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1、交流电机电力拖动的运行状态,8.1三相异步电机的机械特性8.2固有机械特性和人为机械特性8.3电力拖动中异步电机的运行状态,8.1三相异步电机的机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩Tem与转速n（或转差率s）之间的函数关系Tem=f（n）或Tem=f（s）。通常把Tem=f（s）称为T-s曲线。,1.电磁转矩的物理表达式Tem=CTmI2cos2式中的I2、cos2均随s变化，使Tem值不易确定。,机械特性的表达式,由空载到负载时，由于电压恒定，所以认为m基本不变。,而：,机械特性的物理表达式,（一）与 的关系,电机的气隙磁通为：,借助T型等效电路
2、可知：,则：,由于,其有效值为：,上式变为：,将其代入气隙磁通的表达式，并定义,由分析可知：当 恒定，从空载到负载，转差率s很小，且变化不大，相比来说很大，可将 忽略。,上式可变为：,可见，当s=1时，比在额定状态下运行时减小一半。,（二）与 的关系,观察上图可得：,考虑到：,则：,在s 很小时，随着s值的增大，上式中漏抗值增大，增大减缓，若s值很大，则 基本不变。,（三）与 的关系,定性总结异步电动机的机械特性的特点,可见，当s从0变化到1的过程中，T必将出现一个最大值。,2.机械特性的参数表达式 电磁转矩可用下式计算：,（8-1）,（8-2）,根据异步电动机的简化等效电路，可得,将式（8-
3、2）代入式（8-1）得,（8-3）,这就是三相异步电动机的机械特性参数表达式。,图 8-1三相异步电动机的T-s曲线,固定U1、f1时，可以将Tem=f（s）之间的关系画成曲线，称为T-s曲线。,1）T-s曲线分析（1）额定工作点B。n=nN，s=sN，Tem=TemN，I1=I1N。,（8-4）,（2）启动点A。启动点A的转速n=0，转差率s=1，启动电流为Ist，Ist=（57）I1N，对应的电磁转矩为Tst=Tem，Tst称为启动转矩。异步电动机的启动转矩公式为,（3）同步转速点H。H点的特点是n=n1（s=0），电磁转矩Tem=0，转子电流I2=0，定子电流I1=I10。,（4）最大转
4、矩点P。最大转矩点P对应的电磁转矩为异步电动机电磁转矩的最大值Tm，称为最大转矩。最大转矩Tm对应的转差率sm称为临界转差率。,（8-6）,通常，异步电动机应有一定的过载能力。过载能力可以用转矩过载系数KT表示，即,（8-8）,2）异步电动机在三个不同象限的运行,（2）象限：电机转速nn1、转差率s0，电磁转矩Tem为负值，转速为正，此时，电动机处于发电运行状态，也是一种制动状态。,（3）象限：电机转速n1，电磁转矩Tem为正，电动机运行于制动状态。,（1）象限：电机转速在 0nn1、转差率在0s1的范围内，电磁转矩Tem为正值，电动机处于电动运行状态。,正向电动状态,再生发电制动状态,反向电
5、动状态,制动状态,机械特性的实用表达式 1.实用公式,（8-11）,将 带入上式，得,（8-13）,式中，其中sm在0.10.2的范围内，因此有，而当 时，对于式（8-13），可忽略。这样，,（8-14）,上式为三相异步电动机的机械特性实用公式。,2.实用公式的应用1）Tm和sm的计算Tm=KTTN（8-15）,（8-16）,2）实用公式应用中需注意的问题已知机械特性上任一已知点的Tem和s代入式（8-14），由方程,变形为,解：1）利用参数表达式计算,同步转速：,额定转差率：,临界转差率：,机械特性的参数表达式,在上式中，根据不同s值计算电磁转矩T，列成表,表6-1 固有机械特性计算数据,根
6、据计算数据绘制固有机械特性如下图：,对于电动机的起动性能很重要。,下图为实际的笼型异步电动机的固有机械特性,总结：,1）实际电动机在s=1时，定、转子电流较大，引起漏磁路的铁心出现饱和，漏抗 增大；此外由于导条的挤流效应，使转子电阻 增大，而我们的计算是按照额定状态下的值进行的，所以会引起较大误差。,2）在电机中的高次谐波磁场以及由于定、转子间气隙不均匀引起的齿谐波，与转子电流相互作用产生寄生转矩，导致机械特性变形。,【例8-1】一台三相绕线式异步电动机，已知额定功率PN=150 kW，额定电压U1N=380 V，额定频率f1=50 Hz，额定转速nN=1460 r/min，过载倍数KT=2.
