第十章 三相异步电动机的机械特性

第十章三相异步电动机的机械特性第一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五三相异步电动机由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两个基本部分构成。1、定子定子铁芯：起导磁作用。0.35~0.5mm硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三相绕组。定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线圈按一定规律连接成三相对称绕组，定子三相绕组可以接成星形或三角形。机座：起支撑和固定作用。铸铁或钢板焊接而成。第二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五三相异步电动机定子绕组接法第三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五联接方式对电机参数的影响UVWUlUΦIlIΦUlIlIΦUVWUΦ星形接法：三角形接法：第四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五2、转子铁芯：起导磁作用。硅钢片冲制、涂漆、叠压而成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种。相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机。笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所有导条都通过端环自行形成闭合回路。

绕线型绕组：铜线绕成的三相对称绕组，星形接法，通过集电环引出，可自成回路也可通过外电阻形成闭合回路。第五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五绕线型转子的外形结构

第七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五绕线转子异步电动机转子绕组结构示意图第八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五二、异步电动机的基本工作原理1、旋转磁场(1)旋转磁场的产生第九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五(2)旋转磁场的转速旋转磁场的转速称为同步转速，用n0表示。P123456n0300015001000750600500由于我国电网频率f1固定为50Hz，极对数P只能为整数，所以同步速只有固定的几种可能，常见的有：结论：改变电源频率或极对数可以改变气隙磁场转速。第十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五(3)旋转磁场的方向旋转磁场沿着U1→V1→W1方向旋转，与三相绕组中的三相电流的相序L1→L2→L3是一致的。结论：改变电源相序可以改变气隙磁场转向，从而改变电机的转向。第十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五2、三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的定子绕组接通三相交流电源后，在电动机内部产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下就会转动起来。启动时，转子静止，磁场旋转，转子导体切割磁场感应出电流；载流导体与磁场作用产生电磁力矩拖动转子旋转。思考：转子转速能否达到同步速？第十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、转差率由于需要有相对运动才能产生驱动转子旋转的力矩，所以转子与气隙磁场之间总有一定的转差，转差与同步速的比值称为转差率：s=(n0–n)/n0。在同步速一定的情况下，转差率与转子转速之间的关系是固定的，在很多情况下用转差率表示电机的转速更方便于分析问题。从转差率的定义可以看出，电机速度越低转差率越大，通常情况下sN

=0.015~0.06，电动机起动时s=1，空载运行时s<0.05。第十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五4、转子回路的频率：电机刚起动时，转子回路频率与电网频率相同，随着转速的升高，转子回路频率逐步降低。正常运行的异步电动机，其转子回路频率与定子回路频率不一致，为了便于分析问题，通常把转子回路参数折算成频率为工频的参数，并用上标“

’

”加于区别。第十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五定子转子气隙三、异步电机的分析1、异步电动机的电磁关系第十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五2、异步电机的基本方程式及等效电路注意：等效电路是某一相的等效电路，而不是整台电机的等效电路。第十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五异步电动机简化等效电路从简化等效电路得：第十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、功率平衡方程式：第十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五为同步机械角速度。其中：4、转矩表达式第二十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、额定功率PN：电动机在额定运行时，轴上输出的机械功率，单位：W或kW。2、额定电压U1N：电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位：V。3、额定电流I1N：电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时定子绕组的线电流，单位：A。4、额定频率f1N：我国规定电网工频为50Hz。5、额定转速nN：电动机在定子额定电压、额定频率下，轴上输出额定功率时的转子转速，单位：r/min。四、异步电动机的额定参数第二十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五三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=

