第10章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

第10章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

10.1三相异步电动机机械特性的三种表达式10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性10.3三相异步电动机的各种运转状态10.4根据异步电动机的技术数据计算其参数10.5绕线式异步电动机调速与制动电阻计算10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页

物理表达式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通Φm与转子电流的有功分量I2'

cosφ'

2相互作用产生的。形式上，与直流电动机转矩表达式T=CTFIa相似；称物理表达式，用于物理上分析异步电动机在各种运转状态下，转矩T与磁通Fm及转子电流有功分量之间的关系较方便。——转矩系数10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页由异步电动机的近似等效电路得说明：电磁转矩与电源参数（ＵΦ、f1）、结构参数（R、X、m1、p）和运行参数（s）有关。2电磁转矩的参数表达式

10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页nSTnO1010.1三相异步电动机的机械特性返回目录页临界转差率：最大转矩：将sm代入T=f（s）得：通常10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页小结当电动机参数及电源频率不变时，Tmax与UΦ2成正比，sm保持不变，与UΦ无关；当电源频率及电压不变时，sm与Tmax近似与X1＋X2'成反比；频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；

Tmax与R2'无关，sm则与R2'成正比。10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页过载倍数Tmax

是电动机可能产生的最大转矩。如果Tz>Tmax，电动机将停转，为保证电动机不会因短时过载而停转，电动机必须有一定的过载倍数KT一般电动机的KT＝1.8～3.0，起重设备的电动机的KT可达3.5；10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页起动转矩除Tmax外异步电动机还有一个重要的参数，即起动转矩。起动时，s=1（n=0）代入T=f（s），得结论：当其它参数一定时(1)起动转矩与电源电压平方成正比；(2)频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；(3)绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。(4)起动转矩倍数10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页对鼠笼式异步电动机，则不可通过转子回路串电阻来增加电动机的TST；当TST>Tz时，电动机才能起动，在额定负载下，只有KST>1的笼型异步电动机才能额定负载起动。

三相异步电动机的机械特性曲线可分为两个区域：

(1)稳定运行区域；

(2)不稳定运行区域。10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页稳定运行区域：

在此区域内，，。此时，机械特性向下倾斜，无论是对于恒转矩负载还是对于风机、泵类负载，电力拖动系统可以稳定运行；不稳定运行区域：

在此区域内，，。对于恒转矩负载，系统将无法稳定运行；而对于风机、泵类负载，尽管系统可以稳定运行，但由于转速太低，转差率较大，转子铜耗较大，三相异步电动机将无法长期运行。nSTnO10稳定运行区域：不稳定运行区域：10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页

由于sN

sm，上式取＋号。3电磁转矩的实用表达式

T=+2Tmax

sms

ssm由［］=±－1ssmTmaxT(

)2TmaxT10.1三相异步电动机的机械特性解方程，可得各种运行情况下的转差率与临界转差率的关系

※

根据s和sm的相对大小，取“＋”或取“－”。

返回目录页额定负载时，s一般很小，有s/sm<<sm/s，则10.1三相异步电动机的机械特性返回目录页

电动状态，由于sN

sm，则(

)2［］=－－1sNsmTmaxTNTmaxTN即有下面的关系sm=sN(KT＋

KT2－1)sN=sm(KT－

KT2－1)

【例

10.1】

Y132M－4型三相异步电动机带某负载运行，转速n=1455r/min，试问该电动机的负载转矩TZ是多少？若负载转矩TZ=45N·m，则电动机的转速n是多少？

由电工手册查到该电机的PN=7.5kW，

nS=1500r/min，nN=1440r/min，KT=2.2。由此求得nS－nnSs

===0.031500－14551500nS－nNnSsN===0.041500－1440150010.1三相异步电动机的机械特性解：返回目录页sm=sN(KT＋

KT2－1)=0.04(2.2

＋

2.22－1)=0.1664602TN=PNnN602=×N·m=49.76N·m75001440Tmax

=KTTN=2.2×49.76N·m=109.47N·m10.1三相异步电动机的机械特性忽略

T0，则TZ

=T2

sms=T=＋2Tmax

ssm=N·m=38.32N·m+2×109.470.030.1660.1660.03返回目录页当

TZ

=T2=T=45N·m时=0.166×－－1(

)2109.4745109.474510.1三相异步电动机的机械特性=0.036n=(1－s)nS=(1－0.036)×1500r/min=1446r/minTmaxTs=sm

－－1TmaxT(

)2返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性1.三相异步电动机的固有机械特性

当Uφ、f1、R2、X2=常数时：

T=f(s)——转矩特性

n=f(T)——机械特性当Uφ=

UN、f1=fN，且绕线型转子中不外串电阻或电抗时，机械特性称为固有机械特性。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性OTs1n0TnOMSNNM

