三相异步电动机的机械特性

1、三相异步电动机的运行特性摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用5.1三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机械特性。和直流电动机一样，三相异步电动机的机械特性也是指电磁 转矩与转子转速曾之间的关系。由于转子转速；与同步转速、转 差率存在以下关系，即5.1 那么三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表示 转速和转差率广，横坐标表示电磁转矩。三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下：机械特性的物理表达式由上一章三相异步电动机的转矩

2、关系知， 三相异步电动机转矩的一般 表达式为5.2式中"L为三相异步电动机的转矩系数，是一常数;丫 为三相异步电动机的气隙每极磁通量；八为转子电流的折算值；为转子电路的功率因数；式5.2丨说明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成 正比，它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描述了三相异步电动机的运行特性，因此这一表达式又称为三相异步电 动机的物理表达式。仅从式5.2丨不能明显地看出电磁转矩 与转差率尺之间的变化规 律。要从分析气隙每极磁通量，转子相电流'，以及为转子功率因数七丁与转差率之间的关系，间接地找出其变化规律。现分析 如表5.1所示根据表5.1

3、中的分析，可作出曲线二和 分别如图5.2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲 线。曲线分为两段：当L较小时变化不大，厂，电磁转矩与转子相电流1成正比关系，表现为AB段近似为直线， 称为直线局部；当：较大时亠 ，如u I，亠减少近一 半，一门很小，尽管转子相电流增大，有功电流：不大，使电磁转矩.反而减小了，此时表现为段， 段为曲线段，称为曲线局部。由此分析知，三相异步电动机的机械特 性在某转差率三下，产生最大转矩，即人点称为最大转矩点，相应的 转矩为=称为最大转矩，对应的转差率 称为临界转差率。机械特性的参数表达式 1.参数表达式的推导:三相异步电动机的机械特性的参数表达式就

4、是直接表示异步电动机 的电磁转矩亠与转差率和电机的某些参数及阻抗等之间的关系的数学表达式。现推导如下：p 计*人站门斤60，电磁转矩与转子电流关系为5.3异步电动机机握特性1 电?®1E相序时2 电源为血相序时根据三相异步电动机的等值电路中，由于励磁阻抗比定子、转子漏阻 抗大很多，把型等值电路中励磁阻抗这一段电路近似为开路， 而计 算J的误差很小，故式5.4丨代入5.3，得裂乂尙+拧沧尸+亏*堪UJ 厂i +拧f £亠兀2+忑;y5.4加川十E+站尸5.5这就是机械特性的参数表达式。给定"及阻抗等参数，- -画出曲线便是：二曲线，其形状与图5.1 一致。由参数表达

5、式绘制的 三相异步电动机的机械特性如图5.5所示，它具有以下特点：在时，即的范围内，特性在第一象限，电磁转矩丿与转 速:都为正，从规定正方向判断，与同方向，：:与同步转速同 方向，电动机工作在电动运行状态；在 '时，即'1，特性在第二象限，电磁转矩为负值，表现为制动性转矩，电磁功率 几也是 负值，电动机工作在电动发电运行状态；在二-时，即，特性 在第四象限，'：，电动机工作在制动运行状态。2.机械特性曲线的分析：下面分析图5.5机械特性中的几个特点：1同步转速点-:其特点是- 。点为理想空载运行点即在没有外界转矩的作用下，异步电动机本身不可能到达同步 转速点。2额定运行

6、点厶：其特点是电磁转矩和转速均为额定值，用，和*表示，相应的额定转差率用 =表示。异步电动机可长期运行在额 定状态。3最大转矩点二：其特点是对应的电磁转矩为最大值 "，称为最大转矩，对应的转差率用，称为临界转差率。把式5.5丨中的对求导，并令"，即可得到最大转矩，和临界转差率'为±_3 呼_4砒1 土尸 1 + J彳+兀+珀5.6兀=+ 勺十勿5.7式中，“ + 号适用于电动机状态，“号适用于发电机状态 通常情况下，十的绝对值大于的数值，但是异步电动机的-1''型 等值电路X不超过对尸的5%那么式5.6和5.7丨中可以忽 略的影响，那么有5

