三相異步電動機(jī)地機(jī)械特性

1、三相異步電動機(jī)的運(yùn)行特性摘要：本章介紹了三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性的三個(gè)表達(dá)式。固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性，闡述了三相異步電動機(jī)的起動、調(diào)速和制動的各種方法、特點(diǎn)和應(yīng)用135.1三相異歩電動機(jī)的機(jī)橄特世5.1三相異步電動機(jī)的運(yùn)行特性三相異步電動機(jī)的運(yùn)行特性就是三相異步電動機(jī)的運(yùn)行工作時(shí)的機(jī)械特性。和直流電動機(jī)一樣，三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性也是指電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 與同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差率 存在下列關(guān)系，即(5.1)則三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性用曲線表示時(shí)， 習(xí)慣上縱坐標(biāo)同時(shí)表示 轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)差率 ，橫坐標(biāo)表示電磁轉(zhuǎn)矩 。三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性有三種表達(dá)式，現(xiàn)介紹如下：5.1.1

2、 機(jī)械特性的物理表達(dá)式由上一章三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系知， 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的一般 表達(dá)式為（5.2）式中 為三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是一常數(shù)；為三相異步電動機(jī)的氣隙每極磁通量；為轉(zhuǎn)子電流的折算值；為轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)；式（5.2 ）表明了電磁轉(zhuǎn)矩與磁通量和轉(zhuǎn)子電流的有功分量的乘積成 正比，它是電磁力定律在三相異步電動機(jī)的應(yīng)用， 它從物理特性上描 述了三相異步電動機(jī)的運(yùn)行特性， 因此這一表達(dá)式又稱為三相異步電 動機(jī)的物理表達(dá)式。僅從式（5.2 ）不能明顯地看出電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率之間的變化規(guī)律。 要從分析氣隙每極磁通量，轉(zhuǎn)子相電流，以及為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)與轉(zhuǎn) 差率之間的關(guān)系，間接地找出其變化規(guī)律

3、?，F(xiàn)分析如表5.1所示。根據(jù)表5.1中的分析，可作出曲線、和分別如圖5.2、5.3、5.4所 示，據(jù)此可得出圖5.1所示的機(jī)械特性曲線。曲線分為兩段：當(dāng) 較 小時(shí)（），變化不大，電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)子相電流 成正比關(guān)系，表現(xiàn)為 AB段近似為直線，稱為直線部分；當(dāng) 較大時(shí)（），如，減少近一 半，很小，盡管轉(zhuǎn)子相電流 增大，有功電流 不大，使電磁轉(zhuǎn)矩 反而減小了，此時(shí)表現(xiàn)為 段，段為曲線段，稱為曲線部 分。由此分析知，三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性在某轉(zhuǎn)差率下，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，即 點(diǎn)稱為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為 稱為最大轉(zhuǎn)矩，對 應(yīng)的轉(zhuǎn)差率 稱為臨界轉(zhuǎn)差率。機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式 1.參數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo):三相異步電

4、動機(jī)的機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式就是直接表示異步電動機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)差率 和電機(jī)的某些參數(shù)（及阻抗等）之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式?，F(xiàn)推導(dǎo)如下：已知，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為（5.3）異步電動機(jī)機(jī)罹特性1 電源海正相序時(shí)2 電源対負(fù)相序時(shí)根據(jù)三相異步電動機(jī)的等值電路中，由于勵磁阻抗比定子、轉(zhuǎn)子漏阻抗大很多，把 型等值電路中勵磁阻抗這一段電路近似為開路，而計(jì)算的誤差很小，故(5.4)式（ 5.4 ）代入（ 5.3 ），得（5.5） 這就是機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。給定 及阻抗等參數(shù)， 畫出曲線便是 曲線，其形狀與圖 5.1 一致。 由參數(shù)表達(dá)式繪制的三相異步電動機(jī)的 機(jī)械特性如圖 5.5 所示，它具有以下特

