三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性原理简述机械特性是指其转速与转矩间的关系，一般表示为。
由于三相异步电动机的机械特性呈非线性关系，所以函数表达式以转速为自变量，转矩为因变量，写为更为方便。
又因转差率s也可以用来表征转速，而且用s表示的机械特性表达式更为简洁，所以对三相异步电动机一般用来表示机械特性，同时将作为横坐标，这样和原的图形是一致的。
一、三相异步电动机机械特性的表达式三相异步电动机机械特性的表达式一般有三种：1．物理表达式其中为异步电机的转矩常数；为每极磁通；为转子电流的折算值；为转子回路的功率因数。
2．参数表达式其中。
3．实用表达式其中为最大转矩，为发生最大转矩时的转差率。
三种表达式其应用场合各有不同，一般物理表达式适用于定性分析与及间的关系，参数表达式可以分析各参数变化对电动机运行性能的影响，而实用表达式最适合用于进行机械特性的工程计算。
二、三相异步电动机的机械特性1．固有机械特性固有机械特性是指异步电动机在额定电压、额定频率下，电动机按规定方法接线，定子及转子回路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性，如图15-1所示。
图15-1 三相异步电动机的固有机械特性下面对机械特性上反映其特点的几个特殊点进行分析：（1）起动点：其特点是：，，起动电流；（2）额定运行点：其特点是：，，；（3）同步速点：其特点是：，，，，点是电动状态与回馈制动的转折点；（4）最大转矩点：电动状态最大转矩点，其特点是：，；回馈制动最大转矩点，其特点是：，；由公式可以看出，。
2．人为机械特性由三相异步电动机机械特性的参数表达式可见，异步电动机的电磁转矩在某一转速下的数值，是由电源电压、频率、极对数及定转子电路的电阻、电抗、、、决定的。
因此人为的改变这些参数，就可得到不同的人为机械特性。
现介绍改变某些参数时人为机械特性的变化：（1）降低电压不变，不变，因为，，，所以降低电压时，、、均减小，其人为机械特性见图15-2。
电工技术：三相异步电动机的转矩与机械特性
二、机械特性
2.人为机械特性
人为地改变电动机地任一个参数（如U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子 回路电阻或电抗)的机械特性称为人为机械特性。
R2 m1 p U s T 2 R2 ' 2 2f1 ( R1 ) ( X1 X 2 ) s
2 1
二、机械特性
一、电磁转矩
2.参数表达式
Pem T 1
2 m1 I 2
R2 2 R2 m1 pU1 S S 2 2f 1 R2 2 2f 1 R1 ＋ X 1 X 2 p S
T与电源参数（Ｕ1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。 参数表达式用来分析或计算参数的变化对三相异步电动机运行性能的影响。
适用于绕线型异步电动机。
三相异步电动机的人为机械特性很多：
• 降低定子端电压的人为特性； • 改变转子回路的电阻的人为特性；
• 改变定转子回路电抗的人为特性；
• 改变极数后的人为特性； • 改变输入频率的人为特性等 一般重点研究降低定子端电压的人为特性和改变转子回路电阻的人为特性。
二、机械特性
（1） 降ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时的人为机械特性
一、电磁转矩
3.实用表达式
2Tmax T S Sm Sm S
TN 9.55 PN nN
实用表达式应用于工程计算中。 通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。
Tmax
PN mTN 9.55m nN
S m S N m 2 m 1
二、机械特性
电动机电磁转矩与转速之间的关系曲线，称为电动机的机械特性。
电压下降： • 理想空载速度不变； 定子电压 变化
第九章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态 第一节 三相异步电动机机械特性的三种表达式
U
2 X
(10 17)
R12
(X1
X
' 2
)
2
正号对应于电动机状态，而负号则适用于发电机状态 考虑 R1 << ( X1 + X2') ,可得：
Sm
R2'
X1
X
' 2
(10 18)
Tm
m1U
2 X
