第23讲三相异步电动机的机械特性

1、第第23讲讲 三相异步电动机的机三相异步电动机的机械特性械特性 一、机械特性表达式一、机械特性表达式 二、固有机械特性二、固有机械特性 三、人为机械特性三、人为机械特性 三相异步电动机的三相异步电动机的机械特性机械特性是指在电动机定子电压、频率是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数固定的条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转以及绕组参数固定的条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转矩与转差率的关系，即矩与转差率的关系，即n=(T)或或T=(s)。 机械特性可用函数表示，也可用曲线表示。用函数表示时，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：有三种表达式：物理表达式、参数表达式

2、和实用表达式。物理表达式、参数表达式和实用表达式。（一）（一） 机械特性的物理表达式机械特性的物理表达式 三相异步电动机机械特性的物理表达式就是上一节推出三相异步电动机机械特性的物理表达式就是上一节推出的电磁转矩的物理表达式：的电磁转矩的物理表达式：2221122211111 22223323222606060322dp2M2dp2Tj1()coscoscosRIf N kPE IsTnnnpN kICI 说明：说明： 为异步电动机的转矩系数；为异步电动机的转矩系数； 232dp2TjpN kC22222211332260pRRIIssTnf（二）（二） 机械特性的参数表达式机械特性的参数表达

3、式 利用简化等效电路计算转子电流：利用简化等效电路计算转子电流：12222211(+) +(+)UIRXRXss 代入上面公式就可以得到参数表达式：代入上面公式就可以得到参数表达式：固定电压、频率以及阻抗等参数，得到固定电压、频率以及阻抗等参数，得到T=f(s)曲线也成为曲线也成为T-S曲线。曲线。212221123212/(/ )()U RspTfRRsXX 三相异步电动机的固有机械特性，指的是电动机工作在额三相异步电动机的固有机械特性，指的是电动机工作在额定状态下时的定状态下时的机械特性曲线机械特性曲线T=f(s)。所谓额定状况是指。所谓额定状况是指U1=UN1，f1=fN1，定子绕组按规

4、定方式连接，不经任何阻抗，转子电路，定子绕组按规定方式连接，不经任何阻抗，转子电路也不接任何阻抗而直接短接，因此固有也不接任何阻抗而直接短接，因此固有机械特性的参数表达式为：机械特性的参数表达式为：根据上式画出异步电动机固有机械特性根据上式画出异步电动机固有机械特性曲线如图。曲线如图。212221123212/(/ )()U RspTfRRsXX三相异步电动机的固有机械特性的特点：三相异步电动机的固有机械特性的特点：（1）在）在 ，即，即 范围内，特性在第范围内，特性在第一象限，电磁转矩和转速为正且同方向，电动机一象限，电磁转矩和转速为正且同方向，电动机工作在电动状态；工作在电动状态；（2）在

5、）在sn1，特性在第二象限，特性在第二象限，电磁转矩为负，电磁功率为负，电动机处于电磁转矩为负，电磁功率为负，电动机处于发电状态。发电状态。（3）在）在s1范围内，范围内，n0，特性在第四象限，特性在第四象限也是一种制动状态。也是一种制动状态。对机械特性工作点分析：对机械特性工作点分析：1、同步转速点、同步转速点A此点即为理想空载状态下的转速此点即为理想空载状态下的转速01s10nn 即同步转速即同步转速n1。其特点。其特点n=n1(s=0)电磁转矩电磁转矩T=0，转子电流，转子电流I2=0,定子电流定子电流I1=I0。 2、最大转矩点、最大转矩点C 此点对应异步电动机的最大转此点对应异步电动

6、机的最大转矩矩Tm以及临界转差率以及临界转差率sm。对转矩方。对转矩方程求导即可得临界转差率为：程求导即可得临界转差率为：代入电磁转矩方程可得最大转矩代入电磁转矩方程可得最大转矩Tm：2m22112()RsRXX 21m221111234() pUTfRRXX 若忽略定子电阻若忽略定子电阻R1，则得：，则得：2m1221m11234()RsXXpUTf XX 说明：上式取正号适用于电动机状态说明：上式取正号适用于电动机状态，对应图中的，对应图中的C点，取负号适用于发点，取负号适用于发电机状态。机械特性具有对成性。电机状态。机械特性具有对成性。由图可知：由图可知：（1）异步电动机的临界转差率异步

