第五章 交流电动机工作原理及特性第三节

5．3三相异步电动机的转矩特性和机械特性一、三相异步电动机的定子电路三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。定子绕组接上三相电源电压（相电压为u1）时，则有三相电流通过（相电流为i1），定子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势e2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势e1设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2，如图所示电路图是三相异步电动机的一相电路图。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦规律变化的，tsinm定子每相绕组中产生的感应电动势为：tNedd11它也是正弦量，其有效值为：1111444444fN.Nf.E式中，f1为e1的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以6001pnf它等于定子电流的频率，即ff1定子每相绕组中还要产生漏磁电动势tiLedd1L1L1加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即)(dd)()(11L11111111etiLRieeRiuL如用复数表示，则为)(j)()(1111111111EXIRIEERIUL式中，和()为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。1R1XL1121LfX由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是EU111EU二、三相异步电动机的转子电路旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为tNedd22其有效值为2222444444SfN.Nf.E式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率.因为旋转磁场和转子间的相对转速为n0-n1000026060Sfpnnnn)nn(pf在n=0，即S=1时，转子电动势为2120444Nf.E为转子最大电动势202SEE可见转子电动势E2与转差率S有关。和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。tiLedd2L2L2因此，对于转子每相电路，有tiLRieRiedd)(2L222L2222如用复数表示，则为22222222j)(XIRIERIEL式中，R2和X2——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗L21L22222LSfLfXL21202LfX202SXX在n=0，即S=1时，转子感抗为为转子最大感抗可见转子感抗E2与转差率S有关。转子每相电路的电流为2202220222222)SX(RSEXREI可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。三、转矩特性电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是它的主要特性。22mcosIKT22022212444)SX(RNf.SI所以220222222022212)SX(RUSRK)SX(RUSRKT因为……转矩特性式中，K——与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；U1、U——定子绕组电压，电源电压；R2——转子每相绕组的电阻；X20——电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。四．机械特性在异步电动机中，转速n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。1．固有机械特性异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。根据2202222)SX(RUSRT00nnnS三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能，这四个特殊点是：0010S,nn,T电动机处于理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速。NNN,,2SSnnTT电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为NnPTNN55.90N0NnnnS式中:PN——电动机的额定功率；nN——电动机的额定转速，一般SN——电动机的额定转差率，一般TN——电动机的额定转矩。0N)985.0~94.0(nn015.0~06.0NS1,0,3stSnTT电动机的启动工作点。将S=1代入转矩公式中，可得2202222stXRURKT可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、R2及X20有关。当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩TN之比st=Tst/TN作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般2.1~0.1stmmmax,,4SSnnTT电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令0dndT得临界转差率202m/XRS再将Sm代入转矩公式中，即可得202max2XUKT通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比Nmaxm/TT称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。鼠笼式异步电动机2.2~8.1m线绕式异步电动机8.2~5.2m2．人为机械特性由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变定子电压U、定子电源频率f、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。（1）降低电动机电源电压时的人为特性Nmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn0n不变mS不变maxT随着电压的减小而大大地减小stT随着电压的减小而大大地减小改变电源电压时的人为特性如图所示：如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，转子输出最大转矩分别为Ta=Tmax、Ta=0.64Tmax和Ta=0.25Tmax。可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电压降低太多，会大大降低它的过载能力与启动转矩，甚至使电动机发生带不动负载或者根本不能启动的现象。NN22NNmmax98.07.02TTUUTT例如，电动机运行在额定负载TN下，即使m=2，若电网电压下降到70%UN，则由于这时此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。电动机也会停转（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似。（3）改变定子电源频率时的人为特性fKfXTTXRURKTXUKTnnnXRSpfn1,26020Nmax2202222st202max0m0202m0注意到：一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使U/f=C，这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。fn0fS/1mfT/1st不变maxT因此，改变电源频率的机械特性如图所示（4）转子电路串电阻时的人为特性在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后［见图(a)］，转子电路中的电阻为2r2RRNmax2202222st202max0m0202m0260TTXRURKTXUKTnnnXRSpfn0n不变maxT不变mS随着串接电阻的增加而增大，此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图所示。