电力拖动第十章

第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第一节三相异步电动机机械特性的三种表达式一、物理表达式式中：异步机的转矩系数——异步机每极磁通1二、参数表达式则得2由于异步电动机的电磁功率为由异步电动机的近似等效电路得异步电动机的机械特性参数表达式异步电动机的机械特性3临界转差率使，即可求得最大转矩由于起动转矩起动转矩倍数两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）；“-”为发电状态。4结论：.....最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用KT表示，即：一般异步电动机过载倍数KT=1.8～3.0。5三.实用表达式忽略此二项忽略

R1

得机械特性的实用表达式6可以求出（式中）额定负载时78异步电动机的转矩表达式物理表达式参数表达式实用表达式异步机的转矩系数(主要用于定性分析)(主要用于定量计算)(主要用于近似计算)9第二节三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线。三相异步电动机的固有机械特性1）起始点A；2）额定工作点B；3）同步转速点H；4）最大转矩点P和P′。10特性上的各特殊点说明(1)同步转速点H同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=0，n=ns，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点B在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。11特性上的各特殊点说明(3)临界点P和Pˊ在该点处：s=sm，T=Tmax，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tmaxˊ是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略R1的影响时，有Tmaxˊ=Tmax。(4)起动点A在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。12异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻R1和电抗x1、转子回路电阻R2ˊ和电抗x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。二、人为机械特性13三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性（一）降低降低后转速将下降，由于负载保持不变，根据ns和sm与电压无关电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。14（二）转子电路内串联对称电阻转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性当转子电阻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。15（三）定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性定子电路串联对称电抗一般用于异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性（四）定子电路串联对称电阻

与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动。定子电路串电阻或电抗后，最大转矩、起动转矩以及临界转差率均减少。16转子电路接入并联阻抗时的电路图和人为机械特性（五）转子电路接入并联阻抗由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，在右图上绘出了这样的人为机械特性。转子电路接入并联阻抗时的转子等效电路图起动时，感抗较大，转子电流主要流过Rst，正常运行时感抗较小，转子电流主要流过电抗器。17第三节三相异步电动机的各种运转状态一、电动运转状态电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。电动状态下异步电动机的机械特性二、制动运转状态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。

n<ns，0<s<1，T为拖动转矩，特性在第Ⅰ、Ⅲ象限。18（—）回馈制动状态位能负载带动异步电动机进入回馈制动状态异步电动机在回馈制动时的相量图

当异步电动机由于某种原因（例如位能负载的作用），使其转速高于同步速度时，转子感应电动势反向，转子电流的有功分量也改变了方向，其无功分量的方向则不变。此时异步电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。(适用于重物高速下放)

19当时转子电流的有功分量为转子电流的无功分量为为负，与转速方向相反异步电动机轴上输出的机械功率也为负20能量关系

n>ns，s<0，Pmech=m1I2´2R2´(1-s)/s<0，说明输入机械功率；Pe=m1I2´2R2´/s<0，说明由转子输入机械功率传到定子，再返回电源，这时电机为一台异步发电机，又因这时T、n方向相反故为制动状态，称回馈制动或再生发电制动。21TnOf1'f1"f1'＞

f1"回馈制动特点：|

n|

＞|

ns|，s＜0。电机处于发电机状态。(1)正向回馈制动（变频、变极调速）TLabcdTnOYYYTLabcd?22OnTTLns－ns(2)下放重物时的回馈制动GRbT3~M3~TnTLbac正向电动反接制动dn回馈制动反向电动23＜0(|n|>|n0|)

＜0——转子发出电功率，向电源回馈电能。＜0——轴上输入机械功率(位能负载的位能)。

PCu2=Pe－Pmech|Pe

|=|Pmech|－PCu2——机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。制动时的功率s=－n0+n－n0=n0-nn0第四象限：Pe=m1I2'2R2'＋Rb'sPe

<Pmech=(1－s)Pe24制动效果Rb

→下放速度

。※为了避免危险的高速，一般不串联

Rb。OnTTLn0－n025转速反向的反接制动时的异步电动机特性异步电动机转速反向反接制动电路图（二）反接制动状态1．转速反向的反接制动(重物下放)