7、3。求电动机的转差率s=0.02时的电磁转矩及拖动恒转矩负载860 Nm时电动机的转速。,解：根据额定转速nN的大小可以判断出旋转磁场的转速n1=1500 r/min，则额定转差率为,临界转差率为,当s=0.02时的电磁转矩为,额定转矩为,设电磁转矩为860 Nm时的转差率为s，由实用公式得,代入数据得,解得s1=0.0234，s2=0.596（舍去）。,电机转速为 n=（1s）n1=（10.0234）1500=1465 r/min,8.2固有机械特性和人为机械特性 固有机械特性三相异步电动机在额定电压、额定频率不变，定子、转子回路不接入任何电路元件条件下的机械特性称为固有机械特性。,人为机械
8、特性人为地改变异步电机的电源电压U1，电源频率f1，定子极对数p，定子回路的电阻R1、电抗X1，转子回路的电阻R2、电抗X2等参数中的一个或两个，得到不同的人为机械特性。,1.改变定子电压的人为机械特性一般情况下，改变定子电压U1的大小指的是降低定子电压。其特点是：,图 8-2改变定子电压的人为机械特性,（1）异步电机的同步转速n1的大小不会改变。,（2）不同电压U1的人为机械特性的异步电机的临界转差率sm相同。,（3）异步电机的电磁转矩。最大转矩 以及启动转矩 都要随 的降低而按 的规律减小。,特点：,2.定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性在定子回路内串入三相对称电阻Rf，不影响同步转速
9、n1，但是，电磁转矩Tem、启动转矩Tst、最大电磁转矩Tm和临界转差率sm都随着定子回路电阻值的增大而减小。,图 8-3定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性,图 8-4定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性,3.定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性在定子回路内串入三相对称电抗Xc，同步转速n1不变，但是，Tst、Tm和sm都减小，这种情况一般用于笼型异步电动机的降压启动。,4.转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性绕线式三相异步电动机的转子绕组串接三相对称电阻。n1不变，Tm不变。对于绕线转子异步电动机，转子回路串入三相对称电阻相当于增加绕组每相电阻值。,对于上式中：其余参数保持不变，若
10、要在外串电阻的情况下保持电磁转矩不变，只有保证：,说明：当转子回路串入附加电阻后，若要保持电磁转矩不变，则串入附加电阻后电动机的转差率将与转子回路中的电阻成正比的增加，这一规律称为三相异步电动机转差率的比例推移。,当转子绕组为星接时：,对应于最大转矩时,否则：,图 8-5转子回路串接三相对称电阻的人为机械特性,比例推移关系,例：一台绕线转子异步电动机的技术数据为：,最大转矩倍数：,1）为使起动初始瞬间电动机产生的电磁转矩为最大转矩，求转子回路每相应串入的电阻值。,解：,额定转差率：,转子绕组每相电阻：,固有机械特性的临界转差率：,在起动初始瞬间，根据比例推移，转子每相应串电阻值为：,2）电动机
11、拖动恒转矩负载，要求电动机的转速为。求转子回路每相应串入的电阻值。,人为机械特性的临界转差率,转子回路每相外串电阻,方法二,时在固有机械特性上，此时,在公式,中,转子回路串入电阻后人为机械特性上的转差率,应用比例推移法求得每相应串电阻,8.3电力拖动中异步电机的运行状态（1）当电磁转矩Tem与转速n的方向相同时，电动机运行于电动状态。,（2）当电磁转矩Tem与转速n的方向相反时，电动机运行于制动状态。根据Tem与n的不同情况，电动机制动运行状态又分成了回馈制动、反接制动、倒拉反转和能耗制动。,电动运行三相异步电动机在第象限和第象限运行时为电动状态。,图 8-6三相异步电动机的机械特性,1.能耗
