第十章 三相異步電動機的機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)

1、本章主要 研究三相異步電動機的機械特性及各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的機械特性的計算。包括機械特性的三種表達式的建立；固有機械特性與人為機械特性的分析與繪制；三相異步電動機各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)的物理概念、實用條件。異步電動機參數(shù)的工程計算方法；異步電動機調(diào)速與制動電阻的計算方法。,10.3 三相異步電動機的各種運轉(zhuǎn)狀態(tài),10.4 根據(jù)異步電動機的技術數(shù)據(jù)計算其參數(shù),10.1 三相異步電動機機械特性的三種表達式,10.2三相異步電動機的固有機械特性與人為機械

2、特性,10.5 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機調(diào)速及制動電阻的計算,本章小結(jié),10.1 三相異步電動機機械特性的三種表達式,一、物理表達式,（10－1）,定義： ，它反映了在不同轉(zhuǎn)速下，電動機所能提供的出力（轉(zhuǎn)矩）情況。,圖10－1,在圖10－1上繪出,（10－1）,此式稱為異步電動機的機械特性的第一種表達式，它反映了不同轉(zhuǎn)速時T與磁通 及轉(zhuǎn)子電流的有功分量

3、 之間的關系。在物理上三個量之間的關系必須遵循左手定則。故稱為物理表達式。,二、參數(shù)表達式,(10-5),帶入上式,機械特性曲線中的幾個特殊點：,起動狀態(tài)點A ：對應于轉(zhuǎn)速 （或 ）， 即起動轉(zhuǎn)矩(或堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩)；,將 （或 ）代入式（6-121）便可求出起動轉(zhuǎn)矩為：,(10-6),另外起動轉(zhuǎn)矩也是電動機的一個重要參數(shù)：只有起動轉(zhuǎn)矩大于

4、負載轉(zhuǎn)矩，電動機才可起動。,定義: 起動轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 的比值定義為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) ，即：,,,,額定運行點B :,,同步運行點C：對應于 （或 ）。由于無相對切割，該點的電磁轉(zhuǎn)矩 。,,,,,,,臨界運行點D ：該點對應于最大電磁轉(zhuǎn)矩，相應的轉(zhuǎn)差率 又稱為臨界轉(zhuǎn)差率。 可通過

5、下式求得：,式中，正號對應于電動機狀態(tài)，負號對應于發(fā)電機狀態(tài),（10-9）,（10-10）,（10-8）,定義: 將最大電磁轉(zhuǎn)矩 與額定轉(zhuǎn)矩 的比值定義為最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（或過載能力），用 表示，即：,若負載轉(zhuǎn)矩大于電動機的最大轉(zhuǎn)矩，電動機停機或無法起動，為保證電機不會因短暫過載而停機，電動機必須具有一定的過載能力，用過載倍數(shù)KT表示：,KT: 一般電動機為1.8~3.0,冶金起重等電動機可達3.5,此外，由圖6.50

6、還可以看出：三相異步電動機的機械特性曲線可分為兩個區(qū)域：（1）穩(wěn)定運行區(qū)域；（2）不穩(wěn)定運行區(qū)域。,在此區(qū)域內(nèi)， ， 。此時，機械特性向下傾斜，無論是對于恒轉(zhuǎn)矩負載還是對于風機、泵類負載，電力拖動系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行；,穩(wěn)定運行區(qū)域：,不穩(wěn)定運行區(qū)域：,在此區(qū)域內(nèi)， ， 。此時，對于恒轉(zhuǎn)矩負載，系統(tǒng)將無法穩(wěn)定運行

7、；而對于風機、泵類負載，盡管系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，但由于轉(zhuǎn)速太低，轉(zhuǎn)差率較大，轉(zhuǎn)子銅耗較大，三相異步電動機將無法長期運行。,三、實用表達式參數(shù)表達式雖然對于理論分析很有用，但其中諸多參數(shù)不可查找。,若忽略R1,（10－11）,異步電動機的機械特性可以看成為兩部分組成，即當負載轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩時，機械特性近似為直線，稱為機械特性的直線部分。稱為工作部分，當 時，機械特性為一曲線，有時稱為機械特性的曲線部分。有時也稱為非工作部分

