高等院校自动化新编系列教材

1、5.1 三相异步电动机的机械特性5.2 三相异步电动机的启动5.3 三相异步电动机的制动5.4 三相异步电动机的调速5.1三相异步电动机的机械特性一、物理表达式5.1.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式二、参数表达式 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，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，所以异步电动机的机械特性通常用所以异步电动机的机械特性通常用 表示。表示。)s( fTem 022emTTCI cos 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相

2、异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的有功分量有功分量 相互作用产生的。相互作用产生的。022cosI221122211122emRm pUsTRf( R)( XX )s 说明：电磁转矩与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（、结构参数（R R、X X、m m、p p）和运行参数（）和运行参数（s s）有关。）有关。 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 曲线曲线)(emTfn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转差率，可令转差率，可令 求得求得: : 0

3、dsdTemmTNTT 222212112mRRsXXR( XX ) 221111221121111244mm pUm pUTf ( XX )fRR( XX ) 最大转矩与额定转矩之比称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力: :2 2、 越大，越大， 越大；越大； 与与 无关。无关。2R2RmsemT1 1、 与与 成正比；成正比； 与与 无关。无关。mT21UmT1U3 3、 和和 都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比mTms在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩时的转矩: : ) 1( 0sn211222112122stm pU RTf( RR

4、)( XX ) 结论：当其它参数一定时结论：当其它参数一定时1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。ststNTKT 4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数2memmmTTssss 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来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：求出实用表达式。方法是：9550NNNPTn mTNTT

5、 11NNnnsn 21mNTTss () 将将T Tm m和和s sm m代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式。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：5.1.25.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性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。线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：几个特殊

6、点：A AB BC CD1.起动点A:01emstn,s,TT 2.最大转矩点B:mmemmnn ,ss ,TT 3.额定运行点CNmemNnn ,ss ,TT 4.同步运行点D100emnn ,s,T 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是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。械特性。snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 下降后下降后, 和和 均下降均下降, 但但 不变不变, 和和 减少。减少。1UmTstTmsstkT 如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行, 下降后下降后, 下降下降, 增大增大,

7、 转子电流因转子电流因 增大而增增大而增大大,导致电机过载。长期欠压导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减过载运行将使电机过热，减少使用寿命。少使用寿命。1Uns22sEsE 串电阻后串电阻后, , 、 不变，不变， 增大。增大。nmTms在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻， 减小。减小。stT1ms stmTT stT 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。为机

8、械特性。1 0TstTmTems n0n1smR2TstsmR2+Rs5.2三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过程. .对电动机的起动性能要求二：起动电流小对电动机的起动性能要求二：起动电流小, ,起动转矩不大。起动转矩不大。1. 1.起动电流大的原因起动电流大的原因 起动时起动时, , ,转子感应电动势大转子感应电动势大, ,使转子电流大使转子电流大, ,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系, ,定子电流必然增大定子电流必然增大. .1, 0sn2. 2.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下述

9、公式分析从下述公式分析022stemTTTCI cos 起动时起动时, , ,远大于运行时的远大于运行时的 , ,转子漏抗转子漏抗 很大很大, , 很低很低, ,尽管尽管 很大很大, ,但但 并不大并不大. .1ss22sXXs2cos2I22cosI 由于起动电流大由于起动电流大, ,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大, ,使定子感应电动势减小使定子感应电动势减小, ,对应的气隙磁通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由上述两个原因使得起动转矩不大. .5.2.15.2.1 三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动一、直接起动可以直接起动的条件：起动电流倍数可以直

10、接起动的条件：起动电流倍数 )kW()kVAkI电电动动机机容容量量电电源源容容量量（341二、降压起动13stYstTT 适用于正常运行时定子绕组为三角形接线适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。的电动机。起动时起动时 Y Y接；运行时接；运行时接。接。起动电流关系:Y- Y- 降压起动降压起动多用于空载或轻载起动多用于空载或轻载起动1.Y-1.Y- 降压起动降压起动13stYstII 起动转矩关系:2.2.自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动NstSUIZ 直接起动时的起动电流：直接起动时的起动电流：11NstSsUUIZkZ 降压后二次侧起动电流：降压后二次侧起动电流：1211N

