电动机的机械特性

几个特殊点：
1.起动点A:
n 0,s 1,Tem Tst
s n D 0 sN nN sm n m 1
C
2.最大转矩点B: n nm ,s sm ,Tem Tm 3.额定运行点C n nN ,s sm ,Tem TN 4.同步运行点D n n1 ,s 0,Tem 0
起动电流关系: 起动转矩关系: Y△
I stY 1 I st 3 TstY 1 Tst 3
降压起动多用于空载或轻载起动
第5章 三相异步电动机的电力拖动
2.自耦变压器降压起动
UN 直接起动时的起动电流： st I ZS
U1 U N 降压后二次侧起动电流：1st I Z S kZ s
1 UN k 2 Zs I st 1 2 电网提供的起动电流减小倍数： I st k
变压器一次侧电流：st I1st I
1 k
Tst 1 起动转矩减小的倍数： k 2 Tst
自耦变压器一般有三个分接头可供选用。
第5章 三相异步电动机的电力拖动
5.2.2 三相绕线型异步电动机的起动
第5章 三相异步电动机的电力拖动
由于n1 0， 所以能耗制动时 1. s
对笼型异步电动机,可以 增大直流励磁电流来增大初始 制动转矩 。 对绕线型异步电动机,可 以增大转子回路电阻来增大 初始制动转矩 。 制动电阻大小：
RB ( 0.2 ~ 0.4 ) E2 N 3I2 N R2
3 2 1 B
m1 pU 12 R'2 Tst 2 f1 ( R1 R'2 )2 ( X 1 X '2 )2
结论：当其它参数一定时
1、起动转矩与电源电压平方成正比； 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小； 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。 4、起动转矩倍数
反接制动时，s>1，所以有
机械功率为 PMEC m1 I 22 1 s R2 0 s 2 R2 Pem m1 I 2 0 s
电磁功率为
机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为 正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。 而 PMEC
Pem m1 I 2 2 R s 1 m1 I 2 2 2 m1 I 2 2 R2 R2 s s
一、转子回路串电阻起动
在转子回路中串联适当的电阻,既能 限制起动电流，又能增大起动转矩。
为了有较大的起动转矩、使起动 过程平滑，应在转子回路中串入多级 对称电阻，并随着转速的升高，逐渐 切除起动电阻。
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起动过程
电动机由a点 开始起动，经 b→c→d→e→ f →g→h，完 成起动过程。
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5.3三相异步电动机的制动
5.3.1 能耗制动 实现：制动时，S1断开,电机脱离电网， 同时S2闭合,在定子绕组中通入直流励磁 电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场， 因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场， 导体中感应电动势和电流。感应电流与 磁场作用产生的电磁转矩为制动性质， 转速迅速下降，当转速为零时，感应电 动势和电流为零，制动过程结束。 制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻 上——能耗制动。
n1
n
A
Tem
0
C
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5.3.2 反接制动 一、电源两相反接的反接制动
实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。
由于定子旋转磁场方向 改变, 理 想空载转速变为 n1 , s 1.
机械特性由曲线1变为曲线 2，工作点由A→B →C， n=0,制动过程结束。 绕线式电动机在定子两反 接同时,可在转子回路串联 制动电阻来限制制动电流 和增大制动转矩 ,曲线3。
表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给 转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能 量损耗较大。
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5.3.3 回馈制动 实现：电动机转子在外力作用下，使n>n1. 回馈制动状态实际上就是将轴上的机 械能转变成电能并回馈到电网的异步发电 机状态。 一、下放重物时的回馈制动
Tst K st TN
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三、实用表达式 利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式：
Tem 2Tm sm s sm s
工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来 求出实用表达式。方法是：
PN TN 9550 nN
Tm T TN
sN
B
A
Tem Tm
0
TN Tst
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二、人为机械特性 人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机 械特性。
1. 降压时的人为机械特性
U1下降后, Tm 和 Tst 均下降, 但 sm不变, T 和 kst 减少。
s n n
0
1
TL
如果电机在定额负载下运 sm 行,U1下降后, n 下降, s 增大, E 转子电流因 2 s sE2增大而增 大,导致电机过载。长期欠压 过载运行将使电机过热，减 10 少使用寿命。
电机工作点由A变到B，电磁转矩 n 为负， B n1 ，电机处于回馈制 动状态。
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5.4三相异步电动机的调速
由异步电动机的转速公式
60 f1 n n1 ( 1 s ) (1 s ) p
可知，异步电动机有下列三种基本调速方法： （1）改变定子极对数 p 调速。
n1 nN n1
sm s N ( T
2 T 1 )
将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式。
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5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性
固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接 线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
电机机械特性曲线1，运行于A点。
首先将定子两相反接,定子旋转磁场 的同步速为-n1，特性曲线变为2。工作 点由A到B。经过反接制动过程（由B到 C）、反向加速过程（C到-n1变化）， 最后在位能负载作用下反向加速并超过 同步速，直到C点保持稳定运行。
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二、变极或变频调速过程中的回馈制动 电机机械特性曲线1，运行于A点。 当电机采用变极（增加极数）或变 频（降低频率）进行调速时，机械 特性变为2。同步速变为 n1 。
二、三种常用变极接线方式 Y→反并YY，2p-p Y→反串Y，2p-p ∆→YY，2p-p
注意：
当改变 定子绕 组接线 时，必 须同时 改变定 子绕组 的相序
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三、变极调速时容许输出 容许输出时是指保持电流为额定值条件下，调速前、后电 动机轴上输出的功率和转矩。
1.
