第三章 三相异步电动机的机械特性、起动和制动

1、第三章 三相异步电动机的机械特性、起动和制动回顾：转子转动时的异步电动机回顾：转子转动时的异步电动机运转时的接线图运转时的接线图转子转动时的电磁关系转子转动时的电磁关系 1111111111FkNieriiuwss2s1022222222s2srieFkNiisssw规定规定 当异步电动机定子绕组接三相对称电源当异步电动机定子绕组接三相对称电源且且转子绕组短路时，定、转子绕组中都有电流流转子绕组短路时，定、转子绕组中都有电流流过，在气隙中产生以同步转速过，在气隙中产生以同步转速n1旋转的合成磁旋转的合成磁场，而转子绕组电流与气隙旋转磁场会产生作场，而转子绕组电流与气隙旋转磁场会产生作用于转子的

2、电磁转矩，使电动机以异步转速用于转子的电磁转矩，使电动机以异步转速n旋转，拖动负载。为了与转子不转时的感应电旋转，拖动负载。为了与转子不转时的感应电势势2、电流、电流2和漏电抗和漏电抗x2相区别，转子转动时相区别，转子转动时的转子感应电势、电流和漏电抗分别用的转子感应电势、电流和漏电抗分别用2s、电流电流2s和漏电抗和漏电抗x2s表示。表示。1.转子各量与转差率的关系转子各量与转差率的关系转差率转差率是指气隙中旋转磁场的同步转速和转子转速是指气隙中旋转磁场的同步转速和转子转速之差与同步转速的比值，即为：之差与同步转速的比值，即为： 转差率是异步电动机的重要参数，当电动机作电动转差率是异步电动机

3、的重要参数，当电动机作电动运行时，运行时，0s1。11nnns分析分析 转子不转时，转子中的感应电势和转子电流频转子不转时，转子中的感应电势和转子电流频率是与定子电流频率相同；当转子转动时，转子转率是与定子电流频率相同；当转子转动时，转子转速为速为n，而气隙中旋转磁场的转速为，而气隙中旋转磁场的转速为n1，两者转向相，两者转向相同，转速差为同，转速差为n=n1-n，则旋转磁场是以，则旋转磁场是以n的相对的相对转速切割转子绕组。对于绕线式异步电动机，转子转速切割转子绕组。对于绕线式异步电动机，转子与定子有相同的相数和极对数，所以，在转子电路与定子有相同的相数和极对数，所以，在转子电路中产生的感应

4、电势频率为：中产生的感应电势频率为： 1111126060)(60fsnnnpnnnpnpf转子电势转子电势E2s 转子电路中的感应电势有效值为：转子电路中的感应电势有效值为： 电动机额定运行时，额定转差率一般在电动机额定运行时，额定转差率一般在sN=0.0150.06之间，所以转子转动时，转子之间，所以转子转动时，转子电流频率很低，感应电势也很小。电流频率很低，感应电势也很小。2221222244. 444. 4sEkNsfkNfEmwmws转子电抗转子电抗x2s转子转动时转子电抗为：转子转动时转子电抗为： 2212222222sxLsfLfLxs转子电流转子电流I2s 转子转动时转子电流为

5、：转子转动时转子电流为： 2222222jsxrEsjxrEIsss转子功率因数转子功率因数 转子转动时转子功率因数为：转子转动时转子功率因数为： 222222)(cossxrrs222rsxarctgs2.转子电流产生的磁势转子电流产生的磁势 转子转动时，转子电流转子转动时，转子电流2s产生的转子基波产生的转子基波旋转磁势旋转磁势F2的幅值为：的幅值为： 转子电流转子电流2s的频率为的频率为2，则转子基波旋转，则转子基波旋转磁势磁势F2相对于转子绕组转速为：相对于转子绕组转速为： 每极）（安匝/224222222swIpkNmFnnnsnpsfpfn111226060分析转子磁势分析转子磁势

6、F2对定子的转速对定子的转速 转子磁势转子磁势F2对定子的转速为：对定子的转速为： 定子电流产生的磁势定子电流产生的磁势F1对定子的转速为对定子的转速为n1，可见磁势，可见磁势F1、F2同速同方向、一前一后同速同方向、一前一后旋转，故可得合成磁势为：旋转，故可得合成磁势为： 12nnnnn021FFF分析分析： 在三相异步电动机转子以转速在三相异步电动机转子以转速n转动转动时，定、转子磁势关系仍未改变，只是每时，定、转子磁势关系仍未改变，只是每个磁势的大小和相位有所不同。这里所讨个磁势的大小和相位有所不同。这里所讨论的合成磁势论的合成磁势F0是异步电动机运行时的励是异步电动机运行时的励磁磁势，

