【文档说明】第十章__三相异步电动机的机械特性及各种运转状态.pptx，共(60)页，778.884 KB，由精品优选上传

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单击此处编辑母版标题样式重庆大学自动化学院电机学及拖动基础2第十章三相异步电动机的机械特性及各种运转状态3•第一节机械特性的三种表达式•第二节固有机械特性与人为机械特性•第三节各种运转状态•第四节三相绕线转子异步电动机调速及

制动电阻的计算主要内容4本章要求•掌握三种机械特性表达式及适用范围•掌握固有机械特性和人为机械特性的特点•掌握各种制动的实现方法和能量转换过程•理解三相绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算方法•直流电机电力拖动的知识如何扩充到交流电机电力拖动，交流电机的电力拖动与直流

电机的电力拖动会有什么样的共性和区别？56第一节机械特性的三种表达式直流电力拖动和交流电力拖动的共同问题◼稳定性⚫机械特性和负载特性的配合⚫机械特性——也是指转速与转矩间的关系n=f(T)，包括：固有机械特性和人为机械特性⚫负载转矩特性——也是负载转矩与转速间的

关系Tz=f(n)，包括：恒转矩负载、恒功率负载、通风机负载•直流变量的属性：大小、极性•交流变量的属性：大小、相位、频率•直流电机：励磁可以独立调节，对电枢回路的操作不会影响励磁回路状态；•交流电机：没有独立的励磁回路，产生转矩

的转子电流是感应产生的，其大小与电机的运行状态有关，即使是恒转矩负载，电流也可能不同的。•交流电机由于频率的存在----电抗存在7•频率的变化使感抗变化，即电机运行中电路参数是变化的-----相位变化-----转矩是变化的。•断电则磁

场也会消失。因此，直流电机的机械特性与交流电机的机械特性是不同的。◼三相异步机的机械特性⚫物理表达式⚫参数表达式⚫实用表达式89一、物理表达式•机械特性的物理表达式：•其中：122cosTmTCI=11112wTpmNkC=222222(/)EIRsX=+22222222222

22/coscos(/)RsRRsXRsX===++22=显然，第一节机械特性的三种表达式10•物理表达式对应的机械特性曲线：•转子电流→n=f(I2′)•转子电路功率因数→n=f(cosφ2′)•两条曲线相乘并乘以CT1Φm→n=f(T)•是电

磁力定律在异步电动机中的反映——物理表达式•适用范围——定性分析第一节机械特性的三种表达式222222(/)EIRsX=+222222222222/cos(/)RsRRsXRsX==++•小结：

起动时电流最大，功率因数最小；随着转速的升高，电流逐渐减小，功率因数逐渐加大；•因此：起动时，转矩最小，随后逐渐加大-----达到最大----随着转速的升高，转矩又逐渐减小；•机械特性的物理表达式不好计算具体的电磁转矩大小。-----机械特性与具体参数的关系。1112二

、参数表达式22e12RPmIs=()()2222112/UIRsRXX=+++()()221222112essURsPmTRsRXX==+++•物理表达式的缺点——不能直接反映转矩

与电机参数（如Uφ、s、R1、R2′、X1、X2′）间的关系，需要参数表达式•参数表达式的优点——适用于分析参数变化对电动机运行性能的影响第一节机械特性的三种表达式1、推导13•与参数表达式对应的机械特性曲线

：•临界转差率——dT/ds=0•最大转矩：•正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态第一节机械特性的三种表达式()()221222112essURsPmTRsRXX==+++222212112()mRRsXXRXX=

+++2211max221211122()2()ssUmUmTXXRRXX=++++2、几个重要参数14•1）电动机各参数及电源频率不变，Tmax与Uφ2成正比，sm则保持不变，与Uφ无

关•2）电源频率及电压不变，sm，Tmax近似与X1+X2′成反比•3）Tmax与R2′无关，sm与R2′成正比。绕线转子异步电动机，当转子电路串联某一电阻RQ时，可使sm=1，Tst=Tmax。第一节机械特性的三种表达式3、几点结论222212112()mRRsXXRXX

=+++2211max221211122()2()ssUmUmTXXRRXX=++++222112()QRRRXX+=++221122()QRRXXR

=++−15•（s=1，n=0）•绕线转子异步电动机，转子电路串联附加电阻，可以改善起动特性4、过载倍数•如果负载转矩Tz＞Tmax，电动机将会停转•为保证电动机不会因为短时过载而停转，电动机必须具有一定的过载倍数•KT反映

了电动机短时过载的极限maxTNTKT=()()221221212stsURmTRRXX=+++5、起动转矩第一节机械特性的三种表达式16•对于笼型转子异步电动机，转子电路不能串联附加电阻，此时，Tst与TN的比值称为起动转矩倍数•Kst是笼型