S(1)额定状态（N点）

额定状态是指各个物理量都等于额定值的状态。

N点：n=nN，s=sN

，

T=TN，P2=PN。额定状态说明了电动机长期运行的能力。

实际上TZ≤TN，P2≤PN，I1≤IN。nNTNn0TnON工作段返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性

sN=0.01~0.09很小，

T

增加时，n下降很少——硬特性。(2)起动状态（S点）

对应s=1，n=0的状态。

——又称为堵转状态。起动时T=

Tst，

I1=Istn0TnOSTstTst——直接起动的能力。

起动条件

①Tst>TZ。②

Ist＜线路允许值。

起动转矩倍数Kst=TstTN

起动电流倍数KI=IstIN返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性

Y系列三相异步电动机Kst=1.6~2.2，KI=5.5~7.0

临界转速(3)临界状态（M点）nSnTOM

对应s=sm，T=

Tmax的状态。nmTmax

临界状态明了电动机的短时过载能力。

过载倍数KT=TmaxTNY系列三相异步电动机

KT

=2~2.2

临界转差率smsm=sN(KT＋KT2－1)

【例

10.2】一台Y225M－2型三相异步电动机，若TZ=200N·m，试问能否带此负载：(1)长期运行；(2)短时运行；(3)直接起动（设Ist在允许范围内）。解：

查电工手册得知该电机的PN=45kW，nN=2970r/min，KT=2.2，Kst=2.0。

(1)电动机的额定转矩602TN=PNnN602×3.14

==145N·m45×1032970由于TN＜TZ，故不能带此负载长期运行。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性(2)电动机的最大转矩

Tmax=KTTN=2.2×145N·m=319N·m由于Tmax＞TZ

，故可以带此负载短时运行。(3)电动机的起动转矩

Tst=KstTN=2.0×145N·m=290N·m由于Tst＞TZ，且超过1.1倍TZ，故可以带此负载直接起动。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性2.三相异步电动机的人为机械特性人为地改变电动机的任一个参数（如Uφ、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗）的机械特性称为人为机械特性。①降低定子端电压的人为特性；②改变转子回路的电阻的人为特性；③改变定、转子回路电抗的人为特性；④改变极数后的人为特性；⑤改变输入频率的人为特性；返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性(1)降低定子电压时的人为特性Tmax∝Uφ2；Tst∝Uφ2；nS和sm与电压无关。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性s"U1'＞U1"U1"0snsm10nSs'U1'TTZT'm1R2'ΩSsT=I2'2

降低U1转速稳定后

T=TZs"

＞s'

n"＜n'I2"＞I2'1s'1s"I2'2=I2''21sNI2N'2=1sI2'2如电动机原在额定状态下运行，降压后：I2'＞

I2N'

返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性(2)转子回路串对称电阻时的人为特性返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性

根据sm=R2'

/(X1+X2')

，Tmax与R2'

无关。R2'

＜R2"R2'

＜X1+X2'R2"'

＞X1+X2'R2"

=X1+X2'Tmaxsm＜1sm=1sm＞1R2"R2"'R2'

TsO0n0R2'

＜R2"＜R2"'

当R2'

＜X1+X2'

时，sm＜1，

R2'

→Tst。当R2''

=X1+X2时，

sm=1，Tst=

Tmax。当R2''

'

＞X1+X2时，

sm＞1，R2'

→Tst。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性分析

当转子电阻R2'增大时，同步转速nS和临界转矩Tmax不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻R2'增大而增大，直至Tst=Tmax。当转子电阻R2'再增大时，起动转矩Tst反而减小。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调速。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性（3）定子回路串联对称电抗时的人为机械特性

由上面公式可知，X1增大时，nS不变，Tmax

、sm、Tst随X1的增大而减小。返回目录页10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性nSnTOXst=0Xstsm'sm

定子回路串联对称电抗用于笼型异步电动机降压起动，以限制电动机启动电流。10.2三相异步电动机的固有与人为机械特性定子回路串联对称电阻，R1增大时，nS不变，Tmax

、sm、Tst随R1的增大而减小，与定子回路串对称电抗相似。定子回路串联对称电阻亦可用于笼型异步电动机降压起动，以限制电动机启动电流。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页10.3三相异步电动机各种运转状态1.电动运转状态nSnTMTnMTnO正向电动反向电动三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。特点：

1）电动机转矩方向与转速方向相同。

2）机械特性在第一、三象限内。

3）电动机从电网吸收电能，转化为机械能带动负载。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页2.制动运转状态与直流电动机相同，异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。