f(T)或s=f(T)。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：物理表达式、参数表达式和实用表达式。§10-1机械特性的三种表达式第二十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五物理表达式反映了不同转速时电磁转矩与主磁通以及转子电流有功分量之间的关系，一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。一、物理表达式第二十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五电磁转矩的方向电磁转矩的产生：载流导体在磁场中受到电磁力。判断依据：左手定则。直流电动机的磁场是静止的，电磁转矩的方向取决于电枢电流的方向。异步电动机的磁场是旋转的，转子也是旋转的。如果把磁场看成是静止的，则转子以Δn速度切割磁场，电磁转矩的方向取决于转子电流的方向。而转子电流的方向又取决于转子与气隙磁场之间相对运动的方向，所以电磁转矩的方向取决于转子与气隙磁场之间相对运动的方向。第二十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五转子电流折算值：转子电流随转速（转差率）变化规律：1、n=n0时，s=0，转子电流为零。2、接近同步速时，s很小，转子电抗可以忽略，转子电流与s近似成线性关系。3、转速较低时，s较大，转子电抗不可以忽略，转子电流仍随s增大而增大，但不成线性关系。第二十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五转子功率因数：转子功率因数随转速的增大而增大，低速运行时转子功率因数很低，起动时大约在0.2左右。接近同步速时转子功率因数接近1。第二十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第二十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五二、参数表达式第二十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。第二十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五将sm代入转矩表达式可以得到最大转矩Tm：令dT/ds=0，可以求得出现最大转矩时的转差率，该转差率称为临界转差率，用sm表示：两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）

“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）思考：电动状态与制动状态的最大转矩相等吗？第三十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五通常情况下，可忽略r1，则有：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短时过载的极限：一般异步电动机过载倍数KT=1.8~3.0。第三十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、最大电磁转矩Tm与电源电压U1平方成正比;临界转差率sm与电源电压U1无关。2、转子回路电阻越大，临界转差率sm越大；最大电磁转矩Tm与转子电阻无关。3、频率f1越高，最大电磁转矩Tm和临界转差率sm越小；漏抗越大，最大电磁转矩Tm和临界转差率sm越小；结论：第三十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五起动瞬间电动机的电磁转矩称为起动转矩，用Tst表示，将s=1代入转矩表达式得：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数，用Kst表示:很显然，只有Tst>TZ，电动机才能起动。一般异步电动机的

Kst=1~2。第三十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五思考1：如何获得最大的起动转矩？可以在转子回路中串入合适的电阻，使得Tst=Tm，此时：也就是求得：思考2：所串电阻是否越大越好？此时再增大所串的电阻，起动转矩反而减小。第三十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五三、实用表达式第三十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五考虑到第三十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五一般情况下有：忽略sm得：已知Tm和sm的情况下，根据T

和s的一一对应关系可以得出n=f(T)或s=f(T)曲线。第三十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五Tm

可由和求得。额定情况下的TN和sN同样满足上述关系：解得：第三十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五额定负载以下运行时：由于进一步忽略得：机械特性部分为一直线第三十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五一、固有特性1、条件：U1=U1N，

f1=f1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件。2、特性曲线：如右图所示，分为电动状态，回馈制动状态和反接制动状态。§10-2异步电动机的固有特性与人为特性第四十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、机械特性上的特殊点：⑴同步转速点A在该点处：n=n0，s=0，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。⑵

额定运行点B该点处：n=nN，s=sN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。第四十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、机械特性上的特殊点：⑶最大转矩点C该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tm´是回馈制动状态所对应的最大转矩。⑷起动点D在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。第四十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五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r2´和电抗x2´，都可得到不同的人为机械特性。二、人为机械特性第四十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五思考：异步电动机带恒转矩负载，电网电压下降对电机的运行有何影响？对于恒转矩负载，若电网电压由于某种原因降低，使电动机转速n下降，转差率s增大，转子阻抗角增大，则转子功率因数下降。另一方面，在定子电压U1降低后，Φm也降低，由于负载转矩没变，所以转子电流I2´要随之增大，定子电流I1也要增大，从而使定、转子的铜损都增大，导致绕组温度上升，若长期处于低压运行，会缩短电动机的使用寿命。第四十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五r2+RΩ3Tst2sm2r2+RΩ2Tst1sm1r2+RΩ110TstTmTs