Y-YY联结方式
R'2
T T 1、 m与U12成正比； m 与U1 无关。 s T 2、R2 越大，m 越大；em与 R2 无关。 3、Tm 和 sm 都近似与漏抗成反比
最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:
T
Tm TN
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在特性曲线上还有一个起动转矩，即 n 0(s 1) 时的转矩:
Tem
Leabharlann Baidu
说明：电磁转矩与电源参数（Ｕ1、f1）、结构参数（R、X、m、 p）和运行参数（s）有关。
R2 2 2 f1 ( R1 ) ( X 1 X '2 )2 s
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三相异步电动机的机械特性 n f (Tem ) 曲线
第5章 三相异步电动机的电力拖动
第5章 三相异步电动机的电力拖动
二、转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。 起动时，S2断开，转子串入频敏 变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。 起动时,f2 f1,频敏变阻器铁损大,反 映铁损耗的等效电阻 Rm大,相当于转 子回路串入一个较大电阻。随着 n f2 上升, 减小,铁损减少,等效电阻 减小,相当于逐渐切除 Rm ,起动结 束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子 电路直接短路。
0.8UN
UN
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2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 串电阻后, n、Tm 不变，sm 增大。
s n
在一定范围内增加电阻，可以 增加 Tst。当 sm 1时 Tst Tm ，若 T 再增加电阻， st 减小。 除了上述特性外，还有 改变电源频率、极对数等人 为机械特性。 0 sm
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5.2.1 三相笼型异步电动机的起动 一、直接起动
k 可以直接起动的条件：起动电流倍数 I 3 4 电动机容量kW ) ( 二、降压起动 1.Y-△ 降压起动 1 电源容量（ ) kVA
适用于正常运行时定子绕组为三角形接线 的电动机。起动时 Y接；运行时△接。
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二、倒拉反转的反接制动 条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。
实现：在转子回路串联适当大电阻RB。
电机工作点由A→B →C，n=0，制动过程 开始，电机反转子， 直到D点。在第四象 限才是制动状态。 由于电机反向旋转， n<0，所以s>1。
第5章 三相异步电动机的电力拖动
第5章 三相异步电动机的电力拖动
本章首先讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械 特性为理论基础，分析研究三相异步电动机的起动、制动和 调速等问题。 5.1 三相异步电动机的机械特性 5.2 三相异步电动机的起动
5.3 三相异步电动机的制动
5.4三相异步电动机的调速 思考题与习题
第5章 三相异步电动机的电力拖动
5.1三相异步电动机的机械特性
5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩 之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系， Tem 所以异步电动机的机械特性通常用f ( s ) 表示。 一、物理表达式 Tem CT0 I'2 cos 2 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 0 与转子电流的 ' 有功分量 I 2 cos 2 相互作用产生的。 2 R2 m1 pU1 二、参数表达式 s
n1 R2
sm 1 0 Tst Tst
R2+Rs Tem Tm
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5.2三相异步电动机的起动
起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的 过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。 1.起动电流大的原因 起动时,n 0, s 1 ,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁 动势平衡关系,定子电流必然增大. 2.起动转矩不大的原因 从下述公式分析 Tst Tem CT0 I'2 cos 2 起动时,s 1 ,远大于运行时的 s ,转子漏抗 X 2s sX 2 很大, cos2 很低,尽管I 2 很大,但 I 2 cos 2 并不大. 由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小, 对应的气隙磁通减小. 由上述两个原因使得起动转矩不大.
Y-YY后,极数减少一半,转速增大一倍,即nYY 2nY，保持每一绕 组电流为 I N ,则输出功率和转矩为
（2）改变电源频率 f1调速。
（3）改变转差率 s 调速。
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5.4.1 变极调速 一、变极原理 变极调速只用于笼型电动机。 以4极变2极为例： U相两个线圈，顺向串联， 定子绕组产生4极磁场： 反向串联和反向并联，定子绕组 产生2极磁场：
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在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界
dTem 转差率，可令 ds 0 求得:
R'2 sm 2 ' 2 X 1 X '2 R1 ( X 1 X 2 )
m1 pU12 Tm 2 ' 2 4 f1 ( X 1 X '2 ) 4 f1[ R1 R1 ( X 1 X 2 ) ] m1 pU12