机械特性位于第二象限和第四象限。与直流电动机相同，异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。nTMTMTnOn第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页1).回馈制动

实现：电动机转子在外力作用下，使|

n|

＞|

nS|，s＜0。电机处于发电机状态。(1)正向回馈制动原理

当异步电动机由于某种原因，使得n>nS时，转差率s<0,则转子感应电动势sE2反向。转子电流的有功分量为：第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页转子电流的无功分量为：上两式说明：当s<0时，转子电流的有功分量改变方向,无功分量的方向没变。＜0，电磁转矩改变方向，和电动机旋转方向相反，制动。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页异步电动机在回馈制动时的相量图s＜0回馈制动时电机的机械特性在第二象限。转子中串接电阻。可得到人为机械特性，并可得到不同的稳定速度。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页异步电动机轴上输入机械功率。能量转换关系：机械功率被转换成电功率后，一部分被转子电阻消耗掉，剩余的通过气隙传递到定子。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页传递到定子的电磁功率，有一部分被定子电阻和定子铁心损耗掉，剩余的从定子输出，即定子绕组把电能回馈给电网。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页(2)回馈制动过程分析①调速过程中的回馈制动TnOf1'f1"f1'＞

f1"TZABCDTnOYYYTZABCDMTZnTMTZnT第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页OnTTZnS－nS②反向回馈下放重物时的回馈制动（电源两相反接）GRΩ

T3~M3~TnTZBAC正向电动反接制动Dn回馈制动反向电动第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

＜0（n＞nS）

＜0——向电源回馈电功率。＜0——轴上输入机械功率(位能负载的位能)。

PΩ=Pe－pCu2

|PΩ|=|Pe|

+pCu2——机械功率转换成电功率，再减去转子电阻上消耗的功率，剩余的为电磁功率。

制动时的功率s=-nS-(-n)-nS=nS-nnS第四象限：Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

sPΩ=(1－s)Pe

第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

制动效果RΩ

→下放速度

。※为了避免危险的高速，一般不串联

RΩ。OnTTZnS－nS第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页（3）特点和应用特点：

n>nS，从电网吸收无功功率建立磁场，向电网输送有功功率，经济。应用：电机拖动位能性负载(如绕线式异步机)下放重物。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

【例

10.3】一台三相绕线型异步电动机，已知PN=20kW，nN=1420r/min，U2N=187V，I2N=68.5A，KT=2.3，拖动TZ=

100N·m的位能性负载。现欲采用回馈制动下放该重物，在转子电路中串联电阻RΩ=0.0159。试求：(1)切换后的瞬间（B点）的制动转矩；(2)在D点下放重物时的转速。解：欲采用回馈制动下放该重物，定子两相应反接。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页满足题意要求的机械特性:BAC0D12nSn-nSnAnDTBTZTsmB-TmaxTmaxsm第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页(1)nB=

nA=

1442r/minnS－nBnSsB=

－1500－1442－1500==1.96smB

=sm

R2＋RΩ

R2=×0.233

=0.277

0.10.0841TB=－+2TM

smBsB

sBsmB=－

=－85.77Nm+2×309.5

0.2771.96

1.960.277第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页(2)转子串联电阻

RΩ

时，Tmax不变，sm∝(R2＋RΩ)nD=(1－sD)nS

=(1＋0.046)×(－1500)r/min=－1569r/min=－0.277×－－1=－0.046(

)2309.5100309.5100(

)2sD=－smB

－－1TmaxTZTmaxTZ第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页2).反接制动(1)定子两相反接的反接制动——迅速停车3~M3~3~M3~RΩ制动前的电路制动时的电路①制动原理实现：将电动机电源两相反接。TZ制动前：正向电动状态。制动时：定子相序改变，

nS变向。OnT1nS2－nS

Bs=

－nS

－n－nS=nS＋nnS即：s

＞1(第二象限)。同时：sE2、I2

反向，T

反向。ACA点B点(T＜0，制动开始)惯性n↓C点(n=0，T≠0)，制动结束。返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态MTZnTT0MTZTnT0取决于RΩ

的大小。②制动效果AOnT1nS－nS③制动时的功率Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

s＞0

pCu2

=m1(R2'＋RΩ')

I2'2=Pe－PΩ=Pe＋|PΩ|＜0

PΩ=(1－s)Pe三相电能电磁功率Pe转子机械功率Pm定子转子电阻消耗掉返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态