8、，但其僅針對恒轉(zhuǎn)矩負載或恒功率負載而言。物理表達式適于定性分析轉(zhuǎn)矩T與磁通 及轉(zhuǎn)子電流的有功分量 之間的關系。參數(shù)表達式可以用于分析各參數(shù)變化對電動機運行性能的影響。實用表達式最適于進行機械特性的工程計算。,10.2 三相異步電動機的固有機械特性與人為機械特性,一、固有機械特性固有機械特性是指異步電動機工作在額定電壓及額定頻率下，電動機按規(guī)定的接線方式，定子及轉(zhuǎn)子中不外接電阻電容電抗時

9、所獲得的機械特性曲線三相異步電動機的機械特性如圖10－3 所示。,電動機的幾個特殊運行點：1）起動點A 2）額定工作點B3）同步轉(zhuǎn)速點H4）最大轉(zhuǎn)矩點C和C’,回饋制動時的過載能力比電動狀態(tài)時的過載能力大。,二、人為機械特性由機械特性的參數(shù)表達式,1、降低電源電壓轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓無關。機械特性如圖10－4。,圖10－4,降低電網(wǎng)電壓對電動機運行的影響：轉(zhuǎn)速下降；使電動機電流大于額定

10、定流，電動機不能長期連續(xù)運行。否則溫升最終超過允許值，使電動機壽命縮短，甚至燒毀。,2、轉(zhuǎn)子電路串聯(lián)對稱電阻（適于繞線式電動機）,機械特性參見下頁圖10－5。,思考：轉(zhuǎn)子串電阻對電機的影響有哪些？,圖10－5。,3、定子電路串聯(lián)對稱電抗,定子電路串聯(lián)對稱電抗一般用于籠型異步電動機的降壓起動，以限制電動機的起動電流。,4、定子電路串聯(lián)對稱電阻,與串聯(lián)對稱電抗時相同，定子串聯(lián)對稱電阻一般也用于籠型異步電動機的減壓起動 。,5、轉(zhuǎn)子電路接入并

11、聯(lián)阻抗,由于轉(zhuǎn)子電路參數(shù)可變，如果參數(shù)配合恰當，電動機在整個加速過程中產(chǎn)生幾乎恒定的轉(zhuǎn)矩，在右圖上繪出了這樣的人為機械特性。,特點：在轉(zhuǎn)子頻率較高時，電阻值比電抗值小，轉(zhuǎn)子頻率低時，電阻值比電抗值大。起動時，轉(zhuǎn)子電流幾乎全部流過電阻，相當于短接了電抗，但額定轉(zhuǎn)速時，電流幾乎全部流過電抗，電阻相當于被短接了。利用頻敏變阻器也可達到同樣的效應。轉(zhuǎn)子電路并聯(lián)阻抗能限制起動電流，電機加速平滑。,§10－3 三相異步電動機的各種運轉(zhuǎn)

12、狀態(tài),三相異步電動機有兩大運轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動狀態(tài)與制動狀態(tài)。一、電動狀態(tài)特點： 1）電動機轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相同。 2）機械特性在第一、三象限內(nèi)。 3）電動機從電網(wǎng)吸收電能，轉(zhuǎn)化為機械能。二、制動狀態(tài)特點： 1）電動機轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反。 2）回饋制動與能耗制動時的機械特性在第二象限、反接制動的機械特性在第四象限內(nèi)。 3）回饋制動與能耗制動時電動機從軸上吸收機械能，轉(zhuǎn)化為電能,三、回饋制動狀態(tài),當異步電動機由

