电机学第5章感应电机

1、第5章 感应电机李艳5.1 三相感应电机的结构和运行状态三相感应电机的结构和运行状态5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路三相感应电动机的电压方程和等效电路5.4 感应电动机的功率方程和转矩方程感应电动机的功率方程和转矩方程5.5 感应电动机参数的测定感应电动机参数的测定5.6 感应电动机的转矩感应电动机的转矩-转差率曲线转差率曲线5.7 感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性5.8 感应电动机的起动、调速和制动感应电动机的起动、调速和制动 5.15.1三相感应电机的结构和运行状态三相感应电机的结构和运行状态一、一、 三相感

2、应电机的基本结构三相感应电机的基本结构定子部分1.1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。导磁部分。2 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分。3 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。转子部分1 1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2 2、转子绕组：、转子绕组： 1 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组

3、。根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2 2）绕线式转子：转）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。到的最小值。气隙按转子结构分按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机继续继续鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图返回二、三相异步电动机的基本工作原理二、三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V21nn转动原理1 1

4、、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。1160 fnp0n规定：规定： i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。 三相对称交流绕

5、组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场。CiAXCZBYAiBiAiBiCimItAYCBZX()电流出电流出( )电流入电流入CiBiAii t600mIo60=t90=t分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场。 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360。0=tAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0n60SNSN转差率11nnsn 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时，;s,n10 电机理想空载时电机理想空载时，.s,nn01 作为电动机，转速在作为电动机

6、，转速在10n范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：速为：11n = (- s)n 额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.060.010.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接近同步速。近同步速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s s表示，表示，即：

7、即：三、三相感应电机的运行状态三、三相感应电机的运行状态1nn如果:1nn2=p180分）转 /( 50011=p360分）转 /( 0003极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速)Hz50=(1f3=p120分）转 /( 00014=p分分）转转 /( 75090 可见：旋转磁场转速 与频率f1和极对数p有关。异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机

8、快速外力使电机快速旋转旋转外力使电机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态10 n n0n n10 s1s0s四、三相感应电机的型号和额定值四、三相感应电机的型号和额定值一、型号例例: :额定值关系有：额定值关系有：3NNNNNPU I cos)VkV(UN或或额额定定电电压压额定运行状态时加在额定运行状态时加在定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压. .)kW(PN额额定定功功率率额定条件下转轴上额定条件下转轴上输出的机械功率。输出的机械功率。)A(IN额额定定电电流流在额定运行状态下流在额定运行状态下

9、流入定子绕组的线电流入定子绕组的线电流.min)/r(nN额额定定转转速速额定运行时电额定运行时电动机的转速动机的转速.NNf额额定定效效率率额额定定频频率率额额定定功功率率因因数数Ncos二、额定值二、额定值 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成地接成“Y”Y”形或形或“D”D”形。形。U1 V1 W1U1 V1 W1W2 U

10、2 V2W2 U2 V2D联结联结Y联结联结接线接线通常：ZXYBCACBZYXAZBYCAX异步电动机的接线方法Y3kW D D 4kW接线盒 例题例题1.720 /minrN某三相50Hz感应电动机的额定转速n。试求该机的额定转差率及极对数。 旋转磁场形成的条件？旋转磁场形成的条件？ 异步？异步？ 同步速度？速度？同步速度？速度？ 异步电机地运行原理？异步电机地运行原理？ 转差？转差率？转差？转差率？ 空间角度？空间电角度？空间角度？空间电角度？ 极对数？极对数？pfn11605.2 5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异

11、步电动机的为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心其路径为：定子铁心气隙气隙转子转子铁心铁心气隙气隙定子铁心。主磁通起定子铁心。主磁通起传递能量的作用。传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。压降作用。1 1 空载运行时的磁动势和磁场空载运行时的磁动势和磁场磁场异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流异

12、步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。.,:,0000arIII功功分分量量损损耗耗的的有有另另一一个个是是用用来来供供给给铁铁心心的的无无功功分分量量产产生生主主磁磁通通一一是是用用来来由由两两部部分分组组成成异异步步电电动动机机空空载载电电流流与与变变压压器器一一样样基基波波幅幅值值为为载载磁磁动动势势产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势为为空空三三相相空空载载电电流流,FI0001IpkNmFdp1100.92.IIIar000:即即.F，I，E，、,00022 于于是是乎乎为为零零转转子子之之间间相相对对速速度度几几定定接接近近同同步步速速转转子子转转速速很很高高空空载载运运行行时时.

