三相異步電動機的機械特性教材

1、三相異步電動機的運行特性摘要：本章介紹了三相異步電動機的機械特性的三個表達(dá)式。固有機械特性和人為機械特性，闡述了三相異步電動機的起動、調(diào)速和制動的各種方法、特點和應(yīng)用5.1三相異步電動機的運行特性三相異步電動機的運行特性就是三相異步電動機的運行工作時的機械特性。和直流電動機一樣，三相異步電動機的機械特性也是指電磁 轉(zhuǎn)矩J與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1與同步轉(zhuǎn)速- 轉(zhuǎn) 差率一存在下列關(guān)系，即(5.1)則三相異步電動機的機械特性用曲線表示時，習(xí)慣上縱坐標(biāo)同時表示 轉(zhuǎn)速1和轉(zhuǎn)差率_，橫坐標(biāo)表示電磁轉(zhuǎn)矩丄。三相異步電動機的機械特性有三種表達(dá)式，現(xiàn)介紹如下：5.1.1機械特性的物理表達(dá)式由上一章

2、三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系知，三相異步電動機轉(zhuǎn)矩的一般 表達(dá)式為co 呢（5.2）式中：為三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是一常數(shù)；-、：為三相異步電動機的氣隙每極磁通量；為轉(zhuǎn)子電流的折算值；廠】為轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)；式（5.2 ）表明了電磁轉(zhuǎn)矩與磁通量和轉(zhuǎn)子電流的有功分量的乘積成 正比，它是電磁力定律在三相異步電動機的應(yīng)用，它從物理特性上描述了三相異步電動機的運行特性，因此這一表達(dá)式又稱為三相異步電 動機的物理表達(dá)式。僅從式（5.2 ）不能明顯地看出電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率之間的變化規(guī) 律。要從分析氣隙每極磁通量 二，轉(zhuǎn)子相電流二，以及為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)5與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，間接地找出其變化規(guī)律?，F(xiàn)分析如表5

3、.1所示。根據(jù)表5.1中的分析，可作出曲線- 和分別如圖5.2、5.3、5.4所示，據(jù)此可得出圖5.1所示的機械特性曲 線。曲線分為兩段：當(dāng)一較小時（-=）， “:變化不大，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相電流 二成正比關(guān)系，表現(xiàn)為AB段近似為直線， 稱為直線部分；當(dāng)一較大時，如：，-；減少近一 半，匚很小，盡管轉(zhuǎn)子相電流增大，有功電流【I不大，使電磁轉(zhuǎn)矩J反而減小了，此時表現(xiàn)為丄T段，L 段為曲線段，稱為曲線部分。由此分析知，三相異步電動機的機械特 性在某轉(zhuǎn)差率一下，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，即J點稱為最大轉(zhuǎn)矩點，相應(yīng)的 轉(zhuǎn)矩為稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率+稱為臨界轉(zhuǎn)差率。5.1.2機械特性的參數(shù)表達(dá)式 1.參數(shù)表達(dá)式的

4、推導(dǎo):三相異步電動機的機械特性的參數(shù)表達(dá)式就是直接表示異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩J與轉(zhuǎn)差率和電機的某些參數(shù)（j及阻抗等）之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式?，F(xiàn)推導(dǎo)如下：已知，電磁轉(zhuǎn)矩丄與轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為(5.3)團(tuán)5. 5由參數(shù)表達(dá)式繪制的三相 異步電動機機挾特性1 電源為正相序吋2 電源為負(fù)相序時根據(jù)三相異步電動機的等值電路中，由于勵磁阻抗比定子、轉(zhuǎn)子漏阻 抗大很多，把型等值電路中勵磁阻抗這一段電路近似為開路， 而計 算】的誤差很小，故+ 片/尸 +（托2 +工；）(5.4 )式（ 5.4 ）代入（5.3 ），得幻霸紹4（+叨界+（乃十掰3pUls加血S+；/b+E+W)(5.5)這就是機械特性的參數(shù)表達(dá)式。給

