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1、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。共 剧5.1三相异步电动机的机械特性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T与转子转速理之间的关系。由于转子转速陌与同步转速勺、转 差率占存在下列关系，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 转速淤和转差率私 横坐标表示电磁转矩T。三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍
2、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二。的-M cos时（5.2）式中方j为三相异步电动机的转矩系数，是一常数；就为三相异步电动机的气隙每极磁通量；牛为转子电流的折算值；*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T与转差率占之间的变化规 律。要从分析气隙每极磁通量忘，转子相电流写，以及为转子功率因数匚
3、与转差率占之间的关系，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，可作出曲线轧二抵1、和*矿二兀） 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（。心）, %变化不大，*心1， 电磁转矩T与转子相电流孔成正比关系，表现为AB段近似为直线， 称为直线部分；当占较大时（电或），如占方，耳减少近一 半，匚口冲；很小，尽管转子相电流牛增大，有功电流兀8浏不大，使电磁转矩T反而减小了，此时表现为明段，明 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 性在某转差率占下，产生最大转矩，即占点称为最大转矩点，相应
4、的 转矩为4称为最大转矩，对应的转差率命称为临界转差率。5.1.2机械特性的参数表达式 1.参数表达式的推导:三相异步电动机的机械特性的参数表达式就是直接表示异步电动机 的电磁转矩T与转差率，和电机的某些参数（S工及阻抗等）之间的关系的数学表达式。现推导如下：已知，电磁转矩T与转子电流关系为（5.3）图5.S由参数表达式绘制的三相 异步电动机机械蒋世电源为员相序时根据三相异步电动机的等值电路中，由于励磁阻抗比定子、转子漏阻 抗大很多，把T型等值电路中励磁阻抗这一段电路近似为开路，而计 算&的误差很小，故* + E + 科尸 (5.4)式(5.4)代入(5.3)，得T =ME皿+W+3? +W尸
5、_ g* E女川心+勺占沪+施+名尸(5.5)这就是机械特性的参数表达式。给定仃/】及阻抗等参数，T = 画 出曲线便是73曲线，其形状与图5.1 一致。由参数表达式绘制的 三相异步电动机的机械特性如图5.5所示，它具有以下特点：在 0&Q时，即气5罚的范围内，特性在第一象限，电磁转矩T与转 速阿都为正，从规定正方向判断，与氏同方向，近与同步转速勺同 方向，电动机工作在电动运行状态；在&履时，即 5，特性在第 二象限，电磁转矩T为负值，表现为制动性转矩，电磁功率又也是 负值，电动机工作在电动发电运行状态；在日1时，即 5,特性 在第四象限，了0，电动机工作在制动运行状态。2.机械特性曲线的分析
6、：下面分析图5.5机械特性中的几个特点：（1）同步转速点龙：其特点是 咋叫r=o_4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）额定运行点吕：其特点是电磁转矩和转速均为额定值，用耳和 明表示，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，称为最 大转矩，对应的转差率用，称为临界转差率。把式（5.5）中的T竺7对占求导，并令甚 ，即可得到最大转矩兀和临界转差率矗为34瓦/1 土 尸+g +对）勺（5.6）（5.7）式中， + ”号适用于电动机状态，“一”号适用于发电机状态。通常情况下，
7、土 的绝对值大于4的数值，但是异步电动机的T型 等值电路疽不超过（勺+弋尸的5%，则式（5.6）和（5.7）中可以忽 略尸1的影响，则有IL=g粗列1侦1 + K揆(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）最大电磁转矩豪与电压叫平方成正比，与漏电抗皿+尤）成反比。 这说明改变耳和（列+*），可改变咒的大小；2）临界转差率嘉与电阻W成正比，与漏电抗0+技）成反比，与的 大小无关。最大电磁转矩豪与额定电磁转矩以的比值称为最大电磁转矩倍数
8、，又称为过载能力或过载倍数，用为表示，即儿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，三相异步电动机的儿=1.62.2，起重、冶金、机械 专用的三相异步电动机的人=2.22.8。（4）起动点口：其特点是对应的转速用=0，m = 1,对应的转矩写称 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）中的目=1，即有T哭曰七罚囱+尸+ 3/腭）勺（5.9）通过式（5.9）可以得出下列结论：K与电压耳平方成正比
9、，与电阻 以或漏电抗（舟+名）成反比。这说明电阻或漏电抗越大，起动转矩越 小；电源电压既过低，会引起起动转矩明显下降，甚至使乌， 而造成电机不能起动。起动转矩食与额定转矩环的比值称为转矩倍数，用史表示，即乙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。只有史1时，异步电动机 才能在额定负载下起动。一般情况下，么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，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乙=1.02.0；起重、冶金、 机械专用的鼠笼式电动机的人胃=2.84.0。5.1.3机械特性的实用
10、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（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I? _ 2成孔+也十（十就M乱S +苛冒+33 +材尸（5.10）由式（5.5）得由式（5.11 ）代入式（5.10 ）得Y二 小序3(5.12)式中七勺制M。对于三相异步电动机，其孔=0.10.2范围内。上式中显然对任何日值，都有 + 2弓 &（5.13）而半2命2,可忽略。则式（5.13）可简化为7 _2(5.