7、与其对应的电流磁磁势，与其对应的电流I0是励磁电流，是励磁电流，对于一般异步电动机，励磁电流对于一般异步电动机，励磁电流I0约为额约为额定定子电流定定子电流I1N的（的（2050）%。问题问题 变压器励磁电流为额定电流的变压器励磁电流为额定电流的(0.55)%为什么？为什么？3.转子绕组频率的折算转子绕组频率的折算转子绕组频率折算的目的：转子绕组频率折算的目的： 把定、转子两个不同频率的电路转换成同把定、转子两个不同频率的电路转换成同一频率的电路。一频率的电路。 转子绕组频率的折算方法：转子绕组频率的折算方法： 用一等效的静止转子代替实际转动的转子用一等效的静止转子代替实际转动的转子原则原则：

8、 保持转子磁势保持转子磁势F2的大小不变（即的大小不变（即2s大小不大小不变）；变）；F2与与F1之间在空间相差的空间电角度不之间在空间相差的空间电角度不变（即变（即2s的相位不变），的相位不变），F2对对F1的影响不变。的影响不变。频率折算频率折算：式中式中2s、2s、x2s分别为异步电动机转动时转子分别为异步电动机转动时转子的每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为的每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为2；2、2、x2分别为异步电动机不转时的转子分别为异步电动机不转时的转子每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为 1。转子回路的阻抗角为：转子回路的阻抗角为：22

9、222222222IjxsrEjsxrEsjxrEIsss22222222srxarctgrsxarctgrxarctgss说明：说明： 只要用只要用r2/s 代替代替r2 ，就可使转子电流的大，就可使转子电流的大小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间相位保持不变，实现用静止电路代替实际旋转相位保持不变，实现用静止电路代替实际旋转的转子电路。电阻的转子电路。电阻r2/s 称为等效静止转子电阻，称为等效静止转子电阻，也可表示成：也可表示成： 式中式中 称为附加电阻。称为附加电阻。2221rssrsr21rss分析分析 频率折算后，转子回路电阻由两部分频率

10、折算后，转子回路电阻由两部分组成，第一部分组成，第一部分r2是转子绕组一相的实际是转子绕组一相的实际电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜损损 ；第二部分是附加是附加电阻；第二部分是附加是附加电阻 ，其上产生的损耗，其上产生的损耗 是虚拟损是虚拟损耗，实际转子中并不存在但它却是表征实耗，实际转子中并不存在但它却是表征实际转动的转子的总机械功率。际转动的转子的总机械功率。2222rIm21rss22221rssIm频率折算后异步机的等值电路频率折算后异步机的等值电路 经频率折算后的异步电动机等值电路经频率折算后的异步电动机等值电路4.基本方程式、等值电路、相量图

11、基本方程式、等值电路、相量图(1)基本方程式（绕组折算、频率折算后）基本方程式（绕组折算、频率折算后）)()()()(22222120100111111111x jsrIEEEIIIzIjxrIEzIEjxrIEUmmm(2)等值电路等值电路 转子转动时异步电动机的转子转动时异步电动机的T形等值电路形等值电路讨论讨论1当异步电动机空载时：当异步电动机空载时： 等值电路中的转子回路相当于开路，转子电流为等值电路中的转子回路相当于开路，转子电流为 因此功率因数很低。因此功率因数很低。 2110rsssnn，0120III，讨论讨论2 当异步电动机额定运行时：当异步电动机额定运行时：这时的转子电流主

12、要由这时的转子电流主要由 决定，转子电路基本上决定，转子电路基本上为电阻性电路，所以电动机的功率因数较高。为电阻性电路，所以电动机的功率因数较高。22222222)(.060.015xsrEIxrsssssnnNNN，而），（一般，sr2讨论讨论3当异步电动机起动瞬间：当异步电动机起动瞬间： 电动机没有输出，电动机没有输出， 相当于短路，这时相当于短路，这时就是前面所分析的堵转情况，定、转子电流就是前面所分析的堵转情况，定、转子电流都很大，从都很大，从T形等值电路看，此时的感应电势形等值电路看，此时的感应电势和主磁通约为空载运行时的一半。和主磁通约为空载运行时的一半。，01102rsssn21

13、rss异步电动机的简化等值电路异步电动机的简化等值电路 为了简化计算，将为了简化计算，将T形等值电路中的励形等值电路中的励磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的并联电路。并联电路。(3)相量图相量图异步电动机对异步电动机对电网来说是感电网来说是感性负载。性负载。一般取主磁通一般取主磁通为参考相量为参考相量5.功率和转矩功率和转矩(1)功率平衡方程式功率平衡方程式FeCuemmmFeCuppPPrIrImprIrImpIUIUmP1120201121121111111111133cos3cos分析：分析： 从定子传递到转子的电磁功率从定子传递到转子的电磁功率

