三相异步电动机机械特性
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。
7.6三相异步电动机的机械特性
2 R s X 2 2 2
) n f (I2 ) n f (cos 2
s R2
2 R s X 2 2 2
r1
I1
x1
rm
x2
I2
E 1 E2
r2
U1
Im
1 s r2 s
• 起动时的情况
– “起动”即是转子堵转状态。 – n＝0，s＝1； – 附加电阻为0，电路为短路状态。 – 起动电流很大，功率因素较低。
r1
I1
x1
rm
x2
I2
E 1 E2
r2
U1
Im
1 s r2 s
xm
异步电动机起动时起动电流的大小与负载轻重无关
• 发电机运行
n1
n1
n1
外转矩使转子逆着旋转磁场的 方向旋转，此时电磁转矩方向 仍和旋转磁场方向一致，但与 外转矩方向相反，电磁转矩仍 是制动性质的。
异步电动机，转速略低 于同步转速，电磁转矩 是拖动性质的。
用一外在转矩拖动异步电机， 使转速超过同步转速，此时电 磁转矩是制动性质的，异步电 机从转子轴上输入机械功率。
1、降低定子端电压的人为机械特性
异步电机磁路在额定电压下已有点饱和，故不宜再升高电压。 只能讨论降低定子端电压时的人为机械特性。
U 3 Tm ' 21 ( X1 X 2 )
' U12 R2 3 Tst ' 2 ' 2 1 ( R1 R2 ) ( X1 X 2 )
几种异步电机的典型运行情况
异步电机机械特性 2
Tst k st TN
5.1 三相异步电动机的机械特性
一般将异步电动机的特性曲线分为两部分：
转差率0～sm部分：在这一部分，T
s n
0
与s的关系近似成正比，即s增大时，T 也随之增大，该部分为异步电动机的
n1
sm
稳定运行区。
降压后同步转速n1不变； 降压后，最大转矩T随 U 12 成比
例下降，但是临界转差率sm不变；
降压后的启动转矩Tst也随 U 1 成
2
比例下降。
感应电动机降低电压时的人为机械特性
5.1 三相异步电动机的机械特性 2）定子回路串对称三相电抗器的人为机械特性
定子回路串电抗使sm和Tm都减小，机械特性的直线部分硬度也
加而增加（近似成正比）。
r2' 相对变小了， x x ' 开始成为分母中的主要部分，此 3、当s较大时， 1 2 s
时随着s的增大，电磁转矩T的增大并不是很大。
r2' r2' ' 4、当T达到最大值Tmax时，如果s再增大， 将更小，使得 远小于 x1 x 2 s s r2' ，此时 可略去不计，则电磁转矩T随s的增加而减小。 s
第5章
5.1
异步电动机的电力拖动
三相异步电动机的机械特性
5.1 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压和频率一定
情况下，转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f(T)。
由于异步电动机的转速n与转差率s之间存在着一定 的关系，所以异步电动机的机械特性通常也可用s=f(T)的 形式表示。 1、固有机械特性的分析 三相异步电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在 额定电压和额定下，按规定的接线方式接线，定、转子外界
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的运行特性摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。
固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用5.1 三相异步电动机的运行特性（返回顶部）三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机械特性。
和直流电动机一样，三相异步电动机的机械特性也是指电磁转矩与转子转速之间的关系。
由于转子转速与同步转速、转差率存在下列关系，即（5.1 ）则三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表ZK转速和转差率横坐标表示电磁转矩三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下： 5.1.1机械特性的物理表达式（返回顶部）由上一章三相异步电动机的转矩关系知，三相异步电动机转矩的一般表达式为（5.2 ）式中为三相异步电动机的转矩系数，是一常数；为三相异步电动机的气隙每极磁通量；为转子电流的折算值；为转子电路的功率因数；式（5.2）表明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成正比，它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描述了三相异步电动机的运行特性，因此这一表达式又称为三相异步电动机的物理表达式。
仅从式（5.2）不能明显地看出电磁转矩与转差率之间的变化规律。
要从分析气隙每极磁通量因数,转子相电流,以及为转子功率与转差率之间的关系，间接地找出其变化规律。
现分析如表5.1所示。
根据表5.1中的分析，可作出曲线、和分别如图5.2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲线。
曲线分为两段：当较小时（电磁转矩与转子相电流）,变化不大，成正比关系，表现为AB段近似为直线，）,如减少近一称为直线部分；当较大时（半，很小，尽管转子相电流增大，有功电流段，段为曲线不大，使电磁转矩反而减小了，此时表现为段，称为曲线部分。