20 ( X1
X
' 2
)
(10 19)
可以看出：
4.几点规律
1)当电动机各参数及电源频率不变时， Tm 与 UX2 成正比，sm 因与 UX 无关而保持不变
二.异步电动机机械特性的参数表达式
采用参数表达式可直接建立异步电动机工作时转矩和转速关系并 进行定量分析
E
' 2
2f1W1kW1 m (10 5)
0
2f
p
(10 6)
T
m1 0
E
' 2
I
' 2
c
os
' 2
(10 7)
E
' 2
I
' 2
Z
' 2
(10 8)
R2'
c
os
' 2
PT
3I
2 2
R2 R f s
(10 44)
转子轴上机械功率为
P2 PT (1 s) (10 45)
s > 1，P2 为负值，即电动机由轴上输入机械功率 转子电路的损耗为
DP2 PT (1 s) (10 45)
DP2 数值上等于 PT 与 P2 之和，所以反接制动时能量损耗极大 3)用途 可以用于稳定下放位能性负载
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性引言三相异步电动机是目前工业用电动机中广泛使用的一种电机，具有结构简单、成本低、效率高等优点。
本文将着重介绍三相异步电动机的机械特性，包括转速、转矩、效率等方面。
转速三相异步电动机的转速主要取决于供电电源的频率和极对数。
一般来说，三相异步电动机的额定转速为每分钟1450转或每分钟2900转，对应的供电电源频率分别为50Hz和60Hz。
除了额定转速外，三相异步电动机还有超额定转速和滑差转速。
超额定转速是指电机的转速高于额定转速，通常只能在短时间内工作，例如起动前的转速提高。
滑差转速是指电动机在空载时的转速，通常比额定转速略高一些。
转矩三相异步电动机的转矩可以分为起动转矩、额定转矩和最大转矩三种。
起动转矩是指电动机在启动时需要克服惯性负载等因素所需的转矩，通常是额定转矩的23倍。
额定转矩是指电机在额定工作条件下所需的转矩，通常为电机的额定输出功率与额定转速的乘积除以转子的转速。
最大转矩是指电机可2倍。
以承受的最大转矩，通常为额定转矩的1.5效率三相异步电动机的效率是指输出功率与输入功率的比值，通常用百分比表示。
三相异步电动机的效率通常在75%~95%之间，其中额定效率是指在额定工作条件下的效率，是电机最重要的性能指标之一。
三相异步电动机的效率取决于多种因素，包括电机本身的设计、工作条件、负载特性等。
在实际应用过程中，为了提高三相异步电动机的效率，可以采取如下措施：1.选择合适的电机型号和规格；2.优化电机的设计参数，例如提高功率因数、降低铁损和电阻损耗等；3.选择合适的工作条件，例如控制负载、降低温度等；4.定期维护和检查电机，保持电机状态良好。
三相异步电动机是工业应用最广泛的电动机之一，具有转速稳定、转矩大、效率高等优点。
本文介绍了三相异步电动机的机械特性，包括转速、转矩和效率等方面，希望对读者理解和应用三相异步电动机有所帮助。
三相异步电动机在各种运行特性下地机械特性
实验五 三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性【思考要点】1． 如何利用现有设备测定三相绕线式异步电动机的机械。
2． 测定各种运行状态下的机械特性应注意哪些问题。
3． 如何根据所测得的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性。
【实验原理】三相异步电动机的定、转子之间没有直接电的联系，它们之间的联系是通过电磁感应而实现的。
一台三相异步电动机的电磁转矩的大小决定了其拖动负载的能力，而三相异步电动机的电磁力矩的大小不仅与电动机本身的参数有关，也和其外加电源的电压有关。
本实验围绕异步电动机的电磁力矩和其参数、外加电压的关系以及各种运行状态等电力拖动问题进行展开。
1. 三相异步电动机的机械特性机械特性是指电动机转速n 与转矩T 之间的关系，一般用曲线表示。
欲求机械特性，先求T 与n 的数学关系式，称为机械特性表达式。
电磁转矩''21200em R m I P s T ==ΩΩ由异步电动机的近似等效电路，得()'22'2'2112X U I R R X X s =⎛⎫+++ ⎪⎝⎭ 代入T 的公式，即得参数表达式)()('212'21'221X X s R R sR U mT X+++Ω=考虑到0(1)n s n =-， 00260n πΩ=， 即可由此式绘出异步电动机的机械特性曲线()n f t =，如图6.24所示。