13、II,I,IIrar00000 即即基基本本为为一一无无功功性性质质电电流流所所以以由由于于磁动势E1和E2分别滞后于定、转子磁链90度感应电动势与变压器一样与变压器一样, ,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势)(kNf4.44jE.1111mmmmmmwjXRIZI101XI jEmdp22124.44kNfjE221121dpdpekNkNEEk电压平衡方程与等效电路 与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：定子每相电压方程式：0111010110111IZEXI jRIERIEE

14、U 100mmmE = - I (R + jX)= - I Z 根据上两式，可以作出空载时根据上两式，可以作出空载时等效电路。等效电路。22EU五、电磁关系10RI1U ()三相系)(I三三相相系系统统0)(F三三相相合合成成01E011E02 E六、时空相矢量图异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。B11EF0I0 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：有差别的：1 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器

15、为脉动磁场场.4 4）由于存在气隙）由于存在气隙, ,异步电动机漏抗较变压器的大异步电动机漏抗较变压器的大. .;I ,E,I ,E)000022222 变变压压器器异异步步电电动动机机空空载载时时%.%,%I,)102302030的的仅仅为为而而变变压压器器为为异异步步电电动动机机由由于于存存在在气气隙隙5)5)异步电动机通常采用短距和分布绕组异步电动机通常采用短距和分布绕组, ,计算时需考虑绕组系计算时需考虑绕组系数数, ,变压器则为整距集中绕组变压器则为整距集中绕组, ,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1.1.2负载运行时的磁动势和磁场负载运行时的磁动势和磁场一转子静止时的磁动势一转子静

16、止时的磁动势 定子三相绕组通入对称三相电流。在气隙中产生定子三相绕组通入对称三相电流。在气隙中产生F F1 1， 转速转速n n1 1，并建立圆形基波旋转磁场，并建立圆形基波旋转磁场B Bm m，在定转子中分别，在定转子中分别产生感应电动势产生感应电动势E E1 1和和E E2 2。E E2 2对应转子绕组中的对应转子绕组中的I I2 2，并也产，并也产生圆形基波旋转磁动势生圆形基波旋转磁动势F F2 2。（1 1）大小：）大小：（2 2）因为转子静止，所以）因为转子静止，所以f f1 1=f=f2 2则则n n2 2=n=n（3 3）F F1 1和和F F2 2在空间上转向一致。在空间上转向

17、一致。2222220.9,.2wwN kmFIkp其中转子基波绕组系数111119 . 02IpkNmFw（4 4）由于）由于F F1 1和和F F2 2在空间上同步旋转。相对静止。可以得到合在空间上同步旋转。相对静止。可以得到合成磁动势即励磁磁动势（静止）成磁动势即励磁磁动势（静止） F F1 1+F+F2 2=Fm=Fm，由定子对称三相绕组，由定子对称三相绕组ImIm所生所生（5 5）F F2 2在空间上落后于在空间上落后于BmBm为（为（9090+2 2）F F2 2只决定于只决定于2 2转子回路的阻抗角，与转子的位置无关转子回路的阻抗角，与转子的位置无关转子静止时的空间矢量图转子静止时

18、的空间矢量图1110 .92wmmN kmFIp222a r c t a nxr二转子静止时的电磁关系二转子静止时的电磁关系11Ir11E22Ir22E)(1三相系统U)(I三三相相系系统统1)(I多多相相系系统统21F2FmFm1E2E222111122121111;44. 444. 4jXrZjXrZzIEkNfjEkNfjEmmmwmw负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系2三相异步电机转子旋转时的负载运行11IR11EsIR2222E)(1三相系统U)(I三三相相系系统统1)(I多多相相系系统统21F2FmFm1EsE2转子绕组各电磁量转子绕组各电磁量转子电动势的频率 感应电动势的频

