三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的运行特性摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用L图5.1三相异歩电动机的机摭特性5.1 三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机 械特性。和直流电动机一样，三相异步电动机的机械特性也是指电磁 转矩F与转子转速挖之间的关系。由于转子转速挖与同步转速旳、转 差率&存在下列关系，即5.1）则三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表示转速”和转差率占，横坐标表示电磁转矩F。三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下： 5.1.1 机械特性的物理表达式由上一章三相异步电动机的转矩关系知，三相异步电动机转矩的一般表达式为T = C城蓮加；%(5.2)式中尙j为三相异步电动机的转矩系数，是一常数；猊为三相异步电动机的气隙每极磁通量；对为转子电流的折算值；曲为转子电路的功率因数；式(5.2)表明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成 正比，它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描 述了三相异步电动机的运行特性，因此这一表达式又称为三相异步电 动机的物理表达式。仅从式(5.2)不能明显地看出电磁转矩尸与转差率占之间的变化规 律。要从分析气隙每极磁通量转子相电流站，以及为转子功率 因数评;与转差率E之间的关系，间接地找出其变化规律。现分析 如表 5.1 所示。根据表5.1中的分析，可作出曲线% =了（叭2八）和 込叭二了 分别如图5.2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲 线。曲线分为两段：当占较小时（0乞代耳），变化不大，込礼小， 电磁转矩T与转子相电流厂成正比关系，表现为AB段近似为直线， 称为直线部分；当占较大时（耳*至0），如沁1，%减少近一 半，匚恥碣很小，尽管转子相电流瑪增大，有功电流严不大，使电磁转矩F反而减小了，此时表现为眈段，恥段为曲线 段，称为曲线部分。由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转 差率竄下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的转矩为兀 称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。- 1时，即 0 ,电动机工作在制动运行状态。2. 机械特性曲线的分析：下面分析图 5.5 机械特性中的几个特点：（1）同步转速点？1:其特点是二1佃=0）、尸=0。山点为理想空载 运行点即在没有外界转矩的作用下，异步电动机本身不可能达到同步 转速点。（2）额定运行点：其特点是电磁转矩和转速均为额定值，用爲和 尬表示，相应的额定转差率用表示。异步电动机可长期运行在额 定状态。（3）最大转矩点U：其特点是对应的电磁转矩为最大值兀，称为最 大转矩，对应的转差率用耳，称为临界转差率。把式（5.5）中的T 对求导，并令石=，即可得到最大转矩耳和临界转差率耳为T4用 疋+ *( +显+昭)25.6)5.7)式中，“”号适用于电动机状态，“”号适用于发电机状态。他/101 +昭尸通常情况下，-几的绝对值大于的数值，但是异步电动机的尸型 等值电路斥不超过（吃+囲尸的5%,则式（5.6）和（5.7）中可以忽 略。的影响，则有5.8)( 5.8) 也就是说，异步电动机的机械特性具有对称性，即异步电动机的发电 机状态和异步电动机的电动机状态的最大电磁转矩绝对值及对应的 临界转差率可认为近似相等。通过式（5.8），可得出下列结论：1）最大电磁转矩兀与电压平方成正比，与漏电抗（吃+曲成反比。这说明改变和（花+堪），可改变的大小；2）临界转差率耳与电阻吗成正比，与漏电抗（可+焉）成反比，与S的 大小无关。最大电磁转矩耳与额定电磁转矩為的比值称为最大电磁转矩倍数，又称为过载能力或过载倍数，用耳表示，即耳是三相异步电动机运行性能的一个重要参数。三相异步电动机运行 时，绝不可能长期运行在最大转矩处。因为，此时电流过大，温升会 超过允许值，有可能烧毁电机，同时在最大转矩处运行转速也不稳定。