第十章 三相异步电动机的机械特性10
电机学 chap10三相异步电动机的起动和调速
斜槽
对谐波磁场，相 当于分布绕组的 作用
槽配合
定转子一阶齿谐波
Z1 1 Z2 1
p
p
即：Z1 Z2 , Z1 Z2 2 p
为要消除齿谐波同步转矩，定子齿数与
转子齿数不应相等，它们之间的差数也 不应等于极数。
异步电动机的调速与制动
一、异步电动机调速方法
异步电动机的转速
n 60 f 1 s
第10章 异步电动机的起动、 调速和制动
异步电动机的起动性能
1. 起动电流倍数 2. 起动转矩倍数 3. 起动时间 4. 起动时能量消耗与发热 5. 起动设备的简单性和可靠性 6. 起动中的过渡过程
一、起动电流和起动转矩
起动：从禁止不动到加速到工作转速的过程
要求：在起动时有较大的起动转矩（倍数），较小 的起动电流（倍数）
内层鼠笼有较大的漏抗，电流较小，功率因数较 低，所产生的电磁转矩也较小。
外层鼠笼仅有非常小的漏抗，电流较大，且电阻 较大，起动时所产生的电磁转矩也较大。层鼠笼 又称起动鼠笼。
2．起动过程结束后
转子电流的频率很小，内层鼠笼的漏抗很小， 两个鼠笼转子的电流分配决定于电阻。
内层鼠笼电阻较小，电流较大，运行时在产生 电磁转矩方面起主要的作用，内层鼠笼称为运 行鼠笼。
•由于电流的分布不均匀，等效槽导体的 有效面积减小——集肤效应使槽导体电阻 增加；
•集肤效应作用使槽漏磁通有所减少，转 子漏抗也有所减少，二者均促使起动转矩 增大，改善了起动特性。
•启动瞬间，由于磁路饱和，转子漏抗将 明显减小。
等效截面
深槽式异步电动机
2．正常运行时 在正常运行时，由于转子电流的频率很低，槽导体的 漏抗比电阻小得多，槽中电流将依电阻而均匀分布， 转子电阻恢复到固有的直流电阻。
三相异步电动机的机械特性
定子输入：P1 = 0，轴上输出：P2 = TΩ＜0 。
动能 P2 → 转子电路的电能 → PCu2消耗掉。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(4) 能耗制动运行 —— 下放重物
a 点 惯性 b 点 (T＜0，制动开始) 2
n↓ 原点 O (n = 0，T = 0), b
n
a 1
在TL作用下 n 反向增加
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。
三相异步电动机固有机械特性
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动=1机，处n=于n理1，想T=空0，载E状2s态=0。，I2=0，I1=I0，电 (2)额定运行点B
P2在=P该N，点电处动：机n=处nN于，额T=定TN运，行I1状=I1态N，。I2=I2N，
pm1N1kw1 2
转子电流折算值： I
E
r ()
x
s
r2
转子功率因数：
cos2
s
(
r2 s
)2
x22
物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与
主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之间 的关系，此表达式一般用来定性分析在不同
运行状态下的转矩大小和性质。
本章小结1
异步电动机运行时，转子与旋转磁场存在 转差，因而能在转子中感应电势和电流， 产生电磁转矩，使电动机旋转，可见转差 率s是异步电动机的重要参量。通过频率和 绕组折算，可得到反映实际运行电动机各 量关系的等值电路，等值电路中的各种参 数可通过空载和短路试验测取。与变压器 一样，基本方程式、等值电路、相量图也 是描述电动机负载运行时的基本电磁关系 的工具。
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
永磁三相异步电机
永磁三相异步电机
永磁三相异步电机是一种常用的电动机，具有高效、节能、环保等特点。
其工作原理是利用永磁体产生磁场，通过改变输入的电流相位来控制电机的旋转。
与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有更高的效率和可靠性，因此被广泛应用于各种领域，如工业自动化、电动汽车、风力发电等。
永磁三相异步电机由定子和转子两部分组成。
定子是电机的固定部分，由铁芯和绕组组成，绕组通电后会产生磁场。
转子是电机的旋转部分，由永磁体和导磁体组成，永磁体产生磁场，导磁体引导磁场。
当电流通过定子绕组时，会产生旋转磁场，该磁场与转子永磁体的磁场相互作用，从而驱动电机旋转。
永磁三相异步电机具有许多优点。
首先，由于采用了永磁体，电机的结构简单、体积小、重量轻，且具有较高的功率密度。
其次，永磁电机的效率高、节能效果好，能够显著降低能源消耗和运行成本。
此外，永磁电机的可靠性高、寿命长，能够减少维护成本和使用寿命。
最后，永磁电机的动态响应速度快、控制精度高，能够实现高精度的控制和快速的调节。
综上所述，永磁三相异步电机具有高效、节能、环保等优点，因此在工业自动化、电动汽车、风力发电等领域得到了广泛应用。
未来随着技术的不断发展，永磁三相异步电机将会有更广阔的应用前景和更大的发展潜力。
三相异步电机的机械特性(精)
实验报告课程名称：电机与拖动基础实验项目：三相异步电动机机械特性姓名：lmysdju一．实验目的理解三相异步电动机的机械特性，用MATLAB绘制出不同控制方法下三项异步电机的机械特性曲线。
二．实验项目1. E1/f1为常数，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线；2. U1/f1为常数，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线；，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线。