异步电动机的一个参数，反映了电动机的起动能力N/TTKstst=5、起动转矩倍数•参数表达式适用于分析T与电动机参数之间的关系。•根据参数表达式绘制机械特性，需要知道相关的参数（如R1、R2′、X1、X2′等）

第一节机械特性的三种表达式◼起动转矩与电压的平方成正比；转子电阻越大则起动转矩越大；其他参数越大则起动转矩越小。◼理想空载点：只与电压的频率、电机的极对数有关，与其他参数无关。◼临界转差率：与转子电阻成正比，其他参数越大则临

界转差率越小。◼最大转矩：与转子电阻无关，其他参数越大则最大转矩越小。通常情况下，电动机产品目录中没有这些参数，因此需要导出实用表达式，便于近似计算1718三、实用表达式1max212212mmmmRTsRTsRssssR+=++21max

2211122()sUmTRRXX=+++()221222112sRUmsTRRXXs=+++222112()mRsRXX=++max2mmTTssss=+第一节机械

特性的三种表达式•忽略R1得到实用表达式•问题：如何求Tmax和sm？19maxTNTKT=9550NNNPTn=2(1)mNTTssKK=+−sNNsnnsn−=maxTNTKT=◼根据电动机产品数据计算Tmax及Sm第一节机械特性的三种表达式20•Tz＜TN时，s/sm<<sm/s，忽略s

/sm•s＜sm，T与s成正比，机械特性可看成一条直线，电动机不论带动何种负载均能稳定运行，称为工作部分•s＞sm，机械特性为一曲线，只有带动通风机负载才能稳定工作，称为非工作部分max2mTTss=max2mmTTs

sss=+第一节机械特性的三种表达式稳定性问题21第二节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——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法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性曲线。2

2•几个特殊点•起动点A•n=0，T=Tst，I1st=(4~7)I1N•额定工作点B•n=nN，T=TN，I1=I1N•同步转速点H•n=ns，T=0，I'2=0，I1=I0•最大转矩点P和P′•电动状态最大

转矩点P—T=Tmax,s=sm•回馈制动最大转矩点P'—T=T'max,s=s'm•回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大mmss=maxmaxTT第二节固有机械特性与人为机械特性•确定机械特性的形状：•理想空载点：只

与电压的频率、电机的极对数有关；•最大转矩点：与电压的平方成正比，与转子电阻无关，与其他参数成反比；•临界转差率：与转子电阻成正比，与其他参数成反比；•起动转矩点：与电压的平方成正比，与转子电阻成正比，与其他参数成反比。23•机械特性中有哪些参数可以改变呢？•电

压的大小；•定子串电阻；•定子串电抗；•转子串电阻；•转子串电抗；•转子串入电抗与阻抗的并联回路：2425二、人为机械特性•异步电动机电磁转矩T的数值由某一转速n（或s）下的电源电压Uϕ、电源频率f1、定子极对数p、定子及转子电路的电阻及电抗（R1、R2′、X1、X2′）决定的。•人为机械

特性——通过人为改变上述参数得到的机械特性。()()22221122221221121122sRRUUmpmssTfRRRXXRXXss==++++++第二节固有机械特性与人为机械特性261、降低

Uφ•Tmax及Tst与U2φ成正比降低；•sm与Uφ的降低无关；•同步转速不变•固有机械特性上转矩值乘以电压变化百分数的二次方即可得到降压的人为机械特性21max2211122()sUmTRRXX=+++222112()mRsRXX=++第二节固有机械特性与人

为机械特性27•额定运行时，Uφ=UN，I1=I1N，n=nN，T=TN；•Uφ↓→I1↓，I2′↓→T↓（T＜Tz）→n↓→s↑→sE2↑•sE2↑→I2′↑→T↑（T=Tz时达到新的平衡）•Uφ下降前后

负载保持额定值不变••sx＞sN，故I2x′＞I2N′•结论：Uφ降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏降低电网电压对电动机运行的影响222211NxNxIIss=第二节固有机械特性与人为机械特性282、转子电路内串联对称

电阻21max2211122()sUmTRRXX=+++222112()mRsRXX=++()()221221212stsURmTRRXX=+++•Tmax与同步转速ns不变•Tst刚开始随RΩ的增大而增大，增大到Tst=Tmax后，

Tst随着RΩ的增大而减小•Sm随着RΩ的增大而增大•适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速第二节固有机械特性与人为机械特性293、定子电路串联对称电抗21max2211122()sUmTRRXX=+++222112()mRsRXX=

++()()221221212stsURmTRRXX=+++•同步转速ns不变•Tmax、Tst、Sm将随Xst增大而减小•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第二节固有机械特性与人为机械特性304、定子电路串联对称电阻21max221

1122()sUmTRRXX=+++222112()mRsRXX=++()()221221212stsURmTRRXX=+++•同步转速ns不变•Tmax、Tst、Sm将随Rf增大而减小•也用

