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1、第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运行状态,本次课程内容和教学要求,内容：三相异步电动机固有和人为机械特性。要求：掌握机械特性各种表达式和适用场合。,第一节 三相异步电动机机械特性的三种表达式,三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转矩与转差率的关系，即n=(T)或T=(s)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。,一、机械特性物理表达式,电磁转矩为：,物理表达式反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通m以及转子电流有功分量I2cos2 之间的关系，此表达式一般用来定性
2、分析在不同运行状态下转矩的大小和性质。,说明：,为异步机的转矩系数；为转子电流折算值；为转子功率因数。,二、参数表达式,由物理表达式、功率关系、简化等值电路可推出参数表达式：,参数表达式说明，异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。,在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转速n之间的关系可用曲线表示。机械特性曲线：,最大转矩Tm,最大转矩：两式中“+”为电动状态（特性在第象限）；“-”为制动状态（特性在第象限）。,最大转矩对应的临界转差率为：,最大转矩近似表达式：,通常情况下，可忽略R1，则有：最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其
3、值大小反映电动机过载能力，用KT表示，即：一般异步电动机过载倍数KT=1.83.0，特殊三相异步电动机KT可达3.5。,起动转矩Tst,起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用Kst表示，则有：一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.81.2TN，可看出只有Kst1的笼型异步电动机才能带额定负载启动。,分析：Tm近似与定、转子漏电抗之和成反比。Tm与转子电阻R2无关。最大转矩Tm与电压U1的平方成正比。临界转差率sm与R2成正比，与定、转子漏电抗之和成反比，与电压U1无关。,
4、简易记法：,三、实用表达式 由于在产品手册中查不到电动机内部参数，因此可用实用表达式求的电动机特性。,过载能力倍数：，Tmax及sm可由产品手册查的。由于s/sm sm/s，工程上经常简化为 使用。,第二节 三相异步电动机的固有机械特性 和人为机械特性一、固有机械特性,异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n=（T）或T=（s）曲线。对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。,特性上的各特殊点：,(1)同步转速点A：在该点：n=ns，s=0，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I
5、0，电动机处于空载状态。(2)额定运行点B：在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。,(3)临界点C：在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。(4)起动点D：在该点处：n=0，s=1，T=Tst，I=Ist。,二、人为机械特性,异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻R1和电抗X1、转子回路电阻R2和电抗X2，都可得到不同的人为机械特性。1.降低定子电压U 在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U的大
6、小，可得改变定子电压的人为机械特性。,降电压人为机械特性曲线：,可看出TmU12；TstU12；而ns和sm与电压无关。,分析：定子电压U下降后，电动机的起动转矩和最大转矩都明显降低，电动机转速 n下降，转差率s增大，转子阻抗角 增大，则转子功率因数下降。,2.转子电路串联对称电阻,由公式可知：smR2；一开始TstR2；而ns和 Tm与R2无关。,分析:,当转子电阻R2增大时，同步转速ns和临界转矩Tm不变，但临界转差率sm变大，起动转矩Tst随转子电阻R2增大而增大，直至Tst=Tm。当转子电阻R2再增大时，起动转矩Tst反而减小。转子串入对称三相电阻的方法应用于绕线式异步电动机的起动和调
7、速。,3.定子电路串联对称电抗,如果定子回路串入对称的电抗，同步转速ns仍不变，但最大转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst也都变小。这种方法可实际应用于鼠笼式异步电动机的起动，以限制起动电流。,4.定子回路串联对称电阻,当定子电阻Rf增大时，同步转速ns不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小。,转子电路接入并联阻抗,第三节 三相异步电动机的各种运行状态,一、电动运行状态 T与n方向一致，nns，0s1，T为拖动转矩，特性在第、象限。二、制动运行状态 制动分为反接制动，能耗制动，回馈制动(再生发电制动)。,1、回馈制动状态(再生发电制动)制动原理：电动机拖动位能性负载，当