5、點(diǎn)：在 時(shí)，即 的圍，特性在 第一象限，電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 都為正，從規(guī)定正方向判斷， 與 同方向， 與同步轉(zhuǎn)速 同方向，電動機(jī)工作在電動運(yùn)行狀態(tài)；在 時(shí)，即 ，特性 在第二象限，電磁轉(zhuǎn)矩 為負(fù)值，表現(xiàn)為制動性轉(zhuǎn)矩，電磁功率 也是 負(fù)值，電動機(jī)工作在電動發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；在 時(shí)，即 ，特性在第四象 限， ，電動機(jī)工作在制動運(yùn)行狀態(tài)。2. 機(jī)械特性曲線的分析：下面分析圖 5.5 機(jī)械特性中的幾個(gè)特點(diǎn)：（ 1）同步轉(zhuǎn)速點(diǎn) ：其特點(diǎn)是 。 點(diǎn)為理想空載運(yùn)行點(diǎn)即在沒有外界 轉(zhuǎn)矩的作用下，異步電動機(jī)本身不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。（ 2）額定運(yùn)行點(diǎn) ：其特點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值，用 和 表 示，相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)差

6、率用 表示。異步電動機(jī)可長期運(yùn)行在額定狀態(tài)。3）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn) ：其特點(diǎn)是對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為最大值 ，稱為最大轉(zhuǎn) 矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率用 ，稱為臨界轉(zhuǎn)差率。把式（ 5.5 ）中的 對 求導(dǎo)， 并令 ，即可得到最大轉(zhuǎn)矩 和臨界轉(zhuǎn)差率 為（5.6）（5.7） 式中，“”號適用于電動機(jī)狀態(tài)，“”號適用于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 通常情況下， 的絕對值大于 的數(shù)值，但是異步電動機(jī)的 型等值電路 不超過 的 5%，則式（ 5.6 ）和（ 5.7 ）中可以忽略 的影響，則有（5.8）（5.8） 也就是說， 異步電動機(jī)的機(jī)械特性具有對稱性， 即異步電動機(jī)的發(fā)電 機(jī)狀態(tài)和異步電動機(jī)的電動機(jī)狀態(tài)的最大電磁轉(zhuǎn)矩絕對值及對應(yīng)的 臨界轉(zhuǎn)差

7、率可認(rèn)為近似相等。通過式（ 5.8 ），可得出下列結(jié)論：1）最大電磁轉(zhuǎn)矩 與電壓 平方成正比，與漏電抗 成反比。這說明改 變 和 ，可改變 的大??；2）臨界轉(zhuǎn)差率 與電阻 成正比，與漏電抗 成反比 , 與 的大小無關(guān)。最大電磁轉(zhuǎn)矩 與額定電磁轉(zhuǎn)矩 的比值稱為最大電磁轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，又稱 為過載能力或過載倍數(shù)，用 表示，即是三相異步電動機(jī)運(yùn)行性能的一個(gè)重要參數(shù)。三相異步電動機(jī)運(yùn)行 時(shí)，絕不可能長期運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩處。因?yàn)?，此時(shí)電流過大，溫升會 超過允許值，有可能燒毀電機(jī)，同時(shí)在最大轉(zhuǎn)矩處運(yùn)行轉(zhuǎn)速也不穩(wěn)定。一般情況下，三相異步電動機(jī)的 =1.62.2，起重、冶金、機(jī)械專 用的三相異步電動機(jī)的 =2.22.

8、8。（4）起動點(diǎn) ：其特點(diǎn)是對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 ， , 對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩 稱為起動轉(zhuǎn)矩， 又稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。它是異步電動機(jī)接通電源開始起動時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。 若令式（ 5.5 ）中的 ，即有（5.9） 通過式（5.9）可以得出下列結(jié)論： 與電壓 平方成正比，與電阻 或 漏電抗 成反比。這說明電阻或漏電抗越大，起動轉(zhuǎn)矩越??；電源電 壓 過低，會引起起動轉(zhuǎn)矩明顯下降，甚至使 ，而造成電機(jī)不能起動。起動轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 的比值稱為轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用 表示，即是表征三相異步電動機(jī)起動性能的另一個(gè)重要參數(shù)。 三相異步電動機(jī) 起動時(shí)，必須保證有一定的過載倍數(shù)。只有>1時(shí)，異步電動機(jī)才能在額定負(fù)載下起動。一般情況下， 是針對鼠

