三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性分解

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5.15.1 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 J J 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系。由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 1 1 與同步轉(zhuǎn)速- 轉(zhuǎn) 差率一存在下列關(guān)系，即(5.1(5.1)則三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性用曲線表示時，習(xí)慣上縱坐標(biāo)同時表示 轉(zhuǎn)速 1 1 和轉(zhuǎn)差率_，橫坐標(biāo)表示電磁轉(zhuǎn)矩丄。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

2、：5.1.15.1.1 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coco 呢（5.25.2）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；廠】為轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)；式（5.25.2 ）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（5.25.2 ）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 二，轉(zhuǎn)子相電流二，

3、以及為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)5 與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，間接地找出其變化規(guī)律?，F(xiàn)分析如表 5.15.1 所示。根據(jù)表 5.15.1 中的分析，可作出曲線- 和分別如圖 5.25.2、5.35.3、5.45.4 所示，據(jù)此可得出圖 5.15.1 所示的機(jī)械特性曲 線。曲線分為兩段：當(dāng)一較小時（-=）， “:變化不大，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相電流 二成正比關(guān)系，表現(xiàn)為 ABAB 段近似為直線， 稱為直線部分；當(dāng)一較大時，如：，-；減少近一 半， 匚很小， 盡管轉(zhuǎn)子相電流 增大，有功電流【I I 不大，使電磁轉(zhuǎn)矩 J J 反而減小了，此時表現(xiàn)為丄 T T 段，L 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

4、特 性在某轉(zhuǎn)差率一下，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩， 即 J J 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。5.1.25.1.2 機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式 1.1.參數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo):三相異步電動機(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 J J 與轉(zhuǎn)差率和電機(jī)的某些參數(shù)（j j 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)矩丄與轉(zhuǎn)子電流關(guān)系為根據(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(5.3(5.3)式（ 5.45.4 ）代入（5.35.3 ），得幻

5、霸_紹 4 4（ + +叨界+（乃十掰3pUls加血 S+S+；/b+E+W)b+E+W) (5.5)(5.5)這就是機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。給定 i ii i 及阻抗等參數(shù)，-八畫 出曲線便是丁-曲線，其形狀與圖 5.15.1 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 5.55.5 所示，它具有以下特點(diǎn)：在 丄時，即的范圍內(nèi)，特性在第一象限，電磁轉(zhuǎn)矩 J J 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4 4 時，即，特性在第 二象限，電磁轉(zhuǎn)矩 J J 為負(fù)值，表現(xiàn)為制動性轉(zhuǎn)矩，電磁功率 -I-I 也是 負(fù)值，電動機(jī)工作在電動

6、發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)；在 1 1 時，即-.，特性 在第四象限，丄11，電動機(jī)工作在制動運(yùn)行狀態(tài)。2.2.機(jī)械特性曲線的分析:F F 面分析圖 5.55.5 機(jī)械特性中的幾個特點(diǎn):+ 片/尸 +（托 2 +工；）(5.4(5.4 )（1 1）同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)：其特點(diǎn)是時二二；r r 二：。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 2）額定運(yùn)行點(diǎn) J:J:其特點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值，用-二和表示，相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)差率用 表示。異步電動機(jī)可長期運(yùn)行在額 定狀態(tài)。（3 3）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：其特點(diǎn)是對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為最大值二，稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率用,稱為臨界轉(zhuǎn)差率。

7、把式（5.55.5 ）中的I 士_呼 _伽刁+駅匚（乜+ 歹（5.65.6）S =； Jrf+EJrf+E + + 堪尸（5.75.7）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，一 r 的絕對值大于 f 的數(shù)值，但是異步電動機(jī)的丄型 等值電路 k 不超過（陽+雋的 5%5%則式（5.65.6 ）和（5.75.7 ）中可以忽 略的影響，則有對一求導(dǎo)，并令_，即可得到最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率襯為(5.8(5.8 )(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)差率可認(rèn)為近似

