三相异步电动机的机械特性

第 十 章 异步电动机的电力拖动
(3) 能耗制动过程 —— 迅速停车 ① 制动原理 制动前：特性 1。 制动时：特性 2。 a点 n↓
惯性
2
n
b
a
1
b 点 (T＜0，制动开始)
O T L
T
制动过程结束。 原点 O (n = 0，T = 0)， ② 制动效果 Rb →I1 →Φ →T →制动快。 ③ 制动时的功率 定子输入：P1 = 0，轴上输出：P2 = TΩ＜0 。 动能 P2 → 转子电路的电能 → PCu2消耗掉。
机械特性曲线

在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T 与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。
异步电动机机械特性
①最大转矩Tm

最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，最大转 矩为： 3 pU 2
Tm 4f1 r1 r12 ( x1 x2 ) 2

1


最大转矩对应的临界转差率为：
临界转差率
临界转差率： m TN m TN sm s T TL L

当拖动额定负载时，TL=TN临界转差率为：
1
2

sm s N m 2 1 m 额定转矩为：
TN T2 N


PN (W ) 9.55 ( N m) nN (r / min)
异步电动机的人为机械特性是指人为 改变电动机的电气参数而得到的机械 特性。 由参数表达式可知，改变定子电压U1、 定子频率f1、极对数p、定子回路电阻 r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗 x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。
（1）降低定子电压的人为机械特性


在参数表达式中，保持其它参数不变， 只改变定子电压U1的大小，可得改变 定子电压的人为机械特性。 讨论电压在额定值以下范围调节的人 为特性（为什么？）
（2）参数表达式
r2 2 r m1 I 2 3 pU1 Pem s s T 2 2f1 1 r2 2 2f1 r1 x1 x2 p s
2

异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平 方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造 成很大影响。
sm
r2 r ( x1 x2 )
2 1 2
两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）； “-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）。

最大转矩近似表达式 2 2 通常情况下， ( x1 x2 ) 可忽略r1，则有： r1
r2 sm x1 x2
2 3 pU1 Tm 4f1 ( x1 x2 ) 最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，
本章小结2


工作特性反映了异步电动机在额定电压、 额定频率时的使用性能。机械特性则是异 步电动机运行特性中最重要，三相异步电 动机的机械特性是指在电动机定子电压、 频率以及绕组参数一定的条件下，电动机 电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=ƒ(T) 或s=ƒ(T)。机械特性可用函数表示，也可 同曲线表示，用函数表示Biblioteka Baidu，有三种表达 式：物理表达式、参数表达式和实用表达 式。 作业：3-24
0
1
T
制动结束。 到 c 点时，若未切断电源， M 将可能反向起动。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
② 制动效果 取决于 Rb 的大小。 ③ 制动时的功率 R '＋Rb' Pe = m1I2'2 2 ＞0 s Pm = (1－s ) Pe＜0 PCu2 = m1(R2'＋Rb' ) I2'2 = Pe－Pm = Pe＋|Pm|



起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍 数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：

一般异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。
Tst k st TN
r1sm 2 实用表达式： r 1 T 2 r1sm sm s Tm r22 r2 r22 2 s 2 2r1 2 s r2 s s s sm m
绕线式异步电动机转子回路串入 三相对称电阻的接线图和人为机械特性
分析



当转子电阻r2增大时，同步转速n1和临界转 矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转 矩Tst随转子电阻r2增大而增大，直至Tst=Tm 当转子电阻r2再增大时，起动转矩Tst反而 减小。 转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线 式异步电动机的起动和调速。
O
T 3
2
c 点 ( n = 0，Tc＜TL )
c d
在TL 作用下 d 点( nd＜0，Td = TL ) M 反向起动
② 制动效果 制动运 行状态 改变 Rb 的大小， 改变特性 2 的斜率， 改变 nd 。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
③ 制动时的功率 n0－n 第四象限： s = n0 ＞1 (n＜0) 2 R2'＋Rb' ＞0 —— 定子输入电功率 Pe = m1I2' s Pm = (1－s ) Pe ＜0 —— 轴上输入机械功率 （位能负载的位能） PCu2 = m1(R2'＋Rb' ) I2'2 = Pe－Pm
定子回路串入对称电抗的人为机械特性

如果定子回路串入 对称的电抗，同步 转速n1仍不变，但 临界转矩Tm、临界 转差率sm、起动转 矩Tst也都变小。两 种接线可实际应用 于鼠笼式异步电动 机的起动，以限制 起动电流。
定子回路串入对称电抗的 接线图和人为机械特性
（3）转子回路串入对称电阻的人为机械特性
三相电能 定子 电磁功率Pe
2
n n0
b
a
1
c
O
T
－n0
转子 电阻 消耗 掉 转子
机械功率Pm
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 转子反向的反接制动 ——下放重物 n ① 制动原理 n0 定子相序不变，转子 b 电路串联对称电阻 Rb。 低速提 a点 n↓
惯性
a e TL
1
升重物 b 点(Tb＜TL)，
作业：10-1、10-2
第 十 章 异步电动机的电力拖动
10.2 三相异步电动机的各种运转状态
1. 能耗制动
3~
(1) 制动原理 S1 制动前 S1 合上，S2 断开， M 为电动状态。 Φ 制动时 S1 断开，S2 合上。 F × 定子: U →I1 →Φ TM T 3~ 转子: n →E2 → I2 M 为制动状态。
S2
Rb I1
＋ U －
n F
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 能耗制动时的机械特性 特点： ① 因T 与 n 方向相反， n－T 曲线在第二、 四象限。 ② 因 n = 0 时， T = 0， n－T 曲线过原点。 ③ 制动电流增大时， 制动转矩也增大； 产生最大转矩的转速不变。
n
T
O
I1'＜ I1"
第十章
三相异步电动机的机械特性
及各种运行状态
本章教学目的：
1、掌握异步电动机机械特性的三种表达式 2、掌握异步电动机固有机械特性与人为机械 特性及曲线画法 3、掌握异步电动机的各种运转状态计算 4、掌握调速及制动电阻计算
重点和难点：
重点：1、运转状态及其制动电阻计算 2、调速电阻计算 难点：1、运转状态分析及其制动电阻计算 2、调速电阻推导公式