7、.85.8也就是说，异步电动机的机械特性具有对称性， 即异步电动机的发电 机状态和异步电动机的电动机状态的最大电磁转矩绝对值及对应的 临界转差率可认为近似相等。通过式5.8，可得出以下结论：1最大电磁转矩 J与电压“平方成正比，与漏电抗1+匚 成反比。这说明改变和，可改变二的大小；2临界转差率S与电阻二成正比，与漏电抗 二亠二成反比，与的 大小无关。最大电磁转矩与额定电磁转矩匚的比值称为最大电磁转矩倍数， 又称为过载能力或过载倍数，用 f表示，即匚是三相异步电动机运行性能的一个重要参数。 三相异步电动机运行 时，绝不可能长期运行在最大转矩处。因为，此时电流过大，温升会 超过允许值，有可能烧毁电

8、机，同时在最大转矩处运行转速也不稳定。般情况下，三相异步电动机的= 1.6 2.2，起重、冶金、机械 专用的三相异步电动机的''=222.84起动点上：其特点是对应的转速亡-，一-】，对应的转矩二称 为起动转矩，又称为堵转转矩。它是异步电动机接通电源开始起动时 的电磁转矩。假设令式5.5丨中的：二一，即有3汕化近伽+弓Mm审5.9通过式5.9丨可以得出以下结论：二与电压平方成正比，与电阻 二或漏电抗一成反比。这说明电阻或漏电抗越大，起动转矩越 小；电源电压 过低，会引起起动转矩明显下降，甚至使 7 '-, 而造成电机不能起动。起动转矩与额定转矩"的比值称为转矩

9、倍数，用X表示，即L是表征三相异步电动机起动性能的另一个重要参数。 三相异步电动 机起动时，必须保证有一定的过载倍数。只有丄一 > 1时，异步电动机 才能在额定负载下起动。一般情况下，厂是针对鼠笼式电动机而言。因为绕线式电动机通过 增加转子回路的电阻J,可加大或改变起动转矩。这是绕线式电动机 的优点之一。一般的鼠笼式电动机的- = 1.02.0 ;起重、冶金、 机械专用的鼠笼式电动机的- = 2.84.0。机械特性的实用表达式1. 实用表达式的推导: 实际应用时，三相异步电动机的参数-, 二，*等在电机 产品的目录中是查不到的，因此使用参数表达式和物理表达式一样也 是不方便的。为了能利用

10、三相异步电动机产品说明书中给出的数据， 计算出异步电动机的机械特性，有必要导出实用的表达式。用式5.5去除式5.6得纠仍十/广十仇乜円或丘+厅+Ua +ia(5.10由式5.5丨得5.11由式5.11丨代入式5.10丨得T二 绍(十® 耳-也円話看孑尸L +卽応二 2(1+H叮心二 2 + g5.120 = 皑如式中 J。对于三相异步电动机，其=0.10.2范围内上式中显然对任何：值，都有4 >25.13而'',可忽略。那么式5.13丨可简化为(5.14这就是三相异步电动机机械特性的实用表达式。2. 实用表达式的使用从实用表达式看出，只需求出最大转矩弋和临界转差

11、率二，才能求出；。下面介绍亠 和“的求法。额定转差率为三相异步电动机的铭牌数据中额定功率 汀，额定转速m二和过载倍数'、,那么额疋输出转矩为忽略空载转矩，近似认为二，当时，且二，代入式5.14得无爲+占刊由上式可得角军之彳得沖nJ丄因-',故上式应取“ + 号，那么5.15算出匕和、，只需给出:值，就可算出相应的丄值。例5.1一台三相异步电动机，额定频率二=150：厂，额定电压 380，额定转速，：=1460"上，过载倍数= 2.4。当转子回 路不串入电阻时，1求其转矩的实用表达式；2问电动机能否带动额定负载起动。解：1根据数据，电机的额定转矩为= 9550 =955

12、0 x150M60= s>8i.2ar最大转矩为7； =7=24x981 2 = 2355 聊根据额定转速= 1460 "二，可判断出同步转速=150-，那么额定转差率为1500-14601500=0,027临界转差率为SK S?f0.027(2.4 + J2 牢-1) = 0.12-4转子不串电阻的实用表达式为2x2355_4710 0J24 ： s70 124 十 &0.124-2电机开始起动时，-=1,.'=:，代入实用表达式得4710, 0_124 + 0.1241二57%歼网因为V =,故电动机不能拖动额定负载起动。3. 实用表达式的简化在Ov二的直线