11、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4和临界转差率孔，才能 求出T。下面介绍L和*的求法。已知三相异步电动机的铭牌数据中额定功率乌（），额定转速财 （尸fgi）和过载倍数L，则额定输出转矩为琮=9550拉（N 明额定转差率为L色忽略空载转矩，近似认为W二以，（当&二粉时），且二，代入 式（5.14）得As瑶 鱼|由上式可得Sm -&航花+蓦二0解之得嘉二* （A； - J刀匕T）因孔f 故上式应取+”号，则算出豪和孔，只需给出占值，就可算出相应的T值。例5.1已知一台三相异步电动机，额定频率乌= 150Hf,额定电压380 V
12、,额定转速，5 = 1460乃面，过载倍数4=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1501460最大转矩为乌=7= 2.4x5S1.2 = 2355(-)根据额定转速 勺r = 1460 r/min，可判断出同步转速勺= 150点min，则额定转差率为临界转差率为转子不串电阻的实用表达式为（2）电机开始起动时，占=1, T=4代入实用表达式得因为Kv瑶，故电动机不能拖动额定负载起动。3. 实用表达式的简化 在0占孔的直线段，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（
13、财=0.010.05），可认为实用公式中忽略5、也是可以的。则实用表达式（5.14 ）变成为经过以上简化，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，祯可按下式计算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
14、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龙，额定运行点占，最大转矩点r和起动点日这几个特殊点，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，乌r =60止职，如用= 750声min , fi =50法，& =2.5，试绘出电动机的固有机械特性。解：(1)同步转速点： s=0 时，5 = 750 Hrnh， T=0(2)额定运行点：750750-7250.0
15、337 = 9550 = 9550 X = 790（2/.幌）万725(3) 最大转矩点C： （4）矗=，皿 + 底顼=0.033（2.5+ 归匚i） = 0.160乌 S 2.5290 = 1975（M 洗）(4)起动点D : 将，=1时代入公式得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0.5UO.SUH5o.suy;. o.suHo 0.25Ta O.MTa T? Ta图5.T三相异步电动机定子降压的云为机槌特性T =
16、 最大转矩公式花 编泌土升+小；+（勺+尸起动转矩公IT =乔疗出式&岛+四项+g+芯尸下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既，则勺不变，褊不变， 豪和孔与E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所示为叫=0.8 %，叫= 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。且和豪 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& （要求三相串接
17、 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，勺不变，入不变，孔随R的增大而增大，7开 始随占的增大而增大，当R增大到某一占时，卫=豪。如果占再 继续增大，则食开始减小。筐5.弓统蜜式异步电动机的转子回路击接电阻绕线式三相异步电动机的转子回路串接电阻后，电阻赤越大，其线性 段的特性越软。（3）定子回路串接对称电抗席或电阻赤时的人为机械特性。三相异步电动机的定子回路串接对称电抗占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，勺不变，4、和孔随/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&时的人为机械特性。5.1.5稳定运行问题电
18、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 心的配合。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空式竺 竺 竺dn 必或ds ds即电动机拖动继续负载稳定运行时，电磁转矩和负载转矩L，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（出）中对于电动机机械特性的 线性段是能正常运行的。因为，由于某种原因（如突加负载）使 负载转矩突然增大了，如从以增大到，异步电动机的转速税要降 低，随着转速理的降低，异步电动机的电磁转矩反而增大了，为4, 可见电动机能稳定运行于吕点，只是转速比先前降低了些，当负载转 矩恢复正常时，电动机仍能工作在龙点。对于图5.
19、10G）中的非线 性段（轮段），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，为乌，导致转速进一步下降，随着转 速吊的降低，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。三相异步电动机谴定运行角析 1异步电动机的机械特性 恒转拒负载特性幽 三相异步电动机萄定运行点1 异圻电动机的恃性7一一恒转矩负莪脖性3值功率血载特性4,5泵类负哉特性图5.10 三相异步电动机的稳定运行问题由图5.10（ & ）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（庭段），各种负载转矩特 性的交点（龙，3，C）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（尹Q段），只有泵类负载与机械特性的交点。，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（户口段）为不稳定运行区。