降电压人为机械特性曲线 Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm与电压无关
TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性
（2）定子回路串入对称电阻的人为机械特性

当定子电阻r1 增大时，同步 转速n1不变， 但临界转矩Tm、 临界转差率sm、 起动转矩Tst都 变小
定子回路串入对称电阻的 接线图和人为机械特性
本章小结1

异步电动机运行时，转子与旋转磁场存在 转差，因而能在转子中感应电势和电流， 产生电磁转矩，使电动机旋转，可见转差 率s是异步电动机的重要参量。通过频率和 绕组折算，可得到反映实际运行电动机各 量关系的等值电路，等值电路中的各种参 数可通过空载和短路试验测取。与变压器 一样，基本方程式、等值电路、相量图也 是描述电动机负载运行时的基本电磁关系 的工具。
pm1 N1k w1 异步电动机的转矩系数：CT 2 E 转子电流折算值： I r ( ) x r2 s

分析物理表达式
转子功率因数：
cos 2
r ( 2 ) 2 x22 s
s
物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与 主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之 间的关系，此表达式一般用来定性分析在不 同运行状态下的转矩大小和性质。

从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、 λm应用实用公式就可方便得出机械特性表达 式。
2.固有机械特性


异步电动机的固有机 械特性是指U1=U1N， ƒ1=ƒ1N，定子三相绕 组按规定方式连接， 定子和转子电路中不 外接任何元件时测得 的机械特性n =ƒ（T） 或T=ƒ（s）曲线。 对于同一台异步电动 机有正转（曲线1） 和反转（曲线2）两 条固有机械特性。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(4) 能耗制动运行 —— 下放重物
a点
n↓
惯性
b 点 (T＜0，制动开始) 2 b
n
原点 O (n = 0，T = 0),
a
1
在TL作用下 c 点(T = TL), n 反向增加
以速度 nc 稳定下放重物。 制动效果： 由制动回路的电阻决定。
T
O
c TL
制动运 行状态

其值大小反映电动机过载能力，用λm表示， 即： Tm m TN 一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。
②起动转矩Tst

起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转， 这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转 矩，用Tst表示，则有： 3 pU12 r2 Tst 2 x1 x2 2 2f1 r1 r2
10-1 异步电动机机械特性


三相异步电动机的机械特性是指在电动机 定子电压、频率以及绕组参数一定的条件 下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关 系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。 机械特性可用函数表示，也可用曲线表示， 用函数表示时，有三种表达式：物理表达 式、参数表达式和实用表达式。
1.异步电动机机械特性三种表达式
三相异步电动机固有机械特性


说明特性上的各特殊点1 (1)同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点处： s=1，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电 动机处于理想空载状态。 (2)额定运行点B 在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N， P2=PN，电动机处于额定运行状态。


（1）物理表达式 电磁转矩为：
Pem m1 E2 I 2 cos 2 m1 (4.44 f1 N1k w1 m ) I 2 cos 2 T 2n1 2f1 1 60 p pm1 N1k w1 m I 2 cos 2 CT m I 2 cos 2 2
说明特性上的各特殊点2


(3)临界点C 在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电 磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。 Tmˊ是异步电动机回馈制动状态所对 应的最大转矩，若忽略r1的影响时， 有T mˊ=Tm。 (4)起动点D 在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。
3.人为机械特性


第 十 章 异步电动机的电力拖动
2. 反接制动
(1) 定子反相的反接制动 —— 迅速停车 3~ ① 制动原理
3~
制 动 前 的 电 路
M 3~ Rb
M 3~
制 动 时 的 电 路
第 十 章 异步电动机的电力拖动
n 制动前：正向电动状态。 2 n0 制动时：定子相序改变， a b n0 变向。 －n0 －n n0＋n s = －n = n 0 0 －TL 即：s ＞1 (第二象限)。 O c TL 同时：E2s、I2 反向，T 反向。 d 惯性 a点 b 点(T＜0，制动开始) n↓ c 点(n = 0，T ≠ 0)， －n

（3）实用表达式
r2 2r2 r1 sm
认为 r1 r2 ，一般异步电动机的sm 0.1～0.2 ， s sm 2 ，而 ( s sm ) 2 0 ， 在任何s值时都有： sm s 2 sm 2 可以忽略，简化得：
2Tm T s sm sm s