8、电动机产生的电磁转矩T与负载转矩 TZ同方向时，使转速n，即n nS，电动机工作在发电状态，向电网返回能量。工作特点：由电网向电机输入无功功率，建立磁场，电动机向电网输送有功功率。适用于位能性负载下放重物。,2、反接制动状态 反接制动分为转子反转的反接制动和定子两相反接的反接制动。1)转速反向的反接制动 异步电动机带位能性负载时，如果在转子绕组中串入足够大的电阻Rf，sm1,TstTz,转子将反转，进入反接制动状态。,2、定子两相反接的反接制动 定子两相反接的反接制动又称电源反接制动。（1）方法：将定子绕组其中二相出线端对调，同时在转子绕组内串入对称电阻R。（2）原理：相序调换后，旋转磁场反向
9、，则与转子转向相反，故产生制动转矩。,分析：反接瞬间：ns-ns,n由于惯性来不及变化。这时s较大sE2较大I2很大。为限制转子电流，要在转子回路中串联制动电阻(R)。如果进行反接制动停车，则必须在转速降到n 0时切断电源，否则电动机将会反向起动。三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，为了迅速改变转向，提高生产率，经常采用反接制动停车接着反向起动的方法。,3、能耗制动状态,(1)方法：将正在运行的三相异步电动机定子绕组断开三相交流电源，同时在定子两相绕组内通入直流电流。电动运行状态时，K1闭合，能耗制动时断开K1，K2闭合。,(2)制动原理
10、：当定子绕组通入直流电时，定子产生恒定磁场。转子由于惯性仍然旋转。转子导体切割磁场产生的感应电流的方向与电动状态时相反，使电动机产生的电磁转矩与电动状态时相反，故为制动状态。当转速n=0时，T=0，从而能准确停车。,(4)特点：机械特性过原点，即n=0时T=0。能迅速、准确停车。,(3)能耗制动时的机械特性：,第十一章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算,内容：三相异步电动机的起动。要求：熟悉起动的基本要求，掌握绕线式和鼠笼电动机起动方式。,第一节 三相异步电动机的起动方法一、鼠笼异步电动机的起动方法,起动要求：（1）能产生足够大的起动转矩Tst，使电动机顺利地转动起来。（2）起动电流Ist
11、不要太大，避免起动时大电流在电网上产生较大的压降而影响接在电网上的其它电气设备和电动机的正常运行。（3）起动的经济性：包括设备简单和低起动损耗等。如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动电流大，而起动转矩并不大，这时的功率因数低。,三相异步电动机的转矩及电流特性：,一般普通鼠笼式异步电动机：,1、直接起动 将定子三相绕组直接接在三相电源上起动，称为直接起动。一般7.5kW以下的小容量鼠笼异步电动机都可以直接起动。如果变压器容量足够大，直接起动的电动机容量还可相应增大，一般按经验公式核定：式中：kI为起动电流倍数；I1st为电动机的起动电流；I1N为电动机的额定电流；SN为电源变压器总容量；
12、PN为电动机的额定功率。,例：有一台要求经常启动的鼠笼式异步电动机，其 PN=20kW,Ist/IN=6.5，如果供电变压器（电源）容量为560kVA，且有照明负载，问可否直接启动？同样的Ist/IN 比值，功率为多大的电动机则不允许直接启动？,解：根据经验公式算出,满足上述关系，故允许直接启动。,可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。,说明：,起动电流大，对电动机本身无太大影响（因为是短时的，且现代设计的鼠笼电机都按直接起动电磁力和发热来考虑机械强度和热稳定的），主要对电网有影响，如果电源容量较大，可以直接起动。一般7.5千瓦以下容量电动机可以直接起动。注意：容量大小不是绝对的
13、，只要直接起动时起动电流在电网中引起电压降不超过电网额定电压的（1015）%就允许直接起动。如果在额定电压下直接起动三相异步电动机，起动电流大，而起动转矩并不大，这时的功率因数较低。,2、减压起动,1）定子串电阻或电抗的降压起动,说明:,定子回路串电阻或电抗的降压起动方法虽然能降低起动电流，但使起动转矩显著减小。只适用于空载或轻载起动。电抗降压起动通常用于高压电动机，电阻降压起动一般用在低压电动机。降压起动除了限制起动电流，有时以减小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳加速。,2）自耦减压起动,国产自耦变压器其副边一般有三个抽头，常用的自耦变压器有QJ3、QJ2系列，用于较大容量的
14、鼠笼式电动机。QJ2的抽头为：55%64%73%QJ3的抽头为：40%60%80%,说明：,自耦变压器降压起动时,起动电流和起动转矩降低的比值相同，与定子串电阻或电抗的起动方式相比较，在获得同样起动转矩的条件下，这种方法的限流效果好。反之，若在相同的起动电流条件下，可获得比较大起动转矩，故用自耦变压器降压起动的方法能带动不同的负载起动。优点:可根据允许的起动电流和所需的起动转矩任意选择起动电压。缺点：起动设备体积较大，成本高。,3）星三角起动,正常运行时，接成形的鼠笼异步电动机，在起动时接成Y形，起动完毕后再接成形，称为星三角起动。,可看出起动时，相电压降低了 倍，所以起动转矩只有直接起动时的