由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转差率下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的转矩为称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。
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
三相异步电动机的机械特性（1）转子机械特性转子是定子绕组中通过一对或几对磁极而产生旋转磁场，在转子导条轴上装有铁芯和滑环。
由于各种原因会使转子发生振动。
为了保证起动时的正常运行，要求转子机械特性曲线应与负载所需的机械特性曲线相符合。
三相异步电动机的机械特性（2）磁路机械特性当定子绕组通以直流电后，便产生感应电势，并随着转速增大而增大，同时转子也将感应出较强的交变磁场，这个磁场称为旋转磁场，它可分解成若干个正弦波，在空间形成闭合回路，并沿转轴作切割磁力线的运动。
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。
第二节 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
第二节三相异步电动机的电磁转矩和机械特性三相异步电动机转轴上产生的电磁转矩是决定电动机输出的机械功率大小的一个重要因素，也是电动机的一个重要的性能指标。
一、三相异步电动机的转矩特性1、电磁转矩的物理表达式三相异步电动机的工作原理告诉我们，电磁转矩是旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生的，设旋转磁场每极的磁通量用Φ表示，它等于气隙中磁感应强度平均值与每极面积的乘积。
Φ表示了旋转磁场的强度。
设转子电流用I2表示。
根据电磁力定律，电磁转矩T em应与Φ成正比、与I2也成正比，即T em∝Φ·I2。
此外转子绕组是一个感性电路，转子电流I2滞后于感应电动势E2，它们之间的相位差角是。
考虑到电动机的电磁转矩对外做机械功，与有功功率相对应。
因此电磁转矩T em还与转子电路的功率因数cos有关，即与转子电流的有功分量I2cos(与E2同相位的电流分量)成正比。
总结以上分析，可列出异步电动机的电磁转矩方程式中KT是一个与电动机本身结构有关的系数。
该公式是分析异步电动机转矩特性的重要依据。
2、转矩特性电磁转矩与转差率之间的关系T em＝(S)称为电动机的转矩特性。
可以推得式中KT’、转子电阻R2、转子不动时的感抗X20都是常数，且X20远大于R2。
由于上式用电机定、转子绕组中的电阻、电抗等参数反映电磁转矩T em和转差率S之间的关系，所以上式又称之为电磁转矩的参数表达式。
由转矩的表达式(4-5)可知，转差率一定时，电磁转矩与外加电压的平方成正比，即T em∝U12。
因此，电源电压有效值的微小变动，将会引起转矩的很大变化。
当电源电压U1为定值时，电磁转矩T em是转差率S的单值函数。
图4-13画出了异步电动机的转矩特性曲线。
二、三相异步电动机的机械特性当电源电压U1和转子电路参数为定值时，转速n和电磁转矩T的关系n=f（T）称为三相异步电动机的机械特性。
机械特性曲线可直接从转矩特性曲线变换获得。
将图4-15中的转矩特性曲线顺时针转动90°，并将s换成n就可以得到三相异步电动机的机械特性曲线，如图4-16所示。
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额定负载转矩
PN TN 9550 nN
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6
4.三相异步电动机的能流图
电源输入的功率P1:
P U1I1 cos1 1 3
电动机的输出功率P2(铭 牌功率)
P2等于P1减去电动机的总损耗
P2 P P 1 P P 1 1
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举例
起动，否则将起动不了。 2015年4月22日星期三
Tst 体现了电动机带载起动的能力。若 Tst TL 电机能
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人工机械特性 介绍5种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电 抗时,变频率时,线绕电动机转子串电阻时，改变极对数时。
(1)降低定子电压时的人 工特性
电压越低,人工特性曲线
生的感应电动势。 R1
i2 e2
e 1、 e 2 ：漏磁通
产生的感应电动 势。
u1
i1
e 1
e1
e 2
R2
转、定子电路
d u1 i1 R1 e1 e 1 e1 N1 定子边： dt u1 N1Φ 1t 设： Φ msin1t 则： m1cos
2015年4月22日星期三 3
n0 nN SN n0
11
自然机械特性
(3)起动工作点 T=Tst, n=0, 此时有
S=1;
R2U 2 Tst K 2 2 R2 X 20
(4)临界工作点 T=Tanm, n=nm, s=Sm;有:
Tst st TN
R2 Sm X 20
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Tman
固有机械特性(自然机械特性):在额定电压和额定频率下, 定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时,转速n与电磁转 矩T之间的关系为电动机的机械特性.
自然特性上有4个特殊点: (1)理想空载转速点no T=0, n=no, S=0;
(2)额定工作点 T=TN, n=nN, S=SN;此时 有
PN TN 9550 nN 2015年4月22日星期三
电路图如右图中(a)所示,
三相转子绕组通过滑环电 刷机构与外接电阻相联接; 起动转矩增加(有利),理 想空载转速和最大转矩不 变.
