第十章-三相异步电动机的机械特性及各种运转状态概要

本章主要研究三相异步电动机的机械特性及各种运转状态下的机械特性的计算。包括机械特性的三种表达式的建立；固有机械特性与人为机械特性的分析与绘制；三相异步电动机各种运转状态的物理概念、实用条件。异步电动机参数的工程计算方法；异步电动机调速与制动电阻的计算方法。10.3三相异步电动机的各种运转状态10.4根据异步电动机的技术数据计算其参数10.1三相异步电动机机械特性的三种表达式10.2三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性10.5绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算本章小结§10－1三相异步电动机机械特性的三种表达式一、物理表达式异步电动机每极磁通m22cosICTmT（10－1）异步电动机的转矩系数2111wTKWpmC转子电流的折算值＝222222)/(XsREI转子电路的功率因数＝222222)/(/cosXsRsR定义：，它反映了在不同转速下，电动机所能提供的出力（转矩）情况。NNffUUemTfn1111)()()(cos)(22TfnfnIfn、、T图10－1n0n2cos2I22cos,,IT)1(0snn在图10－1上绘出)(cos)(22fnIfn、,1cos)0(20时，snn222222)/(XsREI＝0,/22IsR可忽略较小时，当222,/XXsRs成正比地增加与sI2增大而下降随同时，增加缓慢不可忽略相对变小较大时，当sIXsRs2222cos,,/)(,)(cos)(22TfnfnIfn即得两条曲线相乘、将22cosICTmT（10－1）矩称为异步电动机最大转之间，出现～在增加较快。较大，转矩增加较快，减小时，从值不大，但当较小，较大，但时，虽然当mmTTTnTInnTIn0220220coscos0此式称为异步电动机的机械特性的第一种表达式，它反映了不同转速时T与磁通及转子电流的有功分量之间的关系。在物理上三个量之间的关系必须遵循左手定则。故称为物理表达式。m22cosInTTmT0n二、参数表达式sRImPTemem2'22010221212x2)XX()Rs/R(UI效电路图，得由异步电动机的近似等221212201)()/(/XXRsRsRUmTx(10-5)带入上式所示－机械特性，如图即可绘制异步电动机的＝及）并考虑－按式（21060/2)1(510000nsnn机械特性曲线中的几个特殊点：)0,(stT起动状态点A：对应于转速（或），即起动转矩(或堵转转矩)；0n1sstT将（或）代入式（6-121）便可求出起动转矩为：1s0n(10-6)2212122201)()(XXRRRUmTxst另外起动转矩也是电动机的一个重要参数：只有起动转矩大于负载转矩，电动机才可起动。NststTTK起动转矩倍数（10－7）定义:起动转矩与额定转矩的比值定义为起动转矩倍数，即：stTNTstK额定运行点B:),(NNnT同步运行点C：对应于（或）。由于无相对切割，该点的电磁转矩。1nn0s0emT临界运行点D：该点对应于最大电磁转矩，相应的转差率又称为临界转差率。可通过下式求得：),(mmSTmsms22122)(XXRRsm22121201)(2XXRRUmTxm式中，正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态212211,XXRsXXRm故有：通常（10-9）2101)(2XXUmTxm（10-10）（10-8）定义:将最大电磁转矩与额定转矩的比值定义为最大转矩倍数（或过载能力），用表示，即：maxeTTKNmTTTK保持不变。成正比，与频率不变时，当电动机个参数及电源mxmsUT)1成正比近似地与与变时，）当电源频率及电压不212XXTsmm成正比。与之值无关，与）223RsRTmm若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机停机或无法起动，为保证电机不会因短暂过载而停机，电动机必须具有一定的过载能力，用过载倍数KT表示：KT:一般电动机为1.8~3.0,冶金起重等电动机可达3.5此外，由图6.50还可以看出：三相异步电动机的机械特性曲线可分为两个区域：（1）稳定运行区域；（2）不稳定运行区域。在此区域内，，。此时，机械特性向下倾斜，无论是对于恒转矩负载还是对于风机、泵类负载，电力拖动系统可以稳定运行；稳定运行区域：mss011)1(nnsnm不稳定运行区域：在此区域内，，。此时，对于恒转矩负载，系统将无法稳定运行；而对于风机、泵类负载，尽管系统可以稳定运行，但由于转速太低，转差率较大，转子铜耗较大，三相异步电动机将无法长期运行。1ssm)1(01msnn三、实用表达式参数表达式虽然对于理论分析很有用，但其中诸多参数不可查找。2212122201)()/(/XXRsRsRUmTx22121201)(2XXRRUmTxm22122)(XXRRsm21212)1(2RRsssssRRsTTmmmmm若忽略R1ssssTTmmm2（10－11）异步电动机的机械特性可以看成为两部分组成，即当负载转矩小于额定转矩时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分。称为工作部分，当时，机械特性为一曲线，有时称为机械特性的曲线部分。有时也称为非工作部分，但其仅针对恒转矩负载或恒功率负载而言。物理表达式适于定性分析转矩T与磁通及转子电流的有功分量之间的关系。参数表达式可以用于分析各参数变化对电动机运行性能的影响。实用表达式最适于进行机械特性的工程计算。