15、三分之一。星三角起动适用条件：1.只适用于空载或轻载起动。2.只限于正常运行时定子绕组为三角形接线的电机。3.限于在500V以下的低压电机(因高压电机定子出6个端头有困难)。星三角起动的优点：不需要专用设备，价格便宜。星三角起动的缺点：应用时要受一定条件的限制。,4)延边三角形起动,(a)直接启动(b)延边三角形启动,试验证明：当抽头比例1：1时，测得相电压为264V，约为额定电压的70%，Tst为直接起动时的49%。当抽头比例1：2时，测得相电压为290V，约为额定电压的76%，Tst为直接起动时的58%。,可看出，采用延边三角形起动与星三角起动Tst大，能用于带一定负载起动。但由于采用延边
16、三角形启动，定子绕组需专门设计，绕组抽头较多，制造工艺较复杂。,二、三相绕线转子异步机的起动方法,1）转子串联电阻起动 起动时，要限制起动电流Ist，同时希望有较大的起动转矩Tst。现以三级起动为例，即 m=3。分级起动过程：起动时，电动机在串入全部电阻情况下起动，然后逐级切掉起动电阻，一直加速到稳定运行为止，起动过程结束。起动的快速性和平稳性与起动级数m、每级起动转矩Tst的大小有关。转子串联电阻起动的接线原理及特性曲线如下图：,2）转子串联频敏变阻起动,频敏变阻器的结构：频敏变阻器的铁心由厚钢板或铁板迭成，有三相绕组，接成Y形，出线为a、b、c去接转子。,等效电路：,转子回路串入频敏变阻器
17、后，将转子电流分成二个分量。励磁电流(无功分量)，建立磁场。有功分量，产生铁损耗。铁耗电阻RF(等效电阻)和电抗XF均随转子频率而变化。从第一章所学的知识知道，叠片的厚度越大，涡流损耗越大。频率越高，涡流损耗和磁滞损耗越大。转子频率越高电抗Xm越大。,频敏变阻器等效电路,转子回路串入频敏变阻器起动的工作原理：,起动时，n=0，s=1，f2=f1，XFf2和RF f22都增大，且RmXm,所以限制了起动电流，相当于串电阻起动；当nsf2RF相当于连续自动切除电阻。同时f2sXF当n=nN时，f2很小，f2(13)Hz，XF 0，故起动完毕，阻抗器被自动切除。,从以上分析可知，频敏变阻器是一种无触
18、点的变阻器。它结构简单，并且因没有触点和易磨损元件，寿命长，使用和维护方便，有较好的起动特性。,3）软起动 1.斜坡电压软启动：2.恒流软启动：,3.变频起动：,第二节 改善起动性能的三相异步电动机一、深槽异步电动机结构特点：槽深h，槽宽b，hb，即h=(1012)b与普通笼型异步电动机相比，这种电机的主要结构特点是转子槽形窄而深，转子导体或是整根的铜条或是铝熔液浇铸而成。,分析：若假想沿槽高把转子导体分成若干并联小导条，它们两端为端环短接，其电压相等，则各小导条中的电流将按其阻抗的反比例来分配。由上图(a)可见槽底部磁路短、磁阻小，所以导条交链的漏磁通多，则底部漏抗大。槽顶部导条链的漏磁通少
19、，则顶部漏抗小。由于槽很深，则槽底与槽顶漏抗相差甚远，且X2f2。起动时：n=0，s=1，f2=f1，f2较高，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。槽顶部漏抗小，则电流密度大，槽底部漏抗大，则电流密度小。这种把导体中的电流排挤到槽顶部的作用称为集肤效应。,图(b)中电流密度分布，它是自下而上逐渐增大，槽底部导体在流通电流时所起作用很小，就相当于减少了导体截面积，增大了导体电阻，从而减小了起动电流，增大了起动转矩，起动性能得改善。起动成功后，s很小，f2=sf113HZ很小，X2s=sX2 很小，集肤效应消失，电流又均匀分布，导体截面积全部得以利用，使转子电阻自动减小到正常数值，所以正常运行时效
20、率不低。特性曲线：曲线1为普通异步电动机；曲线2为深槽异步电动机。,优点：起动时转子电阻加大，改善了起动性能，而运行时为正常值，转子电阻仍然较小，不致于影响电动机的运行效率。缺点：转子槽的漏抗较大，功率因数稍低，最大转矩倍数稍小，它的起动性能是靠着降低了一些工作性能而得到改善的。它的体积也比普通异步电动机稍大。,二、双笼型异步电动机,结构特点：电动机转子上有两套笼型绕组。下笼：导体截面大，用电阻系数较小的紫铜制成，电阻较小。上笼：导体截面小，用电阻系数较大的黄铜制成，电阻较大。,工作原理：上笼交链的漏磁通少，所以电抗小，而下笼的漏磁通多，故漏电抗大。起动时：n=0，s=1，f2=sf1=f1，
21、f2较高，则sX2 较大，槽内电流的分布主要取决于漏抗的大小。由于下笼漏电抗大，不利于电流流过，所以电流主要通过上笼，而上笼本身电阻大，起动时，电流减小，转矩增大，故上笼又称为起动笼。机械特性如图曲线1所示。,起动成功后：s很小，f2 13HZ很小，下笼漏电抗减小，电流分配主要取决于转子电阻R2，上笼电流小，下笼电流大，下笼起主要作用，故又称下笼为运行笼，其机械特性如图曲线2所示。曲线3为曲线1和2的合成曲线，即为双笼异步电动机的机械特性。可见双笼型异步电动机起动转矩较大，具有较好的起动性能。缺点：转子漏抗较大，功率因数稍低，过载能力比普通型异步机低，而且用铜量较多，工艺复杂，价格较高。,说明：由于深槽异步电动机及双笼型异步电动机不需要另外采用起动措施，所以系统可靠性较高，一般用于频繁起动或起动转矩要求较高的生产机械上。,