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20
(5)三相线绕式异步电动机改变极对数时的人工特性
在保持电压频率f1不变的情况下，改变极对数p，同步
转速n0=60f1/p将随p的增大而减小。 一个普通三相异步电动机的极对数是固定不变的。但为 了满足某些生产机械实现多级变速的要求，专门生产有 极对数可变的多速异步电动机。 变极多速异步电动机是利用改变绕组的接法来改变电动 机的极对数的。 例如常用的双速异步电动机。
e2 N 2 d dt
E2 4.44 f 2 N 2
E2o 4.44 f1 N2
其中
f 2 sf1
E2 sE2o
起动瞬间
X 20 2f1LL 2
I2 E2 R2 X 2
2 2
x2 sx2o
sE2o R2 ( sX 20 ) 2
2
COS2
R2 R2 ( sX 20 ) 2
2 1
14
过载系数：
Tmax TN
1.8 ~ 2.2
Tmax
1 KU 2 X 20
2 1
三相异步机
注意： （1）三相异步机的 Tmax 和电压的平方成正比，所 以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。 （2）工作时，一定令负载转矩 电机将停转。致使
TL Tmax，否则
电机严重过热
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(3)改变定子电源频率 时的人工特性
随着频率的降低,理 想空载转速只能在电源 额定频率以下调节; 转速no减小,临界转差 率Sm减小,起动转矩Tst 增大,最大转矩Tmax不变。
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(4)三相线绕式异步电动 机转子电路外接电阻时 的人工特性
2 2
20 0.02 0.08
2 2
242 .5 A
9
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4.三相异步电动机的机械特性
1).三相异步电动机的转矩
三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流 相互作用而产生的:
T KtI 2 cos2
E2o 4.44Sf1 N2
用 COS2
代入
越往左移; 电动机的过载能力和起 动转矩会大大降低; 电压降低,负载转矩不 变时,电动机过热; 电压降低太多,电动机 将带不动负载(不能起动).
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(2)定子电路串入电阻或电 抗时的人工特性
定子电路串电阻或电抗时
的人工机械特性如右图中虚 线2所示,1为电压降低时的 人工机械特性; 曲线2与曲线1相比较,最 产生的漏磁 通,用复数表示为:
U1 I1 R j I1 x
1
1
( E ) 1
忽略R1和X1上的电压降,有:
U1 E1
其大小为:
U1 E1
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一相电路图
4
2).转子电路分析
旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为:
U2 K 2 X 20
Tman m TN
12
三个重要转矩
( 1 ) 额定转矩
TN
：
nN
n
0
n
电机在额定电压下，以额
定转速 定功率
nN PN
运行，输出额 时，电机转轴
T
上输出的转矩。 （电动机在额定负载时的转矩。）
TN
PN PN (千瓦 ) TN 9550 2n N n N (转 / 分) 60
例1:有一台Y型接线的三相异步电动机,其额定参数为:功率90KW,UN=3000V, IN=22.9A,电源频率f=50Hz,额定转差率SN=28.5%,定子每相绕组匝数N1=320, 转子每相绕组匝数N2=20,旋转磁场每极磁通0.023WB,求: 1)定子每相绕组感应电动机E1;2)转子每相开路电压E20
5
2
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3.三相异步电动机的额定值
电动机铭牌数据: 额定功率PN; 额定电压UN; 额定频率f=50Hz; 额定电流IN; 额定转速nN; 有的参数要经过计算得出: 额定效率 额定负载转矩 额定效率
N
PN 3U N I N cosN
E1 4.44 f1N1 4.44 50 320 0.023 1634 V
解:1)由电势计算公式得 : 2)转子绕组开路时,f2=f1, 得
E2o 4.44 f1N2 4.44 50 20 0.023 102V
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8
举例
例2:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速
异步电动机
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1
三相异步电动机的机械特性
1).定子电路分析
电动机定子和转子 每相绕组的匝数分别为 N1和N2.定子每相绕组产 生的感应电动势为:
d e1 N dt
其有效值为 :
E1 4.44 f1 N1
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定子和转子电路的感应电势
2
三相异步电动机的“电－磁”关系 e1 、 e2 ：主磁通产
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21
I2
E2 R2 X 2
2 2
sE2o R2 ( sX 20 ) 2
2
R2 R2 (sX 20 ) 2
2
代入,合并上面几个式子得转矩又一公式:
SR2U 2 T K 2 2 R ( SX ) 2015年4月22日星期三 2 20
注意,转矩与电压平方成正比
10
2).三相异步电动机的机械特性n=f(T)
15
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n 0 (s 1) I 2 I1
( 3 ) 起动转矩
Tst ：
电机起动时的转矩。
n
0
n
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 ) 其中 n 0 (s 1)
则
T
Tst
R2 2 Tst K 2 U1 2 R2 ( X 20 )
1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势 E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子 电流. 解;1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=1500r/min
2)电动机起动时的转子电流
I 2 st
E20 R2 X 20
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（牛顿•米）
13
( 2 ) 最大转矩 Tmax ： 电机带动最大负载的能力。 如果 TL Tmax电机将会 因带不动负载而停转。
n
0
n
T
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 )
求解
Tmax
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T 0 S
Tmax
1 KU 2 X 20