直流電動機(jī)微型實驗平臺設(shè)計

顧 波，魏 偉，張 磊

（沈陽科技學(xué)院 信息與控制工程系，遼寧 沈陽 110000）

0 引 言

為實現(xiàn)“十三五”規(guī)劃中以應(yīng)用型人才的能力培養(yǎng)與素質(zhì)教育為核心的教育模式，各大高校轉(zhuǎn)變了辦學(xué)理念，突出“應(yīng)用型”定位特色，培養(yǎng)大學(xué)生的動手實踐、科技創(chuàng)新及學(xué)科交叉的綜合性學(xué)習(xí)能力[1]。因此，自主研制實驗平臺是提高教師與學(xué)生科研水平的一種新途徑，在促進(jìn)教改的同時，將實踐、創(chuàng)新和綜合性能力結(jié)合，解決部分發(fā)展中高校由于經(jīng)費緊張而出現(xiàn)實驗設(shè)備缺失的問題。另外，教材中以公式推導(dǎo)或特性曲線的形式得到了固定的結(jié)論，并以實驗的形式驗證結(jié)論，便于更深入掌握相關(guān)知識[2]。

1 直流電動機(jī)微型實驗平臺

依托高校人才培養(yǎng)方案中電氣工程及其自動化專業(yè)課程《電機(jī)與拖動基礎(chǔ)》的教學(xué)計劃，設(shè)計了具有經(jīng)濟(jì)、安全、實用、可搬移、可開發(fā)的和高成效“直流電動機(jī)微型實驗平臺”，從一定角度替代了傳統(tǒng)電機(jī)實驗設(shè)備，彌補(bǔ)了因體積過大不易搬運(yùn)、用電量大、操作危險性高、不易維修和實驗教育經(jīng)費成本高的問題。該實驗平臺建設(shè)基礎(chǔ)經(jīng)費一套300元，以12 V微型直流電動機(jī)為研究對象建立實驗項目，模擬并驗證電樞串電阻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速和反接制動的實驗現(xiàn)象。

2 實驗項目原理

2.1 電樞串電阻調(diào)速

直流電動機(jī)電樞串電阻RΩ時的轉(zhuǎn)速人為機(jī)械特性表達(dá)式為[3]：

由于電動機(jī)的電壓及磁通保持額定值不變，故人為機(jī)械特性是一組過理想空載點n0的直線，斜率β的絕對值則隨串聯(lián)電阻RΩ的增大而加大，特性曲線如圖1所示。

圖1 電樞串電阻調(diào)速人為機(jī)械特性

2.2 調(diào)壓調(diào)速

直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速時的人為機(jī)械特性表達(dá)式[4-5]為：

可見，在其他參數(shù)不變時改變電源電壓，電動機(jī)的速度也相應(yīng)變化；電壓U增大時，轉(zhuǎn)速n增加；電壓U減小時，轉(zhuǎn)速n低，但斜率保持不變。

2.3 反接制動

電樞反接制動的方法是在制動時電源反接，并在電樞電路中串入制動電阻Rz。此時，由于電樞反接，電源電壓U為負(fù)，電流Ia為負(fù)，T也為負(fù)，而n為正，T與n反向，故為制動狀態(tài)。反接制動時的機(jī)械特性表示為：

3 實驗平臺設(shè)計

直流電動機(jī)微型實驗平臺采用輸入為220 V、輸出為12 V的直流穩(wěn)壓電源供電?？紤]經(jīng)濟(jì)性和實用性，在設(shè)計上該平臺使用2個12 V微型電動機(jī)實現(xiàn)4個實驗環(huán)節(jié)，即電樞串電阻和PWM調(diào)壓調(diào)速共用1#電動機(jī)，反接制動共用2#電動機(jī)，且在電樞串電阻，反接制動環(huán)節(jié)中均串入滑動變阻器。既方便調(diào)試，又可從不同基數(shù)上觀察和驗證實驗結(jié)論，更深層次掌握電動機(jī)的機(jī)械特性和各參數(shù)之間的關(guān)系。實驗平臺電路設(shè)計圖如圖2所示。

3.1 制動實驗環(huán)節(jié)設(shè)計

在此回路中仍可通過滑動變阻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，在不同轉(zhuǎn)速下，其反接制動時間也不同。實驗時需注意：電動和反接制動按鈕不要同時按下，避免使電機(jī)發(fā)生電動和制動同時運(yùn)行的情況。

3.2 調(diào)速實驗環(huán)節(jié)

電樞串電阻調(diào)速（總開關(guān)4控制）是在電源與電機(jī)之間串聯(lián)一臺100 W、50 Ω的滑動變阻器，通過調(diào)節(jié)阻值改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速數(shù)值可通過數(shù)碼顯示屏讀取。

4 實驗測試方式及結(jié)論驗證

4.1 電樞串電阻調(diào)速

已知額定電壓UN=12 V，測得額定電流IN=0.52 A，額定轉(zhuǎn)速nN=7 500 r/min，電樞電阻Ra=6.2 Ω，通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

得到CeΦN=1.18×10-3，并根據(jù)電樞串電阻表達(dá)式式（7）計算轉(zhuǎn)速值。

4.2 調(diào)壓調(diào)速

接入12 V直流穩(wěn)壓源，閉合總開關(guān)3和PWM直流調(diào)速器，2#電機(jī)開始工作，通過調(diào)速器旋轉(zhuǎn)鈕調(diào)節(jié)電壓（電壓值可在電壓顯示屏上觀測，亦可使用萬用表測量），可在霍爾測速儀裝置的顯示屏上觀測到不同電壓下的不同轉(zhuǎn)速，同時記錄電流值，并根據(jù)電壓調(diào)速表達(dá)式式（8）計算出轉(zhuǎn)速值。

4.3 反接制動

接入12 V直流穩(wěn)壓源，閉合總開關(guān)2并按下電動按鈕，1#電機(jī)電動運(yùn)行，調(diào)節(jié)變阻器使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到某個數(shù)值，反接制動時按下反接制動按鈕，這時反向接入6 V制動電源，1#電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，直至降為0。此時，立即松開制動按鈕，否則電機(jī)將進(jìn)入反轉(zhuǎn)電動運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 直流電動機(jī)微型實驗平臺電路圖

5 結(jié) 論

在建立實驗平臺的過程既聯(lián)系了《電路》《電工技術(shù)》和《單片機(jī)技術(shù)》等相關(guān)課程的應(yīng)用，又鍛練了學(xué)生的動手操作能力。同時，該平臺可作教學(xué)課堂演示，提高了學(xué)生上課的興趣，達(dá)到了一臺多用的教學(xué)效果。