賴智通，吳兵，馬狄，高翱

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025）

控制變量法獲取三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)

賴智通，吳兵，馬狄，高翱

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025）

三相異步電動(dòng)機(jī)相比單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)具有節(jié)省材料、運(yùn)行性能更好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性以及電動(dòng)機(jī)空載，負(fù)載時(shí)的機(jī)械特性，并繪制出各種機(jī)械特性的特性圖，并據(jù)此分析得出三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

控制變量法；三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)；機(jī)械特性

電機(jī)是用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的，其目的就是向工作機(jī)械提供一定的轉(zhuǎn)矩，并使工作設(shè)備能以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)工作［1-2］。因此，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是衡量電機(jī)性能的基本指標(biāo)。如何在電機(jī)中應(yīng)用控制技術(shù)，利用電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，充分發(fā)揮電機(jī)的特性，就使得研究電機(jī)的機(jī)械特性具有重要的意義。

1　實(shí)驗(yàn)方案

在不同工況下選用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，需要預(yù)先確定該電機(jī)的機(jī)械特性［3］，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目通過(guò)利用測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)速表、電壓電流表等測(cè)量設(shè)備，設(shè)計(jì)一套適用的實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)測(cè)取三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的Ua、Ia、n及電動(dòng)機(jī)M的定子電流I1值等特性數(shù)據(jù)，并通過(guò)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性規(guī)律［4］。實(shí)驗(yàn)中使用的電路圖如圖1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)電路原理圖

圖1中電機(jī)M在本實(shí)驗(yàn)中采用的是實(shí)驗(yàn)元件編號(hào)為DJ17的的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)，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(jī)MG是實(shí)驗(yàn)元件編號(hào)為DJ23的校正直流測(cè)功機(jī)。開關(guān)S1、S2、S3分別為實(shí)驗(yàn)元件編號(hào)為D51的可換實(shí)驗(yàn)懸掛模塊上的通斷開關(guān)，實(shí)驗(yàn)中首先將通斷開關(guān)S1接通，通斷開關(guān)S2向左接通形成短接狀態(tài)，使得即三相繞線式異步電機(jī)M的轉(zhuǎn)子短路，通斷開關(guān)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(lián)在一起的電阻元件D42上的四只900 Ω的電阻+兩只并聯(lián)在一起的900 Ω的電阻元件；R2的電阻值為1 800 Ω，是通過(guò)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(guò)將電阻元件D41上的三組90 Ω與90 Ω的電阻元件分別并聯(lián)起來(lái)獲得三組大小各為45 Ω的可調(diào)電阻，再利用萬(wàn)用表將RS的電阻值逐步調(diào)節(jié)到36 Ω.本試驗(yàn)中使用的測(cè)量?jī)x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(shí)驗(yàn)采用控制變量法研究三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

（1）RS=0時(shí)的反轉(zhuǎn)性狀態(tài)下機(jī)械特性、電動(dòng)狀態(tài)機(jī)械特性及再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)小機(jī)械特性。

在保證RS=0的條件下，調(diào)節(jié)“電樞電源”輸出電壓或者R1阻值，使電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速下降，直至為0.把轉(zhuǎn)速表置反向位置，并把R1的D42上的四個(gè)900 Ω串聯(lián)的電阻調(diào)至0后用導(dǎo)線短接，繼續(xù)減小R1阻值或者調(diào)高電樞電壓使電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，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(cè)功機(jī)的電樞電壓使電動(dòng)機(jī)從反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入堵轉(zhuǎn)然后進(jìn)入電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在該范圍內(nèi)測(cè)量電機(jī)MG的Ua、Ia、n及電動(dòng)機(jī)M的電流表A1的I1值。

（2）RS=36 Ω時(shí)的反轉(zhuǎn)性狀態(tài)下機(jī)械特性、電動(dòng)狀態(tài)機(jī)械特性及再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下機(jī)械特性。

將開關(guān)S2合向右端，繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子每相串入36 Ω電阻。

在保證RS=36 Ω的條件下，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)量電機(jī)MG的Ua、Ia、n及電動(dòng)機(jī)M的電流表A1的I1值。

（3）能耗制動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械特性

首先，確認(rèn)在“停機(jī)”狀態(tài)下。把開關(guān)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(diào)至最大，R2用D42上1 800 Ω阻值并調(diào)至最大，R3用D42上900 Ω與900 Ω并聯(lián)共900 Ω阻值并調(diào)至最大。