19、率正比于导体与磁场的相对切割速度感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度, ,故转子电动势的频率为故转子电动势的频率为: :116060p nnnD11121160p(n - n)n - npnf = sfn转子不转时,.ff,s ,n1210 理想空载时,.f,s ,nn0021 二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势转子旋转时的感应电动势: :22224.44swmEf N k转子不转时的感应电动势转子不转时的感应电动势: :21224.44wmEf N k二者关系为二者关系为: :122seEES ESk22因为两者的频率不同sE= sE ,转子绕组的漏阻抗电抗与频率正比于

20、电抗与频率正比于, ,转子旋转时转子漏电抗转子旋转时转子漏电抗: :2s22122X2f L2f LSsX二者关系二者关系: :22sX= sX.转子绕组的漏阻抗转子绕组的漏阻抗: :22s22ss2jsXjXZrr四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组转子绕组为闭合绕组, ,转子电流为转子电流为222s22s2s2s22jsXEsjXEZIrrE转子不转时转子漏电抗转子不转时转子漏电抗: :212X2f L当转速降低时当转速降低时, ,转差率增大转差率增大, ,转子电流也增大转子电流也增大. .五、转子绕组的功率因数2rrrr2222222222cos=+ X+ (sX) 转子功率因数与转差率

21、有关转子功率因数与转差率有关, ,当转差率增大时当转差率增大时, ,转子功率因转子功率因数则减小。数则减小。六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势. .22222902IpkN.mFw 1)1)幅值幅值2)2)转向转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同, ,转子旋转磁转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致动势的方向与转子电流相序一致. .1nnn)(nnn12转子旋转磁动势相对定子的速度为转子旋转磁动势相对定子的速度为 可见可见, ,无论转子转速怎样变化无论转子转速怎样变化,

22、 ,定、转子磁动势总是以同速、定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。磁动势平衡方程磁动势平衡方程 转子静止和转子旋转时磁场比较转子静止和转子旋转时磁场比较转子静止时：转子静止时：对于定子而言对于定子而言 I1(f1) F1I1(f1) F1（n1n1） F2F2（n1n1） I2(f1)I2(f1)转子旋转时转子旋转时：对于转子(n=(1-s)n1)而言 I1(f1) F1(n1) F2(n2=sn1) I2(f2=sf1)F2相对于定子来说n2s=sn1+n=n11nn D11snnnnD磁动势的平衡方程为：磁动

23、势的平衡方程为：msFFF21msIkII21相量图 按照基本方程和等效电路可以按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。作出异步电动机的相量图。，、。UI,后后的的因因数数总总是是滞滞所所以以异异步步电电动动机机的的功功率率率率定定的的感感性性无无功功功功电电机机需需要要从从电电源源吸吸收收一一转转子子的的漏漏磁磁通通气气隙隙中中的的主主磁磁通通和和定定这这是是因因为为要要建建立立和和维维持持于于电电源源电电压压总总是是滞滞后后定定子子电电流流从从相相量量图图可可见见11。，I，I，s，n，械械的的转转换换实实现现由由电电能能到到机机吸吸取取更更多多的的电电功功率率电电动动机机从从电

24、电源源随随之之增增加加增增加加使使增增大大转转差差率率下下降降转转速速增增加加时时当当电电动动机机机机械械负负载载还还可可见见看看出出12 电动势平衡方程电动势平衡方程根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：111111111U = - E + I R + jI X = - E + I Zr22s22s2s2sssE= I Z= I (jX):kEE:e之之比比称称为为电电动动势势比比与与转转子子不不转转时时电电动动势势其其中中21221121wwekNkNEEk5.3三相感应电动机的电压方程和等效电路 频率折算频率折算就是用一个

25、等效的转子电路代替实际旋转的转子系就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统统, ,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。( (静止转子静止转子) )一、频率折算 在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。转子回路电流转子回路电流rrrr212s2s2222s2s22222EEsEEI =- sZ+ jX+ jsX+ jX+s.,1,22不不变变同同时时保保持持转转子子磁磁动动势势为为定

26、定子子频频率率就就可可以以将将转转子子频频率率折折算算电电阻阻在在转转子子回回路路中中串串联联一一个个用用一一个个不不转转的的转转子子并并且且可可见见FRss 等效静止转子代替转速为n转子条件：F2和F2S完全相同。大小、转向、转速及空间相位相同1.转速n1,转向也相同2. F2=F2S 只要I2=I2S3. F2和F2S 相位相同，只要2= 2S222222222222222222222222222sssEErrsXXssXXrrsrrrrErXsXrs2s21-s静止转子中串入附加电阻,s1-s1+可得ss实际转子I()()arctan()arctan()I()arctan()22222s