n0n0smr2sm

∝R2；n0和Tm与电压无关，Tst先增后减2、转子回路串入对称电阻的人为机械特性第四十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五分析当转子电阻r2增大时，同步转速n0和临界转矩Tm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=Tm。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可用于绕线式转子异步电动机的起动和调速。第四十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五若其他参数不变，则应有：解得：把机械特性的s<sm段近似看成线性的，则有：由于恒转矩负载时转差率与转子电阻的关系：第四十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五10TmTsms

n0n0Tmxstsm´Tst、Tm、sm

都减小；n0不变3、定子串对称电阻/电抗的人为机械特性第四十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五⑴起动时，n=0，s=1，f2=f1，x2>r2，转子电流主要从所并联的电阻上通过，Tst大。⑵随着转速n的增大，转差率s减小，f2减小，x2也减小，转子电流通路逐渐转移到电抗上，相当于逐渐切除转子串联电阻。⑶转子速度达到额定转速时，s接近于0，f2很小，x2也很小，相当于把串接的电阻短路。阻抗参数配合得当的话，可以使起动过程的转矩几乎恒定。4、转子串并联阻抗的人为机械特性第五十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五Tst´10TstTs

n0n0sm转子串并联阻抗的人为机械特性曲线第五十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五一、电动状态特点：T与n同向，电能转换成机械能，曲线在第1、第3象限。二、制动状态特点：T与n反向，机械能转换成电能，曲线在第2、第4象限。制动类型§10-3三相异步电动机的各种运行状态第五十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五一、转速反向的反接制动1、条件：转子串大电阻，位能性负载。2、机械特性：如图CD段。ns00n0ABCD1T为什么?D´第五十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五功率传递情况1、定子传递给转子的电磁功率：2、转子传递给负载的机械功率：3、转子得到的总功率：电网提供的电功率和负载提供的机械功率都消耗在转子总电阻上。第五十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五TZDns00n0ABC1TZn0-T1、条件：定子两相对调。2、机械特性：如图BC段。二、定子两相反接制动第五十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、条件：定子两相对调，位能性负载。2、机械特性：如图n0-E段。ns00n0ABC1TZn0-TEE´E´´三、回馈制动第五十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五

转子电流分析：1、有功分量：2、无功分量：无功电流与s无关，总是从电网流入电机。第五十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、条件：转子有剩磁Φr，定子并三相对称电容器。2、原理：在原动机的拖动下，转子转速n等于同步速n1，转子剩磁Φr切割定子绕组产生滞后于Φr90º的Er→作用在电容C上产生超前于Er90º的Ir→产生同相位的Φ1→Φ1与Φr同相位→Φm=Φ1+Φr增大→E1↑→I1↑→Φm↑→E1↑，直到E1=E1N，完成自励建压。异步发电机定子三相脱离电网的发电运行第五十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五并联电容的计算1、电容按三角形接法联结电容两端电压：I0U1NC流过电容的电流：解得：第五十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五I0U1NC流过电容的电流：解得：结论：并联电容的计算2、电容按星形接法联结电容两端电压：第六十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第六十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五一、笼型电机的起动方法（一）直接起动（全压起动）特点：启动电流较大，启动转矩不大启动时n=0，s=1，由简化等效电路知：通常情况下，§10-4三相异步电动机的起动第六十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五优点：设备简单，操作方便。缺点：起动电流大，Ist=(5~7)IN。应用场合：