于笼型异步电动机的减压起动。第二节固有机械特性与人为机械特性315、转子电路接入并联阻抗•起动初期，sf1较大，Xst=2πsf1Lst较大，转子电流的大部分将流过Rst；Rst决定了起动电流和起动转矩；•n↑→sf1↓→Xst↓，大部分转子电流流过

电抗器•起动过程结束，sf1很小，电流几乎全部流过电抗器，将电阻短路•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。•转子接入并联阻抗还可限制起动电流，在级数最少的情

况下，保证电动机平滑加速第二节固有机械特性与人为机械特性32一、电动运转状态第三节各种运转状态•三相异步电动机的两种工作状态：•电动运转状态•制动运转状态•机械特性——位于一、三象限•特点——转矩T与转速n同向•能量转换——由电网吸取电能，扣除自身损耗外，转换成机械能

带动负载33二、制动运转状态•类型•回馈制动•反接制动•能耗制动•机械特性——位于二、四象限•共同特点——电动机转矩与转速方向相反•能量转换——电动机由轴上吸收机械能，转换为电能第三节各种运转状态小结•电动状态与制动状态的特征：转速与转矩是同向还是反向进行判断。例如：异步机降低电压的运行过程是电动

还是制动？34•Uφ↓→I1↓，I2′↓→T↓（T＜Tz）→n↓→s↑→sE2↑•因此在降压过程中，电磁转矩会减小但不会反向，所以是电动状态。3536第三节各种运转状态•含义——•电动机由于某种原因，使n>ns，s<0•转矩T和转速n反向，为制动转矩1、回馈制动状态ns•回馈制动

的过程：•n>ns----切割方向发生变化------电势反向-----电流反向-----转矩反向-----转矩与转速反向---进入制动状态•能量的传递：转子感应电动势sE2反向，转子电流的有功分量改变方向3722cosI()222222/cos0/RsRsX

=+38•功率传递方向：•转子电流有功分量反向•定子电流有功分量反向•——定子绕组将电能回馈电网•——由轴上吸收机械功率•机械特性：•位于第二象限(T负，n正)•当制动转矩T与负载转矩Tz平衡时，电动机稳定运行22cosI11co

sIoo2oo190180901801111cos0PmUI=2122cos0TmPTCI==第三节各种运转状态•如何实现回馈制动：降低同步转速-----降低频率或升极对数。3940402、反接制动

状态（1）转速反向的反接制动•含义——转子转速反向，定子电压反向不变•过程：转速反向----转矩方向不变-----进入制动状态。•要求：转矩方向不变----要求负载转矩方向不变----要求负载是位能性负载•实现方法：ns第三节各种运转状态41•实现——转子电路串一大电阻Rf•

重物产生的转矩Tz与电动机转矩方向相反•Tst＜Tz时，重物倒拉着电动机反向起动，T与n方向相反，为制动状态•转差率s=[ns-(-n)]/ns＞1•-n↑→s↑→I2↑→T↑，T=Tz时，等速下放第三节各种运转状态42•功率传递方向•Pe=3I22（R2+Rf）/

s＞0，转子由定子输入电磁功率•P2=Pe(1-s)＜0，电动机由轴上输入机械功率•△P2=Pe-P2消耗在转子电路的总电阻（R2+Rf）上第三节各种运转状态43（2）定子两相反接的反接制动•含义——将定子两相反接，进入制动状态•过程：定子两相反接------磁场反向----切割方向

反向-----电势反向----电流反向-----转矩反向-----进入制动状态第三节各种运转状态Te-s曲线4444•实现——将定子两相反接•磁场反向旋转，E2、I2及T均与电动状态时反向，s=(-ns-n)/(-ns)＞1•制动前工作在

固有机械特性A点•两相反接，转矩反向，转移到B点•BC段为反接制动特性•如不切断电源，可自行反向起动•CD段为反向电动特性，至D点稳定运行•如带位能负载，D点后继续反向加速，当|-n|>|-ns|后，反向回馈制动状态•制动过程中是否需要限制电流呢？ns第三

节各种运转状态•分析电阻：•磁场反向----切割速度加大----电势加大----电流加大----需要串联电阻•在定子串联还是在转子串联？4546•功率传递方向•Pe=3I22（R2+Rf）/s＞0，转子由定子输入电磁功率•P2=Pe(1

-s)＜0，电动机由轴上输入机械功率•△P2=Pe-P2消耗在转子电路的总电阻（R2+Rf）上•反接制动的特点•优点•制动强度大，制动效果好•可获得稳定的下放速度•缺点•能量损耗大•制动准确度差，如需停车，需用自动控制线路及时切断电源第三节各种运转状态473、