27、22s22I)jsX(EsI)jX(ErrU2Rss1 实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻了一个附加电阻 。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。总的机械功率。21Rss 从等效电路角度，可以把从等效电路角度，可以把 看成是异步电动机的看成是异步电动机的”电阻负载电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压，

28、其上的压降可以看成是转子回路的端电压:二、绕组折算。k、Nmk、Nmww同同本本相相折折算算的的方方法法与与变变压压器器基基组组的的实实际际转转子子绕绕及及取取代代等等效效转转子子及及绕绕组组相相同同的的定定子子绕绕组组折折算算就就是是用用一一个个和和222111122EEkEe i22kII 2222222222222,arctan(/)ieieiessrk k rXk k XZrjXk k ZrXsF折算前后的空间相位不变2211e222111iwwwwkNkNKkNmkNmK电压比电压比电流比电流比绕组折算后的基本方程111111XI jRIEU 222222XI jRIEU 12mII

29、I12EE 12111()4.44mmmwmEERjXIjf N k 2221RssIU 二、T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路由基本方程可以作出等效电路: :T T型等效电路型等效电路简化等效电路简化等效电路从等效电路分析可知从等效电路分析可知: :;,I ,Rss,s ,nn,)电电机机相相当当于于开开路路总总机机械械功功率率近近似似为为零零理理想想空空载载时时0102220 ;,Rss,s ,n,)短短路路状状态态电电机机处处于于总总机机械械功功率率为为零零电电机机不不转转时时011012 3)3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；三相异步电动机的功率因数永远滞后；4)

30、4)附加电阻不能用电感或电容来代替。附加电阻不能用电感或电容来代替。5)5)在等效电路中负载的变化是用转差率在等效电路中负载的变化是用转差率s s来体现的来体现的1.功率方程、电磁功率和转换功率输入功率输入功率11111cosIUmP 电磁功率电磁功率定子铜损定子铜损12111RImpcu转子铜损转子铜损22 2122222RImRImpcu5.4 5.4 感应电动机功率方程和转矩方程感应电动机功率方程和转矩方程在等效电路上表示功率和损耗在等效电路上表示功率和损耗：1R1X2R2X21Rss1U1I0I2ImRmX1cupFep2cup1PPeP 走势图P1PePP2pCu1PFepCu2pp

31、21PPp 效率效率21111100%100%(1)100%PPppPPP 两个重要关系式两个重要关系式 从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。差率均很小。n n1 1和和P PM M不变，不变，n n减少减少S S变大。刚输出功率变小而铜变大。刚输出功率变小而铜损（滑差功率损（滑差功率SPSPM M）增大，效率降低

32、）增大，效率降低。二、转矩平衡 电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。角速度。2222222e12111222211122221coscos21T 2,2,cosICIkNpmpfINkmNkmIkNfEIEmPmTmwswwmwe得得结论：电磁转矩与气隙主磁通和转子电流的有功分量成结论：电磁转矩与气隙主磁通和转子电流的有功分量成正比，增加转子电流的有功分量，可使转矩增大。正比，增加转子电流的有功分量，可使转矩增大。 一台三相

33、一台三相50Hz50Hz异步电动机，额定参数如异步电动机，额定参数如100kW,950r/min,100kW,950r/min,额定运行时机械损耗额定运行时机械损耗1kW1kW，略，略去附加损耗，求去附加损耗，求：（1 1）电动机的额定转差率，电磁功率，转子铜）电动机的额定转差率，电磁功率，转子铜耗；耗；（2 2）电动机额定运行时的电磁转矩，输出转矩）电动机额定运行时的电磁转矩，输出转矩和空载转矩和空载转矩 空载实验(空载电路s=0)方法：空载运行一段。UN从1.3UN降到0.2UN5.5 5.5 感应电动机参数的测定感应电动机参数的测定I0p0u1pFepu12p0201 0 1FePm I