mssm22cosI§10－2三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方式，定子及转子中不外接电阻电容电抗时所获得的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性如图10－3所示。电动机的几个特殊运行点：1）起动点A2）额定工作点B3）同步转速点H4）最大转矩点C和C’图10－3三相异步电动机的固有机械特性nsms0nmsoTTNTstTABHCCmTmTmmssmmTT回馈制动时的过载能力比电动状态时的过载能力大。二、人为机械特性由机械特性的参数表达式2212122201)()/(/XXRsRsRUmTxp改变极对数改变频率抗）转子电路接入并联阻电阻）定子电路内串接对称电抗）定子电路内串接对称阻转子电路内串联对称电降低电压不同的机械特性可得到、、、与阻抗定子与转子电路的电阻定子极对数，电流频率压可知：人为改变电源电)7f)6543)2U)1:XXRR,p,fU1x21211x1、降低电源电压转矩与电压的平方成正比。临界转差率与电源电压无关。机械特性如图10－4。2212122201)()/(/XXRsRsRUmTx三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性图10－4xU降低电网电压对电动机运行的影响：转速下降；使电动机电流大于额定定流，电动机不能长期连续运行。否则温升最终超过允许值，使电动机寿命缩短，甚至烧毁。sRImT22201NZNxTTTTIsEsnTIInU2221)(、不突变XXNNsIsI1122222、转子电路串联对称电阻（适于绕线式电动机）22122)(XXRRsm22121201)(2XXRRUmTxm2212122201)()(XXRRRUmTxst增大而减小。开始随后，当增大而增大，开始随的增大而增大，随不变，此时RTRRRTRsTnstststmm,0机械特性参见下页图10－5。思考：转子串电阻对电机的影响有哪些？转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性图10－5。3、定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性4、定子电路串联对称电阻与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动。转子电路接入并联阻抗时的电路图和人为机械特性5、转子电路接入并联阻抗由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，在右图上绘出了这样的人为机械特性。特点：在转子频率较高时，电阻值比电抗值小，转子频率低时，电阻值比电抗值大。起动时，转子电流几乎全部流过电阻，相当于短接了电抗，但额定转速时，电流几乎全部流过电抗，电阻相当于被短接了。利用频敏变阻器也可达到同样的效应。转子电路并联阻抗能限制起动电流，电机加速平滑。转子电路接入并联阻抗时的转子等效电路图§10－3三相异步电动机的各种运转状态三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。一、电动状态特点：1）电动机转矩方向与转速方向相同。2）机械特性在第一、三象限内。3）电动机从电网吸收电能，转化为机械能。二、制动状态特点：1）电动机转矩方向与转速方向相反。2）回馈制动与能耗制动时的机械特性在第二象限、反接制动的机械特性在第四象限内。3）回馈制动与能耗制动时电动机从轴上吸收机械能，转化为电能三、回馈制动状态M3～GnT～当异步电动机由于某种原因，使得nn0时，转差率s0,则转子感应电动势sE2反向222222)/(XsREI＝222222X)s/R(s/Rcos＝222222)/(sinXsRX＝22a2cosII转子有功分量222sinIIr转子无功分量22222222222222222)/(/)/(/)/(XsRsREXsRsRXsREIa＝22222222222222222)/()/()/(XsRXEXsRXXsREIr＝转子有功分量：转子无功分量：上两式说明：当s0时，转子电流的有功分量改变方向。当转子的无功分量方向没变。异步电动机在回馈制动时的相量图：制动状态。方向相反。电机又处在转矩与转速同时：馈电网。即：定子绕组将电能回此时定子功率的相位差与可知，－由图,0cosICT0cosIUmP90IU121022mT1111101110I1U11XIj11RI1E2I1IsRI2222XIj21,EE图10－12异步电动机在回馈制动时的相量图回馈制动时电机的机械特性在第二象限。转子中串接电阻。可得到人为机械特性，并可得到不同的稳定速度。问题2：转子串接电阻越大，稳定速度是越高还是越低？问题1：转子在什么情况下稳定转速？四、反接制动状态：（1）转速反向的反接制动M3～GnTn1)(:s此时时，转差.转矩方向相反机的则电机的转速方向与电,TT且的转转矩方向相电机的起动转矩与重物接较较大电阻异步电动机转子电路串0000Zstnnnnnns问题3：随转速的增加，s、T、I2如何变化？转速何时稳定。转速反向的反接制动时的异步电动机特性转子轴上机械功率为负2(1)ePPs转子由定子输入的电功率即为电磁功率2223feRRPIs为正转子电路的损耗为两者之和，因此能量损耗极大。22ePPP异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性（2）定子两相反接的反接制动为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由A转移到B此时转差率为1ssssnnnnsnn在两相反接时，电动机的转矩为－T，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的BC段。在转速