三相异步电动机的机械特性和各种运转状态专题培训课件.ppt

三相异步三相异步电动机的电动机的机械特性机械特性和各种运和各种运转状态转状态第一节第一节 三相异步电动机机械特性的三相异步电动机机械特性的三种表达式三种表达式n物理物理表达式表达式n 参数参数表达式表达式 n实用实用表达式表达式一、一、物理物理表达式表达式式中：式中：异步机的转矩系数异步机的转矩系数 异步机每极磁通异步机每极磁通 转子电流有功分量转子电流有功分量电磁转矩电磁转矩异步异步电动电动机的机的T型等效型等效电电路路功率因数（功率角）功率因数（功率角）折算前后保持折算前后保持不变不变当当 n=ns（即（即s=0）时时，。随着。随着n从从ns减小，减小，当当s较较小小时时，可以被忽略，此可以被忽略，此时电时电机呈机呈现较现较强强电电阻特性，功率因数阻特性，功率因数cos较较大。大。最初与最初与s成比例地增成比例地增加，当加，当 s 较较大大时时 相相对变对变小，小，不能被忽略，且不能被忽略，且为为分母的主要部分，分母的主要部分，此时将随着此时将随着 n 的继续减小（即的继续减小（即 s 继续上升），继续上升），增加缓慢。增加缓慢。当当 n=ns（即（即s=0）时时，对于对于 ，随着随着n的逐的逐渐渐下降（即下降（即s的逐的逐渐渐增大），增大），将逐步下降。将逐步下降。异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性当当n由由ns逐逐渐渐减小减小时时，增加增加较较快，快，的数的数值较值较大，使大，使Te值值增加增加较较快。当快。当n=0(s=1)时时，虽虽然然 较较大，但由于大，但由于 较较小，小，使与两者乘使与两者乘积积成正比的成正比的Te值值不不大。大。这样这样，在，在n从零到从零到ns之之间间，转转矩矩Te出出现现一个最大一个最大值值。二、参数表达式二、参数表达式 可得可得则得则得由于异步电动机的电磁功率为由于异步电动机的电磁功率为分子分母同乘以分子分母同乘以（1-s）由于由于空载损耗空载损耗 p0相相对对于于输输出功率出功率P2很小很小，可以忽可以忽虑虑不不计计，即即即得即得由异步电动机的近似等效电路由异步电动机的近似等效电路 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性参数参数表达式异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性线性工作区线性工作区非线性工作区非线性工作区临界转差率临界转差率 使使 ，即可求，即可求得得 最大转矩最大转矩 由于由于最大转矩最大转矩Tmax是异步是异步电动电动机可能机可能产产生的最大生的最大转转矩。如矩。如果果负载转负载转矩矩TzTmax，电动电动机将因承担不了机将因承担不了负载负载而停而停转转。为为此，此，为为了保了保证电动证电动机不会因短机不会因短时过载时过载而停而停转转，电动电动机必机必须须具有一定的具有一定的过载倍数过载倍数KT，他反映了电动机他反映了电动机短时过载的极限短时过载的极限。过载倍数过载倍数l一般异步电动机的一般异步电动机的过载过载倍数倍数KT1.83.0l起重冶金机械用起重冶金机械用电电机机的的过载过载倍数倍数KT可以达到可以达到3.5最大转矩最大转矩起动转矩起动转矩 起动转矩起动转矩 n起动转矩起动转矩Tst是异步电动机接通电源开始起动是异步电动机接通电源开始起动时的电磁转矩。时的电磁转矩。当当Tst Tz时时，电动电动机才能起机才能起动动起来。起来。起动转矩倍数起动转矩倍数 n对笼型异步电动机，对笼型异步电动机，Tst不能用转子电路串联附不能用转子电路串联附加电阻改变，一般在设计手册上会给出加电阻改变，一般在设计手册上会给出起动转起动转矩倍数矩倍数 n对于绕线转子异步电动机，转子电路串联对于绕线转子异步电动机，转子电路串联附附加电阻加电阻，可以改变，可以改变Tst，从而从而改善起改善起动动特性特性。三、三、实用实用表达式表达式由于电机铭牌与产品技术手册中，定子及转子的电气由于电机铭牌与产品技术手册中，定子及转子的电气参数参数R1、X1、R2、X2都是都是查查不到的，因此参数表达不到的，因此参数表达式不方便使用。式不方便使用。为为此此为为了使用方便因推了使用方便因推导较为实导较为实用的用的机械特性表达式机械特性表达式-实用表达式实用表达式n实用实用表达式的推导表达式的推导电机的参数表达式电机的参数表达式忽略忽略 R1 得机械特性的得机械特性的实用表达式实用表达式sm可以通过下式求出可以通过下式求出式中式中 实用实用表达式表达式由于机械特性的实用表达式中的由于机械特性的实用表达式中的临界转差率临界转差率Smax在电机铭牌与产品技术手册中在电机铭牌与产品技术手册中是是查不到查不到的，的，因此因此实实用表达式用表达式还还存在不方便使用的存在不方便使用的问题问题。