34、 rpp110022010000020001210;NFemmUUIPPUZrXZrIIprXXXm I当时 测 得和 短路实验(堵转实验s=1) 目的： 方法：转子堵住，将定子外施三相低电压（0.4UN）。IN从1.2IN降到0.3IN2222112;kNknknknknkkkkkNknknk kCuCuIIUPUPZrXZrIIPmI rpp当时测得和ukpkIk5.6 5.6 感应电动机的机械特性（感应电动机的机械特性（Te-sTe-s）一、物理表达式三相异步电动机机械特性的三种表达式二、参数表达式 三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩三相异步电动机的机械特性是指电动机的转

35、速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用所以异步电动机的机械特性通常用 表示。表示。)(sfTem12211112emmmmwTCI cos;C( pm N k)/ 表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与转子电流的与转子电流的有功分量有功分量 相互作用产生的。相互作用产生的。m22cosI221122211122emRm pUsTRf(R)( XX)s 说明：电磁转矩与电源参数（说明：电磁转矩与电源参数（1 1、f f1 1）、结构参数（）

36、、结构参数（R R、X X、m m、p p）和运行参数（）和运行参数（s s）有关。）有关。 感应电动机的机械特性曲线感应电动机的机械特性曲线()emnf T当电源电压和频率及电机参数一定的条件下，T只与S有关，即T和n关系为感应电动机的机械特性。在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令转差率，可令 求得求得: : 0 dsdTem=1.6-2.2mTNTT 222212112mRRsXXR( XX) 221111221121111244mm pUm pUTf ( XX)fRR( XX) 最大转矩与额定转矩之比

37、称为过载能力最大转矩与额定转矩之比称为过载能力: :2 2、 越大，越大， 越大；越大； 与与 无关。无关。2R2RmsmT1 1、 与与 成正比；成正比； 与与 无关。无关。mT21UmS1U3 3、 和和 都近似与漏抗成反比都近似与漏抗成反比mTms在特性曲线上还有一个起动转矩，即在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩时的转矩: : ) 1( 0sn211222112122Qm pU RTf( RR )( XX) 结论：当其它参数一定时结论：当其它参数一定时1 1、起动转矩与电源电压平方成正比；、起动转矩与电源电压平方成正比；2 2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；、频

38、率越高，起动转矩越小；漏抗越大，起动转矩越小；3 3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。1QstNTKT 4 4、起动转矩倍数、起动转矩倍数三、实用表达式2memmmTTssss 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：求出实用表达式。方法是：9550NNNPTn mTNTT 11NNnnsn 21mNTTss () 将将T Tm m和和s sm m代入即可得到机械特性方程式代入即可得到机械特性方程式。利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用

39、表达式利用电磁转矩除以最大电磁转矩可得电磁转矩的实用表达式： 四、直线表达式 当 时，机械特性为直线段。则当S=SN，T=TN注意：1.运行点必须工作在直线段 2.直线表达式中的2mmT( T )/ S S 2mMNSS 2mMNSS mSS SSSSmmmSS 一、固有机械特性固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。sn0nNsNnmsm10TNTQTmTem几个特殊点：几个特殊点：A AB BC CD1.起动点A:01emQn,s,TT 2

40、.最大转矩点B:mmemmnn ,ss ,TT 3.额定运行点CNNemNnn ,ss ,TT 4.同步运行点D100emnn ,s,T 二、人为机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。械特性。1. 1. 降压时的人为机械特性降压时的人为机械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm 下降后下降后, 和和 均下降均下降, 但但 不变不变, 和和 减少。减少。1UmTstTmsMKM 如果电机在定额负载下运如果电机在定额负载下运行行, 下降后下降后, 下降下降, 增大增大,

41、 转子电流因转子电流因 增大而增增大而增大大,导致电机过载。长期欠压导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减过载运行将使电机过热，减少使用寿命。少使用寿命。1Uns22sEsE 2112mmmmmTTSSSSUTT()U 降压的人为机械特性的实用表达式降压的人为机械特性的实用表达式降压的人为机械特性的直线表达式降压的人为机械特性的直线表达式2112mmmmTTSSUTT()U2. 2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后串电阻后, , 、 不变，不变， 增大。增大。mTms在一定范围内增加电阻，可以在一定范围内增加电阻，可以增加增加 。当。当 时

