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1、第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态本章主要 研究三相异步电动机的机械特性及各种运转状态下的机械特性的计算。包括机械特性的三种表达式的建立；固有机械特性与人为机械特性的分析与绘制；三相异步电动机各种运转状态的物理概念、实用条件。异步电动机参数的工程计算方法；异步电动机调速与制动电阻的计算方法。10.3 10.3 三相异步电动机的各种运转状态三相异步电动机的各种运转状态10.4 10.4 根据异步电动机的技术数据计算其参数根据异步电动机的技术数据计算其参数10.1 三相异步电动机机械特性的三种表达式三相异步电动机机械特性的三种表达式三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性三相异步电动
2、机的固有机械特性与人为机械特性10.5 10.5 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算本章小结本章小结第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 三相异步电动机机械特性的三种表达式一、物理表达式（101）定义：定义：，它反映了在不同转速下，电动机所能提供的它反映了在不同转速下，电动机所能提供的出力（转矩）情况。出力（转矩）情况。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态图101 在图101上绘出第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态（101）此式称为异步电动机的机械特性的第一种表达式，它反映了不同转速时T与磁通 及转子电流的有功分量 之间
3、的关系。在物理上三个量之间的关系必须遵循左手定则。故称为物理表达式。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态二、参数表达式(10-5)带入上式第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态机械特性曲线中的几个特殊点：机械特性曲线中的几个特殊点：起动状态点起动状态点A A ：对应于转速 （或 ），即起动转矩(或堵转转矩)；将 （或 ）代入式（6-121）便可求出起动转矩为：(10-6)另外起动转矩也是电动机的一个重要参数：只有起动转矩大于负载转矩，电动机才可起动。起动转矩倍数（107）定义定义:起动转矩起动转矩 与额定转矩与额定转矩 的比值定义
4、为起动转矩倍数的比值定义为起动转矩倍数 ，即：即：第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 额定运行点额定运行点B :同步运行点同步运行点C C：对应于 （或 ）。由于无相对切割，该点的电磁转矩 。临界运行点临界运行点D D ：该点对应于最大电磁转矩最大电磁转矩，相应的转差率 又称为临界转差率临界转差率。可通过下式求得：式中，正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态（10-9）（10-10）（10-8）第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态定义定义:将最大电磁转矩将最大电磁转矩 与额定转矩与额定转矩 的比值定义为的比值定义为最大转矩倍数最大转矩倍数（或过载能力），用（或过载能力
5、），用 表示，即：表示，即：若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机停机或无法起动，为保证电机不会因短暂过载而停机，电动机必须具有一定的过载能力，用过载倍数KT表示：KT:一般电动机为1.83.0,冶金起重等电动机可达第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 此外，由图还可以看出：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。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；稳定运行区域：稳定运行区域：不稳定运行区域：不稳定运行区域：在此区域内，。此时，对于恒转矩负载，系统将无法稳定运行；而对
6、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。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态三、实用表达式参数表达式虽然对于理论分析很有用，但其中诸多参数不可查找。若忽略R1（1011）第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态异步电动机的机械特性可以看成为两部分组成，即当负载转矩小于额定转矩时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分。称为工作部分，当 时，机械特性为一曲线，有时称为机械特性的曲线部分。有时也称为非工作部分，但其仅针对恒转矩负载或恒功率负载而言。物理表达式适于定性分析转矩T与磁通 及转子电流的有功分量 之
7、间的关系。参数表达式可以用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响。实用表达式最适于进行机械特性的工程计算。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 三相异步电动机的固有机械特性与人为三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性机械特性一、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式，定子及转子中不外接电阻电容电抗时所获得的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性如图103 所示。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态电动机的几个特殊运行点：电动机的几个特殊运行点：n n1 1）起动点）起动点A A n n2 2）额定工作点）额定工作点B Bn
8、 n3 3）同步转速点）同步转速点H Hn n4 4）最大转矩点）最大转矩点C C和和C C 图103 三相异步电动机的固有机械特性回馈制动时的过载能力比电动状态时的过载能力大。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态二、人为机械特性由机械特性的参数表达式第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态1、降低电源电压转矩与电压的平方成正比。临界转差率与电源电压无关。机械特性如图104。三相异步电动机降低定子三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性相电压时的人为机械特性图104 第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 降低电网电压对电动机运行的影响：转速下降；使电动机电流大于额