13、于某種原因，使得n>n0時，轉(zhuǎn)差率s<0,則轉(zhuǎn)子感應電動勢sE2反向,轉(zhuǎn)子有功分量：,轉(zhuǎn)子無功分量：,上兩式說明：當s<0時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量改變方向。當轉(zhuǎn)子的無功分量方向沒變。,異步電動機在回饋制動時的相量圖：,回饋制動時電機的機械特性在第二象限。轉(zhuǎn)子中串接電阻。可得到人為機械特性，并可得到不同的穩(wěn)定速度。,問題2：轉(zhuǎn)子串接電阻越大，穩(wěn)定速度是越高還是越低？,問題1：轉(zhuǎn)子在什么情況下穩(wěn)定轉(zhuǎn)速？,四、反接制動狀態(tài)：

14、（1）轉(zhuǎn)速反向的反接制動,問題3：隨轉(zhuǎn)速的增加，s、T、I2如何變化？轉(zhuǎn)速何時穩(wěn)定。,轉(zhuǎn)子軸上機械功率 為負,轉(zhuǎn)子由定子輸入的電功率即為電磁功率,為正,轉(zhuǎn)子電路的損耗 為兩者之和，因此能量損耗極大 。,,（2）定子兩相反接的反接制動,為了迅速停車或反向，可將定子兩相反接，工作點由A轉(zhuǎn)移到B此時轉(zhuǎn)差率為,在兩相反接時 ，電動機的轉(zhuǎn)矩為－T，與負載轉(zhuǎn)矩共同作用下，電動機轉(zhuǎn)速很快下降，這相當于圖中機械特性的BC段

15、。,在轉(zhuǎn)速為零的C點，如不切斷電源，電動機即反向加速，進入反向的電動狀態(tài)（對應于特性CD段），加速到D點時，電動機將穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了電動機的逆轉(zhuǎn)過程。,（2）定子兩相反接的反接制動,問題4：電動機能否穩(wěn)定下來？,動畫演示,三相異步電動機能耗制動時，需對提供額外的勵磁電源。其通常做法是：將所要制動異步電動機的定子繞組迅速從電網(wǎng)上斷開，同時將其切換至直流電源上。通過給定子繞組加入直流勵磁電流建立恒定磁場。于是，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和恒定磁場之間相互作

16、用，便產(chǎn)生具有制動性的電磁轉(zhuǎn)矩。由于制動過程中，大部分動能或勢能均轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟脑谵D(zhuǎn)子回路的電阻上，這種制動方式又稱為能耗制動。能耗制動的典型線路與物理解釋分別如下圖a、b所示。,五、能耗制動狀態(tài),,能耗制動時三相異步電動機的機械特性計算,為了計算三相異步電動機能耗制動時的機械特性，通常引入等效電流的概念。然后再根據(jù)三相異步電動機正常運行時的機械特性獲得能耗制動時的機械特性。具體過程介紹如下：,下圖a、b分別給出了三相異步電動機定子兩相

17、繞組通以直流電的電路連接以及相應的定子磁勢矢量圖。,上圖 a的定子直流合成磁勢為：,設將 等效為三相合成旋轉(zhuǎn)磁勢 后，定子每相等效電流的有效值為 ，則有：,考慮到等效前后 ，由式（7-36）、（7-37）得：,考慮到等效前后磁勢與轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速不變，即 相對轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速仍為 ，又由于 相對定子的轉(zhuǎn)速為同步速度 ，則能耗制動的

18、轉(zhuǎn)差率為：,,,,,由此繪出能耗制動時的等效電路如圖所示。,圖 三相異步電動機能耗制動時的等效電路,,動畫演示,利用圖7.37便可求得能耗制動時三相異步電動機的機械特性表達式為：,其中， 與 之間的關系是利用等效電路且忽略鐵耗（即 ），并根據(jù)下式求得的：,,,,對上式求導并使 ，便可求得能耗制動時的最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率分別為：,,,,,將式（7-40）除以（7-41

