三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)

重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電機(jī)學(xué)及拖動(dòng)基礎(chǔ)1第十章三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性及各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)2

主要內(nèi)容第一節(jié)機(jī)械特性的三種表達(dá)式第二節(jié)固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性第三節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)第四節(jié)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速及制動(dòng)電

阻的計(jì)算3第一節(jié)機(jī)械特性的三種表達(dá)式直流電力拖動(dòng)和交流電力拖動(dòng)的共同問題：穩(wěn)定運(yùn)行：機(jī)械特性和負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的配合機(jī)械特性——也是指轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系n=f(T)，包括：固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性——也是轉(zhuǎn)速與負(fù)載間的關(guān)系n=f(Tz)，包括：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載、通風(fēng)機(jī)負(fù)載異步電機(jī)機(jī)械特性的三種表達(dá)式：物理表達(dá)式參數(shù)表達(dá)式實(shí)用表達(dá)式4機(jī)械特性的物理表達(dá)式：CT1——異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)Φm

——異步電動(dòng)機(jī)每極磁通

——轉(zhuǎn)子電流的折算值

——轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)一物理表達(dá)式顯然，5由物理表達(dá)式繪制異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線： 轉(zhuǎn)子電流公式→n=f(I2′)

轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)公式→n=f(cosφ2′)

上述兩條曲線相乘并乘以CT1Φm→n=f(T)第一種表達(dá)式中，三個(gè)量在物理上遵循左手定則

——物理表達(dá)式表明：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與氣隙磁通Φm和轉(zhuǎn)子電流有功分量的乘積成正比物理表達(dá)式適用于對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定性分析6二參數(shù)表達(dá)式物理表達(dá)式不能直接反映異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)參數(shù)（如定子相電壓Uφ、s、R1、R2′、X1、X2′）間的關(guān)系，因此必須推導(dǎo)出機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式參數(shù)表達(dá)式適用于分析參數(shù)變化對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的影響參數(shù)表達(dá)式推導(dǎo)：7由參數(shù)表達(dá)式繪制異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線：8幾個(gè)重要參數(shù)臨界轉(zhuǎn)差率：最大轉(zhuǎn)矩：對(duì)s求導(dǎo)，令dT/ds=0其中，正號(hào)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，負(fù)號(hào)對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)狀態(tài)9結(jié)論：

1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)各參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，Tmax與Uφ2成正比，sm則保持不變，與Uφ無關(guān)；

2）當(dāng)電源頻率及電壓不變時(shí)，sm與Tmax近似地與X1+X2′成反比；

3）Tmax與R2′之值無關(guān)，sm則與R2′成正比。推論： 對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)某一恰當(dāng)電阻RQ時(shí)，可使sm=1（相當(dāng)于n=0），即起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值Tmax。顯然，此時(shí)：由上述公式可知：（參見T-s曲線關(guān)系）10過載倍數(shù)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz＞Tmax，電動(dòng)機(jī)將會(huì)停轉(zhuǎn)。為保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)過載而停轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)必須具有一定的過載倍數(shù)，反映了電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載的極限。異步電動(dòng)機(jī)接到電源開始起動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩（s=1，n=0）。

可見，對(duì)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)附加電阻，可改善起動(dòng)特性。

對(duì)籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子電路不能串聯(lián)附加電阻，Kst反映了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。當(dāng)Tst>Tz時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)對(duì)籠型異步電動(dòng)機(jī)，額定負(fù)載下只有Kst>1才能起動(dòng)11三實(shí)用表達(dá)式參數(shù)表達(dá)式中的電動(dòng)機(jī)參數(shù)不在產(chǎn)品目錄中，不便于計(jì)算實(shí)用表達(dá)式最適用于機(jī)械特性的工程計(jì)算實(shí)用表達(dá)式推導(dǎo)：忽略R1，得實(shí)用表達(dá)式12Tmax及sm的計(jì)算方法： 利用及求得Tmax： 利用及求得sm：在額定負(fù)載以下（Tz≤TN）運(yùn)行時(shí)，s很小，s/sm<<sm/s，忽略s/sm，可得簡化表達(dá)式：此時(shí)，13異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可視為兩部分組成：s≤sN（Tz≤TN），T與s近似成正比

——機(jī)械特性的直線部分，又稱為工作部分，電動(dòng)機(jī)不論帶何種負(fù)載均能穩(wěn)定運(yùn)行s≥sm，機(jī)械特性為一曲線

——機(jī)械特性的曲線部分，又稱為非工作部分，對(duì)恒轉(zhuǎn)矩和恒功率負(fù)載不能穩(wěn)定運(yùn)行，僅對(duì)通風(fēng)機(jī)負(fù)載可以穩(wěn)定運(yùn)行14第二節(jié)固有機(jī)械特性與人為機(jī)械特性一固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性