14、Pem中，中，一部分消耗在转子电阻上，用一部分消耗在转子电阻上，用pCu2表示，剩表示，剩下的就是全部转换成总机械功率，用下的就是全部转换成总机械功率，用Pm表表示，而总机械功率中扣除电动机因旋转而产示，而总机械功率中扣除电动机因旋转而产生的机械摩擦损耗生的机械摩擦损耗pm以及成因较复杂的附加以及成因较复杂的附加损耗损耗pad之后，剩下的就是电动机轴上输出的之后，剩下的就是电动机轴上输出的机械功率，用机械功率，用P2表示。表示。转子侧的功率平衡方程式转子侧的功率平衡方程式 转子侧的功率平衡方程式：转子侧的功率平衡方程式：admmemCuemmemCuemppPPPsrssIpPPsPrIpsr

15、IIEIEmP2222222222222222221)1 (1333cos3cos附加损耗附加损耗 pad为附加损耗，一般很难用公式计为附加损耗，一般很难用公式计算，通常根据经验估算，对于大型异步算，通常根据经验估算，对于大型异步电动机约为电动机约为0.5%PN；对于中、小型异步；对于中、小型异步电动机约为电动机约为(13)%PN。值得一提的是，。值得一提的是，由于转子铁芯中的磁通变化频率由于转子铁芯中的磁通变化频率f2在电在电动机额定运行时很低，转子铁损很小，动机额定运行时很低，转子铁损很小，故可忽略不计。故可忽略不计。功率流程图功率流程图 异步机功率流程图异步机功率流程图三相异步电动机的效

16、率三相异步电动机的效率 三相异步电动机的效率为：三相异步电动机的效率为： 异步电动机的总损耗：异步电动机的总损耗：%100)1 (%100%10021112pPpPpPPPadmCuFeCupppppp21(2)转矩平衡方程式转矩平衡方程式 电磁转矩电磁转矩T为总机械功率为总机械功率Pm除以转子机械角速除以转子机械角速度度，所以有：，所以有： 转矩平衡方程式为：转矩平衡方程式为：T2=P2/为电动机轴上输出转矩；为电动机轴上输出转矩；T0=(pm+pad)/为为电动机的空载转矩，转矩的单位为：牛电动机的空载转矩，转矩的单位为：牛米米（Nm）。）。admmppPP202TTT各转矩表达式各转矩表

17、达式 为同步机械角速度为同步机械角速度。nppnppppTnPnPPTnPnPnPPsPsPTadmadmadmmememememm55. 960255. 960255. 955. 9602)1 ()1 (02222111160211n本章内容三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性三相籠型异步电动机的起动三相籠型异步电动机的起动 三相绕线式轉子异步电动机的起动三相绕线式轉子异步电动机的起动三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动三相异步电动机的四象限運行（運用實例）三相异步电动机的四象限運行（運用實例）本章小结本章小结习题与思考题习题与思考题3.1三相异步电动机的机械特性三相异步电动

18、机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在电三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转矩与转差率的关系，即矩与转差率的关系，即n=(T)或或T=(s)。 机械特性可用函数表示，也可用曲线机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。理表达式、参数表达式和实用表达式。3.1.1机械特性物理表达式机械特性物理表达式 电磁转矩为：电磁转矩为：22221111221111122

19、211coscos22cos)(4.44602cosICIkNpmpfIkNfmnIEmPTmTmwmwem说明说明 为异步机的转矩系数；为异步机的转矩系数； 为转子电流折算值；为转子电流折算值； 为转子功率因数。为转子功率因数。2111wTkNpmC 222222)(xsrEI222222)(cosxsrsr221cosICTT反映了异步电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。电磁转矩的物理表达式三相异步电动机的电磁转矩的物理表达式用来定性分析三相异步电动机的运行问题。三相异步电动机的电磁转矩的物理表达式与直流电动机电磁转矩表达式比较。3.1.2参数表达式参数

20、表达式 由物理表达式、功率关系、简化等值电由物理表达式、功率关系、简化等值电路可推出参数表达式：路可推出参数表达式：221221121122211232xxsrrfsrpUpfsrImPTem电磁转矩的参数表达式：电磁转矩与转速之间的关系曲线，是电动机的机械特性。 机械特性参数表达式的分析机械特性参数表达式的分析22122112211)()(2XXsRRfsRUpmT1 1、电动状态（、电动状态（0 0S S1 1）S很小时，TS；S稍大时，T1/S；中间必有最大转矩，最大转矩对应的转差率Sm。2 2、发电状态（、发电状态（S S0 0）nn1 ，感应电动势和感应电流的方向相反，电磁转矩的方向