42、时 ，若，若再增加电阻，再增加电阻， 减小。减小。stT1ms stmTT stT 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 除了上述特性外，还有除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人改变电源频率、极对数等人为机械特性。为机械特性。1 0TstTmTems n0n1smR2TstsmR2+Rs2222221mmmmmTTSSSSSrRrRRSrrr 转子串电阻时人为机械特性的实用表达式转子串电阻时人为机械特性的实用表达式转子串电阻时人为机械特性的直线表达式转子串电阻时人为机械特性的直线表达式2222221mmmmTTSSSrRrRRSrrr

43、3. 3. 定转子回路串对称三相电抗人为机械特性定转子回路串对称三相电抗人为机械特性笼形感应电动机，可以在定子回路中串入对称的三相电抗；笼形感应电动机，可以在定子回路中串入对称的三相电抗；绕线式感应电动机可以在转子回路中串入对称的三相对抗绕线式感应电动机可以在转子回路中串入对称的三相对抗n1n1不变；不变；Tm,Sm.TTm,Sm.TQ Q减小。减小。11150380146021755NQZ例某三相四极50Hz绕线式感应电动机.P试求该机的固有机械特性表达式;(2)该机的固有的起动转矩T(3)当负载为恒转矩负载且T时的转速NNM:kW ,UV ,nr / min,.:( ); Nm . 298

44、07502zN例某三相六极50Hz感应电动机.转子每相电阻r =0.06,为使恒转矩负载T =T 时的转速率降为试问应:应在转子回路中每相串入多大电阻(R)?N:n r / min,n r / min, 5.75.7感应电动机的工作特性感应电动机的工作特性一、转速特性).P(fnffUU:NN2 时时和和在在定定义义二、转矩特性).P(fTffUU:NN22 时时和和在在定定义义T2正比于P2，T0可视为不变P2=0，空载时，n=n1,S=0;P2增加时T2和T也随之增加。故转子对气隙磁场的相对切割速度Sn1也增大，S增大,n下降，S很小。n下降不大工作特性的曲线如工作特性的曲线如图所示：图所

45、示：0222,TTTPT空载时I=IM，基本无功分量，所以功率因数很低，当负载增加时定子电流的有功分量增加所以功率因数也增加，额定负载时功率因数最大空载I1=Im,P2随s增大，I2增大I1L也增大，I1随P2增而增大三、定子电流特性四、定子功率因数特性).P(fcosffUU:NN21 时时和和在在定定义义五、效率特性).P(fffUU:NN2 时时和和在在定定义义).P(fIffUU:NN21 时时和和在在定定义义)()(212212CuCuFepppppPPPPD? 效率特性中。当不变损耗和可变损耗相等时，即在额定负载时效率最大，若负载继续增加，可变损耗也随着电流的增加而成平方地增加，效

46、率降低。1:7.5,380 ,50,962 /min,cos0.827,.:470,234,45,80.:(1);(2)nNNCuFePkWUnVfnHz nrpWpWpWpWDD例 某三相感应电动机的额定数据如下定子绕组 接法已知额定运行时各项损耗如下试求额定运行时的转子电流频率效率;(3)额定电流;(4)电磁转矩1 1 感应电动机的起动感应电动机的起动 起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程过程. .对电动机的起动性能要求二：起动电流不大对电动机的起动性能要求二：起动电流不大, ,起动转矩大。起动转矩大。1. 1.起动电

47、流大的原因起动电流大的原因 起动时起动时, , ,转子感应电动势大转子感应电动势大, ,使转子电流大使转子电流大, ,根据磁根据磁动势平衡关系动势平衡关系, ,定子电流必然增大定子电流必然增大. .1, 0sn2. 2.起动转矩不大的原因起动转矩不大的原因从下述公式分析从下述公式分析022stemTTTCI cos 起动时起动时, , ,远大于运行时的远大于运行时的 , ,转子漏抗转子漏抗 很大很大, , 很低很低, ,尽管尽管 很大很大, ,但但 并不大并不大. .1ss22sXXs2cos2I22cosI 由于起动电流大由于起动电流大, ,定子漏阻抗压降大定子漏阻抗压降大, ,使定子感应电