19、）并利用式（7-42），便可獲得能耗制動時機械特性的實用表達式為：,(7-43),根據(jù)式（7-40）或式（7-43）繪出三相異步電動機能耗制動時的機械特性如圖7.38所示。,各個電流之間有下列關系,得機械特性方程式,臨界相對轉(zhuǎn)速,運轉(zhuǎn)狀態(tài)小結(jié)：,在正轉(zhuǎn)方向，特性1與1′的第二象限為回饋制動特性，第四象限為反接制動特性；在反轉(zhuǎn)方向，特性2與2′的第二象限為反接制動特性，而第四象限則為回饋制動特性。能耗制動電路的聯(lián)結(jié)方法有所不同，其機械

20、特性用曲線3與3′表示，第二象限部分對應于電動機正轉(zhuǎn)，而第四象限則對應于反轉(zhuǎn)。圖中特性1＇，2′及3′對應于異步電動機轉(zhuǎn)子有串聯(lián)電阻時，而1，2及3則對應于沒有串聯(lián)電阻。,轉(zhuǎn)速逐級提升過程為,,在空鉤下放時也屬電動狀態(tài)。此時不但有空鉤重量產(chǎn)生的位能力矩，而且有摩擦力產(chǎn)生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大 ， 將二者疊加即為電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。,（二）反接制動狀態(tài),（三）回饋制動狀態(tài),§10－4 根據(jù)異步電動機的技術數(shù)據(jù)計算其

21、參數(shù),電動機的技術參數(shù)有：（1）額定功率（2）額定定子線電流（3）額定定子線電壓（4）額定轉(zhuǎn)速（5）額定效率（6）定子功率因數(shù)（7）過載倍數(shù)（8）飛輪力矩（9)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) （籠型）（10）起動電流倍數(shù) （籠型）（9‘）轉(zhuǎn)子額定線電動勢 （繞線式）（10‘）轉(zhuǎn)子額定線電流 （繞線式）,在已知的技術參數(shù)的基礎上，可用工程計算法計算異步

22、電動機的各個參數(shù)：,由兩式聯(lián)立求解,解,第五節(jié) 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機調(diào)速及制動電阻的計算,計算的方法是按已知條件，利用機械特性（一般是實用表達式）進行，計算時必須注意不同運轉(zhuǎn)狀態(tài)下方程式中各參量的正負符號等不同特點。,（2）從電動狀態(tài)（圖1中A點） 時換接到反接制動狀態(tài)，如果要求開始的制動轉(zhuǎn)矩等于 （圖中C點），則轉(zhuǎn)子每相應該串接多大電阻？,（3）如果該電動機帶位能負載，負載轉(zhuǎn)矩

23、 ，要求穩(wěn)定的下放轉(zhuǎn)速 r/min，求轉(zhuǎn)子每相的串接電阻值。,解,考慮異步機的機械特性為直線, 對于固有特性,對于人為特性,（2）,取,取,考慮機械特性為直線,（3）,取 （ 時不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)）,考慮機械特性為直線,,,例10-３繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)同例10-2，設從額定點A換接到能耗制動狀態(tài)的運行點E（見下圖），如果要求

24、制動轉(zhuǎn)矩的開始值等于電動機的額定轉(zhuǎn)矩，求轉(zhuǎn)子每相的串接電阻。能耗制動時的接線如圖，定子通入大小為 的直流電流，假如電動機的空載電流 。假定應考慮電動機磁路的飽和。,解,查圖10-21的曲線，當 時，,取,考慮能耗制動特性為直線,取,如果能耗制動特性為直線，轉(zhuǎn)子電路不串電阻，則,[例10-4],繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的技術數(shù)據(jù)同例10-2。如果使用能耗制動使電動機快

25、速停車，要求保證最大制動轉(zhuǎn)矩 時， 。接線如圖所示。假定橋式整流后電壓與交流電壓有效值之比為0.9，整流電壓經(jīng)電容濾波后增高30%。試計算：（1）直流勵磁電路中的附加電阻 （2）異步機轉(zhuǎn)子電路每相應串接的電阻,解 （1）,查圖10-21，當,（2）,本章小結(jié),,1、三相異步電動機的機械特性的三種表達式2、三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性3、三相異步電動機各