然后，開啟“勵(lì)磁電源”，調(diào)節(jié)R2阻值，使A3表If=100 mA，開啟“電樞電源”，調(diào)節(jié)電樞電源的輸出電壓U=220 V，再調(diào)節(jié)R3使電動(dòng)機(jī)M的定子繞組流過(guò)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(guān)S3合向右邊1'端，減小R1阻值，使電機(jī)MG起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速下降，直至轉(zhuǎn)速n約為50 r/min，其間測(cè)取電機(jī)MG的Ua，Ia及n值。

2　結(jié)果與分析

（1）三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性

根據(jù)以上步驟測(cè)量及計(jì)算可以得到不同轉(zhuǎn)矩Tem和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，并利用這些測(cè)得值繪制出該繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線［5-7］，即可得到三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性，具體分析如圖2所示。

圖2　三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線

在電機(jī)正常啟動(dòng)時(shí)，首先隨著轉(zhuǎn)矩從零增大到啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst=0.743 N·m時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)速的升高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系增大至最大值TM=1.614 N·m，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1134 r/min；轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，轉(zhuǎn)矩開始逐步減小，當(dāng)轉(zhuǎn)矩減小到額定轉(zhuǎn)矩TN=0.6 725 N·m時(shí)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 420 r/min；當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值1 500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩減小至零。由圖上可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?上升到1 134 r/min時(shí)（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩從啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst到TM），曲線的斜率較大，說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速變化較快，狀態(tài)是不穩(wěn)定的；當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)? 134 r/min繼續(xù)上升到額定轉(zhuǎn)速1 420 r/min及最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min的過(guò)程中，曲線的斜率都較小，說(shuō)明狀態(tài)變化是近似趨于穩(wěn)定的，這就是電機(jī)正常工作所需的區(qū)間［8-9］。

（2）降低繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)定子輸入時(shí)的人為機(jī)械特性

最大轉(zhuǎn)矩Tm及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst均與UN2成正比，n與UN無(wú)關(guān)（即保持不變）。降低繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)定子UN輸入時(shí)，可得到不同UN輸入時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)機(jī)械特性，即人為機(jī)械特性。人為機(jī)械特性曲線的繪制方法為：先繪出固有機(jī)械特性，在不同的轉(zhuǎn)速處，固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)矩值乘以電壓變化后與變化前比值的平方，即得人為機(jī)械特性上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，圖3中異步電動(dòng)機(jī)定子輸入電壓從0.8 UN減小為0.5 UN.可以看出當(dāng)降低異步電動(dòng)機(jī)定子輸入電壓時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Tm及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的變化，最高轉(zhuǎn)速并不隨電壓的變化而變化，最大轉(zhuǎn)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(jī)穩(wěn)定工作的區(qū)間變窄了，這會(huì)使得在實(shí)際使用時(shí)，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩到額定轉(zhuǎn)矩的區(qū)間變窄了，對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定使用是不利的。

圖3　降低繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)定子輸入的人為機(jī)械特性曲線

（3）改變繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性，如圖4.

圖4　改變繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)對(duì)稱電阻的人為機(jī)械特性曲線

當(dāng)在繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中繞組串入不同的對(duì)稱電阻時(shí)，最大轉(zhuǎn)速n（1 500 r/min）和Tm（1.614 N·m）沒(méi)有改變，只是改變了Tm所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即改變了最大轉(zhuǎn)差率Sm，從上圖4可以看到：當(dāng)串入2 Ω的對(duì)稱電阻時(shí)n=1 110（r/min），當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組串入5 Ω的對(duì)稱電阻時(shí)n=1 020（r/min），當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組串入15 Ω的對(duì)稱電阻時(shí)n=840（r/min），可以得出：當(dāng)改變電阻時(shí)，在一定范圍內(nèi)增大R，可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst（圖中從0.93提高到1.13 N·m），因此轉(zhuǎn)子回路串接對(duì)稱電阻適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速［10］。

3　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述研究，可以針對(duì)不同功率的電機(jī)，使用控制變量的方法研究其在不同R的阻值下電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)特性以及電動(dòng)機(jī)空載、負(fù)載時(shí)的機(jī)械特性，并繪制出各種機(jī)械特性的特性圖。根據(jù)所得的機(jī)械特性圖就可以得到該電機(jī)相應(yīng)的機(jī)械特性（即電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系），并應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合。

［1］湯蘊(yùn)璆，史乃.電機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［2］李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.第二版.北京：清華大學(xué)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：貴大（國(guó)）創(chuàng)字2014（011）；貴州省本科教學(xué)工程項(xiàng)目（編號(hào)：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(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，研究方向：數(shù)控技術(shù)。