三相異步電動機的機械特性

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 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 之間的關系。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與同步轉(zhuǎn)速 、轉(zhuǎn)差率 存在下列關系，即                 

2、                        （5.1）則三相異步電動機的機械特性用曲線表示時，習慣上縱坐標同時表示轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)差率 ，橫坐標表示電磁轉(zhuǎn)矩 。三相異步電動機的機械特性有三種表達式，現(xiàn)介紹如下：5.1.1機械特性的物理表達式由上一章三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩關系知，三相異步電動機轉(zhuǎn)矩的一般表達式為     &#

3、160;                            （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；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用，它從物理特性上描述了三相異步電

4、動機的運行特性，因此這一表達式又稱為三相異步電動機的物理表達式。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 ，轉(zhuǎn)子相電流 ，以及為轉(zhuǎn)子功率因數(shù) 與轉(zhuǎn)差率 之間的關系，間接地找出其變化規(guī)律。現(xiàn)分析如表5.1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 較小時( ), 變化不大， ，電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)子相電流 成正比關系，表現(xiàn)為AB段近似為直線，稱為直線部分；當 較大時 ( )，如 ， 減少近一半，    

5、60;    很小，盡管轉(zhuǎn)子相電流 增大，有功電流 不大，使電磁轉(zhuǎn)矩 反而減小了，此時表現(xiàn)為 段， 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 下，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，即 點稱為最大轉(zhuǎn)矩點，相應的轉(zhuǎn)矩為 稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應的轉(zhuǎn)差率 稱為臨界轉(zhuǎn)差率。5.1.2機械特性的參數(shù)表達式1.參數(shù)表達式的推導：三相異步電動機的機械特性的參數(shù)表達式就是直接表示異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 和電機的某些參數(shù)（ 及阻抗等）之間的關系的數(shù)學表達式?，F(xiàn)推導如下：已知，電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)子電流關系為      （5.

6、3）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      （5.4）式（5.4）代入（5.3），得                              

7、60; (5.5) 這就是機械特性的參數(shù)表達式。給定 及阻抗等參數(shù)， 畫出曲線便是 曲線，其形狀與圖5.1一致。由參數(shù)表達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 時，即 的范圍內(nèi)，特性在第一象限，電磁轉(zhuǎn)矩 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 時，即 ，特性在第二象限，電磁轉(zhuǎn)矩 為負值，表現(xiàn)為制動性轉(zhuǎn)矩，電磁功率 也是負值，電動機工作在電動發(fā)電運行狀態(tài)；在 時，即 ，特性在第四象限， ，電動機工作在制動運行狀態(tài)。2.機械特性曲線的分析：下面分析圖5.5機械特性中的幾個特點：（1）同步轉(zhuǎn)速點 ：其

8、特點是 。 點為理想空載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到同步轉(zhuǎn)速點。（2）額定運行點 ：其特點是電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值，用 和 表示，相應的額定轉(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 ：其特點是對應的電磁轉(zhuǎn)矩為最大值 ，稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應的轉(zhuǎn)差率用 ，稱為臨界轉(zhuǎn)差率。把式（5.5）中的 對 求導，并令 ，即可得到最大轉(zhuǎn)矩 和臨界轉(zhuǎn)差率 為                   

9、                        （5.6）                         &

10、#160;       （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， 的絕對值大于 的數(shù)值，但是異步電動機的 型等值電路 不超過 的5%，則式（5.6）和（5.7）中可以忽略 的影響，則有                           

11、60;                     （5.8）                           

12、0;             （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)矩絕對值及對應的臨界轉(zhuǎn)差率可認為近似相等。通過式（5.8），可得出下列結論：1）最大電磁轉(zhuǎn)矩 與電壓 平方成正比，與漏電抗 成反比。這說明改變 和 ，可改變 的大?。?）臨界轉(zhuǎn)差率 與電阻 成正比，與漏電抗 成反比,與 的大小無關。最大電磁轉(zhuǎn)矩 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 表示，即 

13、;                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 1.62.2，起重、冶金、機械專用的三相異步電動機的 2.22.8。（4）起動點 ：其特點是對應的轉(zhuǎn)速 ， , 對應的轉(zhuǎn)矩 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