12、制动(1)制动原理 制动前 S1 合上，S2 断开，电机为电动状态。制动时 S1 断开，S2 合上。定子:U I1 转子:n E2 I2 电机进入制动状态。,n,T,能耗制动运行,能耗制动时，励磁电流If在A、B两相绕组中产生空间固定磁动势FA和FB，其合成磁动势Ff是一个不旋转的空间固定磁动势。,图 8-8异步电动机定子通入直流时的磁动势,图 8-9异步电动机能耗制动时制动力产生原理,2.能耗制动的机械特性1）定子电流的等效单相绕组产生磁动势幅值计算式 可得FA及FB分别为,（8-21）,由FA和FB的矢量和Ff为,为了分析方便，常用一个三相绕组产生的合成磁动势F1等效A、B两相绕组的合成磁
13、动势Ff，即Ff=F1，则有,（8-22）,等效三相对称定子电流,2）转差率及各电流间的关系磁动势F1与转子相对转速为n，能耗制动时的转差率用表示，有,（8-23）,（8-25）,图 8-10能耗制动时的电流关系,能耗制动时异步电机、之间的相量关系如图所示。,由相量图可见，各电流值之间有如下关系：,（8-26）,3）能耗制动的机械特性,（8-29）,能耗制动时，上述机械特性方程式是用等效的定子电流I1来表示的。,能耗制动运行时的最大转矩TmT及相应的转差率m分别为,（8-30）,用式（8-30）去除式（8-29），可得到能耗制动机械特性的实用公式为,（8-31）,(2)能耗制动时的机械特性,特
14、点：因T 与 n 方向相反，nT 曲线在第二、四象限。因 n=0 时，T=0，nT 曲线过原点。制动电流增大时，制动转矩也增大；产生最大转矩的转速不变。,I1,I1,(1)能耗制动过程 准确停车,制动原理 制动前：特性 1。制动时：特性 2。,原点 O(n=0，T=0)，,a,b,(T0，制动开始),制动过程结束。,制动效果 R,I1 T,制动快。,制动时的功率 定子输入：P1=0，,轴上输出：P2=T0。,动能 P2,转子电路的电能,pCu2消耗掉。,3.能耗制动的应用,(2)能耗制动运行 下放重物（位能性负载）,a,(T0，制动开始),b,c,c 点(T=TL),制动运行状态,以速度 nc
15、 稳定下放重物。制动效果：由制动回路的电阻决定。,2.反接制动,(1)定子反相的反接制动,迅速停车,制动前的电路,制动时的电路,制动原理,图 8-13三相绕线式异步电动机的反接制动运行原理（a）接线原理图；（b）机械特性,制动前：正向电动状态。,制动时：改变定子相序，n1变向。,b,即：s 1(第二象限)。同时：E2s、I2 反向，,T 反向。,a,c,制动结束。到 c 点时，若未切断电源，电动机 将可能反向起动。,d,210,取决于 Rb 的大小。,制动效果,制动时的功率,0,pCu2=m1I22(R2Rb)=PemPm=Pem|Pm|,0,Pm=(1s)Pem,三相电能,电磁功率Pem,转
16、子,机械功率Pm,定子,转子电阻消耗掉,【例8-2】一台三相绕线式异步电动机，PN=22 kW，nN=723 r/min，E2N=197 V，I2N=70.5 A，KT=3，电机运行在固有机械特性曲线的额定工作点上。现采用电源反接制动，要求制动开始时的制动转矩为2TN，求制动时转子每相串入的电阻值Rc。,解：异步电机额定转差率为,转子绕组每相电阻为,根据实用转矩公式计算反接制动机械特性的临界转差率sm。将sm、sB、Tem=2TN代入实用转矩公式，得,固有机械特性的临界转差率为,反接制动机械特性上开始制动时的转差率为,根据可知，当R1、X1、X2 不变时，临界转差率与转子回路电阻成正比，故有,
17、解得,即：,将sm1和sm2分别代入上式，解得：根据计算结果，电机分别串入Rc1=1.369、Rc2=0.150 的电阻时，均能满足题意要求，不同的串接电阻对应不同的反接制动特性曲线，如图8-14中曲线2、3所示。,图 8-14例题8-2图,(2)转子反向的反接制动,下放重物,b,c,a,d,制动原理 定子相序不变，转子 电路串对称电阻 Rb。,d 点(nd0，Td=TL),制动运 行状态,制动效果 改变 Rb 的大小，改变特性 2 的斜率，,改变 nd。,低速提 升重物,制动时的功率,第四象限：,1(n0),0,pCu2=m1I22(R2Rb)=PemPm=Pem|Pm|,0,Pm=(1s)