9、定定流，电动机不能长期连续运行。否则温升最终超过允许值，使电动机寿命缩短，甚至烧毁。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态2、转子电路串联对称电阻（适于绕线式电动机）机械特性参见下页图机械特性参见下页图10105 5。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态思考：转子串电阻对电机的影响有哪些？转子电路内串联对称电阻转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性时的人为机械特性图图10105 5。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态3、定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性抗时的人为机械特性 定定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降
10、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定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性时的人为机械特性4、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。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态转子电路接入并联阻转子电路接入并联阻抗时的电路图和人为抗时的电路图和人为机械特性机械特性5、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。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态特点：在转子频率较高时，电阻值比电抗值小，转子频率低时，电阻值比电抗值
11、大。起动时，转子电流几乎全部流过电阻，相当于短接了电抗，但额定转速时，电流几乎全部流过电抗，电阻相当于被短接了。利用频敏变阻器也可达到同样的效应。转子电路并联阻抗能限制起动电流，电机加速平滑。转子电路接入并联阻抗转子电路接入并联阻抗时的转子等效电路图时的转子等效电路图第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态103 三相异步电动机的各种运转状态三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。一、电动状态特点：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。二、制动状态特点：1）电动机转矩方向与转速方向相反。2）回馈制动与能耗制动时的
12、机械特性在第二象限、反接制动的机械特性在第四象限内。3）回馈制动与能耗制动时电动机从轴上吸收机械能，转化为电能 第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态三、回馈制动状态M3GnT当异步电动机由于某种原因，使得nn0时，转差率s0,则转子感应电动势sE2反向第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态转子有功分量：转子无功分量：上两式说明：当s0时，转子电流的有功分量改变方向。当转子的无功分量方向没变。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态异步电动机在回馈制动时的相量图：图1012异步电动机在回馈制异步电动机在回馈制动时的相量图动时的相量图回馈制动时电机的机械特性在第二象限。转子
13、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。问题2：转子串接电阻越大，稳定速度是越高还是越低？问题1：转子在什么情况下稳定转速？第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态四、反接制动状态：（1）转速反向的反接制动M3GnTn问题3：随转速的增加，s、T、I2如何变化？转速何时稳定。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态转速反向的反接制动转速反向的反接制动时的异步电动机特性时的异步电动机特性转子轴上机械功率 为负转子由定子输入的电功率即为电磁功率 为正转子电路的损耗 为两者之和，因此能量损耗极大。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态异步电动机定子两相反异步电动机
14、定子两相反接的电路图与机械特性接的电路图与机械特性（2）定子两相反接的反接制动 为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由A转移到B此时转差率为 在两相反接时，电动机的转矩为T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的BC段。在转速为零的C点，如不切断电源，电动机即反向加速，进入反向的电动状态（对应于特性CD段），加速到D点时，电动机将稳定运转，实现了电动机的逆转过程。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态（2）定子两相反接的反接制动M3nT问题问题4：电动机能否稳定下来？：电动机能否稳定下来？第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 三相异步电动机能
15、耗制动时，需对提供额外的励磁电源。其通常做法是：将所要制动异步电动机的定子绕组迅速从电网上断开，同时将其切换至直流电源上。通过给定子绕组加入直流励磁电流建立恒定磁场。于是，旋转的转子和恒定磁场之间相互作用，便产生具有制动性的电磁转矩。由于制动过程中，大部分动能或势能均转变为电能消耗在转子回路的电阻上，这种制动方式又称为能耗制动能耗制动。能耗制动的典型线路与物理解释分别如下图a、b所示。五、能耗制动状态五、能耗制动状态第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态能耗制动时三相异步电动机的机械特性计算能耗制动时三相异步电动机的机械特性计算 为了计算三相异步电动机能耗制动时的机械特性，通常引入等效
16、电流等效电流的概念。然后再根据三相异步电动机正常运行时的机械特性获得能耗制动时的机械特性。具体过程介绍如下：下图a、b分别给出了三相异步电动机定子两相绕组通以直流电的电路连接以及相应的定子磁势矢量图。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态上图 a的定子直流合成磁势为：设将 等效为三相合成旋转磁势 后，定子每相等效电流的有效值为 ，则有：考虑到等效前后 ，由式（7-36）、（7-37）得：第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 考虑到等效前后磁势与转子的相对转速不变，即 相对转子的转速仍为 ，又由于 相对定子的转速为同步速度 ，则能耗制动的转差率为：由此绘出能耗制动时的等效电路如
17、图所示。图 三相异步电动机能耗制动时的等效电路第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 利用图便可求得能耗制动时三相异步电动机的机械特性表达式为：其中，与 之间的关系是利用等效电路且忽略铁耗（即 ），并根据下式求得的：对上式求导并使 ，便可求得能耗制动时的最大电磁转矩和临界转差率分别为：第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 将式（7-40）除以（7-41）并利用式（7-42），便可获得能耗制动时机械特性的实用表达式为：(7-43)根据式（7-40）或式（7-43）绘出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图所示。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第十章 三相异步电动机
