三相異步電動機原理及特性教案

周次第11周早下名稱5-1異步電動機的機械特性授課方式理論課（，）；實驗課（）；實習（）教學時數(shù)2學時教學目的及要求要求掌握：三相異步電動機的機械特性的三種表達式的差異。教學內(nèi)容提要時間分配.物理表達式；參數(shù)表達式；.實用表送式。第一節(jié)課：1.2第二節(jié)課：2.3教學重點與難點為什么三相異步電動機的機械特性有三種表達方式，它們各自的來源、特點及應用價值是什么討論練習和作業(yè)教學手段多媒體與其它方式結(jié)合參考資料1《電機與拖動基礎》 劉啟新 中國電力出版社2《電機與拖動基礎》 宋銀賓 機械出版社3《電機與電力拖動》 顧繩谷 合肥工業(yè)出版社4《電機原理及拖動》 彭鴻才 機械工業(yè)出版社Tem- 「222fi(ri -)s/ 、2(Xi X20)對應于電動狀態(tài);”對應于發(fā)電機狀態(tài)。1.轉(zhuǎn)矩特性：Tem f(s)分析：異步電動機轉(zhuǎn)差率S在0?1之間，但實際上s在0?Tem- 「222fi(ri -)s/ 、2(Xi X20)對應于電動狀態(tài);”對應于發(fā)電機狀態(tài)。1.轉(zhuǎn)矩特性：Tem f(s)分析：異步電動機轉(zhuǎn)差率S在0?1之間，但實際上s在0?Sm(臨界轉(zhuǎn)差率)時,dTem0穩(wěn)定；s在1?sm之間,dsdTemds0不穩(wěn)定;dTemds0,s=sm,處于臨界狀態(tài)。2.三個特征轉(zhuǎn)矩①額定轉(zhuǎn)矩Tn：額定TnPn9.55PnnN310(Nm)**注:Pn的單位為kW②最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm負2m1pU1Tem4fi[「1 Ji2 (XiX2)2]4fl(Xi X2)第五章 三相異步電動機的電力拖動運行5.1 三相異步的電動機的機械特性 Tem f(s)(轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線)、機械特性表達式Tem f(s)(一)物理表達式：Tem CT12aCT12cos2;E2—2 23r2X2.轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的關系.最大轉(zhuǎn)矩Tm(二)參數(shù)表達式：2「2

3pU12—sSmr：（%X2）2 xix2特點：⑴Tm與U12成正比；而Sm與U12無關；⑵Tm與轉(zhuǎn)子電阻無關；而Sm與轉(zhuǎn)子電阻有關;⑶f1一定時，X1X2越大，Tm越小。⑷過載能力（或最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)）kTTm一般為1.6?2.5,越大，過載能力越強。③起動轉(zhuǎn)矩：Tstn=0,S=1,得Tst mipUi2r2 2fi[（rir2）2（xiX2）2]當轉(zhuǎn)子回路電阻為：r2 rst xix2時，起動轉(zhuǎn)矩達到最大電磁轉(zhuǎn)矩。Tst起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：kst 』，kstT,TstT,起動能力強。TnJO2：i.0?i.8;Y:i.4?2.2;特殊電機：4.0以上。2T （三）、實用表達式： Tem——ma- 此表達式主要用于求機械特性曲線。sm ss sm其中：Tn9550PL；smsn（KtJkTi）nN當s較小時，使用公式可變?yōu)楹喕瘜嵱霉剑?Tem2Tm/s：Sm=2KSNeimsm例題：（書上）二、固有機械特性三、人工機械特性變頻的人工機械特性：特點：頻率較高時，硬度近似不變。頻率較低時，由于定子電阻的影響，電機的過載能力要降低。降壓的人工機械特性：特點：①同步轉(zhuǎn)速不變；②電壓降低后，電磁轉(zhuǎn)矩成平方降低；③負載不變時，不能長期運行。轉(zhuǎn)子串電阻的人工機械特性：特點①同步轉(zhuǎn)速不變；②最大電磁轉(zhuǎn)矩保持不變；③起動轉(zhuǎn)矩隨所串電阻的變化而變化。