5、定ii及阻抗等參數(shù)，-八畫 出曲線便是丁-曲線，其形狀與圖5.1 一致。由參數(shù)表達(dá)式繪制的 三相異步電動機的機械特性如圖5.5所示，它具有以下特點：在 丄時，即的范圍內(nèi)，特性在第一象限，電磁轉(zhuǎn)矩J與轉(zhuǎn) 速：都為正，從規(guī)定正方向判斷，與同方向，：與同步轉(zhuǎn)速：同 方向，電動機工作在電動運行狀態(tài)；在4時，即，特性在第 二象限，電磁轉(zhuǎn)矩J為負(fù)值，表現(xiàn)為制動性轉(zhuǎn)矩，電磁功率 -I也是 負(fù)值，電動機工作在電動發(fā)電運行狀態(tài)；在 1時，即-.，特性 在第四象限，丄11，電動機工作在制動運行狀態(tài)。2.機械特性曲線的分析:F面分析圖5.5機械特性中的幾個特點:（1）同步轉(zhuǎn)速點：其特點是時二二；r二：。點為理想空載

6、 運行點即在沒有外界轉(zhuǎn)矩的作用下，異步電動機本身不可能達(dá)到同步 轉(zhuǎn)速點。（2）額定運行點J:其特點是電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值，用-二和表示，相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)差率用 表示。異步電動機可長期運行在額 定狀態(tài)。（3）最大轉(zhuǎn)矩點：其特點是對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為最大值二，稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率用,稱為臨界轉(zhuǎn)差率。把式（5.5 ）中的對一求導(dǎo)，并令_ ，即可得到最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率襯為I士呼 _伽刁+駅 匚（乜+ 歹（5.6）S =；Jrf+E + 堪尸（5.7）式中，“ + ”號適用于電動機狀態(tài)，“”號適用于發(fā)電機狀態(tài)。通常情況下，一r的絕對值大于f的數(shù)值，但是異步電動機的丄型 等值電路k不超過（陽+雋的5%

7、則式（5.6 ）和（5.7 ）中可以忽 略的影響，則有(5.8 )(5.8 )也就是說，異步電動機的機械特性具有對稱性， 即異步電動機的發(fā)電機狀態(tài)和異步電動機的電動機狀態(tài)的最大電磁轉(zhuǎn)矩絕對值及對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率可認(rèn)為近似相等。通過式（5.8 ），可得出下列結(jié)論：1） 最大電磁轉(zhuǎn)矩 二與電壓平方成正比，與漏電抗 - 成反比。這說明改變和 :，可改變二的大??；2） 臨界轉(zhuǎn)差率+與電阻成正比，與漏電抗成反比,與丨的大小無關(guān)。最大電磁轉(zhuǎn)矩 二與額定電磁轉(zhuǎn)矩 的比值稱為最大電磁轉(zhuǎn)矩倍數(shù)又稱為過載能力或過載倍數(shù)，用 心表示，即丄:是三相異步電動機運行性能的一個重要參數(shù)。 三相異步電動機運行 時，絕不可能長期

8、運行在最大轉(zhuǎn)矩處。因為，此時電流過大，溫升會 超過允許值，有可能燒毀電機，同時在最大轉(zhuǎn)矩處運行轉(zhuǎn)速也不穩(wěn)定一般情況下，三相異步電動機的： = 1.6 2.2，起重、冶金、機械專用的三相異步電動機的 嘉=2.22.8。（4）起動點二：其特點是對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；.，一 1,對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩匸稱 為起動轉(zhuǎn)矩，又稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。它是異步電動機接通電源開始起動時 的電磁轉(zhuǎn)矩。若令式（5.5 ）中的- -.,即有2V121 + M *+(乃+才；尸(5.9 )通過式（5.9 ）可以得出下列結(jié)論：1與電壓 平方成正比，與電阻 或漏電抗；成反比。這說明電阻或漏電抗越大，起動轉(zhuǎn)矩越 小；電源電壓過低，會引起起動轉(zhuǎn)矩明顯下降，

9、甚至使 I二， 而造成電機不能起動。起動轉(zhuǎn)矩二與額定轉(zhuǎn)矩 的比值稱為轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用 二表示，即-1是表征三相異步電動機起動性能的另一個重要參數(shù)。 三相異步電動 機起動時，必須保證有一定的過載倍數(shù)。只有二 1時，異步電動機 才能在額定負(fù)載下起動。一般情況下，/匚是針對鼠籠式電動機而言。因為繞線式電動機通過 增加轉(zhuǎn)子回路的電阻，可加大或改變起動轉(zhuǎn)矩。這是繞線式電動機 的優(yōu)點之一。一般的鼠籠式電動機的1.02.0 ;起重、冶金、機械專用的鼠籠式電動機的 心=2.84.0。5.1.3機械特性的實用表達(dá)式1. 實用表達(dá)式的推導(dǎo)：實際應(yīng)用時，三相異步電動機的參數(shù)（】，：，1, I等）在電機 產(chǎn)品的目錄中是查