PN<7.5KW的电机符合下式要求者：第六十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、定子串电阻或电抗降压起动原理：电阻或电抗分压。优点：平稳可靠，构造简单。缺点：损耗大，Tst小。结论：转矩下降倍数大于电流下降倍数（二）降压起动第六十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五流过电机绕组的电流：则电网提供电流：原理：设N1/N2=K加在电机绕组上的电压:结论：Tst和Ist都下降为直接起动的1/K2。优点：不同变比抽头适用不同负载。缺点：体积大，价格高，需维护。2、自耦补偿起动第六十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五原理：∆起动：U1LI1Y起动：U1L结论：Tst和Ist都下降为直接起动的1/3。优点：控制简单。缺点：只适用于∆接法电机，电压下降倍数不变。3、Y-∆起动第六十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五U1L123456789Z11Z12U1优点：不同抽头对应不同电压变比。缺点：内部接线复杂，只能用于∆接法的电机，电流最小下降倍数有限。4、延边三角形起动第六十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五限流或恒流起动法：限制电流或使电流恒定，用于轻载起动。斜坡电压法：监控电压，使之线性上升，用于重载起动。转矩控制法：监控转矩，使之线性上升，减小冲击，用于重载起动。转矩加脉冲突跳控制法：Tst>TZ，其余同转矩控制法，用于重载起动。电压控制起动法：监测转矩，控制电压，使Tst足够大，用于轻载起动。（三）软起动第六十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五二、绕线电机的起动方法1、转子串电阻起动优点：既可以增大Tst，又可以降低Ist。注意：串太大的电阻反而会使起动转矩下降。存在问题：需要逐段切除所串电阻，冲击大；控制设备复杂。第六十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五频敏变阻器特点：阻值与频率成正比起动时n=0，s=1，f2=sf1=f1比较大，频敏变阻器等效电阻R大→Ist小，Tst大。n↑→s↓→f2↓→R↓，相当于逐渐切除所串电阻，使Tst保持较大值。起动结束后将频敏变阻器切除。优点：随着转速的上升，转子回路所串电阻自动减小，使得整个起动过程都有较大的起动转矩和较小的起动电流。2、转子串频敏变阻器起动第七十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五§10-5三相异步电动机的调速异步电机的转速则异步电动机的调速方法有：第七十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、变极原理结论：改变半个绕组电流方向就可改变极数一、变极调速第七十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五注意：①

变极调速一般只用于笼型转子电机。为使电机正常工作，定转子的极对数必须相等，笼型转子可以自动调节极对数，而绕线转子电机不能。②变极以后必须将定子任意两相对调，以保持转向不变。设P对极时U、V、W相位关系为：0º、120º、240º，则2P对极时U、V、W相位关系为：0º、240º、480º（120º），相序与变极前相反，电机将反转。第七十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五UVWUWVUVWUVWUWVUVW（1）Y/YY：（星形/双星形）（2）∆/YY（三角形/双星形）2、联结法第七十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五异步电机输出功率和电磁转矩分别为：为充分利用电机的容量，调速前后流过绕组每个部分的电流均为IN，则低速（Y接法或∆接法）时的相电流为IN，高速（YY接法）时的相电流为2IN。3、调速性质第七十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五（2）∆/YY：多极（低速）→少极（高速）nTp2n1n12pTZ0（1）Y/YY：多极（低速）→少极（高速）nTp2n1n12pTZ0第七十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五结论：1、Y/YY接法变极调速为恒转矩调速适用于带恒转矩负载。2、∆/YY接法变极调速为近似恒功率调速适用于带恒功率负载。第七十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五1、频率变化对电机的影响由知在其他条件不变的情况下二、变频调速第七十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五2、电压调节规律第七十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五为使调速前后电机具有同样的过载能力，（1）恒转矩负载第八十页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五（2）恒功率负载第八十一页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、机械特性第八十二页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五第八十三页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五三、能耗转差调速1、转子串电阻调速调速原理第八十四页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五调速性质为充分利用电机，调速前后电流都为额定电流：结论：转子串电阻调速为恒转矩调速第八十五页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五经济性第八十六页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五带恒转矩负载时，s<sm才可稳定运行，调速范围小。可以在降压的同时在转子回路中串入电阻，但此时低速的稳定性差，效率低。2、改变定子电压调速第八十七页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五为增强机械特性硬度，可以引入负反馈：稳速原理：结论：引入负反馈后，负载变化引起的转速变化非常小，机械特性硬度高。第八十八页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五调速原理：调速性质：第八十九页，共一百零八页，编辑于2023年，星期五3、滑差调速滑差调速系统由笼型异步电机、滑差离合器和控制装置构成。滑差离合器的工作原理电枢：