7、电动机的临界转差率sm仅与电机结构有关，与电源电压和仅与电机结构有关，与电源电压和频率无关。但与转子回路的电阻频率无关。但与转子回路的电阻有关，因此改变转子回路电阻，即有关，因此改变转子回路电阻，即可改变产生最大转矩时的临界转差率。可改变产生最大转矩时的临界转差率。（2）异步电动机的最大转矩异步电动机的最大转矩Tm与电源电压与电源电压 成正比，与转子电成正比，与转子电阻无关。阻无关。2R21U2m1221m11234()RsXXp UTfXX 由上式可得：由上式可得：（3）过载倍数）过载倍数 ：为了保证异步电：为了保证异步电动机不会因短时过载而停转，要求动机不会因短时过载而停转，要求电机有一定

8、的过载能力。过载能力电机有一定的过载能力。过载能力KT用最大转矩用最大转矩Tm与额定转矩与额定转矩TN之比表示，即：之比表示，即： 3、启动点、启动点D特点：特点：n=0，s=1，T=Ts，Ts为启动转矩，为启动转矩，将将s=1代入电磁转矩公式可得代入电磁转矩公式可得启动转矩或堵转转矩启动转矩或堵转转矩为：为：mNTT 2122211232s12U RTfRRXX 由上式可知：由上式可知：（1）当电源频率和电机参数固定时启动转矩与电源电压的平方）当电源频率和电机参数固定时启动转矩与电源电压的平方成正比。当电源电压较低时，成正比。当电源电压较低时，启动启动转矩明显减小。转矩明显减小。（2）启动启

9、动转矩与转子电阻有关。在一定范围内增加转子电阻可转矩与转子电阻有关。在一定范围内增加转子电阻可增大增大启动启动转矩，当转矩，当 时，时，启动启动转矩转矩Ts最大为最大为Tm。212RXX启动启动转矩转矩Ts的大小常用的大小常用起动（堵转）转矩倍数起动（堵转）转矩倍数KT来表示，有：来表示，有： 电机启动时，电机启动时，Ts大于大于1.11.2倍的负载转矩就可顺利启动。倍的负载转矩就可顺利启动。一般异步电动机堵转转矩倍数一般异步电动机堵转转矩倍数KT=0.81.2。sTNTKT 4、额定工作点、额定工作点B 异步电动机工作在额定电时，异步电动机工作在额定电时，n=n1，T=TN，I1=IN1。

10、5、稳定运行区域、稳定运行区域异步电动机的机械特性可分为两个区域。异步电动机的机械特性可分为两个区域。（1）转差率转差率0sm区域区域。在此区域内。在此区域内T近似与近似与s成正比关系，成正比关系，s增大，增大，T也增大。只要负载转矩小于电动机的也增大。只要负载转矩小于电动机的最大转矩，电动机就可稳定运行。如恒转矩负载和泵类负载。最大转矩，电动机就可稳定运行。如恒转矩负载和泵类负载。（2）转差率转差率sm1区域区域。在此区域内机械特性上翘且。在此区域内机械特性上翘且T近似与近似与s成成反比关系，反比关系，s增大，增大，T也减小。该区域为不稳定区域。对泵类负载也减小。该区域为不稳定区域。对泵类负

11、载可以稳定运行，但对恒转矩负载不能。可以稳定运行，但对恒转矩负载不能。 由电磁转矩和最大电磁转矩，得到：由电磁转矩和最大电磁转矩，得到：22211122221122m() ()() R RRXXTRTs RXXs212221123212/(/ )()U RspTfRRsXX由最大转差率公式得：由最大转差率公式得：由电磁转矩公式和最大转矩公式化简得：由电磁转矩公式和最大转矩公式化简得：222112mRR( XX )s 2121222122122222 1222mmmmmmmmm()()()()RRRRssRTqsRsssTs RRsqR RssRssss 式中式中 ，其中，其中sm在在0.10.

12、2范围内。上式中，显然范围内。上式中，显然在任何在任何s值时，都有：值时，都有：而而 ，可忽略，由电磁转矩公式和最大转矩公式化简得：，可忽略，由电磁转矩公式和最大转矩公式化简得：此公式即为三相异步电动机的机械特性的实用公式。此公式即为三相异步电动机的机械特性的实用公式。1222mmRqsSR2mmssss2mmmTssTss2q 或改写为：或改写为：又因为：又因为： 及及 ，当，当s=sN，T=TN，代入上式公式化简得：，代入上式公式化简得：如果知道人为机械特性的运行点，可将任意如果知道人为机械特性的运行点，可将任意T和和s代入上式公式化简得：代入上式公式化简得：从而得最大转差率为：从而得最大