18、的机械特性及各种运转状态各个电流之间有下列关系 得机械特性方程式 临界相对转速 第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态运转状态小结：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。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态桥式起重机拖动主钩异桥式起重机拖动主钩异步电动机的电路图步电动机的
19、电路图对应手柄位置主钩异步对应手柄位置主钩异步电动机的机械特性电动机的机械特性第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态转速逐级提升过程为 转速逐级提升转速逐级提升的机械特性的机械特性第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态空钩提升与下放时空钩提升与下放时的负载转矩特性的负载转矩特性提升和下放空钩时的机提升和下放空钩时的机械特性与负载转矩特性械特性与负载转矩特性在空钩下放时也属电动状态。此时不但有空钩重量产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大，将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态（二）反接制动状态（二）反接制动状
20、态（三）回馈制动状态（三）回馈制动状态反接制动下放重物时机反接制动下放重物时机械特性与负载转矩特性械特性与负载转矩特性回馈制动下放重物时的机回馈制动下放重物时的机械特性与负载转矩特性械特性与负载转矩特性第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态104 根据异步电动机的技术数据计算其参数电动机的技术参数有：（1）额定功率（2）额定定子线电流（3）额定定子线电压（4）额定转速（5）额定效率（6）定子功率因数（7）过载倍数（8）飞轮力矩（9)起动转矩倍数 （笼型）（10）起动电流倍数 （笼型）（9）转子额定线电动势 （绕线式）（10）转子额定线电流 （绕线式）第十章 三相异步电动机的机械特性及各
21、种运转状态在已知的技术参数的基础上，可用工程计算法计算异步电动机的各个参数：第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态适用于笼型与绕线式电机适用于笼型电机由两式联立求解第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态解解 例例10-110-1 一绕线转子异步电动机的技术数据为：试用工程计算法计算异步电动机的下列参数：第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态第五节第五节 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算 计算
22、的方法是按已知条件，利用机械特性（一般是实用表达式）计算的方法是按已知条件，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。等不同特点。例例10-210-2 某绕线转子异步电动机的铭某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：牌参数如下：（1）当负载转矩）当负载转矩 ，要求转速，要求转速 时，转子每相应串入多大的电时，转子每相应串入多大的电阻阻（图中（图中B点）？点）？绕线转子异步电绕线转子异步电动机的机械特性动机的机械特性第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态（2）从电动状态（图）
23、从电动状态（图1中中A点）点）时换接到反接制动状时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于态，如果要求开始的制动转矩等于 （图中（图中C点），则转子点），则转子每相应该串接多大电阻？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）如果该电动机带位能负载，负载转矩 ，要，要求稳定的下放转速求稳定的下放转速 r/min，求转子每相的串接，求转子每相的串接电阻值。电阻值。解解取取 （不合理）不合理）（1）第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态考虑异步机的机械特性为直线考虑异步机的机械特性为直线,对于固有特性对于固有特性 对于人为特性对于人为特性（2）第十章 三相异步电动机
24、的机械特性及各种运转状态取取 取取考虑机械特性为直线考虑机械特性为直线（3）第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态取取 （时时不能稳定运转）不能稳定运转）考虑机械特性为直线考虑机械特性为直线第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态绕线转子异步电绕线转子异步电动机能耗制动接动机能耗制动接线图及特性线图及特性例例10-绕线转子异步电动机的铭牌数据同例绕线转子异步电动机的铭牌数据同例10-2，设从额定点，设从额定点A换换接到能耗制动状态的运行点接到能耗制动状态的运行点E（见下图），如果要求制动转矩的开（见下图），如果要求制动转矩的开始值等于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制
25、动时始值等于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制动时的接线如图，定子通入大小为的接线如图，定子通入大小为 的直流电流，假如电动机的直流电流，假如电动机的空载电流的空载电流 。假定应考虑电动机磁路的饱和。假定应考虑电动机磁路的饱和。解解第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态查图查图10-21的曲线，当的曲线，当 时，时，第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态取取考虑能耗制动特性为直线考虑能耗制动特性为直线第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态取取 如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，则如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，则 第十章 三相异步电动机的机
26、械特性及各种运转状态 例例10-410-4 绕线转子异步电动机的技术数据同例绕线转子异步电动机的技术数据同例10-2。如果使用。如果使用能耗制动使电动机快速停车，要求保证最大制动转矩能耗制动使电动机快速停车，要求保证最大制动转矩 时，时，。接线如图所示。假定桥式整流后电压与。接线如图所示。假定桥式整流后电压与交流电压有效值之比为，整流电压经电容滤波后增高交流电压有效值之比为，整流电压经电容滤波后增高30%。试。试计算：计算：（1）直流励磁电路中的附加电阻）直流励磁电路中的附加电阻（2）异步机转子电路每相应串接的电阻）异步机转子电路每相应串接的电阻 解解 （1）查图查图10-21，当，当绕线转子异步电绕线转子异步电动机能耗制动接动机能耗制动接线图线图第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态（2）第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态本章小结1、三相异步电动机的机械特性的三种表达式2、三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性3、三相异步电动机各种运转状态4、三相异步电动机参数的有关计算5、三相异步电动机调速及制动电阻的计算