14、的 ，即有                      （5.9）通過式（5.9）可以得出下列結論： 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，甚至使 ，而造成電機不能起動。起動轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 的比值稱為轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用 表示，即       

15、;              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 1時，異步電動機才能在額定負載下起動。一般情況下， 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 2.84.0。5.1.3機械特性的實用表達式1. 實用表達式的推導：實際應用時，三相異步電動機的參

16、數(shù)（ ， ， ， 等）在電機產(chǎn)品的目錄中是查不到的，因此使用參數(shù)表達式和物理表達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，有必要導出實用的表達式。用式（5.5）去除式（5.6）得                              (5.10）由式（

17、5.5）得                                 （5.11）由式（5.11）代入式（5.10）得              

18、;                      （5.12）式中 。對于三相異步電動機，其 0.10.2范圍內(nèi)。上式中顯然對任何 值，都有                    &#

19、160;                     （5.13）而 ,可忽略。則式（5.13）可簡化為                          

20、0;                 (5.14）這就是三相異步電動機機械特性的實用表達式。2.實用表達式的使用從實用表達式看出，只需求出最大轉(zhuǎn)矩   和臨界轉(zhuǎn)差率 ，才能求出 。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 （ ），額定轉(zhuǎn)速 （ ）和過載倍數(shù) ，則額定輸出轉(zhuǎn)矩為         &

21、#160;       額定轉(zhuǎn)差率為     忽略空載轉(zhuǎn)矩，近似認為 ，（當 時），且 ，代入式（5.14）得                   由上式可得解之得              因 ,

22、故上式應取“”號，則                                         （5.15）算出 和 ，只需給出 值，就可算出相應的 值。例 5.1 已知一臺三相異步電動機，額定

23、頻率 150 , 額定電壓380 , 額定轉(zhuǎn)速， 1460 ，過載倍數(shù) 2.4。當轉(zhuǎn)子回路不串入電阻時，（1）求其轉(zhuǎn)矩的實用表達式；（2）問電動機能否帶動額定負載起動。解：（1）根據(jù)已知數(shù)據(jù)，電機的額定轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩為   根據(jù)額定轉(zhuǎn)速 1460 ，可判斷出同步轉(zhuǎn)速 150 ，則額定轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率為轉(zhuǎn)子不串電阻的實用表達式為（2）電機開始起動時， 1， ，代入實用表達式得因為  , 故電動機不能拖動額定負載起動。3.實用表達式的簡化在0 的直線段，即三相異步電動機在額定負載范圍內(nèi)運行時，它的轉(zhuǎn)差率小于額定轉(zhuǎn)差率（ 0.010.05），可認為實用公式中忽略 / 也是可以的

24、。則實用表達式（5.14）變成為                                                 

25、    （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系，使用起來更方便，并稱為機械特性的近似表達式。在使用式（5.16）時 可按下式計算上述三相異步電動機機械特性的三種表達式，雖然都能用來表征電動機的運行特性，但其應用的場合各有不同。一般來說，物理表達式適用于對電動機的運行作定性分析；參數(shù)表達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，定子及轉(zhuǎn)子回

26、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式（5.14）計算得到。方法是先利用實用表達式計算出同步轉(zhuǎn)速點 ，額定運行點 ，最大轉(zhuǎn)矩點 和起動點 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。當然，計算的點越多，做出的曲線就越精確。例5.2  某三相異步電動機， 60 ， 750 ， 50 ， 2.5，試繪出電動機的固有機械特性。解：（1）同步轉(zhuǎn)速點 ：0時， 750 ， 0(2)額定運行點 ：(3)最大轉(zhuǎn)矩點 ：(4)   (4)起動點 ：將 1時代入公式得根據(jù)上述求出的四個特殊點，繪

27、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。關于人為特性的分析，主要是分析下列四個公式的特性。同步轉(zhuǎn)速公式           臨界轉(zhuǎn)差率公式                    最大轉(zhuǎn)矩公式     

28、0;  起動轉(zhuǎn)矩公式                    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 不變， 不變， 和 與 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 ， 0.5 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)串接對稱電阻時的人為機械特性。繞