周次第12周早下名稱§5-3異步電動機制動授課方式理論課（，）；實驗課（）；實教學 4習（） 時數(shù) 學時教學目的及 要求掌握：要求 三相異步電動機的各種運行狀態(tài)的靜特性分析。教學內(nèi)容提要時間分配1三相異步電動機的電動狀態(tài)；2三相異步電動機的制動狀態(tài)。3種制動狀態(tài)的運算.第一次課：1.2第二次課：2.3教學重點與難點三相異步電動機的各種運行狀態(tài)的靜特性分析討論練習和作業(yè)教學手段講授參考資料1《電機與拖動基礎》 劉啟新 中國電力出版社2《電機與拖動基礎》 宋銀賓 機械出版社3《電機與電力拖動》 顧繩谷 合肥工業(yè)出版社4《電機原理及拖動》 彭鴻才 機械工業(yè)出版社第三節(jié)三相異步電動機的制動異步電動機制動方法反接制動、再生發(fā)電制動和能耗制動三種制動狀態(tài)。一、異步電動機的反接制動運行狀態(tài)1.倒拉反接制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)：負載為位能負載。①物理過程：若原采系統(tǒng)運行在自然特性 1的A點，并以速度nA提升重物G,如圖所示。突然在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻 ％,拖動系統(tǒng)過渡到機械特性 2上運行。由于機械慣性，轉(zhuǎn)速不能發(fā)生突變，因此系統(tǒng)應從 A點過渡到B點。因為MbMfz,轉(zhuǎn)速將下降。直到電動機轉(zhuǎn)速下降為零時， MdcMd仍然小于負載轉(zhuǎn)矩Mfz,重物將迫使電機的轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，直到 C點，MeMfz,電機拖動系統(tǒng)以ne的速度穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。在這種情況下，電動機的轉(zhuǎn)矩作用方向與電機的實際轉(zhuǎn)向相反，我們說電機拖動系統(tǒng)進入反接制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)。此時，負載轉(zhuǎn)矩成為拖動轉(zhuǎn)矩，而電動機的電磁轉(zhuǎn)矩卻起著制動作用。異步電動機倒拉反接制動原理圖 （a）及機械特性（b）TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"①能量關系：轉(zhuǎn)差率sn 1,ni.21s 2s1Pjm1122 r2 m1122 r2<0表不這時電動機軸上是輸入機械功\o"CurrentDocument"s s率。從定子傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率 Pdc則為：2r2Pdcm1I2——>0 匕表于電動機內(nèi)的功率傳送方向不變。s這兩部分功率都在轉(zhuǎn)子電阻上轉(zhuǎn)換成為熱功率，即全部轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子銅損耗

轉(zhuǎn)子銅損耗,即：Pcu21Pde巳m1122r2 mlI22-s-^r2 m1122r2s s.電源反接制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)： 負載為摩擦性負載。電源反接制動的原理接線圖和機械特性曲線。①物理過程：假設原來工作點為自然特性的 A點?，F(xiàn)在將定子電源任意兩相換接一下，旋轉(zhuǎn)磁場改變了方向，轉(zhuǎn)子電勢和電流也改變了方向，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨撝?，起制動作用。反接電源后，相應的機械特性為圖（ b）中的曲線2。因此，電機拖動系統(tǒng)必然從原來的工作點A過渡到B點。