为为此此还应还应利用已知条件推利用已知条件推导导临界转差率临界转差率Smax。的推导的推导当当s=sN 时时，Te=TN舍弃舍弃当电动机在当电动机在额定负载以下额定负载以下运行时，转差率运行时，转差率s很小，很小，机械特性的实用表达式机械特性的实用表达式中的中的 项可以项可以进一步被忽虑，于是实用表达式可以简化为进一步被忽虑，于是实用表达式可以简化为于是，当于是，当s sN时时，电电磁磁转转矩矩Te与与转转差率差率s成正比。成正比。三相异步电动机三相异步电动机的固有机械特性的固有机械特性工作区工作区非工作区非工作区（通风机负载除外）（通风机负载除外）第二节第二节 三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性与人为机械特性机械特性机械特性l固有机械特性固有机械特性l人为机械特性人为机械特性一、固有机械特性一、固有机械特性 固有机械特性是指异步电动机工作固有机械特性是指异步电动机工作在在额定电压额定电压及及额定频率额定频率下，电动机按规下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）不外接电阻（电抗或电容）时所获得的时所获得的机械特性曲线机械特性曲线。1）起始点）起始点A；2）额定工作点）额定工作点B；3）同步转速点）同步转速点H；4）最大转矩点）最大转矩点P和和P。三相异步电动机三相异步电动机的固有机械特性的固有机械特性工作区工作区非工作区非工作区（通风机负载除外）（通风机负载除外）二、人为机械特性二、人为机械特性u降低降低 u转子电路内串联对称电阻转子电路内串联对称电阻u定子电路串联对称定子电路串联对称电抗电抗u定子电路串联对称定子电路串联对称电阻电阻u转子电路接入并联阻抗转子电路接入并联阻抗 三相异步电动机降低定子三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性相电压时的人为机械特性（一）降低（一）降低 降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时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。缩短，甚至烧坏。UT ssE2 I2 T T=Tz（二）转子电路内串联对称电阻（二）转子电路内串联对称电阻 转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。机的起动，也可用于调速。转子电路内串联对称电转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性阻时的人为机械特性（三）定子电路串联对称电抗（三）定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性时的人为机械特性 定子电路串联对称电抗一般用于笼型定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的降压起动，以异步电动机的降压起动，以限制电动机的起限制电动机的起动电流动电流。定子电路内串联对称电阻时定子电路内串联对称电阻时的人为机械特性的人为机械特性（四）定子电路串联对称电阻（四）定子电路串联对称电阻 与串联对称电抗时相同，定子串联对称与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动。转子电路接入并联阻抗转子电路接入并联阻抗时的电路图和人为机械时的电路图和人为机械特性特性（五）转子电路接入并联阻抗（五）转子电路接入并联阻抗 由于转子电路由于转子电路参数可变参数可变，如果参数配合恰当，如果参数配合恰当，电动机在整个加速过程中产生几乎电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩恒定的转矩，在，在右图上绘出了这样的人为机械特性。右图上绘出了这样的人为机械特性。电抗器电抗器参数参数转子电路接入并联阻抗时转子等效电路转子电路接入并联阻抗时转子等效电路式中，式中，R2、X2为电动机转子绕组的电阻与电抗为电动机转子绕组的电阻与电抗与电抗器与电抗器并联的电阻并联的电阻 R Rstst则可以采用则可以采用 Rst=16R2电抗器电抗器Lst电电阻阻器器电动机转子绕组电动机转子绕组第三节第三节 三相异步电动机的各种运转状态三相异步电动机的各种运转状态 u 电动电动运转状态运转状态 机械特性位于机械特性位于 第第1 1象限、第象限、第3 3象限象限u 制动制动运转状态运转状态异步电动机异步电动机正向正向、反向反向转动转动转矩与转速转矩与转速同方向同方向机械特性位于机械特性位于 第第2 2象限、第象限、第4 4象限象限能耗制动、反接制动、回馈制动能耗制动、反接制动、回馈制动转矩与转速转矩与转速反方向反方向电动状态下异步电电动状态下异步电动机的机械特性动机的机械特性一、电动运转状态一、电动运转状态 电动运转状态的特点是电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋电动机转矩的方向与旋转的方向相同转的方向相同。