项目一 任务3 三相异步电动机的机械特性

项目一：认识CA6140型普通车床的电机系统14三相异步电动机的结构和工作原理三相异步电动机的机械特性电力拖动系统运动方程和负载转矩特性3三相异步电动机的电磁转矩特性25电力拖动系统的稳定性判断6电力拖动系统的选择与运行维护一、三相异步电动机的机械特性在一定的工作条件下，电动机的转速n与电磁转矩T之间的函数关系，称为机械特性，用n=f(T)表示。因为电动机的转速n与转差率s存在一定的关系，所以机械特性也可用电磁转矩T与转差率s的函数T=f(s)来表示，也即：电磁转矩的参数表达式是机械特性的一种表达形式。1.机械特性的定义实际应用中关注的是电动机适应外界负载变化的能力，即：电动机的转速n随外部负载转矩TL变化而变化的能力。由于电动机稳定运行的必要条件是：电磁转矩T等于负载转矩TL，所以，通常用电磁转矩T代替负载转矩TL来分析电动机的工作情况。★三相异步电动机的机械特性曲线T

=f(s)3个步骤T

=f(n)★三相异步电动机的三种运行状态电动状态发电状态制动状态ⅠⅡⅣ电动状态发电状态2.固有机械特性三相异步电动机工作在额定电压和额定频率下，定子绕组按额定方式接线，定子电路和转子电路都不外接电阻等其它电路元件时，由电动机本身的固有参数所决定的机械特性，称为固有机械特性。制动状态★利用实用表达式定性画出固有机械特性实用表达式固有机械特性图用电磁转矩的参数表达式，通过描点法绘制固有机械特性曲线太过繁琐，也很耽误时间。实际应用中，由于三相异步电动机通常运行在电动状态，所以利用实用表达式，从产品目录中查出电动机的外部参数值，计算出几个特殊运行点，再利用描点法，定性画出固有机械特性在第Ⅰ象限的部分即可。需要3步★利用实用表达式定性画出固有机械特性第1步：从产品目录中查出电动机的外部参数值，计算出Tm和sm的值，代入实用表达式，得到T=f(s)。在转差率s的取值范围内，计算出电动机若干个运行点的（s，T）坐标值。（s，T）第2步：利用转差率s与转速n的关系式：n=(1-s)n1，算出对应的坐标点（T，n）的数值。（T，n）（s，T）★利用实用表达式定性画出固有机械特性第3步：在直角坐标系中，以电磁转矩T和转速n为坐标轴，确定第2步算出的（T，n）对应的坐标点，用平滑曲线连接这几个点。固有机械特性★利用实用表达式定性画出固有机械特性注意事项：第1步选取的运行点，必须包括四个特殊运行点：同步点D、额定运行点C、最大转矩点B和起动点A。DCBA★固有机械特性上的四个特殊点同步点D：同步点D又称为理想空载运行点。同步点坐标为：T=0，n=n1。DCBA同步点的电磁转矩T=0。如果没有外界转矩的拖动，电动机不可能在同步点运行。★固有机械特性上的四个特殊点额定运行点C：电动机工作在额定运行点时，I=IN，T=TN，P=PN，n=nN，处于最佳运行状态。电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，转轴上输出的转矩为额定转矩，用TN表示。TN=9550PN/nN坐标：T=TN，n=nN。DCBA■

电动机过载运行电气线路中允许连续通过而不至于使电线过热的电流量，称为安全载流量或安全电流。导线流过的电流超过了安全载流量，就叫导线过载。一般导线的最高允许工作温度为65°C。导线过载时，工作温度就会超过65°C，这会使导线绝缘迅速老化，甚至会使线路燃烧起来。电动机过载运行时，TL＞TN，I＞IN，电动机绕组容易发热。电动机具有承受短时过载的能力。轻度过载一般不影响电动机正常工作；严重过载且过载时间过长，电动机会过热烧毁！因此，电动机必须设置长期过载保护！严重过载时，过大的负载转矩容易造成电动机的机械损坏，比如：转轴可能会发生弯曲、变形，甚至断裂。长期过载保护是通过切断电源让电动机停转，来防止电气损伤和机械损坏的。★固有机械特性上的四个特殊点坐标：T=Tm，n=nm。最大转矩点又称临界点。当TL＞Tm时，正在运行的电动机很快就会堵转。一旦堵转，应立即切断电源，保护电动机不被烧毁。堵转时，转速

n=0，定子电流

I=(4~7)IN，转子电流也随之增大，绕组严重发热，甚至会烧毁。DCBA最大转矩点B：如果要重新起动电动机，一定要先卸掉过重的负载或者选用额定容量大的电动机来拖动负载。★固有机械特性上的四个特殊点电动机的过载能力：过载能力λ表明电动机承受短时过载的极限。一般地，Y系列电动机的λ值在1.8~2.2之间。