10、不到的，因此使用參數(shù)表達(dá)式和物理表達(dá)式一樣也 是不方便的。為了能利用三相異步電動機產(chǎn)品說明書中給出的數(shù)據(jù)， 計算出異步電動機的機械特性，有必要導(dǎo)出實用的表達(dá)式。用式（5.5）去除式（5.6 ）得2班耳+/；之+ （乃+詁 瓦儕+兀；(5.10 )由式（5.5 ） 得+ E +E)=(5.11 )由式（5.11 ）代入式（5.10 ）得T_ =2（耳+可兀）T* 麗+（ ）仏+軸； 2（1+ g）訂斗+召+2尸盧J弓2 + q(5.12 )q二復(fù)圈2&式中-對于三相異步電動機，其和=0.10.2范圍內(nèi) 上式中顯然對任何一值，都有-+2% s(5.13)而可忽略。則式（5.13 ）可簡化為m(5.

11、14 )這就是三相異步電動機機械特性的實用表達(dá)式。2. 實用表達(dá)式的使用從實用表達(dá)式看出，只需求出最大轉(zhuǎn)矩：和臨界轉(zhuǎn)差率補，才能求出J。下面介紹-：和+的求法已知三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)中額定功率二（：；），額定轉(zhuǎn)速（一一）和過載倍數(shù)，則額定輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)差率為忽略空載轉(zhuǎn)矩，近似認(rèn)為-；，（當(dāng)一 時），且丄丄.，代入式（5.14 ）得片 %由上式可得務(wù)-久站莓+規(guī)二0解之得 因：,故上式應(yīng)取“ + ”號，則(5.15)算出二和只需給出值，就可算出相應(yīng)的值 例5.1已知一臺三相異步電動機，額定頻率=150：；,額定電壓380，額定轉(zhuǎn)速，t = 1460丄_，過載倍數(shù)匚=2.4。當(dāng)轉(zhuǎn)子回 路不串

12、入電阻時，(1) 求其轉(zhuǎn)矩的實用表達(dá)式；(2) 問電動機能否帶動額定負(fù)載起動。解：(1)根據(jù)已知數(shù)據(jù)，電機的額定轉(zhuǎn)矩為丁聊=955住=9550 x 竺二 981 2(閘S1460最大轉(zhuǎn)矩為7；=心7/24x9乩 2 二 2355 何閥根據(jù)額定轉(zhuǎn)速 1460 *,可判斷出同步轉(zhuǎn)速 1 = 150：一， 則 額定轉(zhuǎn)差率為同11500-14601500= 0.027臨界轉(zhuǎn)差率為片=知（兒 + 點口）=皿27（24 +屮 _ 1） = 0.124轉(zhuǎn)子不串電阻的實用表達(dá)式為27；_2 x 2355_4710二飛 二0J24 =_0?124+ + +氐 s 0.124 s 0.124 s（2）電機開始起動

13、時，:,=1, = -_,代入實用表達(dá)式得0.124 一 因為Jv -二,故電動機不能拖動額定負(fù)載起動。3. 實用表達(dá)式的簡化 在Ov 一補的直線段，即三相異步電動機在額定負(fù)載范圍內(nèi)運行時，它的轉(zhuǎn)差率小于額定轉(zhuǎn)差率（=0.010.05 ），可認(rèn)為實用公式中忽略./ +也是可以的。則實用表達(dá)式（5.14 ）變成為（5.16 ）經(jīng)過以上簡化，使三相異步電動機的機械特性呈線性關(guān)系， 使用起來 更方便，并稱為機械特性的近似表達(dá)式。在使用式（5.16 ）時可按下式計算片=2如心上述三相異步電動機機械特性的三種表達(dá)式， 雖然都能用來表征電動 機的運行特性，但其應(yīng)用的場合各有不同。一般來說，物理表達(dá)式適 用