一般情况下，三相异步电动机的耳=1.62.2，起重、冶金、机械 专用的三相异步电动机的心=2.22.8。（4）起动点刀：其特点是对应的转速总=0, * 1,对应的转矩爲称 为起动转矩，又称为堵转转矩。它是异步电动机接通电源开始起动时 的电磁转矩。若令式（5.5）中的& = 1,即有+加川岔+鸥他，+也+右戸（5.9）通过式（5.9）可以得出下列结论：兀与电压E平方成正比，与电阻 时或漏电抗（花+爲）成反比。这说明电阻或漏电抗越大，起动转矩越 小；电源电压E过低，会引起起动转矩明显下降，甚至使兀弋爲， 而造成电机不能起动。起动转矩兀与额定转矩為的比值称为转矩倍数，用息表示，即忑是表征三相异步电动机起动性能的另一个重要参数。三相异步电动 机起动时，必须保证有一定的过载倍数。只有忑1时，异步电动机 才能在额定负载下起动。一般情况下，忑是针对鼠笼式电动机而言。因为绕线式电动机通过 增加转子回路的电阻时，可加大或改变起动转矩。这是绕线式电动机 的优点之一。一般的鼠笼式电动机的忑=1.02.0；起重、冶金、 机械专用的鼠笼式电动机的忑=2.84.0。5.1.3 机械特性的实用表达式1. 实用表达式的推导： 实际应用时，三相异步电动机的参数（广1,可，時，囲等）在电机 产品的目录中是查不到的，因此使用参数表达式和物理表达式一样也 是不方便的。为了能利用三相异步电动机产品说明书中给出的数据， 计算出异步电动机的机械特性，有必要导出实用的表达式。用式（5.5）去除式（5.6）得T _ 2由+J砂2 +（也+為）巧“成A1 +可兀）+E +囲尸（5.10）由式（5.5）得5.11）由式（5.11）代入式（5.10）得5.12)式中。亡2化对于三相异步电动机，其鼻=0.10.2范围内。上式中显然对任何屛直，都有 + 2耳占（5.13）而耳可忽略。则式（5.13）可简化为T _2可一三+鱼耳占（5.14）这就是三相异步电动机机械特性的实用表达式。2. 实用表达式的使用从实用表达式看出，只需求出最大转矩兀和临界转差率耳,才能求 出F。下面介绍几和耳的求法。已知三相异步电动机的铭牌数据中额定功率爲（七职），额定转速%（Zrnrn ）和过载倍数忑，则额定输出转矩为7 = 9550（-）额定转差率为忽略空载转矩，近似认为丁 = %,(当时)，且尸=无爲，代入式( 5.14)得由上式可得因,故上式应取“ + ”号，则(515)算出和耳，只需给出昇直，就可算出相应的T值。例5.1已知一台三相异步电动机，额定频率塔= 150七莊，额定电压 380矿，额定转速，尬= 1460 nm，过载倍数心=2.4。当转子回 路不串入电阻时，(1) 求其转矩的实用表达式；(2) 问电动机能否带动额定负载起动。解：(1)根据已知数据，电机的额定转矩为7 = 9550= 9550x11= 981.2(-) 备1460最大转矩为Tk =2ffl7 = 2.4x981.2 = 2355(2 根据额定转速 尬=1460广fmrn，可判断出同步转速旳= 150广fmrn ,额定转差率为=-临界转差率为耳=呦傀+J疋 T) = 0.027(2.4 + 72.42-1) = 0.124转子不串电阻的实用表达式为干_ 27；_ 2x 2355_4710二 1 _兀=二0?124 二二 024sm s 0.124 s 0.124 s(2)电机开始起动时，e = 1, T=%，代入实用表达式得兀=0.124+1因为兀V爲,故电动机不能拖动额定负载起动。3. 实用表达式的简化 在0V eV耳的直线段，即三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（=0.010.05），可认为m实用公式中忽略占/耳也是可以的。则实用表达式（5.14）变成为耳（5.16）经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性关系，使用起来 更方便，并称为机械特性的近似表达式。在使用式（5.16）时耳可按下式计算= 2%上述三相异步电动机机械特性的三种表达式，虽然都能用来表征电动机的运行特性，但其应用的场合各有不同。一般来说，物理表达式适用于对电动机的运行作定性分析；参数表达式适用于分析电机各种参 数变化对电动机运行特性的影响；实用表达式适用于电动机机械特性 的工程计算。5.1.4 机械特性的固有特性和人为特性 1. 固有机械特性三相异步电动机的定子在额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的 接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械 特性称为固有机机械特性。