26OnT1ns2bcTLad①制动原理定子相序不变，转子电路串联对称电阻Rb。a点b点(Tb＜TL)，惯性n↓c点(n=0，Tc＜TL)在TL作用下M反向起动d点(

nd＜0，Td

=TL)制动运行状态②制动效果改变Rf的大小，改变特性2的斜率，改变nd。3e低速提升重物27③制动时的功率第四象限：Pe=m1I2'2R2'＋Rf's＞0PCu2=m1(R2'＋Rf')

I2'2=Pe－Pmech=Pe＋|Pmech|＜0Pmech=(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。此时的转差率转子电路的损耗为两者之和，因此能量损耗极大。28特点和应用特点：

s>1，运行过程中能量消耗多，改变转子串接电阻，可变速度。应用：适用于位能性负载下放重物。说明两部分能量全部消耗在电阻上，一部分消耗在转子本身的内阻R2上，因R2很小，故能量大部分消耗在外串电阻Rf上。这样可以减小转子发热程度。29(电源反接制动)——迅速停车3~M3~3~M3~Rb制动前的电路制动时的电路①制动原理2．定子两相反接的反接制动30－TLTL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：E2s、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。到

c点时，若未切断电源，M将可能反向起动。d31取决于Rf的大小。②制动效果aOnT1ns2－nsbc③制动时的功率Pe=m1I2'2R2'＋Rb's＞0PCu2=m1(R2'＋Rb')

I2'2=Pe－Pmech=Pe＋|Pmech|＜0Pmech

=(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32**定子2相反接的反接制动的用途可以用于迅速停车或反向优点：制动效果强缺点：能量损耗大，制动准确度差33M3~3~S13.能耗制动(1)制动原理制动前

S1合上，S2断开，

M为电动状态。制动时

S1断开，S2合上。定子:U→I1→Φ

转子:n→E2→I2M为制动状态。n＋U－S2

RbI1×ΦFFTT34(2)能耗制动时的机械特性特点：①因T与n方向相反，n－T曲线在第二、四象限。②因n=0时，T=0，

n－T曲线过原点。③对于笼型异步电动机，必须增大直流励磁电流来增大制动转矩(如曲线2)；对于绕线式异步电动机，可以采用转子串电阻的方法来增大初始制动转矩(如曲线3)

。（对于反抗性负载可以准确停车）35(3)能耗制动过程——迅速停车TLOnT12①制动原理制动前：特性1。制动时：特性2。原点O(n=0，T=0)，a点b点惯性ab(T＜0，制动开始)n↓制动过程结束。36三、运转状态小结在正转方向，特性1与1′的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；在反转方向，特性2与2′的第二象限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线3与3′表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对应于反转。图中特性1＇，2′及3′对应于异步电动机转子有串联电阻时，而1，2及3则对应于没有串联电阻。37第四节根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般可查到下列技术数据：1）额定功率

（kW）2）额定定子线电压（V）

3）额定定子线电流（A）

4）额定转速（r/min）

5）额定效率

6）定子额定功率因数7）过载倍数

8）飞轮惯量（）

9）对于绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，即a）转子额定线电动势（V）b）转子额定线电流（A）10）对于笼型异步电动机，没有转子数据，但给出下列两个数据

a）起动转矩倍数

b）起动电流倍数

38此外，还可能给出定子极对数p；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为50Hz，即Hz。

在已知上述数据的基础上，可用工程计算法计算异步电动机参数

转子每相绕组的电阻39第五节绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算利用机械特性（一般是实用表达式）进行，计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点。[例10-2]某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：（1）当负载转矩，要求转速时，转子每相应串入多大的电阻（图中B点）？绕线转子异步电动机的机械特性40（2）从电动状态（图1中A点）时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于（图中C点），则转子每相应该串接多大电阻？（3）如果该电动机带位能负载，负载转矩，要求稳定的下放转速r/min，求转子每相的串接电阻值。解固有机械特性的临界转差率41取（不合理）（1）如考虑异步机的机械特性为直线,对于固有特性对于人为特性42（2）取取考虑机械特性为直线，固有机械特性的临界转差率43（3）取（时不能稳定运转）考虑机械特性为直线注意：计算时转矩和转速的符号要带入公式。44本章小结1本章介绍了三相异步电动机的机械特性及各种运转状态。

机械特性则是异步电动机运行特性中最重要，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条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。机械特性可用函数表示，也可同曲线表示，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，三种表达式各有不同的适用场合。

45本章小结2当电磁转矩与转速方向相反时异步电动机处于制动状态。实现三相异步电动机电气制动方法主要有：能耗制动、反接制