14、于對電動機的運行作定性分析；參數(shù)表達(dá)式適用于分析電機各種參 數(shù)變化對電動機運行特性的影響；實用表達(dá)式適用于電動機機械特性 的工程計算。5.1.4機械特性的固有特性和人為特性1.固有機械特性三相異步電動機的定子在額定頻率的額定電壓下，定子繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)結(jié)，定子及轉(zhuǎn)子回路不外接任何電器元件的條件下的機械 特性稱為固有機機械特性。其形狀如圖 5.5所示。三相異步電動機的固有機械特性可以利用實用表達(dá)式（5.14）計算得到。方法是先利用實用表達(dá)式計算出同步轉(zhuǎn)速點 ，額定運行點J,最大轉(zhuǎn)矩點和起動點二這幾個特殊點，然后將這些點連接起來便 得到固有特性曲線。當(dāng)然，計算的點越多，做出的曲線就越精確。例

15、5.2某三相異步電動機，= 60 :匚，750 二，:=50二, = 2.5，試?yán)L出電動機的固有機械特性。解：(1)同步轉(zhuǎn)速點：_= 0 時，J = 750,丄=0(2)額定運行點_ :750-7257500.033=9550 k 725= 790（聊）最大轉(zhuǎn)矩點:.-.- 4： I窗5一 6三相異步電動機固有特性的鯉制起動點二：將_ = 1時代入公式得2x197527frt10.16+0.16 1二 616（涉）根據(jù)上述求出的四個特殊點，繪出固有機械特性如圖5.6所示 2.人為機械特性 人為地改變?nèi)喈惒诫妱訖C的某些參數(shù)所得到的機械特性稱為人為特性。關(guān)于人為特性的分析，主要是分析下列四個公式

16、的特性。同步轉(zhuǎn)速公式 臨界轉(zhuǎn)差率公E 決式/1 6上0 H5G 0 641 Ts Ta最大轉(zhuǎn)矩公式起動轉(zhuǎn)矩公式3収4對耳+（花+雋2底齊+可r+E+x；）2下面分析幾種常見的人為機械特性。（1）降低定子回路端電壓的人為機械特性。根據(jù)上述四個公式，降低定子回路端電壓 ，則i不變，；+不變， 二和與二成正比地降低。由于三相異步電動機的磁路在額定電壓 下已有飽和的趨勢，故不宜再升高電壓。圖5.7所示為:=0.8 r ,-i = 0.5 r時的人為機械特性。定子回路端電壓降低后的人為機械特性，其線性段的特性變軟了。且和- ： 也顯著地減小，電動機的過載能力也顯著地下降。（2）轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串接對稱電阻時的

17、人為機械特性。繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)可以串接電阻丄一（要求三相串接的電阻阻值相等）。其電路圖及人為機械特性如圖5.8所示。根據(jù)上述四個公式，I不變，-不變，.1隨二的增大而增大，二開 始隨二的增大而增大，當(dāng)二增大到某一二時,。如果二再 繼續(xù)增大，則 二開始減小。R6）人芮機械特性團(tuán)5.8繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串接電阻繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子回路串接電阻后，電阻二越大，其線性段的特性越軟。（3）定子回路串接對稱電抗 二或電阻J時的人為機械特性。三相異步電動機的定子回路串接對稱電抗丄的電路圖和人為機械特性如圖5.9所示。根據(jù)上述四個公式,二和二隨二的增大而減小，其線性段的特性變軟了

18、 同理，可分析定子回路串接對稱電阻 -時的人為機械特性。oQ0E5.9異歩電動機的定子回路串接對稱電抗5.1.5穩(wěn)定運行問題電力控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定運行，決定于電動機的機械特性/ - 1和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性亠的配合。其穩(wěn)定運行的條件是在這兩條特性曲線 的交點應(yīng)滿足關(guān)系式即電動機拖動繼續(xù)負(fù)載穩(wěn)定運行時，電磁轉(zhuǎn)矩 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，應(yīng) 該是大小相等方向相反。根據(jù)電動機穩(wěn)定運行的條件，圖5.10(.)中對于電動機機械特性的線性段 m是能正常運行的。因為，由于某種原因(如突加負(fù)載)使負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大了,如從二1增大到V,異步電動機的轉(zhuǎn)速1要降低，隨著轉(zhuǎn)速的降低，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩反而增大了，為 二， 可見電動機能穩(wěn)定運行于 J點，只是轉(zhuǎn)速比先前降低了些，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn) 矩恢復(fù)正常時，電動機仍能工作在點。對于圖5.10（丿）中的非線性段（段），負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大，使異步電動機的轉(zhuǎn)速降低，但 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩反而減小，為 二，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，隨著轉(zhuǎn)速1的降低，電磁轉(zhuǎn)矩越來越小，最后拖不動負(fù)載，只有停車，因此，這種情況下，電機不能正常運行。5三相