二、制动运转状态二、制动运转状态 异步电动机可工作于回馈制动，反接制动异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同特点是及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动电动机转矩与转速的方向相反机转矩与转速的方向相反，以实现制动。，以实现制动。u回馈制动回馈制动u反接制动反接制动u能耗制动能耗制动机械特性位于第机械特性位于第2 2象限、第象限、第4 4象限象限（）回馈制动状态）回馈制动状态 当异步电动机由于某种原当异步电动机由于某种原因（例如位能负载的作用因（例如位能负载的作用），），使其使其转速高于同步速度转速高于同步速度 时，时，转子感应电动势反向转子感应电动势反向，转子电转子电流的有功分量也改变了方向流的有功分量也改变了方向，其其无功分量的方向则不变无功分量的方向则不变。此。此时异步电动机既时异步电动机既回馈电能回馈电能，又，又在在轴上产生机械制动转矩轴上产生机械制动转矩，即，即在制动状态下工作。在制动状态下工作。位能负载带动异位能负载带动异步电动机进入回步电动机进入回馈制动状态馈制动状态T TnP2P1Te与与n反反向向s 0异步电动机在回馈制异步电动机在回馈制动时的相量图动时的相量图电机电机回馈制动状态回馈制动状态时的相量图时的相量图电机电机电动状态电动状态时的相量图时的相量图超前超前 角度小于角度小于9090度度 90超前超前 角度小于角度小于9090度度90 180当当 时时 转子电流的有功分量为转子电流的有功分量为 转子电流的无功分量为转子电流的无功分量为 转子感应电动势转子感应电动势sE2反向，反向，sE2 0 0 为为负负，即转矩，即转矩Te与与转转速速方向相反，电机处方向相反，电机处于于制动状态制动状态 如果异步机定子如果异步机定子脱离电网脱离电网，又希望它能发电，则，又希望它能发电，则必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星必须在异步机定子三相之间接上连接成三角形或者星形的三组电容器。这时形的三组电容器。这时电容器组可供给异步电动机发电容器组可供给异步电动机发电所需要的无功功率电所需要的无功功率，即供给建立磁场所需要的励磁，即供给建立磁场所需要的励磁电流。电流。u异步电机的自励发电异步电机的自励发电n在电容器电压允许的条件下，电容器联结成在电容器电压允许的条件下，电容器联结成三角形三角形较为经济较为经济n电容器接成三角形时电容器接成三角形时 n电容器接成星形时电容器接成星形时 流过电容的电流为流过电容的电流为励磁电流励磁电流I0可以试验测得，也可以取可以试验测得，也可以取l自励问题的解决方法自励问题的解决方法空载起动时，若不能自励，则可能是原动机转速低，空载起动时，若不能自励，则可能是原动机转速低，发电机无剩磁、电容损坏或电容容量太小等原因造发电机无剩磁、电容损坏或电容容量太小等原因造成的，这时应采用：成的，这时应采用：1 1、提高原动机转速、提高原动机转速2 2、向定子的一个绕组充磁、向定子的一个绕组充磁3 3、更换新的电容器或增大电容容量、更换新的电容器或增大电容容量关于电压频率关于电压频率f的一点说明的一点说明 由于异步发电机的定子绕组与电容器将由于异步发电机的定子绕组与电容器将组成一个振荡回路，所以电压频率决定于该振组成一个振荡回路，所以电压频率决定于该振荡回路的振荡频率，改变电容的容值可以改变荡回路的振荡频率，改变电容的容值可以改变电压频率。当转速不变时，异步电机的端电压电压频率。当转速不变时，异步电机的端电压和频率将随着负载的增大而降低，而要维持频和频率将随着负载的增大而降低，而要维持频率的不变必须相应地率的不变必须相应地提高电机的转速提高电机的转速或或增加电增加电容器电容值容器电容值，在工程实际中一般采用，在工程实际中一般采用增加电容增加电容器电容值器电容值的方法。的方法。（二）反接制动状态（二）反接制动状态 1转速反向转速反向的反接制动的反接制动 2定子两相反接定子两相反接的的反接反接制动制动 1转速反向的反接制动转速反向的反接制动 异步电动机转速反向反接制动电路图异步电动机转速反向反接制动电路图P2P1p2n转速反向的反接制动时的异步电转速反向的反接制动时的异步电动机特性动机特性转子轴上机械功率为负转子轴上机械功率为负此时的转差率此时的转差率转子由定子输入的电功率即为电磁功率转子由定子输入的电功率即为电磁功率为为正正转子电路的损耗转子电路的损耗 为两者之和，因此能量损耗极大为两者之和，因此能量损耗极大。