11、ststsUIIkk Z 变压器一次侧电流：变压器一次侧电流：21ststIIk 电网提供的起动电流减小倍数：电网提供的起动电流减小倍数：21ststTTk 起动转矩减小的倍数：起动转矩减小的倍数：自耦变压器一般有三个分接头可供选用。自耦变压器一般有三个分接头可供选用。5.2.2 三相绕线型异步电动机的起动一、转子回路串电阻起动 在转子回路中串联适当的电阻在转子回路中串联适当的电阻, ,既能既能限制起动电流，又能增大起动转矩。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过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着

12、转速的升高，逐渐对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。切除起动电阻。 电动机由电动机由a a点点开始起动，经开始起动，经bcdebcdef ghf gh，完，完成起动过程。成起动过程。起动过程起动过程二、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。频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。 起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏断开，转子串入频敏变阻器变阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。闭合，电机通电开始起动。起动时起动时, , ,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大, ,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻 大大, ,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。随着子回路

13、串入一个较大电阻。随着 上升上升, , 减小减小, ,铁损减少铁损减少, ,等效电阻等效电阻 减小减小, ,相当于逐渐切除相当于逐渐切除 , ,起动结起动结束束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。电路直接短路。 21ff n2fmRmR5.3三相异步电动机的制动5.3.1 能耗制动实现实现：制动时，：制动时，S1S1断开断开, ,电机脱离电网，电机脱离电网，同时同时S2S2闭合闭合, ,在定子绕组中通入直流励磁在定子绕组中通入直流励磁电流。电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，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，因惯性继

14、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，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。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上能耗制动。能耗制动。nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机对笼型异步电动机, ,可以可以增大直流励磁电流来增大初始增大直流励磁电流来增大初始制动转矩制动转矩 。 对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机

15、, ,可可以增大转子回路电阻来增大以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩初始制动转矩 。. 101s，n所以能耗制动时由于制动电阻大小：制动电阻大小：2220 20 43NBNER( . . )RI一、电源两相反接的反接制动5.3.25.3.2 反接制动反接制动实现实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。：将电动机电源两相反接可实现反接制动。.,11sn想空载转速变为理改变由于定子旋转磁场方向机械特性由曲线机械特性由曲线1 1变为曲线变为曲线2 2，工作点由，工作点由AB CAB C，n=0,n=0,制动过程结束。制动过程结束。绕线式电动机绕线式电动机在定子两反在定子两反接同时接同时, ,可在

16、转子回路串联可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩和增大制动转矩 , ,曲线曲线3 3。二、倒拉反转的反接制动条件条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现实现：在转子回路串联适当大电阻：在转子回路串联适当大电阻R RB B。电机工作点由电机工作点由AB AB CC，n=0n=0，制动过程，制动过程开始，电机反转子，开始，电机反转子，直到直到D D点。在第四象点。在第四象限才是制动状态。限才是制动状态。由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。反接制动时，反接制动时，s1s1，所以有，所以有机械功率为

17、机械功率为212210MECsPm IRs 电磁功率为电磁功率为22120emRPm Is 机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；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。正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。而而2222122121221MECemRsPPm IRm Im I Rss 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

18、较大。量损耗较大。5.3.3 回馈制动实现实现：电动机转子在外力作用下，使：电动机转子在外力作用下，使nnnn1 1. . 回馈制动状态实际上就是将轴上的机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械能转变成电能并回馈到电网的异步发电机状态。机状态。一、下放重物时的回馈制动 首先将定子两相反接首先将定子两相反接, ,定子旋转磁场定子旋转磁场的同步速为的同步速为-n-n1 1，特性曲线变为特性曲线变为2 2。工作。工作点由点由A A到到B B。经过反接制动过程（由。经过反接制动过程（由B B到到C C）、反向加速过程（）、反向加速过程（C C到到-n-n1 1变化），变