定子两相反接的反接制动优点：制动效果强，制动速度快。定子两相反接的反接制动缺点：能量损耗大，制动准确度差。④

制动过程分析对于反抗性恒转矩负载

当制动到n=0时，即C点，若|T|＞|TZ|，则电动机将反向启动。最后稳定运行于D点，电动机工作于反向电动状态。

返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态－TZTZOnT1nS2－nS

BACD

所以反接制动特别适合于要求频繁正、反转的生产机械，以便迅速改变旋转方向，提高生产率。如果采用定子两相反接制动只是为了停车，那么当制动到n=0前，必须切断电动机的电源，否则会出现|T|＞|TZ|，使电动机反转。

MTZnTT0MTZTnT0MTZTnT0返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态对于恒转矩位能性负载

制动前：正向电动状态。制动时：定子相序改变，

nS变向。s=

－nS

－n－nS=nS＋nnS即：s

＞1(第二象限)。同时：E2s、I2

反向，T

反向。A点B点(T＜0，制动开始)惯性n↓C点(n=0，T≠0)，制动结束。TZ1OnTnS2－nS

BACMTZnTMTZTnT0T0返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态到

C点时，在制动转矩和负载转矩的共同作用下，M将反向起动、加速，T与n都为负，反向电动。TZ1OnTnS2－nS

BACFnF

到n=﹣nS时，虽然T=0，但在负载转矩的作用下，电动机继续反向加速，电磁转矩改变方向，为正，与电动机旋转方向相反，制动，直到F点，稳定运行,因|n|＞|nS|，回馈制动。MTZnTT0MTZTnT0E返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态特性总结

当电机拖动恒转矩负载时，在电动机电磁转矩和负载转矩的共同作用下，迫使电动机很快减速到C点，n=0，制动结束。

BC段为电源反接制动的制动特性，要想停车，需在n=0前拉闸，否则，若电机拖动反抗性负载，而且C点的电动机电磁转矩T大于负载转矩，则反向起动到D点稳定运行。CD段为反向电动状态特性。若电动机拖动位能性负载，则要从反向电动状态继续加速到-n1(E)点，再到反向回馈制动状态的F点稳定运行。(2)转速反向的反接制动——下放重物OnT1nSBCTZAD①实现方法与制动原理带位能性负载，定子相序不变，绕线转子电路串联适当大的对称电阻RΩ（对应机械特性的起动转矩小于负载转矩）。A点B点(TB＜TZ)，惯性n↓C点(n=0，TC＜TZ)在TZ作用下M反向起动D点(nD＜0，TD

=TZ)

制动运行状态②制动效果改变RΩ

的大小，改变特性2的斜率，改变nD。返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态2MTZnTT0MTZnTT0③制动时的功率s=nS－nnS第四象限：＞1(n＜0)Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

s

＞0

pCu2

=m1(R2'＋RΩ')

I2'2=Pe－PΩ=Pe＋|PΩ|＜0

PΩ=(1－s)Pe——定子输入电功率——轴上输入机械功率（位能负载的位能）——电功率与机械功率均消耗在转子电路中。返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页第10.3三相异步电动机各种运行状态④特点和应用特点：

s>1，运行过程中能量消耗多，改变转子串联电阻，可变速度。应用：适用于位能性负载下放重物。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

例10.4

一台绕线式异步电动机，PN=60kW,nN=577r/min,I1N=133A，I2N=160A，E2N=253V，KT=2.9，ηN=89%，cosφN=0.77，求：（1）当电动机以转速300r/min提升TZ=0.8TN的重物时，转子回路应串入多大电阻？（2）当电动机以转速300r/min下放TZ=0.8TN的重物时，转子回路应串入多大电阻？（3）当电动机以额定转速稳定运行时，突然将定子电源两相反接，要求反接瞬间制动转矩不超过2TN，转子回路应串入多大电阻？（4）在（3）的情况下，如负载转矩TZ=0.8TN，要求下放速度为660r/min，转子电路应串入多大电阻？请画出对应以上各种情况的机械特性。第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

或（因小于sN，舍去）解：第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页或（因小于s1,舍去）（1）当电动机以转速300r/min提升TZ=0.8TN的重物时第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页在转子回路串入的电阻为（2）当电动机以转速300r/min下放TZ=0.8TN的重物时第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页或

(因小于s2，舍去)。在转子回路串入的电阻为第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

（3）在nN=577r/min时，突然将定子电源两相反接当反接瞬间制动转矩不超过2TN时

和第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

在转子回路串入的电阻为（4）以660r/min的速度，下放TZ=0.8TN的重物时第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

和

因小于sm，舍去）在转子回路串入的电阻为第10.3三相异步电动机各种运行状态返回目录页

对应以上各种情况的机械特性（2）D（4）CEB-nSnOAT（1）nBnNnSnEnDTN-0.8TN0.8TN（3）（3）第