這時，系統(tǒng)在電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩的共同作用下，迫使其轉(zhuǎn)速下降，直到特性的C點，轉(zhuǎn)速為零。若此時的McMfz,則系統(tǒng)將朝反向起動，描述電機拖動系統(tǒng)運行的特性曲線進入第三象限。若拖動系統(tǒng)從特性的系統(tǒng)將朝反向起動，描述電機拖動系統(tǒng)運行的特性曲線進入第三象限。若拖動系統(tǒng)從特性的B點制動到C點（n=0）時，將定子電源切除，則電動機將停止不動了，從而完成了制動停車的過程。(a) C)反接制動狀態(tài)下的功率流圖 異步電動機電源反接制動時接線圖（a）和機械特性曲線（b）②能量關系：電動機的轉(zhuǎn)差率s」一n1,它和倒拉反接制動狀態(tài)下的sni相同，這種反接制動狀態(tài)下的機械軸上吸收機械能（由系統(tǒng)降速時釋放出的動能轉(zhuǎn)換而來），將這兩部分能量消耗在轉(zhuǎn)子電路的電阻上，轉(zhuǎn)換成為熱能。必須指出，在采用電源反接制動時， sE20比起動時的轉(zhuǎn)子電勢E20還要高（因為s1）,那么為了限制制動電流，并提高電動機的制動轉(zhuǎn)矩， 轉(zhuǎn)子電路中必須串入一個比起動電阻還要大的附加電阻，稱為反接制動電阻（ Rd）。另外，如果是采用電源反接制動而實現(xiàn)停車，則必須在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降到零時，立即切除電動機的定子電源，否則電動機有可能發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象（即反向起動） 。nc的穩(wěn)定速度下降重.反接制動電阻的計算方法 在采用倒拉反接制動時，反接制動電阻是根據(jù)拖nc的穩(wěn)定速度下降重TOC\o"1-5"\h\zsc 「2/ Sc ； 所以 「zd ——1「2Sa r2 Sa當Sa、Sc、「2已知時，則所需反接電阻值可以算出。如果是采用電源反接制而實現(xiàn)制動停車，反接制動電阻則要根據(jù)要求的最大制動轉(zhuǎn)矩來計算，要求制動時的最大制動轉(zhuǎn)矩為 MB,因此首先應找出對應與MB時,自然特性2上的轉(zhuǎn)差率Sb的值。考慮到自然機械特性的工作段為直線，則有：MB- 電。所以有Sb M-B-Seo又根據(jù)同一轉(zhuǎn)矩（Mb）下電動機的轉(zhuǎn)差率與Me se Me轉(zhuǎn)子電阻成正比這一關系，因而可得:Sa 「2 RzdSb 「轉(zhuǎn)子電阻成正比這一關系，因而可得:Sa 「2 RzdSb 「2式中的「2為特性2的電阻值,「zd為特性3的電阻值，由上式可得:SaSbMb0seMe1「2MeSAMBSe1「2式中 Sa 」一nA2（因為nA很接近Ai）on1例6-2JRO2-62-4繞線轉(zhuǎn)子異步電動機主要數(shù)據(jù)如下： Pe=30千瓦，Ue=380伏,I1e=59.5安，Ue=395伏，I2e=46安，m=2.65,ne=1460轉(zhuǎn)/分，電機從額定轉(zhuǎn)速的電動狀態(tài)采用電源反接制動，要求開始的制動轉(zhuǎn)矩 M=1.2M,轉(zhuǎn)子每相應串多大電阻？解：方法一：先求「2。「2 Me 0.0273950.131歐3I2e 347

式中Se jn115001460 0.0271500再分別求出自然特性的sm與轉(zhuǎn)子串電阻后的Sm。Sm Se m2m1 0.0272.75.2.7521 0.143Mmaxsm scMz2MmaxMz2mMesc 1.2Me式中Se jn115001460 0.0271500再分別求出自然特性的sm與轉(zhuǎn)子串電阻后的Sm。Sm Se m2m1 0.0272.75.2.7521 0.143Mmaxsm scMz2MmaxMz2mMesc 1.2Me1.2Me式中Scc2.751.97——1.2n〔ne最后可計算出轉(zhuǎn)子應串電阻smsm取Sm=0.456時,其值則為:Rzd22.751.2150014601500Rzd8.57或0.4561.97。取Sm=8.56時，其值為:8.75彳 10.1430.1317.7M0.456彳 10.1430.1310.287歐轉(zhuǎn)子串電阻Rzd1或Rzd2都可滿足開始制動轉(zhuǎn)矩Mz1.2Me的要求，但它們分別對應于兩條不同的人工機械特性曲線，見圖 6-10所示。方法二：因為異步電動機機械特性曲線從S0到SSm這一段近似為直線,ScMeSScMeSeMze——1 0.1317.79歐0.0271.2Me