2定子两相反接的定子两相反接的反接反接制动制动 为了迅速停车为了迅速停车或反向，可将定子或反向，可将定子两相反接，工作点两相反接，工作点由由A转移到转移到B此时此时转差率为转差率为 反接反接制动制动 电动状态电动状态 异步电动机定子两相反接异步电动机定子两相反接的机械特性的机械特性 在两相反接时在两相反接时，电动机的转矩为，电动机的转矩为T，与负载转矩，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的特性的BC段。段。在转速为零的在转速为零的C点，点，如不切断电源，电动机即如不切断电源，电动机即反向加速，进入反向的电反向加速，进入反向的电动状态（对应于特性动状态（对应于特性CD段）段），加速到，加速到D点时，电动机将点时，电动机将稳定运转，实现了电动机稳定运转，实现了电动机的逆转过程。的逆转过程。（三）能耗制动状态（三）能耗制动状态 当当K1断开，电动机脱离电网时，断开，电动机脱离电网时，立即将立即将K2接通，则在定子两相绕组接通，则在定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场。当转子由于惯性而仍在固定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割此磁场，在旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流。转子中产生感应电动势及转子电流。根据左手定则，可确定出转矩的方根据左手定则，可确定出转矩的方向与转速的方向相反，即为制动转向与转速的方向相反，即为制动转矩。矩。异步电动机能耗制动异步电动机能耗制动的电路图与机械特性的电路图与机械特性5960各个电流之间有下列关系各个电流之间有下列关系 得机械特性方程式得机械特性方程式 临界相对转速临界相对转速 三、运转状态小结三、运转状态小结 在正转方向，特性在正转方向，特性1 1与与11的第二象的第二象限为回馈制动特性，第四象限为反限为回馈制动特性，第四象限为反接制动特性；接制动特性；在反转方向，特性在反转方向，特性2 2与与22的第二象的第二象限为反接制动特性，而第四象限则限为反接制动特性，而第四象限则为回馈制动特性。为回馈制动特性。能耗制动电路的联结方法有所不同，能耗制动电路的联结方法有所不同，其机械特性用曲线其机械特性用曲线3 3与与33表示，第表示，第二象限部分对应于电动机正转，而二象限部分对应于电动机正转，而第四象限则对应于反转。第四象限则对应于反转。图中特性图中特性1 1，22及及33对应于异对应于异步电动机转子有串联电阻时，而步电动机转子有串联电阻时，而1 1，2 2及及3 3则对应于没有串联电阻。则对应于没有串联电阻。62桥式起重机拖动主钩桥式起重机拖动主钩异步电动机的电路图异步电动机的电路图对应手柄位置主钩异对应手柄位置主钩异步电动机的机械特性步电动机的机械特性转速逐级提升过程为转速逐级提升过程为 转速逐级提升的机械转速逐级提升的机械特性特性在空钩下放时也属电动状态。此时不但有空钩重量在空钩下放时也属电动状态。此时不但有空钩重量产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而产生的位能力矩，而且有摩擦力产生的阻力矩，而阻力矩又比位能力矩大阻力矩又比位能力矩大，将二者叠加即为电动机将二者叠加即为电动机轴上的负载转矩。轴上的负载转矩。空钩提升与下放时的负载空钩提升与下放时的负载转矩特性转矩特性提升和下放空钩提升和下放空钩时的机械特性与时的机械特性与负载转矩特性负载转矩特性（二）反接制动状态（二）反接制动状态 反接制动下放重物时的反接制动下放重物时的机械特性与负载转矩特机械特性与负载转矩特性性（三）回馈制动状态（三）回馈制动状态回馈制动下放重物时的回馈制动下放重物时的机械特性与负载转矩特机械特性与负载转矩特性性第四节第四节 根据异步电动机的技术数据根据异步电动机的技术数据计算异步电动机的参数计算异步电动机的参数 一般异步电动机的产品目录中可以查到一般异步电动机的产品目录中可以查到一些技术数据，而不给出电动机的定、转子一些技术数据，而不给出电动机的定、转子等具体参数，为此必须用工程计算法计算。等具体参数，为此必须用工程计算法计算。