13、转差率为：2mmmTTssss 21mNss mNTT9550NNNPTn22NmmmNNmmTTTssssTTTssss221m()NNTTssTT 当异步电动机的负载在额定转矩范围内，额定转差率很小，当异步电动机的负载在额定转矩范围内，额定转差率很小，当负载转矩小于额定转矩时，当负载转矩小于额定转矩时， ，从而使，从而使 机机械特性的实用表达式变为简化实用表达式：械特性的实用表达式变为简化实用表达式：但必须注意的是上式中的但必须注意的是上式中的sm的计算应采用：的计算应采用：mmmssssss2mNsS 2mmTTssmmssss 人为地改变电源电压人为地改变电源电压U1、电源频率、电源频

14、率f1、定子极对数、定子极对数p、定、定、转子电路中的阻抗转子电路中的阻抗R1、 、 、 这些参数中六个或几个时，这些参数中六个或几个时，三相异步电动机的机械特性就是人为机械特性。三相异步电动机的机械特性就是人为机械特性。2R1X2X （一）降低定子电压（一）降低定子电压U1时的人为机械特性时的人为机械特性 当其它条件不变，仅降低定子相电压所得到的人为机械特性，当其它条件不变，仅降低定子相电压所得到的人为机械特性，称为降低定子电压的人为机械特性。由转矩参数表达式可知：称为降低定子电压的人为机械特性。由转矩参数表达式可知：212221123212/(/ )()U RspTfRRsXX（1）理想空

15、载转速）理想空载转速 保持不变，即不同电压时认为机械特性保持不变，即不同电压时认为机械特性 都通过理想空载点。都通过理想空载点。（2）电磁转矩）电磁转矩T与电压平方成正比。降低电压后对应最大转矩与电压平方成正比。降低电压后对应最大转矩 的电磁转矩将按的电磁转矩将按 成正比下降，而最大转差率成正比下降，而最大转差率sm与电压无关与电压无关 保持不变，曲线如图。保持不变，曲线如图。1160fnp21U（3）电机的启动转矩）电机的启动转矩Ts也与电压也与电压 平方平方成正比，按电压平方成正比减小。成正比，按电压平方成正比减小。 从图中还可以看出：从图中还可以看出： 当定子电压降低后，异步电动机的当定

16、子电压降低后，异步电动机的最大转矩最大转矩Tm急剧减小，若负载转矩保持急剧减小，若负载转矩保持不变，电动机不能长期运行，否则会烧不变，电动机不能长期运行，否则会烧坏电动机。坏电动机。21U分析如下：分析如下： 电源电压电源电压U1降低时，电动机转速降低时，电动机转速不变，机械特性发生变化，电动机的不变，机械特性发生变化，电动机的电流电流I1、 将下降，电动机减速运行，将下降，电动机减速运行，转差率转差率s增大，转子电流也随增大，转子电流也随sE2增大增大而上升，在而上升，在T=TL以前，电动机继续减以前，电动机继续减速，直到速，直到T=TL（s=sx)，达到新的平衡。，达到新的平衡。2 I 最

17、终使定子电流最终使定子电流I1上升，大于额定电流，电动机的温度升上升，大于额定电流，电动机的温度升高，长期运行时电动机超过额定温度；如果电源电压下降过高，长期运行时电动机超过额定温度；如果电源电压下降过多，或负载转矩过大，都可能使多，或负载转矩过大，都可能使TTL，拖动系统停止运行，拖动系统停止运行，电动机出现堵转现象，如不立即切断电源，将烧毁电动机。电动机出现堵转现象，如不立即切断电源，将烧毁电动机。（二）定子回路串接三相对称电阻（二）定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性的人为机械特性 在其他条件不变的情况下，在其他条件不变的情况下，仅改变定子回路电阻，同步转速仅改变定子回路电阻，同步转速

18、n1不变，不变，但根据电磁转矩和转差率公但根据电磁转矩和转差率公式可知，最大电磁转矩式可知，最大电磁转矩Tm、堵转、堵转转矩转矩Ts以及临界转差率以及临界转差率sm随着随着定子定子回路电阻增大而减小。人为机械特回路电阻增大而减小。人为机械特性如图。性如图。（三）定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性（三）定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性 定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性和串电阻定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性和串电阻相似，相似，n1不变，不变，Tm、Ts以及以及sm随着定子回路电抗阻增大而随着定子回路电抗阻增大而减小。减小。（四）转子回路串三相对称电阻时的人为机械特性（四）转子回路串三相对称电阻时的人为机械特性 对于绕线式异步电动机，如保持其