其形状如图5.5 所示。三相异步电动机的固有机械特性可以利用实用表达式（5.14）计算得 到。方法是先利用实用表达式计算出同步转速点小额定运行点月， 最大转矩点c和起动点D这几个特殊点，然后将这些点连接起来便 得到固有特性曲线。当然，计算的点越多，做出的曲线就越精确。例5.2 某三相异步电动机，&60疋莊，尬= 750广/mm，了i=50Hz,九=2.5，试绘出电动机的固有机械特性。解：（1）同步转速点川： & =0 时，F = 750 广 / min ， T=0(2)额定运行点& :7500.0337= 9550 = 9550 x = 790(27- （3）最大转矩点U：(4) 耳=%久+趾-1)= 0.033(2.5 +2.52-1) = 0.160T択 =V=2.5x790 = 1975(-)起动点D:将s = 1时代入公式得2x19751 CA6QA6+T根据上述求出的四个特殊点，绘出固有机械特性如图5.6 所示。2. 人为机械特性人为地改变三相异步电动机的某些参数所得到的机械特性称为人为特性。关于人为特性的分析，主要是分析下列四个公式的特性。同步转速公式临界转差率公式o 0.25Tn O.MTn Ts Tng：；5.7三相异步电动机定子降压的入：为机楓特性入=誓 最大转矩公式T =3减畸起动转矩公式面分析几种常见的人为机械特性。1）降低定子回路端电压的人为机械特性。根据上述四个公式，降低定子回路端电压S,则旳不变，不变， 耳和兀与研成正比地降低。由于三相异步电动机的磁路在额定电压 下已有饱和的趋势，故不宜再升高电压。图5.7所示为3=0.8 %,3=0.5%时的人为机械特性。定子回 路端电压降低后的人为机械特性，其线性段的特性变软了。且兀和耳 也显著地减小，电动机的过载能力也显著地下降。2）转子回路内串接对称电阻时的人为机械特性。绕线式三相异步电动机的转子回路内可以串接电阻应(要求三相串接的电阻阻值相等)。其电路图及人为机械特性如图5.8 所示。根据上述四个公式，不变，不变，耳随应的增大而增大，兀开 始随应的增大而增大，当应增大到某一应时，耳2=兀。如果应再 继续增大，则兀开始减小。电路陵人为机械特性5.8绕线式异歩电动机的转子回路串接电阴绕线式三相异步电动机的转子回路串接电阻后，电阻应越大，其线性段的特性越软。(3)定子回路串接对称电抗用或电阻氏时的人为机械特性。三相异步电动机的定子回路串接对称电抗X的电路图和人为机械特性如图 5.9 所示。根据上述四个公式，不变，兀、兀和耳随X的增大而减小，其 线性段的特性变软了。同理，可分析定子回路串接对称电阻应时的人为机械特性。5.1.5 稳定运行问题 电力控制系统能否稳定运行，决定于电动机的机械特性 = 和负 载转矩特性 的配合。其稳定运行的条件是在这两条特性曲线 的交点应满足关系式dT_ dTL dT dTL 或 ds即电动机拖动继续负载稳定运行时，电磁转矩F和负载转矩兀，应 该是大小相等方向相反。根据电动机稳定运行的条件，图5.10(a)中对于电动机机械特性的 线性段迹是能正常运行的。因为，由于某种原因(如突加负载)使 负载转矩突然增大了，如从抵增大到比，异步电动机的转速挖要降 低，随着转速挖的降低，异步电动机的电磁转矩反而增大了，为兀， 可见电动机能稳定运行于&点，只是转速比先前降低了些，当负载转 矩恢复正常时，电动机仍能工作在山点。对于图5.10（住）中的非线 性段（戸。段），负载转矩突然增大，使异步电动机的转速降低，但 电动机的电磁转矩反而减小，为耳，导致转速进一步下降，随着转 速挖的降低，电磁转矩越来越小，最后拖不动负载，只有停车，因此, 这种情况下，电机不能正常运行。3423sHA込A0H0ABATTQ0（或三相异歩电动机穏定运行戲析1 驴步电动机的机械特性2 恒转矩负我特性偽三相异歩电动机穗定运行点1异步电动机的特性2恒转走负我特性3恒功率负我特性4,5泵类负蔻特性图 5.10 三相异步电动机的稳定运行问题由图5.10（b）中画出的异步电动机的特性曲线及各种负载的负载转 矩曲线，可判定：在机械特性的线性段（肿段），各种负载转矩特 性的交点（川，月，U）处均能满足稳定运行的条件。因此，工程 上通常称机械特性的线性段为稳定运行区。在机械特性的线性段（尸。段），只有泵类负载与机械特性的交点L才能满足稳定运行的 条件。但是，此时电机的转速低，转差率大，造成转子电流和定子电流均很大，故不能长期运行。因此，工程上通常称机械特性的非线性段（尸。段）为不稳定运行区。