18、Pem,定子输入电功率,轴上输入机械功率（位能负载的位能）,电功率与机械功率均 消耗在转子电路中。,特点：|n|n1|，s0。电机处于发电机状态。(1)调速过程中的回馈制动,3.回馈制动,0(nn1)0 定子发出电功率，向电源回馈电能。0 轴上输入机械功率(系统减小的动能)。pCu2=PemPm|Pem|=|Pm|pCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,制动时的功率,第二象限：,Pm=(1s)Pem,(2)下放重物时的回馈制动（位能性负载）,b,a,c,正向电动,反接制动,d,回馈制动,反向电动,0(nn1)0 定子发出电功率，向电源回馈电能。0 轴上输入机械功率(位能负载的位能)。
19、pCu2=PemPm|Pem|=|Pm|pCu2 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。,制动时的功率,第四象限：,Pm=(1s)Pem,制动效果,Rb 下放速度。为了避免危险的高速，一般不串联 Rb。,忽略励磁电流I0，定子电流有功分量I1a=I2a0，则异步电机输入功率有P1=3U1I1cos1=3U1I1a0（8-38）,3.回馈制动时异步电机的发电问题在回馈制动时，s0，异步电机的电磁功率由转子输送到定子，转子电流的有功分量为：,（8-37）,由电机向电网流动,（8-39）,转子电流的无功分量为,可见，回馈制动时异步电机还必须从电网吸取无功电流来励磁。,根据以上分析可知，当异步电机与电
20、网连接时，可以从电网吸取无功电流而运行在发电机状态。,图 8-18异步发电机发电原理接线图,如果要求电机不从电网吸收无功而完成发电，则必须在定子绕组上并接一组或Y连接的三相电容器组C，这样异步发电机所需的无功功率可由电容器组提供。,异步发电机的电压建立过程与并励直流发电机相似。,1）当原动机带动异步电机以高于同步转速的速度旋转时，定子绕组的导体切割转子剩磁而感应一个较小的电势，这个电势加在电容器组上引起一个超前电流；,2）这个电流又在定子绕组产生磁场而使电机磁场加强，从而进一步加强了定子电势和电流。,3）如果电容选得合适，则发电机可以自励达到额定空载电压。,若不能自励，则可能是由于原动机转速低
21、、发电机无剩磁、电容器损坏或电容量太小等原因造成的。,本节分析了三相异步电动机的电动运行及能耗制动、反接制动、倒拉反转、回馈制动等在四个象限的各种运行状态。这些运行状态是由电机正相序电源、反向序电源和能耗制动时的直流电源三种连接方式、不同的负载形式和控制方式所决定的。,第象限是正相序电源连接的正向电动机械特性；第象限是正向回馈制动、能耗制动和反接制动过程；第象限是反相序电源连接的反向电动机械特性；第象限有位能性负载，三种电源连接方式都可以稳定运行。,（1）提升重物时，要求有低速、高速两挡，高速时转速nA为工作在固有机械特性上的额定转速，低速时转速nB=0.25nA，工作在转子回路串电阻的特性上
22、。求两挡转速各为多少？转速为nB时转子回路应串入多大电阻？,【例8-3】某起重机吊钩由一台绕线式三相异步电动机拖动，电动机额定数据为：PN=40 kW，nN=1464 r/min，KT=2.2，R2=0.06，提升重物TL1=261 Nm，下放重物TL2=208 Nm。,（2）下放重物时，要求有低速、高速两挡，且高速时转速nC为工作在负序电源的固有机械特性上的转速，低速时转速nD=nB，仍然工作于转子回路串电阻的特性上。求两挡转速各为多少？转速为nD时转子应串入多大电阻？（3）说明电动机运行在哪种状态。,解：为了计算方便，先画出该电动机运行时相应的机械特性，如图8-19所示。点A、B是提升重物
