1、第三章 三相异步电动机的机械特性、起动和制动,回顾:转子转动时的异步电动机,运转时的接线图,转子转动时的电磁关系,规定,当异步电动机定子绕组接三相对称电源且 转子绕组短路时,定、转子绕组中都有电流流 过,在气隙中产生以同步转速n1旋转的合成磁 场,而转子绕组电流与气隙旋转磁场会产生作 用于转子的电磁转矩,使电动机以异步转速n 旋转,拖动负载。为了与转子不转时的感应电 势2、电流2和漏电抗x2相区别,转子转动时 的转子感应电势、电流和漏电抗分别用2s、 电流2s和漏电抗x2s表示。,1.转子各量与转差率的关系,转差率是指气隙中旋转磁场的同步转速和转子转速 之差与同步转速的比值,即为: 转差率是异
2、步电动机的重要参数,当电动机作电动 运行时,0s1。,分析,转子不转时,转子中的感应电势和转子电流频 率是与定子电流频率相同;当转子转动时,转子转 速为n,而气隙中旋转磁场的转速为n1,两者转向相 同,转速差为n=n1-n,则旋转磁场是以n的相对 转速切割转子绕组。对于绕线式异步电动机,转子 与定子有相同的相数和极对数,所以,在转子电路 中产生的感应电势频率为:,转子电势E2s,转子电路中的感应电势有效值为:电动机额定运行时,额定转差率一般在 sN=0.0150.06之间,所以转子转动时,转子 电流频率很低,感应电势也很小。,转子电抗x2s,转子转动时转子电抗为:,转子电流I2s,转子转动时转
3、子电流为:,转子功率因数,转子转动时转子功率因数为:,2.转子电流产生的磁势,转子转动时,转子电流2s产生的转子基波 旋转磁势F2的幅值为:转子电流2s的频率为2,则转子基波旋转 磁势F2相对于转子绕组转速为:,分析转子磁势F2对定子的转速,转子磁势F2对定子的转速为:定子电流产生的磁势F1对定子的转速为 n1,可见磁势F1、F2同速同方向、一前一后 旋转,故可得合成磁势为:,分析:,在三相异步电动机转子以转速n转动 时,定、转子磁势关系仍未改变,只是每 个磁势的大小和相位有所不同。这里所讨 论的合成磁势F0是异步电动机运行时的励 磁磁势,与其对应的电流I0是励磁电流, 对于一般异步电动机,励
4、磁电流I0约为额 定定子电流I1N的(2050)%。,问题,变压器励磁电流为额定电流的(0.55)%为什么?,3.转子绕组频率的折算,转子绕组频率折算的目的:把定、转子两个不同频率的电路转换成同 一频率的电路。转子绕组频率的折算方法:用一等效的静止转子代替实际转动的转子 原则: 保持转子磁势F2的大小不变(即2s大小不 变);F2与F1之间在空间相差的空间电角度不 变(即2s的相位不变),F2对F1的影响不变。,频率折算:,式中2s、2s、x2s分别为异步电动机转动时转子 的每相电流、电势和漏阻抗,它们的频率为 2;2、2、x2分别为异步电动机不转时的转子 每相电流、电势和漏阻抗,它们的频率为
5、 1。 转子回路的阻抗角为:,说明:,只要用r2/s 代替r2 ,就可使转子电流的大 小和相位保持不变,即转子磁势的大小和空间 相位保持不变,实现用静止电路代替实际旋转 的转子电路。电阻r2/s 称为等效静止转子电阻, 也可表示成:式中 称为附加电阻。,分析,频率折算后,转子回路电阻由两部分 组成,第一部分r2是转子绕组一相的实际 电阻,其上产生的损耗就是转子电路的铜 损 ;第二部分是附加是附加电阻,其上产生的损耗 是虚拟损 耗,实际转子中并不存在但它却是表征实 际转动的转子的总机械功率。,频率折算后异步机的等值电路,经频率折算后的异步电动机等值电路,4.基本方程式、等值电路、相量图,(1)基
6、本方程式(绕组折算、频率折算后),(2)等值电路,转子转动时异步电动机的T形等值电路,讨论1,当异步电动机空载时:等值电路中的转子回路相当于开路,转子电流为因此功率因数很低。,讨论2,当异步电动机额定运行时:这时的转子电流主要由 决定,转子电路基本上为电阻性电路,所以电动机的功率因数较高。,讨论3,当异步电动机起动瞬间:电动机没有输出, 相当于短路,这时就是前面所分析的堵转情况,定、转子电流都很大,从T形等值电路看,此时的感应电势和主磁通约为空载运行时的一半。,异步电动机的简化等值电路,为了简化计算,将T形等值电路中的励 磁支路左移到输入端,使电路简化成单纯的 并联电路。,(3)相量图,异步电
7、动机对 电网来说是感 性负载。 一般取主磁通 为参考相量,5.功率和转矩,(1)功率平衡方程式,分析:,从定子传递到转子的电磁功率Pem中, 一部分消耗在转子电阻上,用pCu2表示,剩 下的就是全部转换成总机械功率,用Pm表 示,而总机械功率中扣除电动机因旋转而产 生的机械摩擦损耗pm以及成因较复杂的附加 损耗pad之后,剩下的就是电动机轴上输出的 机械功率,用P2表示。,转子侧的功率平衡方程式,转子侧的功率平衡方程式:,附加损耗,pad为附加损耗,一般很难用公式计 算,通常根据经验估算,对于大型异步 电动机约为0.5%PN;对于中、小型异步 电动机约为(13)%PN。值得一提的是, 由于转子
8、铁芯中的磁通变化频率f2在电 动机额定运行时很低,转子铁损很小, 故可忽略不计。,功率流程图,异步机功率流程图,三相异步电动机的效率,三相异步电动机的效率为:异步电动机的总损耗:,(2)转矩平衡方程式,电磁转矩T为总机械功率Pm除以转子机械角速 度,所以有:转矩平衡方程式为:T2=P2/为电动机轴上输出转矩;T0=(pm+pad)/为 电动机的空载转矩,转矩的单位为:牛米 (Nm)。,各转矩表达式,为同步机械角速度。,本章内容,三相异步电动机的机械特性 三相籠型异步电动机的起动 三相绕线式轉子异步电动机的起动 三相异步电动机的制动 三相异步电动机的四象限運行(運用實例) 本章小结 习题与思考题
9、,3.1三相异步电动机的机械特性,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。,3.1.1机械特性物理表达式,电磁转矩为:,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。,反映了异步电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。,电磁转矩的物理表达式,三相异步电动机的电磁转矩的物理表达式用来定性分析三相异步电动机的运行问题。,三相异步电动机