8、相等。通過式（5.85.8 ），可得出下列結(jié)論：1 1） 最大電磁轉(zhuǎn)矩 二與電壓平方成正比，與漏電抗 - 成反比。這說明改變和 :，可改變二的大??；2 2） 臨界轉(zhuǎn)差率+與電阻成正比，與漏電抗成反比, ,與丨的大小無關(guān)。最大電磁轉(zhuǎn)矩 二與額定電磁轉(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 心表示，即丄:是三相異步電動機(jī)運(yùn)行性能的一個重要參數(shù)。 三相異步電動機(jī)運(yùn)行 時，絕不可能長期運(yùn)行在最大轉(zhuǎn)矩處。因?yàn)?，此時電流過大，溫升會 超過允許值，有可能燒毀電機(jī)，同時在最大轉(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： = 1.61.6 2.22.2，起重、冶金、機(jī)械專用的三相異步

9、電動機(jī)的 嘉=2.22.22.82.8。（4 4）起動點(diǎn)二：其特點(diǎn)是對應(yīng)的轉(zhuǎn)速；.，一 1,1,對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩匸稱 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 的電磁轉(zhuǎn)矩。 若令式 （5.55.5 ）中的- -.,即有(5.9(5.9 )通過式（5.95.9 ）可以得出下列結(jié)論：1 1 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 I I 二， 而造成電機(jī)不能起動。起動轉(zhuǎn)矩二與額定轉(zhuǎn)矩 的比值稱為轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用 二表示，即2V1212V121 + + M M *+(*+(乃+才；尸-1-1 是表

10、征三相異步電動機(jī)起動性能的另一個重要參數(shù)。 三相異步電動 機(jī)起動時，必須保證有一定的過載倍數(shù)。只有二 1 1 時，異步電動機(jī) 才能在額定負(fù)載下起動。一般情況下，/匚是針對鼠籠式電動機(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1.01.02.02.0 ;起重、冶金、機(jī)械專用的鼠籠式電動機(jī)的 心=2.82.84.04.0。5.1.35.1.3 機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式1.1.實(shí)用表達(dá)式的推導(dǎo)：實(shí)際應(yīng)用時，三相異步電動機(jī)的參數(shù)（】，：，1,1, I I 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

11、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（5.55.5）去除式（5.65.6 ）得2 2 班耳+/；之+ （乃+詁瓦儕+兀；(5.10(5.10 )由式（5.55.5 ） 得+ + E E +E)+E)= =(5.115.11 )由式（5.115.11 ）代入式（5.105.10 ）得T_=_ 2 2 （耳+可兀）T*麗+（ ）仏+軸； 2 2（1 1+ + g g ）訂斗+召+2 2 尸盧 J J 弓2 + q(5.12(5.12 )q q 二復(fù)圈 2&2&式中-對于三相異步電動機(jī)，其和=0.10.

12、10.20.2 范圍內(nèi) 上式中顯然對任何一值，都有-+2-+2% s(5.13(5.13)而可忽略。則式（5.135.13 ）可簡化為m(5.14(5.14 )這就是三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式。2.2.實(shí)用表達(dá)式的使用已知三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)中額定功率二（：；），額定轉(zhuǎn)速（一一）和過載倍數(shù)，則額定輸出轉(zhuǎn)矩為忽略空載轉(zhuǎn)矩，近似認(rèn)為-；，（當(dāng)一 時），且丄丄.，代入式（5.145.14 ）得由上式可得從實(shí)用表達(dá)式看出，只需求出最大轉(zhuǎn)矩：和臨界轉(zhuǎn)差率補(bǔ)，才能求出 J J。下面介紹-：和+的求法額定轉(zhuǎn)差率為片 %務(wù)-久站莓+規(guī)二0解之得 因：,故上式應(yīng)取“ + ”號，則(5.15(5.15

13、)算出二和只需給出值，就可算出相應(yīng)的值 例 5.15.1 已知一臺三相異步電動機(jī)，額定頻率=150150：；：；, ,額定電壓380380，額定轉(zhuǎn)速，t t = 14601460丄_，過載倍數(shù)匚=2.42.4。當(dāng)轉(zhuǎn)子回 路不串入電阻時，(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 1)根據(jù)已知數(shù)據(jù)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為丁聊=955住=95509550 x x 竺二 981981 2(2(閘S1460最大轉(zhuǎn)矩為7 7；= =心 7/24x97/24x9 乩 2 2 二 23552355 何閥根據(jù)額定轉(zhuǎn)速 14601460 *, ,可判斷出同步轉(zhuǎn)速 1 1 = 150150