23、时的两个工作点，点C、D是下放重物时的两个工作点。,图 8-19例8-3中电动机的机械特性,首先计算固有机械特性的有关参数。额定转差率为临界转差率为额定转矩为,（1）提升重物时负载转矩为TL1=TN=261 Nm在TL1=TN时的转速为 nA=nN=1464 r/min计算转速为nB时转子每相串入电阻RcB。转速nB为nB=0.25nA=0.25nN=0.251464=366 r/min转速nB时的转差率为,过B点的机械特性的临界转差率为 注意，A、B两点的负载转矩相同，串电阻时最大转矩不变。低速时每相串入电阻为,（2）下放重物时负载转矩为TL2=208=0.8TNNm对于反相序，当负载转矩为
24、0.8TN时的转差率为代入数据得,变形得 0.8s24.40.1s+0.80.12=0解得s1=0.0188，s2=0.5312（s2不合题意，舍去）由于高速时下放重物处于反向能量回馈状态，因此其转速为nC=n1（1+s）=1500（1+0.0188）=1528.2 r/min低速时下放重物处于转子串电阻的倒拉制动状态，其转速为nD=nB=366 r/min,对应转差率为此时负载转矩为TL2=0.8TN，过D点机械特性的临界转差率为,注意上面计算，如果负载转矩TL为常数，则改变转子电阻调速时为常数，即sms。每相串入电阻值RC为,1）要求制动开始时电动机的电磁转矩为，求转子每相应串入的电阻值。
25、,2）电动机反转后的稳定转速是多少？,解：,额定转差率：,转子绕组电阻：,固有机械特性上的临界转差率,在固有机械特性上 时的转差率,在反接制动机械特性上开始制动时的转差率,反接制动机械特性的临界转差率,根据比例推移求出转子每相外串电阻,2）电动机反转后的稳定转速是多少？,反转后稳定运行的转差率,反转后的稳定运行的转速,例题：绕线转子异步电动机的数据同上例，该电动机拖动起重机提升机构。下放重物时，电动机的负载转矩，电动机的转速，求转子每相应串入的电阻值。,解：已知,根据比例推移求出转子每相外串电阻,（1）参数表达式：参数表达式直接反映了异步电动机的转矩与一些参数间的关系。由此可以得到Tm、sm与
26、电机参数的关系表达式，适用于分析电动机参数改变时对电动机性能的影响。,小结本章研究了三相异步电动机的机械特性、机械特性的计算。本章首先导出了异步电动机机械特性的两种工程计算时常用的表达式：,（2）实用表达式：实用表达式在电力拖动中的应用最为广泛。按产品目录给出的参数求出Tm及sm后，即可用实用表达式绘制机械特性，特别适用于给定异步电机在不同负载形式下的运行状态分析，如计算转速和转矩。,异步电动机的固有机械特性是指不改变异步电机的任何额定值和基本参数时的机械特性。,为了适应对不同负载的拖动需要，异步电机需要采用降低定子电压、定子回路串接电阻、定子回路串接电抗以及转子回路串接电阻等方法来人为地改变
27、固有机械特性。人为改变后的机械特性称为异步电机的人为机械特性。,（1）电动状态。异步电机在电动状态下从电网取得能量，并转换为机械能，由转子输出。（2）制动状态。制动状态就是使电磁转矩的方向与电动机的转子旋转方向相反。异步电动机的制动方法有三种：,为了适应对不同负载的拖动需要，异步电机必须运行在不同的状态，它们是：,能耗制动。能耗制动是指将定子绕组的交流电源切除并加入直流电源，即将旋转磁场变成静止磁场，改变转子绕组感应电动势的方向，电磁转矩方向改变，起制动作用。,反接制动。反接制动是指将异步电机的三相电源中的两相突然反接（调换），使异步电机的旋转磁场方向改变，电磁转矩方向改变，起制动作用。反接制动的特点是s1，转子输出的机械功率P2=Pem（1s）0。此时，电动机从生产机械吸取机械能而转变为电能，同时还从电网吸收电能，这些能量一起消耗在转子电阻中。,倒拉反转制动。倒拉反转制动是指异步电机的转子转速反向，而旋转磁场转向不变，此时，异步电机的电磁转矩和转向相反，起制动作用。,倒拉反转制动与反接制动有相同的转差率、功率和特性。,回馈制动。回馈制动时，虽然电动机的旋转磁场与转子转向相同，但其转速高于同步转速（旋转磁场转速），即s0，转子电流的有功分量小于0，在制动过程中将电能回馈电网，既简单又经济，可靠性高。,
