最大轉速n（1 500 r/min）和Tm（1.614 N·m）沒有改變，只是改變了Tm所對應的轉速，即改變了最大轉差率Sm，從上圖4可以看到：當串入2 Ω的對稱電阻時n=1 110（r/min），當轉子繞組串入5 Ω的對稱電阻時n=1 020（r/min），當轉子繞組串入15 Ω的對稱電阻時n=840（r/min），可以得出：當改變電阻時，在一定范圍內增大R，可以提高起動轉矩Tst（圖中從0.93提高到1.13 N·m），因此轉子回路串接對稱電阻適用于繞線式異步電動機的起動和調速［10］。

3　結束語

根據上述研究，可以針對不同功率的電機，使用控制變量的方法研究其在不同R的阻值下電動機的反轉特性以及電動機空載、負載時的機械特性，并繪制出各種機械特性的特性圖。根據所得的機械特性圖就可以得到該電機相應的機械特性（即電機轉矩和轉速之間的關系），并應用于各種不同的場合。

［1］湯蘊璆，史乃.電機學［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［2］李發海，王巖.電機與拖動基礎［M］.第二版.北京：清華大學出版社，1994.

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Mechanical Characteristic Test of Three Phase Wound Rotor Induction Motor by Control Variable Method

LAI Zhi-tong，WU Bing，MA Di，GAO Ao
（School of Mechanical Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

Compared with single asynchronous motor，the three-phase asynchronous motor has the advantages of saving material and operating performance，and is widely used in all kinds of mechanical equipment.In the experiment can use control variables were studied under different the resistance of the motor reversal characteristics and motor no-load and load of the mechanical properties，and draw the characteristic graphs of various mechanical characteristics，and accordingly analysis that three-phase winding line type asynchronous motor mechanical properties.

control variable method；three-phase wound rotor induction motor；mechanical characteristics

TK343

A

1672-545X（2016）08-0033-03

2016-05-15

大學生創新創業訓練計劃項目（編號：貴大（國）創字2014（011）；貴州省本科教學工程項目（編號：SJJG2014151990256）

賴智通（1996-），男，江西石城人，在讀本科，研究方向：汽車工程；吳兵（1972-），男，浙江平湖人，高級實驗師，碩士研究生，研究方向：數控技術。