9、籠式電動機(jī)而言。因?yàn)槔@線式電動機(jī)通過增 加轉(zhuǎn)子回路的電阻 ，可加大或改變起動轉(zhuǎn)矩。這是繞線式電動機(jī)的 優(yōu)點(diǎn)之一。一般的鼠籠式電動機(jī)的 =1.02.0 ;起重、冶金、機(jī)械 專用的鼠籠式電動機(jī)的 =2.84.0。5.1.3 機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式1. 實(shí)用表達(dá)式的推導(dǎo)：實(shí)際應(yīng)用時(shí)，三相異步電動機(jī)的參數(shù)（ ， ， ， 等）在電機(jī)產(chǎn)品的目 錄中是查不到的， 因此使用參數(shù)表達(dá)式和物理表達(dá)式一樣也是不方便 的。為了能利用三相異步電動機(jī)產(chǎn)品說明書中給出的數(shù)據(jù)， 計(jì)算出異 步電動機(jī)的機(jī)械特性，有必要導(dǎo)出實(shí)用的表達(dá)式。用式（5.5）去除式（ 5.6）得(5.10 )由式（ 5.5）得由式（ 5.11 ）代入式（

10、5.10 ）得式中。對于三相異步電動機(jī)，其 =0.10.2值，都有而 ,可忽略。則式（ 5. 1 3 ）可簡化為這就是三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式。（5.11 ）（5.12）上式中顯然對任何（5.13）（5.14）2. 實(shí)用表達(dá)式的使用 從實(shí)用表達(dá)式看出， 只需求出最大轉(zhuǎn)矩 和臨界轉(zhuǎn)差率 ，才能求出 下面介紹 和 的求法。已知三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)中額定功率 （ ），額定轉(zhuǎn)速 （ ）和 過載倍數(shù) ，則額定輸出轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)差率為忽略空載轉(zhuǎn)矩，近似認(rèn)為 ，（當(dāng) 時(shí)），且 ，代入式（ 5.14 ）得 由上式可得解之得因 , 故上式應(yīng)取“”號，則（5.15 ） 算出 和 ，只需給出 值，就可算

11、出相應(yīng)的 值。例5.1已知一臺三相異步電動機(jī)，額定頻率 =150,額定電壓380,額定轉(zhuǎn)速，=1460,過載倍數(shù)=2.4。當(dāng)轉(zhuǎn)子回路不串入電阻時(shí)，1 ）求其轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式；(2)問電動機(jī)能否帶動額定負(fù)載起動。解：(1)根據(jù)已知數(shù)據(jù)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩為根據(jù)額定轉(zhuǎn)速 =1460，可判斷出同步轉(zhuǎn)速 =150，則額定轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率為入二宮"(入十屁-1) = 0.027(2.4+72.43-1)二 0 124轉(zhuǎn)子不串電阻的實(shí)用表達(dá)式為27；芳 5s s_. s 0.124 s 0 124 + + 此 w 0124 g a 124 s(2)電機(jī)開始起動時(shí)，=1,=，代入實(shí)用表達(dá)式

12、得因?yàn)閂 ,故電動機(jī)不能拖動額定負(fù)載起動。3. 實(shí)用表達(dá)式的簡化 在Ov v的直線段，即三相異步電動機(jī)在額定負(fù)載圍運(yùn)行時(shí)，它的轉(zhuǎn)差率小于額定轉(zhuǎn)差率（=O.O10.05 ），可認(rèn)為實(shí)用公式中忽略 / 也是可以的。則實(shí)用表達(dá)式（ 5 . 1 4 ）變成為（5.16）經(jīng)過以上簡化， 使三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性呈線性關(guān)系， 使用起來 更方便，并稱為機(jī)械特性的近似表達(dá)式。在使用式（ 5.16）時(shí) 可按下式計(jì)算上述三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的三種表達(dá)式， 雖然都能用來表征電動 機(jī)的運(yùn)行特性，但其應(yīng)用的場合各有不同。一般來說，物理表達(dá)式適 用于對電動機(jī)的運(yùn)行作定性分析； 參數(shù)表達(dá)式適用于分析電機(jī)各種參 數(shù)變化對

13、電動機(jī)運(yùn)行特性的影響； 實(shí)用表達(dá)式適用于電動機(jī)機(jī)械特性 的工程計(jì)算。5.1.4 機(jī)械特性的固有特性和人為特性 1. 固有機(jī)械特性三相異步電動機(jī)的定子在額定頻率的額定電壓下， 定子繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)結(jié)，定子及轉(zhuǎn)子回路不外接任何電器元件的條件下的機(jī)械特性稱為固有機(jī)機(jī)械特性。其形狀如圖5.5所示。三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性可以利用實(shí)用表達(dá)式(5.14)計(jì)算得到。方法是先利用實(shí)用表達(dá)式計(jì)算出同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)，額定運(yùn)行點(diǎn)，最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和起動點(diǎn)這幾個(gè)特殊點(diǎn)，然后將這些點(diǎn)連接起來便得到固 有特性曲線。當(dāng)然，計(jì)算的點(diǎn)越多，做出的曲線就越精確。例5.2某三相異步電動機(jī)，=60, = 750 , =50 , = 2