48、动势减小使定子感应电动势减小, ,对应的气隙磁通减小对应的气隙磁通减小. .由上述两个原因使得起动转矩不大由上述两个原因使得起动转矩不大. .5.8 5.8 感应电动机的起动、调速和制动感应电动机的起动、调速和制动 1 1 三相笼型异步电动机的起动三相笼型异步电动机的起动一、直接起动 对于对于7.5kW7.5kW7.5kW电动机可以直接起动的条件：电动机可以直接起动的条件： ,S,SH H电源总容量电源总容量,P,P电动机额定功率电动机额定功率?NHIPSk443二、降压起动13stYstTTD 适用于正常运行时定子绕组为三角形接线适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。的电动机。起动时

49、起动时 Y Y接；运行时接；运行时接。接。起动电流关系:Y- Y- 降压起动多用于空载或轻载起动降压起动多用于空载或轻载起动1.Y-1.Y- 降压起动降压起动13stYstIID 起动转矩关系:三角形起动Y接起动时两种情况下线电流之比为：转矩之比为：DDDIIZUIck3;1?kYcYZUII3131DcYcII3132D）UU（MMY?2.2.自耦变压器降压起动自耦变压器降压起动NstSUIZ 直接起动时的起动电流：直接起动时的起动电流：11NstSsUUIZkZ 降压后二次侧起动电流：降压后二次侧起动电流：1211NststsUIIkk Z 变压器一次侧电流：变压器一次侧电流：21stst

50、IIk 电网提供的起动电流减小倍数：电网提供的起动电流减小倍数：21ststTTk 起动转矩减小的倍数：起动转矩减小的倍数：自耦变压器一般有三个分接头可供选用。自耦变压器一般有三个分接头可供选用。1.直接起动优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，须足够大的电源；适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。2.降压起动 如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。 。三相绕线型异

51、步电动机的起动一、转子回路串电阻起动 在转子回路中串联适当的电阻在转子回路中串联适当的电阻, ,既能既能限制起动电流，又能增大起动转矩。适限制起动电流，又能增大起动转矩。适用于重载下起动或频繁起制动的生产机用于重载下起动或频繁起制动的生产机械械. . 为了有较大的起动转矩、使起动为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。切除起动电阻。 电动机由电动机由a a点点开始起动，经开始起动，经bcdebcdef ghf gh，完，完成起动过程。成起动过程。起动过程起动过程二、

52、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。 起动时，起动时，S2S2断开，转子串入频敏断开，转子串入频敏变阻器变阻器,S1,S1闭合，电机通电开始起动。闭合，电机通电开始起动。起动时起动时, , ,频敏变阻器铁损大频敏变阻器铁损大, ,反反映铁损耗的等效电阻映铁损耗的等效电阻 大大, ,相当于转相当于转子回路串入一个较大电阻。随着子回路串入一个较大电阻。随着 上升上升, , 减小减小, ,铁损减少铁损减少, ,等效电阻等效电阻 减小减小, ,相当于逐渐切除相当于逐渐切除 , ,起动结起动结束束,S2,S2闭合，切除频敏变阻器，转子闭合，切除频敏

53、变阻器，转子电路直接短路。电路直接短路。 21ff n2fmRmR2三相异步电动机的制动能耗制动实现实现：制动时，：制动时，S1S1断开断开, ,电机脱离电网，电机脱离电网，同时同时S2S2闭合闭合, ,在定子绕组中通入直流励磁在定子绕组中通入直流励磁电流。电流。 直流励磁电流产生一个恒定的磁场，直流励磁电流产生一个恒定的磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，因惯性继续旋转的转子切割恒定磁场，导体中感应电动势和电流。感应电流与导体中感应电动势和电流。感应电流与磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，磁场作用产生的电磁转矩为制动性质，转速迅速下降，当转速为零时，感应电转速迅速下降，当转速为零时，感应

54、电动势和电流为零，制动过程结束。动势和电流为零，制动过程结束。 制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻制动过程中，转子的动能转变为电能消耗在转子回路电阻上上能耗制动。能耗制动。nTemA0n1C1B23 对笼型异步电动机对笼型异步电动机, ,可以可以增大直流励磁电流来增大初始增大直流励磁电流来增大初始制动转矩制动转矩 。 对绕线型异步电动机对绕线型异步电动机, ,可可以增大转子回路电阻来增大以增大转子回路电阻来增大初始制动转矩初始制动转矩 。. 101s，n所以能耗制动时由于制动电阻大小：制动电阻大小：2220 20 43NBNER( . . )RI 一、电源两相反接的反接制动反接