图6.24 三相异步电动机机械特性机械特性的参数表达式为二次方程，电磁转矩必有最大值，称为最大转矩T m 。
将表达式对s 求导，并令0dTds=，可求出产生最大转矩T m 时的转差率S m()'222'112m R S R X X =±++S m 称为临界转差率。
代入T 的公式则可得T m 的公式()2122'011122Xm U T R R X X =±Ω⎡⎤±+++⎢⎥⎣⎦式中正号对应于电动机状态，负号适用于发电机状态。
三相异步电动机的机械特性
空载时损耗占比例大，效率低；随P2增 加，增加，当负载过大，铜损耗增加快，使 效率下降，如图所示。
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
效率曲线和功率因数曲线都是在额定负载附近 达到最高，因此合理选用电动机容量时，对电动 机的寿命、功率因数和效率都有很实际的意义。 5、功率因数特性cos1=f(P2)
§4－5 三相异步电动机的机械特性
本节要点： 一、三相异步电动机的工作特性 二、机械特性：n = f ( T ) ㈠固有机械特性曲线分析 ㈡人为机械特性 三、运行性能 1、运行状态 2、启动转矩倍数
3、过载能力 4、异步电动机机械特性的结论
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§4－5 三相异步电动机的机械特性
原因：是静止的转子导体与定子旋转磁 场之间的相对切割速度很大（n1）。将 产生很大的I2，使定子电流也增大。但 由于转子绕组的功率因数cosφ2很小， 由于Tst=CTφI2cosφ2，故启动转矩并不 很大。
只有当Tst达到一定值时，电动机才 能启动。
Tst>TL ，将 S = 1代入T公式，即 可得Tst 的表达式。
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§4－5 三相异步电动机的机械特性
⑵额定运行点（TN、nN） TN = 9.55 PN/nN
⑶临界工作点（Tm、nm） 当S = Sm 时，电磁转矩达到最大
值。
Sm ∈( 0.04，0.14 ) ⑷同步点（0、n1）
n = n1
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§4－5 三相异步电动机的机械特性
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
2、转矩特性T=f(P2) 空载时P2=0，电磁转矩T等于空载转矩 T0。随着P2的增加，已知T2=9.55P2/n， 如n基本不变，则T2为过原点的直线。 考虑到P2增加时，n稍有降低，故 T2=f(P2)随着P2增加略向上偏离直线。 在T=T0+T2式中。T0很小，且为常数。所 以T=f(P2)将比平行上移T0数值，如图所 示。
三相异步电动机械特性及各种运行状态
n
n0
a1
O
T
－n0
机械功率Pm
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 转子反向的反接制动 ——下放重物
① 制动原理
n
定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rb。 低速提 a 点 惯性 b 点(Tb＜TL)，升重物
n↓ c 点 ( n = 0，Tc＜TL )
n0
a
b
e TL
Oc
1 T
在TL 作用下 M 反向起动
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r2ˊ和电抗 x2ˊ，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？）
Pe = m1—I2'—2 R定2'子＋s 发Rb出'＜电0功率，向电源回馈电能。
Pm=
(1－s ) ——
轴Pe上＜输0入机械功率(位能负载的位能)。
PCu2 = Pe－Pm
|Pe | = |Pm|－PCu2
—— 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
制动效果 Rb →下放速度 。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(3) 能耗制动过程 —— 迅速停车 2
① 制动原理
b