14、.5，試?yán)L出電動機(jī)的固有機(jī)械特性。解:(1)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)：=0 時(shí)，=750 , = 0(2)額定運(yùn)行點(diǎn)：最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn):：-:-三相異步電動機(jī)固有特性的繪制起動點(diǎn)：將=1時(shí)代入公式得根據(jù)上述求出的四個(gè)特殊點(diǎn)，繪出固有機(jī)械特性如圖5.6所示'2.人為機(jī)械特性人為地改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的某些參數(shù)所得到的機(jī)械特性稱為人為 特性。關(guān)于人為特性的分析，主要是分析下列四個(gè)公式的特性。同步轉(zhuǎn)速公式臨界轉(zhuǎn)差率公式圖5. T三相異塩電動機(jī)定子隆壓的丸盜機(jī)植特性00.25 0d4Tt T;最大轉(zhuǎn)矩公式起動轉(zhuǎn)矩公式下面分析幾種常見的人為機(jī)械特性。（1）降低定子回路端電壓的人為機(jī)械特性。根據(jù)上述四個(gè)公式， 降低定子

15、回路端電壓 ，則不變，不變，和與 成 正比地降低。由于三相異步電動機(jī)的磁路在額定電壓下已有飽和的趨 勢，故不宜再升高電壓。圖5.7所示為=0.8 , = 0.5時(shí)的人為機(jī)械特性。定子回路端電壓降 低后的人為機(jī)械特性， 其線性段的特性變軟了。 且 和也顯著地減小， 電動機(jī)的過載能力也顯著地下降。（ 2）轉(zhuǎn)子回路串接對稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性。繞線式三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路可以串接電阻 （要求三相串接的5.8 所示。電阻阻值相等）。其電路圖及人為機(jī)械特性如圖根據(jù)上述四個(gè)公式， 不變，不變，隨的增大而增大，開始隨的增 大而增大，當(dāng) 增大到某一時(shí)，=。如果再繼續(xù)增大，則 開始減小。(B P 0I N M

16、 R他）人為機(jī)撼特性+地團(tuán)5.8姥鐵式異歩電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回瞞爭接電阻繞線式三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串接電阻后，電阻越大，其線性段的特性越軟。（3）定子回路串接對稱電抗 或電阻時(shí)的人為機(jī)械特性。三相異步電動機(jī)的定子回路串接對稱電抗 的電路圖和人為機(jī)械特性如圖5.9所示。根據(jù)上述四個(gè)公式， 不變，、和隨的增大而減小，其線性段的特性變軟了。同理，可分析定子回路串接對稱電阻 時(shí)的人為機(jī)械特性。團(tuán)5 一弓異歩電動機(jī)的定子回瞞串接對稱電抗穩(wěn)定運(yùn)行問題電力控制系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行，決定于電動機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合。其穩(wěn)定運(yùn)行的條件是在這兩條特性曲線的交點(diǎn)應(yīng)滿足 關(guān)系式 或即電動機(jī)拖動繼續(xù)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，

17、電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，應(yīng)該是大小相等方向相反。根據(jù)電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件，圖5.10()中對于電動機(jī)機(jī)械特性的線 性段是能正常運(yùn)行的。因?yàn)?，由于某種原因(如突加負(fù)載)使負(fù)載 轉(zhuǎn)矩突然增大了，如從增大到，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速要降低，隨著轉(zhuǎn) 速的降低，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩反而增大了，為，可見電動機(jī)能 穩(wěn)定運(yùn)行于 點(diǎn)，只是轉(zhuǎn)速比先前降低了些，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)正常時(shí),電動機(jī)仍能工作在 點(diǎn)。對于圖5.10（）中的非線性段（段），負(fù)載轉(zhuǎn) 矩突然增大，使異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，但電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩反而減 小，為，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，隨著轉(zhuǎn)速 的降低，電磁轉(zhuǎn)矩越來越 小，最后拖不動負(fù)載，只有停車，因此，這種情況下，電機(jī)不能正常運(yùn)行。（三相異歩電動機(jī)穩(wěn)走運(yùn)行#折1異涉電動機(jī)的機(jī)械特性' £恒轉(zhuǎn)拒負(fù)載特性3）三栩昇歩電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)仃點(diǎn).1