控制变量法获取三相绕线式异步电动机的机械特性实验

赖智通，吴兵，马狄，高翱

（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）

控制变量法获取三相绕线式异步电动机的机械特性实验

赖智通，吴兵，马狄，高翱

（贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025）

三相异步电动机相比单项异步电动机具有节省材料、运行性能更好的特点，广泛应用于各类机械设备。在实验中可以使用控制变量的方法分别研究在不同R的阻值下电动机的反转特性以及电动机空载，负载时的机械特性，并绘制出各种机械特性的特性图，并据此分析得出三相绕线式异步电动机的机械特性。

控制变量法；三相绕线式异步电动机；机械特性

电机是用来驱动负载的，其目的就是向工作机械提供一定的转矩，并使工作设备能以一定的转速旋转工作［1-2］。因此，转矩和转速是衡量电机性能的基本指标。如何在电机中应用控制技术，利用电机转速和转矩之间的关系，充分发挥电机的特性，就使得研究电机的机械特性具有重要的意义。

1　实验方案

在不同工况下选用三相绕线式异步电动机时，需要预先确定该电机的机械特性［3］，本实验项目通过利用测功机、转速表、电压电流表等测量设备，设计一套适用的实验步骤来测取三相绕线式异步电动机的Ua、Ia、n及电动机M的定子电流I1值等特性数据，并通过绘制特性图等方式，最终获得所研究的三相绕线式异步电动机的机械特性规律［4］。实验中使用的电路图如图1所示。

图1　实验电路原理图

图1中电机M在本实验中采用的是实验元件编号为DJ17的的三相绕线式异步电动机，其连接方式采用的是Y形连接法，电枢电流使用电压UN大小为220 V，电机MG是实验元件编号为DJ23的校正直流测功机。开关S1、S2、S3分别为实验元件编号为D51的可换实验悬挂模块上的通断开关，实验中首先将通断开关S1接通，通断开关S2向左接通形成短接状态，使得即三相绕线式异步电机M的转子短路，通断开关S3向左方接通2'的回路，与电枢回路断开。R1的电阻总值为4 230 Ω，其组成是利用电阻元件D44的180 Ω阻值+串联在一起的电阻元件D42上的四只900 Ω的电阻+两只并联在一起的900 Ω的电阻元件；R2的电阻值为1 800 Ω，是通过接入电阻元件D44的电阻值获得的；RS的电阻值为36 Ω，其获得是首先通过将电阻元件D41上的三组90 Ω与90 Ω的电阻元件分别并联起来获得三组大小各为45 Ω的可调电阻，再利用万用表将RS的电阻值逐步调节到36 Ω.本试验中使用的测量仪器分别为：交流电流表A1的量程为3 A，交流电压表V1的量程为300 V；直流电流表A2和A4的量程都为5 A，A3的量程为200 mA，直流电压表V2的量程为1 000 V.

本实验采用控制变量法研究三相绕线式异步电动机的机械特性。

（1）RS=0时的反转性状态下机械特性、电动状态机械特性及再生发电制动状态小机械特性。

在保证RS=0的条件下，调节“电枢电源”输出电压或者R1阻值，使电动机M的转速下降，直至为0.把转速表置反向位置，并把R1的D42上的四个900 Ω串联的电阻调至0后用导线短接，继续减小R1阻值或者调高电枢电压使电机反向运转，直至n=-1 300 r/min为止。然后增大电阻R1或者减小校正直流测功机的电枢电压使电动机从反转运行状态进入堵转然后进入电动运行状态，在该范围内测量电机MG的Ua、Ia、n及电动机M的电流表A1的I1值。

（2）RS=36 Ω时的反转性状态下机械特性、电动状态机械特性及再生发电制动状态下机械特性。

将开关S2合向右端，绕线式异步电动机转子每相串入36 Ω电阻。

在保证RS=36 Ω的条件下，重复上述实验步骤，测量电机MG的Ua、Ia、n及电动机M的电流表A1的I1值。

（3）能耗制动状态下的机械特性

首先，确认在“停机”状态下。把开关S1合向右边2端，S2合向右端（RS仍保持36 Ω不变），S3合向左边2'端，R1用D44上1 800 Ω阻值并调至最大，R2用D42上1 800 Ω阻值并调至最大，R3用D42上900 Ω与900 Ω并联共900 Ω阻值并调至最大。

然后，开启“励磁电源”，调节R2阻值，使A3表If=100 mA，开启“电枢电源”，调节电枢电源的输出电压U=220 V，再调节R3使电动机M的定子绕组流过I=0.6 A，IN=0.36 A并保持不变。

最后，在R1阻值为最大的条件下，把开关S3合向右边1'端，减小R1阻值，使电机MG起动运转后转速约为1 600 r/min，增大R1阻值或减小电枢电源电压（但要保持A4表的电流I不变）使电机转速下降，直至转速n约为50 r/min，其间测取电机MG的Ua，Ia及n值。