能耗制动状态•含义——定子端不输入能量，进入制动状态。•分析：•定子不加电压----异步机磁场消失----不可能有电磁转矩•因此定子需要产生一个磁场第三节各种运转状态48483、能耗制动状态•实现——K1断开，K2闭合，在定

子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。•制动过程•由于惯性，转速仍为n•切割磁力线→感应电势→感应电流→电磁力→制动转矩•在制动转矩和负载转矩共同作用下，转子减速至0•能耗制动可以使反抗性负载准确停机，也可以使位能性负载匀速下放NS+∙nT第三节各种运转状态49•能耗制动特性•改

变转子串联电阻•——转子内电阻增加而直流励磁电流不变时，产生最大转矩时的转速增加，最大转矩保持不变，如特性曲线1、3所示，特性3对应串联较大电阻。类似于正常工作时，转子电路串电阻的情况•改变定子直流励磁电流

•——转子电路的串联电阻不变而直流励磁电流增加时，临界转差率不变，最大转矩增大，如特性1、2所示，特性2对应较大直流励磁电流。类似于正常工作时改变定子电压的情况第三节各种运转状态小结•转速反向的反接制动只对绕线式电机有效；•电压反向的反接制动只对绕线式电机有效；•能耗制动对

鼠笼式、绕线式电机均有效。•分析方法：制动方式的含义、实现的方法、实现的过程。•实现过程：可以采用物理变化过程进行描述，也可以采用机械特性线进行分析。50•分析三相异步机缺相运行的状态变化。5152三、异步电动机四象限运行分析•在正转方向，特

性1与1′的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；•在反转方向，特性2与2′的第二象限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。•能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线3与3′表示，第二象限部分对应于电动机正转，而第

四象限则对应于反转。•图中特性1＇，2′及3′对应于异步电动机转子有串联电阻时，而1，2及3则对应于没有串联电阻。正向回馈制动正向电动反向电动倒拉反接制动反向回馈制动能耗制动两相反接制动第三节各种运转状态53第五节绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计

算•计算的目的——决定一个适当的电阻Rf，在绕线转子异步电动机调速及制动时串入转子电路，以保证获得运行所需要的调速及制动特性。•计算方法：•一般的计算思路如下：1）由产品目录计算固有机械特性的sm；2

）由实用表达式计算人为机械特性的sm′；3）由下列关系，计算串联的附加电阻Rf：•计算中应注意不同运转状态下各参量正负号等不同特点22fmmRRssR+=21mfmsRRs=−54•[例10-2]某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：8.6=TKkW75N=PV

380N1=UV399N2=Er/min1460N=nA166N2=IA144N1=I（1）当负载转矩，要求转速时，转子每相应串入多大的电阻（图中B点）？N8.0TTz=r/min500=Bn（2）从电动状态（中A点）时换

接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于（图中C点），则转子每相应该串接多大电阻？NnnA=N5.1T（3）如果该电动机带位能负载，负载转矩，要求稳定的下放转速r/min，求转子每相的串接电阻值。N8.0TTz=300−=Dn55解NN150014600.026

71500ssnnsn−−===Ω053.0Ω11633990267.032NN2N2===IUsR求sN和R2（1）求RfB1）采用实用表达式计算RfB：根据固有特性求smmax2NNmmNTTssss=+2(1)mNTTssKK=+−s=sx时，T=Tx，临界转差率为ms56Ω62.1Ω

053.011445.056.412=−=−=RssRmmfB取（不合理，舍去）56.4=ms097.0=ms2NNxx14.560.097TTmxKTKTssTT=−=或max2mmTTssss=+max22TNxxmxmmx

mxTKTTssssssss==++572)采用简化表达式计算RfB——机械特性为直线N20.15mTsKs==maxNx224.66TmxxxTKTsssTT====−=6.1053.01149.066.4fBRN150014601.9731500sCsnnsn−−

+===−1）采用实用表达式计算：max22TNmmTKTTssss==（2）求RfC586.810.0532.440.1445fCR=−=取8.6=ms取57.0=ms0.5710.0530.160.1445fCR=−

=149.0=ms37.7973.15.18.22=−−=NNmTTs=−=57.2053.01149.037.7fCR57.08.615.18.25.18.2973.12NNNN或=−−

−−−=TTTTsm2）采用简化表达式计算——机械特性为直线1.5CNTT=−maxTNTKT=−59取（时不能稳定运转）225.8=ms175.0=ms=−=96.2053.011445.0225.8fDR1500(300)1.21500sDDsnnsn−−−===

NDTT8.0=175.0225.818.08.28.08.22.12或=−=NNNNmTTTTs（3）求RfD1）采用实用表达式计算：149.0=ms4.82.18.08.22NN==TTsmΩ94.2Ω053.01149.0

4.8=−=fDR2）采用简化表达式计算——机械特性为直线maxTNTKT=60第十章结束