21、改变，T0，电动机处于发电状态。02221SRImPem3 3、制动状态（、制动状态（S S1 1）当旋转磁场与电动机转向相反时， S1 ，感应电动势和感应电流的方向相反，电磁转矩的方向改变，与电机的转向相反，起制动作用，电机工作在制动状态。异步电动机的T-s曲线上有一个最高点； 最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。 212221212)(0XXRXXRRSdSdTm令：代入转矩公式，得过载能力：最大转矩与额定转矩之比：NmTTmax最大转矩，过载能力)(4)(42112112212111211maxXXfpUmXXRRfpUmT最大转矩与电网电压的平方成正比； 最大转矩近似与漏电抗成

22、反比； 最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整； 最大转矩的值与转子电阻值没有关系；异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。关于最大转矩的几个重要结论)(4211211maxXXfpUmT212XXRSm起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；从等效电路求出起动电流：22122112)()(XXRRUIIst起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩若令Sm = 1221212)(XXRR起动转矩等于最大转矩。对于绕线式转子可通过外串电阻达到。起动电流、起动转矩22122112211)()(2XXRRfRpUmTst异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比； 总漏抗越大，起动转矩越小； 绕线式异步电

23、动机可以在转子回路串入适当的电阻可以增大起动转矩； 起动转矩的几个重要结论 当 时， 起动转矩最大。221212)(XXRR22122112211)()(2XXRRfRpUmTst起动转矩倍数KM：起动转矩与额定转矩之比：NstMTTK3.1.3实用表达式实用表达式实用表达式：实用表达式：认为认为 ，一般异步电动机的，一般异步电动机的 ，在任何在任何s值时都有：值时都有： ，而，而 ， 可以忽略，简化得：可以忽略，简化得：ssrsrssrsrsrsrrsrssrrrTTmmmmmmm2121222212222122122221rr2 . 01 . 0 ms0)(2mss2ssssmm22mss

24、sssTTmmm2临界转差率临界转差率临界转差率：临界转差率：当拖动额定负载时，当拖动额定负载时，TL=TN，临界转差率为：，临界转差率为：额定转矩为：额定转矩为：从产品目录查出该异步电动机的数据从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、m，应用实用公式就可方便得出机械特性表达，应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。式。12LNmLNmmTTTTss12mmNmss)(min)/()(55. 92mNrnWPTTNNNN3.1.4固有机械特性固有机械特性 异步电动机的固有机械异步电动机的固有机械特性是指特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相绕组按规定方式连定子三相绕组按规定方式连接，定子

25、和转子电路中不外接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特接任何元件时测得的机械特性性n =（T）或）或T=（s）曲）曲线。线。 对于同一台异步电动机对于同一台异步电动机有正转（曲线有正转（曲线1）和反转（曲）和反转（曲线线2）两条固有机械特性。）两条固有机械特性。说明特性上的各特殊点说明特性上的各特殊点1(1)同步转速点同步转速点A 同步转速点又称理想空载点，在该点同步转速点又称理想空载点，在该点处：处：s=0，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点额定运行点B 在该点处：在该点处：n=nN，T=TN，I1

26、=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状，电动机处于额定运行状态。态。说明特性上的各特殊点说明特性上的各特殊点2(3)临界点临界点C 在该点处：在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tm是异步电动机回馈制动状态所对应是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略的最大转矩，若忽略r1的影响时，有的影响时，有T m=Tm。(4)起动点起动点D 在该点处：在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。3.1.5人为机械特性人为机械特性 异步电动机的人为机械特性是指人异步电动机的人为机械特性是指人为改

27、变电动机的电气参数而得到的机械为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。特性。 由参数表达式可知，改变定子电压由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率、定子频率f1、极对数、极对数p、定子回路电、定子回路电阻阻r1和电抗和电抗x1、转子回路电阻、转子回路电阻r2和电抗和电抗x2，都可得到不同的人为机械特性。，都可得到不同的人为机械特性。1.降低定子电压的人为机械特性降低定子电压的人为机械特性 在参数表达式中，保持其它参数不在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压变，只改变定子电压U1的大小，可得改的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。变定子电压的人为机械特性。 讨论电压在额定值以下范围调节的讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性（为什么？）人为特性（为什么？）降电压人为机械特性曲线降电压人为机械特性曲线TmU12；TstU12；n1和和sm与电压无关与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性分析分析 定子电压定子电压U1下降后，电动机的起动转矩下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，如原先运行在如