n
a1
制动前：特性 1。
制动时：特性 2。
a 点 惯性 b 点 (T＜0，制动开始)
O TL
T
n↓ 原点 O (n = 0，T = 0)，制动过程结束。
三相异步电动机机械特性
步电动机转子绕组中串入电阻 Rpa 则启动转矩 Tst 将发生变化，Sm也会发生变化，而最大转矩 Tm 不变，人为机械特性曲线如图5.4所示。由图
可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增
加电动机的启动转矩 Tst ，所以起重机械上大
多采用绕线式异步电动机。但若是串接某一
数值的电阻使T T 后，再继续增大转子电阻，
工作点。
2．人为机械特性
所谓三相异步电动机的人为机械特性是指：人为地 改变电动机的某些参数或电源电压大小而得到的机械特 性，人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。 由上述内容可知，改变电动机转子绕组中电阻的大小或 改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面
着重讨论这两种常用的人为机械特性。
2
（4-2）
电磁转矩为
Tem
Pem 1
m1I2 2
R2 s
2f1
p
m1 pU12
R2 s
2f1
R1
R2 s
2
X1 X 2
2
（4-3）
可见， （4-3）方程，它清楚地表示了异步电动机电磁转
矩、转差率与电动机各参数之间的关系，下面我们就从这个公
式出发，分析三相异步电动机的固有特性及人为机械特性。
（4-1） 式中 CT——转矩常数
Tem
CT
1I
' 2
cos 2
上式表明电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流
的有功分量成正比，从物理概念上反映了Tem、
I
' 2
cos2、Φ1
三者的关系，并符合左手定则。
二、电磁转矩的参数表达式
转子电流折算值为
I 2
U1
R1
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测定三相线绕式转子异步电动机在RS=0时，电动运行状态和再生发电制动状态下的机械特性。
二、实验目的
更好的掌握三相异步电动机的性能，采用实验的方法进行探究，以期来了解三相线绕式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。
三、实验场地及仪器、设备和材料：
序号型号名称数量
1 DD03导轨、测速发电机及转速表1件
2 DJ23校正直流测功机1件
3 DJ17三相线绕式异步电动机1件
4 D31直流电压、毫安、安培表2件
5 D32交流电流表1件
6 D33交流电压表1件
7 D34-3单三相智能功率、功率因数表1件
8 D41三相可调电阻器1件
9 D42三相可调电阻器1件
10 D44可调电阻器、电容器1件
四、实验内容
1、实验原理：
（4）当电动机接近空载而转速不能调高时，将S3合向2’位置，调换MG电枢极性（在开关S3的两端换）使其与“电枢电源”同极性。调节“电枢电源”电压值使其与MG电压值接近相等，将S3合至1’端。减小R1阻值直至短路位置（注：R3、R5上4只900Ω阻值调至短路后应用导线短接）。升高“电枢电源”电压或增大R2阻值（减小电机MG的励磁电流）使电动机M的转速超过同步转速n0而进入回馈制动状态，在1700r/min～n0范围内测取电机MG的Ua、Ia、n及电动机M的定子电流I1值。将数据记录于表二中。
-0.18
-0.15
-0.09
-0.03
n(r/min)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
I1(A)
1.095
1.041
1.025
0.997
0.962
0.938
0.913
0.867
0.822
0.732
0.663
0.521
0.436
0.256
表二U=110V RS=0Ω
山东科技大学电工电子实验教学中心
创新性实验研究报告
课程名称：DSP应用系统设计
实验项目名称三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性
姓名＿＿＿＿学号＿
手机Email＿
专业＿自动化＿＿＿班级＿09级4班＿
指导教师及职称＿＿＿＿胡晓君＿＿＿＿＿＿
开课学期2011至2012学年＿1＿学期
提交时间2011年12月日