13、段，即三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率'=0.010.05，可认为实用公式中忽略 7 "也是可以的。那么实用表达式5.14变成为5.16经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性关系，使用起来更方便，并称为机械特性的近似表达式。在使用式5.16丨时 片可按下式计算上述三相异步电动机机械特性的三种表达式， 虽然都能用来表征电动 机的运行特性，但其应用的场合各有不同。一般来说，物理表达式适 用于对电动机的运行作定性分析；参数表达式适用于分析电机各种参 数变化对电动机运行特性的影响；实用表达式适用于电动机机械特性 的工程计算。机械特性的固有特性和人

14、为特性1.固有机械特性三相异步电动机的定子在额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械 特性称为固有机机械特性。其形状如图 5.5所示。三相异步电动机的固有机械特性可以利用实用表达式 5.14计算得 到。方法是先利用实用表达式计算出同步转速点 -，额定运行点，最大转矩点和起动点这几个特殊点，然后将这些点连接起来便 得到固有特性曲线。当然，计算的点越多，做出的曲线就越精确例5.2某三相异步电动机，'=60：L,750 “ |=50丄，二=2.5，试绘出电动机的固有机械特性。解：1同步转速点-: “ =0 时，：= 750 '

15、 ' I丄二，；=0(2)额定运行点丄':750-725750=0.033為二芳30拴 二茫刃X二了90(N炯(3)最大转矩点二:、工b 一一一 :：-丁=1，= 一 -i.''起动点：将- =1时代入公式得2x1975十0.16 1=6162曲根据上述求出的四个特殊点，绘出固有机械特性如图5.6所示 2.人为机械特性 人为地改变三相异步电动机的某些参数所得到的机械特性称为人为特性。关于人为特性的分析，主要是分析以下四个公式的特性。同步转速公式临界转差率公式最大转矩公式起动转矩公式4"士珂 + Jh +£ + *；3均霸2祐仇+丐鼎严+%+用

16、扩下面分析几种常见的人为机械特性。1丨降低定子回路端电压的人为机械特性。根据上述四个公式，降低定子回路端电压 "，那么尸不变，不变， :和二与“成正比地降低。由于三相异步电动机的磁路在额定电压 下已有饱和的趋势，故不宜再升高电压。图5.7所示为“ =0.8 ： , "' = 0.<7时的人为机械特性。定子回 路端电压降低后的人为机械特性，其线性段的特性变软了。且二和- 也显著地减小，电动机的过载能力也显著地下降。2转子回路内串接对称电阻时的人为机械特性。绕线式三相异步电动机的转子回路内可以串接电阻'要求三相串接5.8所示。的电阻阻值相等。其电路图及人为

17、机械特性如图根据上述四个公式，'不变，丁不变，：随二的增大而增大，匸开 始随黔的增大而增大，当二增大到某一貞时，匚=6。如果止再 继续增大，那么丁开始减小。Q P 0(b)人対机械特性+地T團5.8经缄式异歩电动机的转子回瞌串按电阻绕线式三相异步电动机的转子回路串接电阻后， 电阻越大，其线性 段的特性越软。3定子回路串接对称电抗 或电阻二时的人为机械特性。三相异步电动机的定子回路串接对称电抗的电路图和人为机械特性如图5.9所示。根据上述四个公式，?不变，和匚随'的增大而减小，其 线性段的特性变软了。同理，可分析定子回路串接对称电阻 “时的人为机械特性。稳定运行问题 电力控制系统

18、能否稳定运行，决定于电动机的机械特性 一 和负载转矩特性"的配合。其稳定运行的条件是在这两条特性曲线的交点应满足关系式d7込 dT迅芝、或讥 皿即电动机拖动继续负载稳定运行时，电磁转矩 亠和负载转矩，应 该是大小相等方向相反。根据电动机稳定运行的条件，图5.10(:)中对于电动机机械特性的 线性段丄是能正常运行的。因为，由于某种原因如突加负载使 负载转矩突然增大了，如从匚增大到匚，异步电动机的转速要降 低，随着转速 邛勺降低，异步电动机的电磁转矩反而增大了，为 ， 可见电动机能稳定运行于点，只是转速比先前降低了些，当负载转矩恢复正常时，电动机仍能工作在点。对于图5.10门中的非线 性段段，负载转矩突然增大，使异步电动机的转速降低，但 电动机的电磁转矩反而减小，为 3,导致转速进一步下降，随着转 速的降低，电磁转矩越来越小，最后拖不动负载，只有停车，因此， 这种情况下，电机不能正常运行。巧三相异步电动机韻定运行甘祈1 异步电动机的机械特性2 匱