19、化），最后在位能负载作用下反向加速并超过最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到同步速，直到C C点保持稳定运行。点保持稳定运行。电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。电机工作点由电机工作点由A A变到变到B B，电磁转矩，电磁转矩为负，为负， ，电机处于回馈制，电机处于回馈制动状态。动状态。1Bnn 当电机采用变极（增加极数）或变当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械频（降低频率）进行调速时，机械特性变为特性变为2 2。同步速变为。同

20、步速变为 。1n5.4三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s5.4.1 变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。 以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极磁场：极磁场：反向串联反向串联和和反

21、向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生2 2极磁场：极磁场：二、三种常用变极接线方式Y反并反并YY，2p-pY反串反串Y，2p-pYY，2p-p注意注意：当改变当改变定子绕定子绕组接线组接线时，必时，必须同时须同时改变定改变定子绕组子绕组的相序的相序三、变极调速时容许输出 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。动机轴上输出的功率和转矩。1. 1. Y-YYY-YY联结方式联结方式Y-YYY-YY后后, ,极数减少一半极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，保持每一绕，保持每一绕组电流为组

22、电流为 , ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为2YYYnn NI2YYYYYYPPTT 可见，可见，Y-YYY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，所以这种变极调速属于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。于恒转矩调速，它适用于恒转矩负载。2. 2. -YY-YY联结方式联结方式-YY-YY后后, ,极数减少一半极数减少一半, ,转速增大一倍转速增大一倍, ,即即 ，保持每一，保持每一绕组电流为绕组电流为 , ,则输出功率和转矩为则输出功率和转矩为2Y

23、Ynn NI1 150 58YYYYP.PT.T 可见，可见，-YY-YY联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输联结方式时，电动机的转速增大一倍，容许输出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变出功率近似不变，而容许输出转矩近似减少一半，所以这种变极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。极调速属于恒功率调速，它适用于恒功率负载。 同理可以分析，同理可以分析，正串正串Y-Y-反串反串Y Y联结方式的变极调速属恒功联结方式的变极调速属恒功率调速。率调速。四、变极调速时的机械特性1. Y-YY联结方式联结方式22mYYmYmYYmYstYYstYssTTTT 2. -YY联结方式联结

24、方式2323mYYmmYYmstYYstssTTTT 变极调速时变极调速时, ,转速几乎是成倍变化的转速几乎是成倍变化的, ,调速的平滑性较差调速的平滑性较差, ,但但具有较硬的机械特性具有较硬的机械特性, ,稳定性好稳定性好, , 可用于恒功率和恒转矩负载可用于恒功率和恒转矩负载. .5.4.2 变频调速一、电压随频率调节的规律 当转差率当转差率s s变化不大时，电动机的转速变化不大时，电动机的转速n n基本与电源频率基本与电源频率f f1 1正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但正比，连续调节电源频率，可以平滑地改变电动机的转速。但是，是，11011111122111211

25、214 444 444wwmTNNNEU.f N k.f N kTm pUUcTf ( XX )Tf T 频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁频率改变将影响磁路的饱和程度、励磁电流、功率因数、铁损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要损及过载能力的大小。为了保持变频率前、后过载能力不变，要求下式成立：求下式成立：221111221111NNNNUUUfTf TfTUfT 及1 1、恒转矩变频率调速、恒转矩变频率调速此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。常数1111ffUU对恒转矩负载对恒转矩负载2 2、恒功率变频率调速、恒功率变频率调速此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化此条件下变频调速，电机的过载能力不变，但主磁通发生变化。对恒功率负载对恒功率负载1195509550ffnnTTnTnTPNNNNNNNNN常数常数1111fUfU得二、频率调速时电动机的机械特性变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示变频调速时电动机的机械特性可用下列各式表示21121218mm pUT()( LL )f 最大转矩最大转矩2