計算結(jié)果與方法一中的 Rzd1很接近。二、異步電動機的再生發(fā)電制動運行狀態(tài)①物理過程：拖動生產(chǎn)機械以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速 n運轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在給系統(tǒng)施加一外力矩M外，且M外Mfz,于是系統(tǒng)加速，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電磁轉(zhuǎn)矩 Mdc下降，一直升到nn1時，電磁轉(zhuǎn)矩Mdc=0。但系統(tǒng)在M外的作用下（M外Mfz）仍然升速,使系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速nn1,所以轉(zhuǎn)子導體切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動狀態(tài)時的方向相反，轉(zhuǎn)子感應電勢和轉(zhuǎn)子電流的有功分量與電動狀態(tài)時方向相反，即相位上相差180。這時，電動機所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩反向，與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相反，已成為制動轉(zhuǎn)矩。于是說電機已進入了制動運行狀態(tài)。異步電動機的電源反接制動特性曲線②能量關系：制動運行狀態(tài)的主要特點異步電動機的再生發(fā)電 制動的物理模型nn1,因而s異步電動機的電源反接制動特性曲線②能量關系：制動運行狀態(tài)的主要特點異步電動機的再生發(fā)電 制動的物理模型nn1,因而sn1n0,n11sc— ，21S .21s 「2<0, Pj m1l2 「2 mJ2—rrr2<0S s smJ<02「2mJ<0Pdc mJ2一s軸上的機械功率不是輸出而是輸入，電磁功率不是由定子傳到轉(zhuǎn)子，而是由轉(zhuǎn)子傳到定子，再由定子送回到電網(wǎng)，即電動機已成為一臺發(fā)電機，所以電動機的這種運行狀態(tài)稱為再生發(fā)電制動狀態(tài)。注意問題：此時的電機仍需接在電網(wǎng)上。（雖然它是向電網(wǎng)輸送有功功率，但它仍需從電網(wǎng)吸取滯后的無功功率，建立耦合磁場，從而實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。）

因為:I2PE2 r2fs2 1 2r2 y2 1因為:I2PE2 r2fs2 1 2r2 y2 1r2 y2— x20 ' X20\o"CurrentDocument"s sE2r2s——2 <0「2 2—— x20s2QE22「2 2- X20s 2 >0「2 2— X20s雖然轉(zhuǎn)子電流的有功分量改變了方向，但轉(zhuǎn)子電流無功分量的方向不變，仍與電動狀態(tài)下相同。因此，此時的電機仍需接在電網(wǎng)上。■*異步電動機的再生發(fā)電制動下的功率關系 異步電動機的再生發(fā)電制動時的相量圖③工程應用：1）下放位能f異步電動機的再生發(fā)電制動下的功率關系 異步電動機的再生發(fā)電制動時的相量圖③工程應用：1）下放位能f負載，2）改變極對數(shù)或改變電網(wǎng)電源頻率運行時。1）下放位能性負載：轉(zhuǎn)速n為正時重物上升，而n為負時重物下降。