2　结果与分析

（1）三相异步电动机的固有机械特性

根据以上步骤测量及计算可以得到不同转矩Tem和转速n之间的关系，并利用这些测得值绘制出该绕线式三相异步电动机的转矩转速曲线［5-7］，即可得到三相异步电动机的固有机械特性，具体分析如图2所示。

图2　三相异步电动机固有机械特性曲线

在电机正常启动时，首先随着转矩从零增大到启动转矩Tst=0.743 N·m时，电机开始转动；随着转速的升高，电动机转矩随转速成正比关系增大至最大值TM=1.614 N·m，此时对应的电机转速为1134 r/min；转速进一步升高，转矩开始逐步减小，当转矩减小到额定转矩TN=0.6 725 N·m时，对应的电机转速为1 420 r/min；当电动机的转速达到最大值1 500 r/min时，转矩减小至零。由图上可以看出，当转速从0上升到1 134 r/min时（对应转矩从启动转矩Tst到TM），曲线的斜率较大，说明电机转速变化较快，状态是不稳定的；当转速从1 134 r/min继续上升到额定转速1 420 r/min及最高转速1 500 r/min的过程中，曲线的斜率都较小，说明状态变化是近似趋于稳定的，这就是电机正常工作所需的区间［8-9］。

（2）降低绕线式三相异步电动机定子输入时的人为机械特性

最大转矩Tm及起动转矩Tst均与UN2成正比，n与UN无关（即保持不变）。降低绕线式三相异步电动机定子UN输入时，可得到不同UN输入时对应的电机机械特性，即人为机械特性。人为机械特性曲线的绘制方法为：先绘出固有机械特性，在不同的转速处，固有机械特性上的转矩值乘以电压变化后与变化前比值的平方，即得人为机械特性上对应的转矩值，图3中异步电动机定子输入电压从0.8 UN减小为0.5 UN.可以看出当降低异步电动机定子输入电压时，最大转矩Tm及起动转矩Tst与异步电动机转速成正比的变化，最高转速并不随电压的变化而变化，最大转差率Sm也不随电压的变化而变化。但是从图上也可以看出，随着电压的降低，电机稳定工作的区间变窄了，这会使得在实际使用时，电机负载转矩到额定转矩的区间变窄了，对电机的稳定使用是不利的。

图3　降低绕线式三相异步电动机定子输入的人为机械特性曲线

（3）改变绕线式三相异步电动机转子回路串联对称电阻时的人为机械特性，如图4.

图4　改变绕线式三相异步电动机转子回路串联对称电阻的人为机械特性曲线

当在绕线式三相异步电动机转子回路中绕组串入不同的对称电阻时，最大转速n（1 500 r/min）和Tm（1.614 N·m）没有改变，只是改变了Tm所对应的转速，即改变了最大转差率Sm，从上图4可以看到：当串入2 Ω的对称电阻时n=1 110（r/min），当转子绕组串入5 Ω的对称电阻时n=1 020（r/min），当转子绕组串入15 Ω的对称电阻时n=840（r/min），可以得出：当改变电阻时，在一定范围内增大R，可以提高起动转矩Tst（图中从0.93提高到1.13 N·m），因此转子回路串接对称电阻适用于绕线式异步电动机的起动和调速［10］。

3　结束语

根据上述研究，可以针对不同功率的电机，使用控制变量的方法研究其在不同R的阻值下电动机的反转特性以及电动机空载、负载时的机械特性，并绘制出各种机械特性的特性图。根据所得的机械特性图就可以得到该电机相应的机械特性（即电机转矩和转速之间的关系），并应用于各种不同的场合。

［1］汤蕴璆，史乃.电机学［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［2］李发海，王岩.电机与拖动基础［M］.第二版.北京：清华大学出版社，1994.

［3］宋旭东.绕线式异步电动机起动过程分析及起动参数的确定［D］.济南：山东大学，2006.

［4］陈惊鸿.三相异步电动机制动机械特性的研究［J］.中国西部科技，2014，（2）：35-36.

［5］高光.浅论三相异步电动机机械特性曲线［J］.职业，2014，（8）：146-147.

［6］陈峰.浅论三相异步电动机的机械特性、启动、制动与调速［J］.民营科技，2011，（6）：18.

［7］吴万禄，谢丽蓉，张建涛，等.绕线式异步电动机特性的研究与仿真［J］.科技风，2010，（7）：194-196.

［8］谢丽蓉，王智勇，晃勤.鼠笼异步电动机机械特性的研究［J］.中国电机工程学报，2008，（21）：68-72.

［9］谢丽蓉，王智勇，吴万禄.三相笼型异步电动机启动特性的研究［J］.自动化仪表，2011，（9）：12-17.

［10］李丽.三相鼠笼式异步电动机启动方式分析［J］.职业，2010，（9）：170-171.

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

大学生创新创业训练计划项目（编号：贵大（国）创字2014（011）；贵州省本科教学工程项目（编号：SJJG2014151990256）

赖智通（1996-），男，江西石城人，在读本科，研究方向：汽车工程；吴兵（1972-），男，浙江平湖人，高级实验师，硕士研究生，研究方向：数控技术。