——異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓及額定頻率下，按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉(zhuǎn)子電路中不外接電阻（電抗或電容）時(shí)所獲得的機(jī)械特性曲線。

15起動(dòng)點(diǎn)A n=0,s=1,T=Tst,I1st=(4～7)I1N額定工作點(diǎn)B n=nN,s=sN,T=TN,I1=I1N同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)H n=ns,s=0,T=0,I2'=0,I1=I0固有機(jī)械特性的關(guān)鍵點(diǎn)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P和P′

電動(dòng)狀態(tài)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P——T=Tmax，s=sm

回饋制動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P'——T=Tmax'，s=sm'

回饋制動(dòng)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的過載能力較電動(dòng)狀態(tài)時(shí)大16二人為機(jī)械特性由機(jī)械特性參數(shù)表達(dá)式：

——異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T的數(shù)值由某一轉(zhuǎn)速n（或s）的電源電壓UΦ、電源頻率f1、定子極對(duì)數(shù)p、定子及轉(zhuǎn)子電路的電阻及電抗（R1、R2′、X1、X2′）決定的。人為機(jī)械特性

——通過人為改變上述參數(shù)，得到的機(jī)械特性。171、降低UΦTmax及Tst與UΦ2成正比地降低，即Tmax∝UΦ2，Tst∝UΦ2；sm與UΦ的降低無關(guān)；ns=60f1/p，與UΦ無關(guān)，即同步轉(zhuǎn)速也保持不變。

——固有機(jī)械特性上轉(zhuǎn)矩值乘以電壓變化百分?jǐn)?shù)的二次方18降低電網(wǎng)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響：額定運(yùn)行時(shí)，UΦ=UN，I1=I1N，n=nN，T=TN；UΦ↓→I1↓、I2′↓→T↓（T＜Tz）→n↓→s↑→sE2↑sE2↑→I2′↑→T↑（T=Tz時(shí)達(dá)到新的平衡）UΦ下降前后負(fù)載保持額定值不變，而 因此在新的平衡點(diǎn)：sx＞sN，故I2x′＞I2N′ ——UΦ降低后電動(dòng)機(jī)電流將大于額定值，電動(dòng)機(jī)如長時(shí)連續(xù)運(yùn)行，最終溫升將超過允許值，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)壽命縮短，甚至燒壞。192、定子電路串對(duì)稱電阻3、定子電路串對(duì)稱電抗ns不變；Tmax、Tst及sm將隨Rf（Xst）的增大而減小。一般用于籠型異步電動(dòng)機(jī)的減壓起動(dòng)，以限制起動(dòng)電流

——定子串對(duì)稱電阻Rf，與串對(duì)稱電抗Xst的人為機(jī)械特性相似204、轉(zhuǎn)子電路串對(duì)稱電阻ns不變；Tmax不變；sm隨RΩ的增大而增大；Tst的變化：一開始隨RΩ的增大而增大，直到Tst=Tmax后（此時(shí)sm=1，R2+RΩ=Rst），Tst隨著RΩ的增大而減小。適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，也可用于調(diào)速215、轉(zhuǎn)子電路接并聯(lián)阻抗隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)子頻率降低，Xst減小，大部分轉(zhuǎn)子電流將開始流過Xst；起動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)子頻率很小，電流幾乎全部流過Xst，Rst近乎短路。優(yōu)點(diǎn)——由于轉(zhuǎn)子電路參數(shù)可變，如果參數(shù)配合恰當(dāng)，電動(dòng)機(jī)在整個(gè)加速過程中產(chǎn)生幾乎恒定的轉(zhuǎn)矩還可限制起動(dòng)電流，保證電動(dòng)機(jī)在最少級(jí)數(shù)下平滑加速過程分析——起動(dòng)初期，轉(zhuǎn)子頻率sf1很大，Xst=2πsf1Lst較大，大部分電流流過Rst，Rst決定了起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；22第三節(jié)各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)三相異步電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)：電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)一電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)機(jī)械特性——位于一、三象限特點(diǎn)——轉(zhuǎn)矩T與旋轉(zhuǎn)方向n同向能量轉(zhuǎn)換——

由電網(wǎng)吸取電能，扣除自身損耗外，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載23二制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)可工作于回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)三種制動(dòng)狀態(tài)：機(jī)械特性——位于二、四象限共同特點(diǎn)——轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反能量轉(zhuǎn)換——電動(dòng)機(jī)由軸上吸收機(jī)械能，并轉(zhuǎn)換為電能1、回饋制動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)過程——