14、：一， 則 額定轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率為片=知（兒 + 點(diǎn)口）=皿 2727（2424 + +屮 _ 1 1） = = 0.1240.124轉(zhuǎn)子不串電阻的實(shí)用表達(dá)式為2727； _ _2 2 x x 23552355_47104710二飛二0J240J24= =_ _0?1240?124+ -+- - +-氐s0.1240.124s0.0.124124s（2 2）電機(jī)開始起動時，:,=1 1, = -_,代入實(shí)用表達(dá)式得0.1240.124 一 因?yàn)镴v-二,故電動機(jī)不能拖動額定負(fù)載起動。3.3.實(shí)用表達(dá)式的簡化 在 O Ov一補(bǔ)的直線段，即三相異步電動機(jī)在額定負(fù)載范圍內(nèi)運(yùn)行時，它的轉(zhuǎn)差率小于額定

15、轉(zhuǎn)差率（=0.010.010.050.05 ），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（5.145.14 ）變成為1500-1500-1460146015001500= =同1（5.165.16 ）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（5.165.16 ）時可按下式計(jì)算片=2 2 如心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)變化對電動機(jī)運(yùn)行特性的影響；實(shí)用表達(dá)式適

16、用于電動機(jī)機(jī)械特性 的工程計(jì)算。5.1.45.1.4 機(jī)械特性的固有特性和人為特性1.1.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 5.55.5 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（5.145.14）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) J,J,最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)和起動點(diǎn)二這幾個特殊點(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 5.25.2某三相異步電動機(jī)，= 6060 :匚，750750

17、 二，:=5050二, = 2.52.5，試?yán)L出電動機(jī)的固有機(jī)械特性。解：(1 1)同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)：_=_= 0 0 時，JJ = 750750,丄=0 0(2)(2)額定運(yùn)行點(diǎn)_ :最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn):.-.- 4： I750-7257500.033725= 790（聊）=9550K窗 5 一 6 三相異步電動機(jī)固有特性的鯉制15.T 三相異步電動機(jī)定子降壓的人為機(jī)械特性起動點(diǎn)二：將_ = 1 1 時代入公式得根據(jù)上述求出的四個特殊點(diǎn)，繪出固有機(jī)械特性如圖5.65.6 所示 2.2.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公式的

18、特性。同步轉(zhuǎn)速公式 臨界轉(zhuǎn)差率公E決式/12x197510.16-+-0.16 1二616（27frt6 6 上0 H5G 0 641 TsTa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 1） 降低定子回路端電壓的人為機(jī)械特性。根據(jù)上述四個公式，降低定子回路端電壓 ，則 i i 不變，；+不變， 二和與二成正比地降低。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 5.75.7 所示為:=0.80.8 r r , ,-i-i = 0.50.5 r 時的人為機(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，

19、電動機(jī)的過載能力也顯著地下降。3収4 4 對耳+ +（花+雋2 2 底齊+可r+E+xr+E+x；）；）2 2（2 2） 轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串接對稱電阻時的人為機(jī)械特性。繞線式三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路內(nèi)可以串接電阻丄一（要求三相串接的電阻阻值相等）。其電路圖及人為機(jī)械特性如圖5.85.8 所示。根據(jù)上述四個公式，I I 不變，-不變，.1.1 隨二的增大而增大，二開 始隨二的增大而增大，當(dāng)二增大到某一二時,。如果二再 繼續(xù)增大，則 二開始減小。團(tuán) 5.8 繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串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，電阻二越大，其線性段的特性越軟。（3 3）定子回路串接對稱電抗 二或電阻 J J 時的人為機(jī)械特性。三相異步電動機(jī)的定子回路串接對稱電抗丄的電路圖和人為機(jī)械特性如圖 5.95.9 所示。線性段的特性變軟了 同理，可分析定子回路串接對稱電阻 -時的人為機(jī)械特性。根據(jù)上述四個公式,二和二隨二的增大而減小，其R6）人芮機(jī)械特性5.1.55.1.5 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/ -1和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性亠的配合。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)系式即電動機(jī)拖動繼續(xù)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時，電磁轉(zhuǎn)矩 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，應(yīng) 該是大小相等方向