λ=Tm/TN电动机的最大转矩Tm与额定转矩TN之比，称为过载能力，通常用λ表示。DCBA★固有机械特性上的四个特殊点电动机带负载起动时：若Tst＞(1.1~1.2)TL，就能顺利起动；若Tst≤(1.1~1.2)TL，就不能起动，与堵转时情况一样，容易烧毁电机。电动机带负载起动不了时，可采取的措施有二：1、立即断开电源，减轻负载后重新起动。2、立即断开电源，换用起动能力强的电动机带负载起动。起动点A：坐标：T=Tst，n=0。电动机定子绕组刚接入电源，转子还没转起来的那一瞬间。DCBA★固有机械特性上的四个特殊点电动机的起动能力：

三相绕线转子异步电动机的转子绕组，可以通过滑环和电刷外接电阻或频敏变阻器来提高起动能力。因此，需要重载起动时，应选用三相绕线转子异步电动机。Kst=Tst/TN三相笼型异步电动机的Kst值一般在1.0~2.2之间。起动转矩Tst与额定转矩TN之比，称为电动机的起动能力，通常用Kst表示。DCBA★通过固有机械特性判断电机运行情况思考与提问：1）当电动机分别带负载TL1、TL2、TL3、TL4起动时，是否能顺利起动？若能顺利起动，运行情况怎样？若不能起动，应采取什么措施？2）判断依据是什么？电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

判断依据：1）Tst>>TL1，满足了电动机带负载起动的条件。2）TL1<TN，工作电流I<IN，转速n>nN，属于轻载运行。电动机带负载TL1能顺利起动，并以高于额定转速nN的转速在E点稳定运行，属轻载运行。参考答案1：★通过固有机械特性判断电机运行情况电动机轻载运行相当于大马拉小车，不影响电动机的使用寿命，但是功率因数降低，电网的效率也会降低。电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

E●判断依据：1）Tst>TL2，满足了电动机带负载起动的条件。2）TL2略大于TN，各运行参数都接近额定值，属于理想运行状态。电动机带负载TL2能顺利起动，在F点稳定运行，转速略低于额定转速nN，接近额定运行状态。参考答案2：★通过固有机械特性判断电机运行情况F●电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

E●可采取的措施1：先让电动机空载起动，起动起来后再带上负载TL3。电动机带负载TL3不能起动，与堵转时一样，容易烧毁绕组。参考答案3：运行情况：TL3>>TN，电动机在G点稳定运行，转速n低于额定转速nN，电流I大于额定电流IN，属于过载运行，相当于小马拉大车。时间长了，过载保护就会动作而使电动机停车。判断依据：Tst<TL3，不满足电动机带负载顺利起动的条件。×★通过固有机械特性判断电机运行情况G电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

E●●F●可采取的措施2：换一台起动转矩Tst大于TL3，额定转矩TN与TL3相当的电动机，带动TL3重新起动。运行情况：TN≈TL3，电动机会运行在额定状态附近，运行性能好。√★通过固有机械特性判断电机运行情况电动机带负载TL3不能起动，与堵转时一样，容易烧毁绕组。参考答案3：判断依据：Tst<TL3，不满足电动机带负载顺利起动的条件。G电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

E●●F●可采取的措施：1）换起动转矩满足：Tst>TL4，额定转矩满足：TN≈TL4的电动机来带动。2）换用三相绕线转子异步电动机，通过在其转子回路串接电阻或频敏变阻器来提高起动性能。电动机带负载TL4不能起动，绕组很快就会烧毁。参考答案4：判断依据：1）Tst<TL4，不满足电动机带负载起动的条件。2）Tm<TL4，超出了电动机的负载极限，电动机根本承载不起。√√★通过固有机械特性判断电机运行情况G电动机的固有机械特性TL1

TL3TL4TL2

E●●F●人为地改变电动机的电源参数(U1、f1)或者结构参数（p、R1、R2、X1、X2）中的一个或多个参数，所得到的机械特性，称为人为机械特性。利用人为机械特性，能获得满足生产工艺需要的拖动性能。人为机械特性图的画法：先利用电磁转矩实用表达式定性画出固有机械特性，然后分析三个特殊运行点（同步点、最大转矩点、起动点）的变化情况，最后依据这些变化对固有机械特性加以改造。1.降低定子端电压U1的人为机械特性2.转子回路串对称电阻的人为机械特性◆两种常用人为机械特性：二、三相异步电动机的人为机械特性1.降低定子端电压U1的人为机械特性分析三个特殊运行点的变化情况：同步转速n1与定子端电压U1无关，降低U1，n1的值不变。1）同步点n1=60f1/p∵结论：降低U1后的人为机械特性，仍然通过固有机械特性的同步点，即：同步点保持不变。横坐标：T=0不变。纵坐标：n1的值不变。∴2）最大转矩点最大转矩Tm与定子端电压U1的平方成正比，降低U1之后，最大转矩Tm的值大幅度减小。临界转速nm与定子端电压U1无关，其值不随U1降低而改变。结论：降低定子端电压U1的人为机械特性的最大转矩点，由固有机械特性的最大转矩点，沿着与T轴平行的方向适当向n轴靠拢，即：最大转矩点向n轴平移。nm=n1(1-sm)