再生發(fā)電制動狀態(tài)的機械特性曲線 異步電動機在位能負載下的再生發(fā)電制動過程先將電動機按下降的方向接電，使電動機的轉(zhuǎn)矩與重物下降的方向一致。系統(tǒng)總的加速轉(zhuǎn)矩為 M2Mfz0在此轉(zhuǎn)矩的作用下，電動機的轉(zhuǎn)速（-n）迅速上升。直到ninn1時，電動機的轉(zhuǎn)矩為零。但系統(tǒng)在負載轉(zhuǎn)矩 Mfzni。這樣電動機就被Mfz拖入到再生發(fā)電制動運行狀態(tài) （特性曲線進入第四象限）。電磁轉(zhuǎn)矩改變方向，成為阻止重物下降的制動轉(zhuǎn)矩，并隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大。當nna時，電動機制動轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩大小相等方向相反，使重物保持勻速下降。改變轉(zhuǎn)子電阻的大小，可以調(diào)節(jié)重物下降的穩(wěn)定運行速度。轉(zhuǎn)子電阻越大，其穩(wěn)定運行速度越高。2）異步電動機變頻或變極運行時再生發(fā)電制動設電動機原在特性曲線1上的A點穩(wěn)定運行，當增大電動機的極對數(shù)或降低供電電源頻率時，運行點過渡到電動機的機械特性曲線 2的B點，相應的電磁轉(zhuǎn)矩為Mb,轉(zhuǎn)速nBnA,它高于特性曲線2的同步轉(zhuǎn)速引，電動機進入再生發(fā)電制動運行狀態(tài)，迫使電動機的運行速度迅速下降。電動機不斷吸收運動系統(tǒng)中釋放出來的動能，。并轉(zhuǎn)換成電能反饋到電網(wǎng)。三、異步電動機的能耗制動運行狀態(tài)1.能耗制動時的物理過程：斷開交流電源，給定子繞組送入直流勵磁。當定子繞組通入直流電流后，定子磁勢是一個位置固定、大小不變的恒定磁場。當轉(zhuǎn)子由于慣性而繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子導體切割這一磁場 （與電動狀態(tài)時轉(zhuǎn)子導體切割磁場的方向正好相反）從而產(chǎn)生感應電勢及電流。這時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，這時電動機進入制動運行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速迅速下降。當轉(zhuǎn)速n0時，轉(zhuǎn)子導體與定子磁場之間無相對運動，因而轉(zhuǎn)子感應電勢和電流均下降為零，電動機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電機拖動系統(tǒng)即停止不動。因此，能耗制動常用于要求準確停車的場合。異步電動機變頻或變極運行時的動時原理線路圖 異步電動機能耗制的再生發(fā)電制動過程由此可見，異步電動機進入能耗制動后，電動機實際上已成為發(fā)電機 （頻率是變化的）。其負載則是轉(zhuǎn)子電路中的電阻，對于鼠籠式電動機來說，就是轉(zhuǎn)子繞組本身的電阻。

異步電朝機能磨制動時的匣理示窿可2.能耗制動時的機械特性能耗制動時的機械特性曲線如圖。電阻「2增大時，Mmax值保持不變，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的時的轉(zhuǎn)速增加。 改變定子直流勵磁電流，保持轉(zhuǎn)子電阻不變，最大轉(zhuǎn)矩增加，但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的時的轉(zhuǎn)速不變。從圖可以看出，對于鼠籠電機，為了增大高速時的制動轉(zhuǎn)矩，可以用增加直流勵磁電流方法；對于繞線電機，可以用增加轉(zhuǎn)子回路電阻的方法，增大制動轉(zhuǎn)矩。3.能耗制動時直流勵磁電流與轉(zhuǎn)子附加電阻的計算在繞線式異步電動機的拖動系統(tǒng)中，采用能耗制動時，其定子直流勵磁電流Ic和轉(zhuǎn)子附加電阻Rfj可按下列方法計算。3.