55、制动反接制动实现实现：将电动机电源两相反接可实现反接制动。：将电动机电源两相反接可实现反接制动。.,11sn想空载转速变为理改变由于定子旋转磁场方向机械特性由曲线机械特性由曲线1 1变为曲线变为曲线2 2，工作点由，工作点由AB CAB C，n=0,n=0,制动过程结束。制动过程结束。绕线式电动机绕线式电动机在定子两反在定子两反接同时接同时, ,可在转子回路串联可在转子回路串联制动电阻来限制制动电流制动电阻来限制制动电流和增大制动转矩和增大制动转矩 , ,曲线曲线3 3。二、倒拉反转的反接制动条件条件: 适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。适用于绕线式异步电动机带位能性负载情况。实现实现：

56、在转子回路串联适当大电阻：在转子回路串联适当大电阻R RB B。电机工作点由电机工作点由AB AB CC，n=0n=0，制动过程，制动过程开始，电机反转子，开始，电机反转子，直到直到D D点。在第四象点。在第四象限才是制动状态。限才是制动状态。由于电机反向旋转，由于电机反向旋转，n0n1s1。反接制动时，反接制动时，s1s1，所以有，所以有机械功率为机械功率为212210MECsPm IRs 电磁功率为电磁功率为22120emRPm Is 机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为机械功率为负，说明电机从轴上输入机械功率；电磁功率为正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。

57、正说明电机从电源输入电功率，并轴定子向转子传递功率。而而2222122121221MECemRsPPm IRm Im I Rss 表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给表明，轴上输入的机械功率转变成电功率后，连同定子传递给转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能转子的电磁功率一起消耗在转子回路电阻上，所反接制动的能量损耗较大。量损耗较大。回馈制动实现实现：电动机转子在外力作用下，使：电动机转子在外力作用下，使nnnn1 1. . 回馈制动状态实际上就是将轴上的机回馈制动状态实际上就是将轴上的机械能转变成电能并回馈到电网的异步发电械能转变成电能并回馈到电网的异步发电

58、机状态。机状态。一、下放重物时的回馈制动 首先将定子两相反接首先将定子两相反接, ,定子旋转磁场定子旋转磁场的同步速为的同步速为-n-n1 1，特性曲线变为特性曲线变为2 2。工作。工作点由点由A A到到B B。经过反接制动过程（由。经过反接制动过程（由B B到到C C）、反向加速过程（）、反向加速过程（C C到到-n-n1 1变化），变化），最后在位能负载作用下反向加速并超过最后在位能负载作用下反向加速并超过同步速，直到同步速，直到D D点保持稳定运行。点保持稳定运行。电机机械特性曲线电机机械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。二、变极或变频调速过程中的回馈制动电机机械特性曲线电机机

59、械特性曲线1 1，运行于，运行于A A点。点。电机工作点由电机工作点由A A变到变到B B，电磁转矩，电磁转矩为负，为负， ，电机处于回馈制，电机处于回馈制动状态。动状态。1Bnn 当电机采用变极（增加极数）或变当电机采用变极（增加极数）或变频（降低频率）进行调速时，机械频（降低频率）进行调速时，机械特性变为特性变为2 2。同步速变为。同步速变为 。1n3三相异步电动机的调速由异步电动机的转速公式由异步电动机的转速公式116011fnn (s)(s)p 可知，异步电动机有下列三种基本可知，异步电动机有下列三种基本调速方法调速方法：（1 1）改变定子极对数）改变定子极对数 调速。调速。p（2 2

60、）改变电源频率）改变电源频率 调速。调速。1f（3 3）改变转差率）改变转差率 调速。调速。s变极调速一、变极原理变极调速只用于笼型电动机。变极调速只用于笼型电动机。 以以4 4极变极变2 2极为例：极为例：U U相两个线圈，相两个线圈，顺向串联顺向串联，定子绕组产生定子绕组产生4 4极磁场：极磁场：反向串联反向串联和和反向并联反向并联，定子绕组，定子绕组产生产生2 2极磁场：极磁场：二、三种常用变极接线方式Y反并反并YY，2p-pY反串反串Y，2p-pYY，2p-p注意注意：当改变当改变定子绕定子绕组接线组接线时，必时，必须同时须同时改变定改变定子绕组子绕组的相序的相序三、变极调速时容许输出