=n1(1-R2/X2)横坐标Tm：纵坐标nm：1.降低定子端电压U1的人为机械特性3）起动点起动转矩Tst与U12成正比，Tst值随U1的降低而大幅度减小。结论：降低定子端电压U1的人为机械特性的起动点，由固有机械特性的起动点沿T轴向原点适当靠拢，即：起动点向原点平移。横坐标Tst：纵坐标：n=0不变。s=11.降低定子端电压U1的人为机械特性在固有机械特性所在的坐标系中，确定出降低定子端电压U1之后，同步点、最大转矩点和起动点所在的坐标点。用平滑曲线连接这三个坐标点，就得到了降低定子端电压U1的人为机械特性。1.降低定子端电压U1的人为机械特性1.降低定子端电压U1的人为机械特性降低电压U1对电动机运行性能的影响：2）带同样的负载，电动机的运行转速n降低。3）人为机械特性的线性段斜率增加，特性变软，不利于稳定运行。1）最大转矩Tm和起动转矩Tst都大幅度减小，过载能力λ和起动能力Kst都显著降低。如果U1降低得太多，可能会因为Tst<TL而无法起动，也可能会因为Tm<TL而堵转。TL1TL2电动机低压运行的情况：转速n下降，对应的转差率s增大，转子电动势E2s=sE2随之增大，使转子电流I2和定子电流I1都增大，电动机呈现欠压过载的状态。电动机低压运行的危害：长期欠压过载运行，电动机绕组的温升会超过允许值而损害绕组的绝缘，甚至会烧毁绕组。电动机的电气控制电路要设置欠电压保护：1）电动机通常由接触器控制。接触器在其线圈电压下降到85%UN时，会自动释放而切断电路，自带欠压保护功能。2）低压断路器上有失压脱扣器，在低电压时会自动跳闸，有欠压失压保护功能。3）有时需要设置专门的欠电压继电器作欠压保护。1.降低定子端电压U1的人为机械特性2.转子回路串电阻的人为机械特性哪种结构类型的三相异步电动机，能够在转子回路中串接电阻？是笼型还是绕线型？三相绕线型转子结构图绕线型转子绕组外加变阻器接线图只有三相绕线转子异步电动机的转子绕组，才具备外串附加电阻的结构条件！三个特殊运行点的变化情况：1）同步点结论：转子回路串对称电阻的人为机械特性，仍然通过固有机械特性的同步点，即：同步点保持不变。2.转子回路串对称电阻的人为机械特性增大转子回路电阻R2对同步转速n1无影响。在转子回路串接三相对称电阻Rp，就是人为增大R2。n1=60f1/p∵横坐标：T=0不变。纵坐标：n1的值不变。∴2）最大转矩点结论：转子回路串对称电阻的人为机械特性的最大转矩点，由固有机械特性的最大转矩点，沿着与n轴平行的方向适当向T轴靠拢，即：最大转矩点向T轴平移。2.转子回路串对称电阻的人为机械特性临界转速nm会随着R2的增大而减小。最大转矩Tm不受转子回路电阻R2的影响，其值不变。横坐标Tm：nm=n1(1-sm)=n1(1-R2/X2)纵坐标nm：3）起动点结论：转子回路串对称电阻人为机械特性的起动点，位于T轴上，在固有机械特性的起动点与坐标点（Tm，0）之间。2.转子回路串对称电阻的人为机械特性随着R2的增大，起动转矩Tst的值先增大后减小，但通常不会小于固有机械特性时的值。起动转矩Tst的最大值就是Tm，当Tst=Tm时：nm=0，sm=1。横坐标Tst：纵坐标：n=0不变。2.转子回路串电阻的人为机械特性在固有机械特性所在的坐标系中，确定转子回路串电阻之后，同步点、最大转矩点和起动点所在的坐标点。用平滑曲线连接这三个坐标点，就得到了转子回路串电阻的人为机械特性。转子回路串对称电阻对电动机运行性能的影响：2.转子回路串对称电阻的人为机械特性1）转子回路串接对称三相电阻（增大R2）之后，电动机的起动