一般一般可查到下列技术数据可查到下列技术数据：1）额定功率）额定功率 （kW）2）额定定子线电压）额定定子线电压 （V）3）额定定子线电流）额定定子线电流 （A）4）额定转速）额定转速 （r/min）5）额定效率）额定效率 6）定子额定功率因数）定子额定功率因数7）过载倍数）过载倍数 8）飞轮惯量）飞轮惯量 （）9）对于）对于绕线转子绕线转子异步电动机，还给出两个转子数据，异步电动机，还给出两个转子数据，即即 a）转子额定线电动势）转子额定线电动势 （V）b）转子额定线电流）转子额定线电流 （A）10）对于）对于笼型异步电动机笼型异步电动机，没有转子数据，但给出，没有转子数据，但给出下列两个数据下列两个数据 a）起动转矩倍数）起动转矩倍数 b）起动电流倍数）起动电流倍数 此外，还可能给出定子极对数此外，还可能给出定子极对数p；定子绕；定子绕组的接线方式；工作制（或定额）；负载持组的接线方式；工作制（或定额）；负载持续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额续率；最高温升（或绝缘材料等级）等。额定频率我国为定频率我国为50Hz，即，即 Hz 。在已知上述数据的基础上，可用在已知上述数据的基础上，可用工程计算法工程计算法计算异步电动机参数计算异步电动机参数 例例10-110-1 一绕线转子异步电动机的技术数据为：一绕线转子异步电动机的技术数据为：试用工程计算法计算异步电动机的下列参数：试用工程计算法计算异步电动机的下列参数：解解第五节第五节 绕线转子异步电动机调速绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算及制动电阻的计算 计算的方法是按已知条件，利用机械特计算的方法是按已知条件，利用机械特性（一般是实用表达式）进行，计算时必须性（一般是实用表达式）进行，计算时必须注意不同运转状态下方程式中各参量的正负注意不同运转状态下方程式中各参量的正负符号等不同特点。符号等不同特点。例例10-210-2 某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：某绕线转子异步电动机的铭牌参数如下：绕线转子异步电绕线转子异步电动机的机械特性动机的机械特性（2）从电动状态（图）从电动状态（图1中中A点）点）时换接时换接到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于到反接制动状态，如果要求开始的制动转矩等于 （图中（图中C点），则转子每相应该串接多大电阻？点），则转子每相应该串接多大电阻？（3）如果该电动机带位能负载，负载转矩）如果该电动机带位能负载，负载转矩 ，要求稳定的下放转速，要求稳定的下放转速 r/min，求转，求转子每相的串接电阻值。子每相的串接电阻值。（1）当负载转矩）当负载转矩 ，要求转速，要求转速 时，转子每相应串入多大的电阻时，转子每相应串入多大的电阻（图中（图中B点）？点）？解解考虑异步机的机械特性为直线考虑异步机的机械特性为直线,对于固有特性对于固有特性 对于人为特性对于人为特性 取取 （不合理）不合理）（1）取取 取取考虑机械特性为直线考虑机械特性为直线（2）取取 （时时不能稳定运转）不能稳定运转）考虑机械特性为直线考虑机械特性为直线（3）84绕线转子异步电绕线转子异步电动机能耗制动接动机能耗制动接线图及特性线图及特性 例例10-310-3 绕线转子异步电动机的铭牌数据同例绕线转子异步电动机的铭牌数据同例10-2，设从额定点，设从额定点A换接到能换接到能耗制动状态的运行点耗制动状态的运行点E（见下图），如果要求制动转矩的开始值等（见下图），如果要求制动转矩的开始值等于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制动时的接线于电动机的额定转矩，求转子每相的串接电阻。能耗制动时的接线如图，定子通入大小为如图，定子通入大小为 的直流电流，假如电动机的空载的直流电流，假如电动机的空载电流电流 。假定应考虑电动机磁路的饱和。假定应考虑电动机磁路的饱和。解解查图查图10-21的曲线，当的曲线，当 时，时，取取考虑能耗制动特性为直线考虑能耗制动特性为直线取取 如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，则如果能耗制动特性为直线，转子电路不串电阻，则 例例10-410-4 绕线转子异步电动机的技术数据同例绕线转子异步电动机的技术数据同例10-2。如。如果使用能耗制动使电动机快速停车，要求保证果使用能耗制动使电动机快速停车，要求保证最大制动转矩最大制动转矩 时，时，。接线如图所示。假定桥式整流后电压与交流。接线如图所示。假定桥式整流后电压与交流电压有效值之比为电压有效值之比为0.9，整流电压经电容滤波后，整流电压经电容滤波后增高增高30%。绕线转子异步电绕线转子异步电动机能耗制动接动机能耗制动接线图线图（1）直流励磁电路中的附加电阻）直流励磁电路中的附加电阻（2）异步机转子电路每相应串接的电阻）异步机转子电路每相应串接的电阻 试计算：试计算：解解 （1）查图查图10-21，当，当（2）第十章第十章 结结 束束