電動(dòng)機(jī)由于某種原因（例如位能負(fù)載的作用），使轉(zhuǎn)速高于同步速度，n>ns，s<0； 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢sE2反向，轉(zhuǎn)子電流的有功分量改變方向； 轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)速n反向，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。24轉(zhuǎn)子電流有功分量反向定子電流有功分量反向功率傳遞方向：

——定子繞組將電能回饋電網(wǎng)

——由軸上吸收機(jī)械功率機(jī)械特性：位于第二象限（T負(fù)，n正）當(dāng)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tz平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行252、反接制動(dòng)狀態(tài)（1）轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程——轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)一較大電阻Rf，重物倒拉著電動(dòng)機(jī)反向起動(dòng)重物產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩Tz與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T方向相反，起動(dòng)條件Tst＜Tz轉(zhuǎn)差率：

隨著反向轉(zhuǎn)速的增加，s、I2及T均增大，直到T=Tz，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)等速下放26功率傳遞方向：

——定子輸入電磁功率給轉(zhuǎn)子

——由軸上吸收機(jī)械功率

——兩者之和消耗在轉(zhuǎn)子電路總電阻中（2）定子兩相反接的反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程——電動(dòng)運(yùn)行過程中，將定子兩相反接，定子相序改變，旋轉(zhuǎn)磁場ns反向轉(zhuǎn)差率：E2、sE2、I2及T均與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)反向27機(jī)械特性分析：制動(dòng)前電動(dòng)狀態(tài)，固有機(jī)械特性A點(diǎn)兩相反接，轉(zhuǎn)矩變負(fù)，轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)BC段為反接制動(dòng)特性，至C點(diǎn)轉(zhuǎn)速為零如不切斷電源，可自行反向加速CD段為反向電動(dòng)特性，至D點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行如帶位能負(fù)載，D點(diǎn)后繼續(xù)反向加速，當(dāng)|-n|>|-ns|后，反向回饋制動(dòng)狀態(tài)功率傳遞方向：

——定子輸入電磁功率給轉(zhuǎn)子

——由軸上吸收機(jī)械功率

——兩者之和消耗在轉(zhuǎn)子電路總電阻中283、能耗制動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)過程——K1斷開，K2閉合，在定子兩相繞組內(nèi)通入直流電流，在定子內(nèi)形成一固定磁場，相對(duì)于ns=0由于慣性，轉(zhuǎn)速仍為n轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流若轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速相反，即為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子減速至029能耗制動(dòng)中調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法：改變轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻——轉(zhuǎn)子內(nèi)阻增加而直流勵(lì)磁電流不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩不變，但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速增加（特性1與3，3對(duì)應(yīng)大電阻）改變定子直流勵(lì)磁電流——轉(zhuǎn)子內(nèi)阻不變而勵(lì)磁電流增加時(shí)，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速不變，但最大轉(zhuǎn)矩增大（特性1與2，2對(duì)應(yīng)大電流）顯然，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降為零時(shí)，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降為零

——能耗制動(dòng)能使生產(chǎn)機(jī)械準(zhǔn)確停車30三運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)小結(jié)異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的四象限分析：在正轉(zhuǎn)方向，特性1與1′的第二象限為回饋制動(dòng)特性，第四象限為反接制動(dòng)特性在反轉(zhuǎn)方向，特性2與2′的第二象限為反接制動(dòng)特性，而第四象限則為回饋制動(dòng)特性能耗制動(dòng)電路的聯(lián)結(jié)方法有所不同，其機(jī)械特性用曲線3與3′表示，第二象限部分對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，而第四象限則對(duì)應(yīng)于反轉(zhuǎn)圖中特性1，2及3對(duì)應(yīng)于沒有串聯(lián)電阻時(shí)，而1＇，2′及3′則對(duì)應(yīng)于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有串聯(lián)電阻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的四象限特性分析回饋：|n|>|ns|或s<0反接：|ns|>|n|>0或s>1能耗：相對(duì)于ns=031第四節(jié)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速及制動(dòng)電阻的計(jì)算計(jì)算目的：工程上，常希望根據(jù)起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)的不同目的，計(jì)算繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)中應(yīng)串入轉(zhuǎn)子電路的電阻值，以保證獲得運(yùn)行所需的起動(dòng)、調(diào)速及制動(dòng)特性。計(jì)算方法：一般的計(jì)算思路如下：1）由產(chǎn)品目錄計(jì)算固有機(jī)械特性的sm；2）由實(shí)用表達(dá)式計(jì)算人為機(jī)械特性的sm′；3）由下列關(guān)系，計(jì)算串聯(lián)的附加電阻Rf：計(jì)算中應(yīng)注意不同運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下各參量正負(fù)號(hào)等不同特點(diǎn)32[例10-2]

某繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)如下：

r/min1460N=nA166N2=I