能耗制動時直流勵磁電流與轉(zhuǎn)子附加電阻的計算在繞線式異步電動機的拖動系統(tǒng)中，采用能耗制動時，其定子直流勵磁電流Ic和轉(zhuǎn)子附加電阻Rfj可按下列方法計算。Ic2~3Io Io為異步電動機的空載電流，一般取I0 0.2~0.5Iie。Rfj0.2~0.4 j—2e r23I2e「2:轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻seE2e、3I2e周次第13周早下名稱§5-4異步電動機調(diào)速授課方式理論課（，）；實驗課（）；實習（）教學時數(shù)2學時教學目的及要求要求掌握：三相異步電動機的各種調(diào)速方法及特性的分析 .教學內(nèi)容提要時間分配1調(diào)速方法介紹。2調(diào)速特性的分析。第一節(jié)課：1.2第二節(jié)課：2教學重點與難點三相異步電動機的各種調(diào)速特性的析。討論練習和作業(yè)1種調(diào)速方法的比較。2設計綜合性試驗。教學手段講授參考資料1《電機與拖動基礎》 劉啟新 中國電力出版社2《電機與拖動基礎》 宋銀賓 機械出版社3《電機與電力拖動》 顧繩谷 合肥工業(yè)出版社4《電機原理及拖動》 彭鴻才 機械工業(yè)出版社第四節(jié)三相異步電動機的調(diào)速概述1.異步電動機特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，運行可靠，維護方便。2.轉(zhuǎn)速公式：n(12.轉(zhuǎn)速公式：n(1S)ni60f1(1

PS).調(diào)速方法：①變極調(diào)速；②變頻調(diào)速；③改變轉(zhuǎn)差率 S調(diào)速。.調(diào)速性能：①調(diào)速范圍；②調(diào)速的穩(wěn)定性；③調(diào)速的平滑性；④調(diào)速的經(jīng)濟性。、變極調(diào)速、變極調(diào)速前言：可以采用兩套繞組，但為了提高材料的利用率，一般采用單繞組變極，即通過改變一套繞組的連接方式而得到不同極對數(shù)的磁動勢，以實現(xiàn)變極調(diào)速。.變極原理：.變極繞組的連接方法：①一YY(2p-p);②順串Y-反串Y(2p-p);③A一YY(2p-p)。說明：變極前后，三相繞組的相序發(fā)生改變，為保證電動機的轉(zhuǎn)向不變，須對調(diào)定子兩相繞組的出線端。.變極前后轉(zhuǎn)矩和功率的變化設⑴定子繞組相電壓為UX,相電流為11,則輸出功率為p23UX11cos⑵變極前后兩種極對數(shù)下， 、cos不變，并近似認為P5m P2 P1,則得:Pem UXI1Tem— —UXI1pn!1①Y一YY(2p-p);Y接時繞組相電流為：I;YY接時繞組相電流為：2I;則變極前后電磁轉(zhuǎn)矩之比為:Tj_UxI(2p)1T^TUX(2I)p結(jié)論：此種變極連接方法適用于恒轉(zhuǎn)矩負載變極調(diào)速。

②A-②A-YY(2p-p);同步角速度之比: _2_ 1IT2T2a接相電壓為：.J3uX,相電流為：i；則兩種極對數(shù)下輸P2 T .3UxI2P1_2p2Z7TyyYYUx21P 2VYY接相電壓為：Ux,相電流為：2I,出功率之比為：0.866結(jié)論：此種變極連接方法適用于恒功率負載變極調(diào)速。*說明：變極調(diào)速方法簡單、運行可靠、機械特性較硬，但只能實現(xiàn)有極調(diào)速。單繞組三速電機繞組接法已經(jīng)相當復雜，故變極調(diào)速不適宜超過三種速度。

周次第14周早下名稱§5-4異步電動機調(diào)速授課方式理論課（，）；實驗課（）；實習（）教學時數(shù)2學時教學目的及要求要求掌握：三相異步電動機的各種調(diào)速方法及特性的分析 .教學內(nèi)容提要時間分配1調(diào)速方法介紹。2調(diào)速特性的分析。第一節(jié)課：1.2第二節(jié)課：2教學重點與難點三相異步電動機的各種調(diào)速特性的析。討論練習和作業(yè)1種調(diào)速方法的比較。2設計綜合性試驗。教學手段講授參考資料1《電機與拖動基礎》 劉啟新 中國電力出版社2