10、的电磁转矩的物理表达式与直流电动机电磁转矩表达式比较。,3.1.2参数表达式,由物理表达式、功率关系、简化等值电 路可推出参数表达式:,电磁转矩的参数表达式:,电磁转矩与转速之间的关系曲线,是电动机的机械特性。,机械特性参数表达式的分析,1、电动状态(0S1) S很小时,TS; S稍大时,T1/S; 中间必有最大转矩,最大转矩对应的转差率Sm。,2、发电状态(S0) nn1 ,感应电动势和感应电流的方向相反,电磁转矩的方向改变,T0, 电动机处于发电状态。,3、制动状态(S1) 当旋转磁场与电动机转向相反时, S1 ,感应电动势和感应电流的方向相反,电磁转矩的方向改变,与电机的转向相反,起制动
11、作用,电机工作在制动状态。,异步电动机的T-s曲线上有一个最高点; 最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。,代入转矩公式,得,过载能力:最大转矩与额定转矩之比:,最大转矩,过载能力,最大转矩与电网电压的平方成正比; 最大转矩近似与漏电抗成反比; 最大转矩的位置可以由转子电阻的大小来调整; 最大转矩的值与转子电阻值没有关系; 异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。,关于最大转矩的几个重要结论,起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流;从等效电路求出起动电流:,起动转矩,即起动瞬间电动机的电磁转矩,若令Sm = 1,起动转矩等于最大转矩。,对于绕线式转子可通过外串电阻达到。,起动电流、起动转
12、矩,异步电动机的起动转矩与电压的平方成正比; 总漏抗越大,起动转矩越小; 绕线式异步电动机可以在转子回路串入适当的电阻可以增大起动转矩;,起动转矩的几个重要结论,当 时, 起动转矩最大。,起动转矩倍数KM:起动转矩与额定转矩之比:,3.1.3实用表达式,实用表达式:认为 ,一般异步电动机的 ,在任何s值时都有: ,而 , 可以忽略,简化得:,临界转差率,临界转差率:当拖动额定负载时,TL=TN,临界转差率为:额定转矩为:从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、m,应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。,3.1.4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
13、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。,说明特性上的各特殊点1,(1)同步转速点A同步转速点又称理想空载点,在该点 处:s=0,n=n1,T=0,E2s=0,I2=0, I1=I0,电动机处于理想空载状态。 (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。,说明特性上的各特殊点2,(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。 Tm是异步电动机回
14、馈制动状态所对应 的最大转矩,若忽略r1的影响时,有 T m=Tm。 (4)起动点D在该点处:s=1,n=0,T=Tst, I=Ist。,3.1.5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 U1、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.降低定子电压的人为机械特性,在参数表达式中,保持其它参数不 变,只改变定子电压U1的大小,可得改 变定子电压的人为机械特性。讨论电压在额定值以下范围调节的 人为特性(为什么?),降电压人为机械特性曲线,TmU
15、12;TstU12;n1和sm与电压无关,TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性,分析,定子电压U1下降后,电动机的起动转矩 和临界转矩都明显降低,对于恒转矩负载, 如原先运行在A点,电网电压由于某种原因 降低,使负载运行至B点,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.定子回路串入对称电阻的人为机械特性,当定子电 阻r1增大时, 同步转速n1不 变,但临界转 矩Tm、临界转 差率sm、起动 转矩Tst都变小,定子回路串入对称电阻的 接线图和人为机械特性,定子回路串入对称电抗的人为机械特性,如果定子回路串 入对称的电抗,同步 转速n1仍不变,但临 界转
16、矩Tm、临界转差 率sm、起动转矩Tst也 都变小。两种接线可 实际应用于鼠笼式异 步电动机的起动,以 限制起动电流。,定子回路串入对称电抗的 接线图和人为机械特性,3.转子回路串入对称电阻的人为机械特性,绕线式异步电动机转子回路串入三相对称电阻的接线图和人为机械特性,分析,当转子电阻r2增大时,同步转速n1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速。,1. 降压时的人为机械特性,下降后, 和 均下降, 但 不变, 和 减少。,如果电机在定额负载下运行, 下降后, 下降, 增大, 转子电流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热,减少使用寿命。,降压时的人为机械特性,2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后, 、 不变, 增大。,在一定范围内增加电阻,可以增加 。当 时 ,若再增加电阻, 减小。,串电阻后,机械特性线性段斜率变大,特性变软。,转子回路串对称电阻时的人为机械特性,课后复习要点,1.异步电动机机械特性表达式 2.固有机械特性 3.人为特性机械特性 思考题:P112 3-1、3-2、3-3 、3-4 作业:P113 3-1、3-2,