多功能電機拖動設備

王安琪

摘 要：用變頻器和同步電機做成勻速控制臺，可用與展示運動中物體力的分解。在演示中，木塊和小車速度都可以定量調整，也可以改變管道和蠟塊速度。模擬“渡河舟”。它也可以用來演示線速度與角速度的關系，使學生掌握直線運動規律。

關鍵詞：摩擦力；運動；實驗

研究員們紛紛尋找能替代水平勻速運動試驗來展示出來。常用于測量摩擦力的的試驗有拖動木板、能量守恒定律等等[1]，其中不少方法很是復雜，演示極難。蠟塊做實驗，成熟可行的辦法是將管道底座置于汽墊導軌上，由于還是受到空氣阻力的影響，這一做法也是剛剛達到要求，演示中的記錄的蠟塊運動軌跡一般會出現向上彎曲的跡象；懸浮于氣墊上的管道也很難保持穩定，演示中管道必須放置數值卻保持穩定；為了演示方便，我們設計了如圖1和圖2所示的勻速拖動設備。演示中小車的速度玻璃管的方向和蠟塊的速度均可調節。本控制臺可以演示圓周運動和直線運動規律。

1 拖動原理

有人會對演示的合理性提出疑問：第一，根據 ，隨著設備的運行，繞線輪實際半徑會慢慢變大，實際速度v也是越來越大。運動方向也可能偏離。第二，扭矩增大后，電機速度可能變化。第三，回線困難。

如上圖所示，我門加裝導線輪和縫來控制方向，應用較大的繞線輪和較細的牽引線，那么木板的方向便可以控制。其二，我們可以應用同步電機，在外力可控的情況下電機轉速恒定[2]。另外，我們需要控制演示的時間。因此需要我們降低電機速率。由于同步電機的轉速

n與頻率f、磁極對數 的關系為[2]： （轉/分），我們通過

加裝變頻器來改變電流工作頻率來改變電機轉速。

我們采用了可以控制轉動方向的同步電機--動機的順轉和逆轉；當需要回線時，只要先調高變頻器的輸出頻率，再撥動S2使繞線輪倒轉，這樣在回線的同時車子也會在鉤碼的拖動下自動倒退到原位。

2 設備的應用與操作

2.1 測量靜摩擦力

圖2

如圖2所示，接通電源調節變頻器，可以發現彈簧秤的彈簧慢慢來長，但木板有一個向右運動的趨勢卻沒有運動。幾秒種后，木板運動開始，彈簧秤指示數字發生“突變”，演示中展現了在木板在運動剛剛開始的那一下所顯示的摩擦力比運動時要大，這個摩擦力就被人們稱作最大靜摩擦力也就是 。固定一個10g的砝碼在木塊上，再次進行以上步驟，你會發現這次的最大就摩擦力較上一次更大。然后用粗糙木塊3進行上述操作，顯示的最大靜摩擦力比前兩次都要大。可以得出結論，木塊的動摩擦力和最大靜摩擦力之間的關系是

，最大靜摩擦力隨著壓力的增大而增大，最大靜摩擦力隨著接觸面的粗糙程度的增大而增大。需要注意的是盡量的調節變頻器使其頻率足夠小以便于讀數，可以在木塊上放置一個砝碼以便明顯的觀察到彈簧秤的指示數字的變化。

2.2 演示圓周運動的規律

由于演示臺的局限性，圓周運動在以往的資料中角速度和線速度的關系式： 都是理論推導出來的。圖一的設備臺上邊的繞線輪可以用于演示圓周運動的規律。正是因為我們購買的同步電機在電

流工作頻率是f=50Hz時，其轉速正好為n=50r/min，參照

（轉/分），演示的n與f之間的速度比例正好是1：1，而且我們采購的變頻器可以直接顯示電流的頻率f，因此我們很容易的獲得繞線輪的角速度。假設繞線輪轉動頻率為f，因此它的角速度（ ）為

；其線速度v則可以根據木塊的移動速度獲

得；因此，我們只要測量出繞線線圈的半徑就可以推論出v、r、w三者的關系了。

2.3 演示勻速直線運動

演示操作是運動規律的本質，但是有很多本身很簡單的操作不被人們重視，因此這些演示很少得到重視。其中之一勻速運動。但是很多人對勻速運動并不是如同大家想象的那樣好。舉個例子，勻速直線運動的“x-t”圖像，很多時候被人們看作是傾斜運動的軌跡；更有甚者他們理解的“一個質點的勻速直線運動就是在單位時間內運動的距離一樣”便是對的，無論我們怎么強調勻速直線規律的性質，并舉例加以強調，多數因為語言表述不足和理解力的問題而使得效果很不理想。

此實驗臺可以很形象的幫助學生深刻的掌握勻速直線運動規律。我們可以在刻度尺邊上加一條打點計時器專用紙，把木板的初始位置在紙帶上標明。打開電源調節變頻器，讓木板緩慢地勻速運動這，間隔一定的時間段在紙帶上用筆點一下木板的位置，逐一測量并記錄各個時間段內木塊發生的位移；加大變頻器的速度，重復操作；此后分別作出兩次操作的“x-t”圖像，讓人們自己去感受勻速直線運動，得出運動規律。

此外，為了加強對此次勻速直線運動規律的理解，我們可以對操作臺進行改進：在紙帶上做出四個明顯的標記，且其中的間隔相等。開啟電機拖動木板運動運動，在木板運動期間不停地調大和調小變頻器的輸出頻率，使得模板運動速度忽快忽慢，用秒表記錄下來木塊通過第二個標記所用的時間T，此后調節變頻器的頻率讓木板也在同樣的時間T內已變化的速率依次通過第三個和第四個標記區。這些曹嚴嚴實，可以使人們更清楚地觀察到物體在相同的時間內通過相同的位移，也不能說明它一定做勻速直線運動，因此可以加深人們對勻速直線規律的理解掌握。

3 結語

機械設備的運動需要依靠動力才能完成。比如在電動機問世之前的工農業生產中，人們常常會把風力、水力或蒸汽機等作為生產動力，這種情況一直延續到了直流電動機的出現，彼時人們才開始重視以電動機作為原動機的拖動方式。到了上個世紀80年代的時候，傳輸方便的三相交流電和結構簡單的三相交流異步電動機的發明，使電力拖動得到了更加充分的發展。此后隨著社會科技發展水平的不斷的進步，電力拖動被廣泛用于工農業產生和國防建設的各個領域之中，為提高生產率和改善產品質量依據為社會經濟發展等都做出了重要貢獻。本文以多功能電機拖動設備作為研究對象，就其工作原理進行了簡要解析。

參考文獻

[1]蔣天林.測量動摩擦因素的幾種方法[J].物理教學，2009，（2）：22-23.

[2]湖南大學，武漢水利電力學院.電工學基本教程[M].北京：高等教育出版社，1995，253.

[3]王永元，魏傳傳.紅蠟塊實驗的改進[J].物理教師，2009（2）：19-21.

[4]多功能勻速拖動裝置[J].物理教學，2011，（1）：25-2.