0.441
0.492
0.536
2、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：
Rs=0时的机械特性
实验分析：
通过从实验数据所绘制的图可以看出：当电机以低于同步转速n0的速度运动时，电机处于电动状态，运动曲线位于第一象限内，转矩T与转速N同向，运动轨迹如图所示。当电机以大于同步转速n0的速度运动时，电机进入回馈制动状态，转矩T与N反向，运动轨迹位于第二象限内，近似于直线。
实验所取得的n0约为1550，与理论值相差不大。对照课本可以看出，实验结果基本符合预期，也与理论分析相符，由此可见实验记过虽有偏差，但在允许的范围之中，所以实验基本是成功的。
六、实验结论
通过实验并绘制曲线可以看出电机工作在电动状态时是运行在坐标轴的第一象限的曲线，当运行在再生发电制动状态时是进入坐标轴第二象限的曲线。实验结果符合电机的运动特性，实验是成功的。通过本次实验，不仅更好的理解和掌握了三相异步电机在电动状态和再生发电状态下的运动特性，最重要的是培养了自己的动手能力，更好的贯彻了理论联系实际的思想，为以后的学习乃至工作都起到了很好的推动作用。
通过实验的方法测定绘制N-T曲线所需要的Ua,Ia,n,I1数值，并通过计算公式：
式中T——受试异步电动机M的输出转矩（N·m）；
Ua——测功机MG的电枢端电压（V）；
Ia——测功机MG的电枢电流（A）；
Ra——测功机MG的电枢电阻（Ω），可由实验室提供；
P0——对应某转速n时的某空载损耗（W）。
注：上式计算的T值为电机在U=110V时的T值，实际的转矩值应折算为额定电压时的异步电机转矩。
计算最终所需的T，并用绘图法绘制N-T曲线。
2、实验内容
（1）测定三相线绕式转子异步电动机在RS=0时，电动运行状态和再生发电制动状态下的机械特性。具体实现方法是通过测定Ua,Ia,n,I1等一系列数值并计算出T最终求出N-T关系来测定电机运行在电动和发电制动状态的特性。
（2）下图是三相线绕转子异步电动机机械特性的接线图
七、指导老师评语及得分：
签名：年月日
（3）接通控制屏右下方的“电枢电源”开关，在开关S3的2'端测量校正直流测功机的输出电压的极性，先使其极性与S3开关1'端的电枢电源相反。在R1阻值为最大的条件下将S3合向1'位置。调节“电枢电源”输出电压或R1阻值使电机从接近堵转状态到接近于空载状态。在该范围内测取电机MG的Ua、Ia、n及电动机M的交流电流表A1的I1值，将数据记录于表一中。
Ua(V)
188
194
199
206
212
217
221
229
236
Ia(A)
0.05
0.11
0.26
0.39
0.52
0.58
0.61
0.736
0.8
n(r/min)
1400
1450
1500
1550
1600
1650
1700
1750
1800
I1(A)
0.085
0.112
0.147
0.188
0.226
0.330
(2)把R1、R2阻值置最大位置，将输出电压调到零。控制屏下方“直流电机电源”的“励磁电源”开关及“电枢电源”开关都须在断开位置。接通三相调压“电源总开关”，按下“启动”按钮，旋转调压器旋钮使三相交流电压慢慢升高，观察电机转向是否符合要求。若符合要求则升高到U=110V，并在以后实验中保持不变。接通“励磁电源”，调节R2阻值，使校正直流测功机的励磁电流为校正值100mA并保持不变。
3、实验步骤
(1)按图接线，图中M为三相线绕式异步电动机，UN=220V,Y接法。MG为校正直流测功机。S1、S2、、S3选用D51挂箱上的对应开关，并将S1合向左边1端，S2合在左边短接端（即线绕式电机转子短路），S3合在2'位置。R1选用R2的180Ω阻值加上R3、R5上四只900Ω串联再加R上两只1300Ω并联共4230Ω阻值，R2选用R1上1800Ω阻值，RS选用MET01电源控制屏R7上36Ω的电阻，R3暂不接。直流电表A2、A4的量程为5A，A3量程为200mA，V2的量程为500V，交流电表V1的量程为500V，A1量程为3A。
五、实验结果与分析
1、实验现象、数据记录
实验数据记录在表格一和二中。
表一U=110V RS=0Ω If=100mAU源自(V)-2.1721
33
42
53
68
81
94
113
121
136
147
160
175
Ia(A)
-0.42
-0.42
-0.39
-0.32
-0.31
-0.27
-0.25
-0.24
-0.23
-0.21