三．实验内容本实验是基于MATLAB软件的，所需要的电机时参数已知的。
电机的特征如下：三相四极，定子绕组为Y接，其额定数据和毎相参数如下：1. 采用恒E1/f1控制，通过MATLAB编程，绘制出不同供电频率下三相异步电机的机械特性。
其程序如下：%Mechanical characteristic with E1/f1=Constclcclearsyms U1n Nph Poles Fe0 Nn R1 R2p X10 X20p R0 X0 Nsn Sn Zeq Z1 F1 Ns X1 X2p Xm...E1 E1n S Nrl Teml a b;U1n=380/sqrt(3);Nph=3;Poles=4;Fe0=50;Nn=1480;R1=1.03;R2p=1.02;X10=1.03;X20p=4.4;R0=7;X0=90;Nsn=120*Fe0/Poles;Sn=(Nsn-Nn)/Nsn;Zeq=(R0+j*X0)*(R2p/Sn+j*X20p)/((R0+j*X0)+(R2p/Sn+j*X20p)); Z1=R1+j*X10; E1n=abs(Zeq*U1n/(Zeq+Z1));for b=1:4if b==1F1=50;elseif b==2F1=35;elseif b==3F1=25;elseif b==4F1=10;endNs=120*F1/Poles;X1=X10*(F1/Fe0);X2p=X20p*(F1/Fe0);Xm=X0*(F1/Fe0);E1=E1n*(F1/Fe0);for a=1:2000S=a/2000;Nrl=Ns*(1-S);Teml=Nph*Poles/(4*pi)*(E1/F1)^2*F1*R2p/S/((R2p/S)^2+X2p^2);Tem(a)=Teml;Nr(a)=Nrl;plot(Teml,Nrl);hold on;endhold on;endxlabel('Torque[N.m]');ylabel('Speed[r/min]');title('Mechanical characterristic with E1/f1=const');ylim([0,1600]);xlim([0,105]);text(50,1350,'f=50Hz');text(50,900,'f=35Hz');text(50,600,'f=25Hz');text(50,150,'f=10Hz');运行结果：Mechanical characterristic with E1/f1=constSpeed[r/min]Torque[N.m]2．采用恒U1/f1控制，重新绘制出不同供电频率下三相异步电机的机械特性曲线。
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
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
三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。
1 三相异步电动机的机械特性文
三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速n与转差率S有一定的对应关系，所以机械特性也常用Tem＝f（s）的形式表示。三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响。实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。
摘 要：阐述了异步电动机结构，运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动、制动、调速等技术问题。
关键词：三相异步电动机；电力拖动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，因此，异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中。尤其是随着电力电子技术的发展和交流调速技术的日益成熟，使得异步电动机在调速性能方面大大提高。目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动，制动、调速等技术问题。
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三、异步电机的分析
1、异步电动机的电磁关系
U R1 I1 R1 U1 I1 1 e 1 F1 I1 N 1 1
2 r2 PT 3 E 2 I 2 cos 2 3 I 2 s pCu 2 3 I 22 r2 sPT P P p 3 I 2 1 s r (1 s ) P T Cu 2 2 2 T m s P2 Pm pm pad
三相异步电动机定子绕组接法
联接方式对电机参数的影响
U Ul V W V W Il UΦ IΦ Ul U Il IΦ
UΦ
星形接法：
三角形接法：
U l 3U I l I
U l U I l 3 I
2、转子成，外圆开槽，用于嵌放转子绕组。
两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）
“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限） 思考：电动状态与制动状态的最大转矩相等吗？
通常情况下 r12 ( x1 x )2 ，可忽略 r1，则有： 2
r2 sm x x 1 2 3 pU 12 T m 4f1 ( x1 x ) 2
福州大学电气学院
杨明发
§10-0
三相异步电动机的基础知识
一、三相异步电机的结构
三相异步电动机由定子(固定部分)和转 子(旋转部分)两个基本部分构成。 1、定子
定子铁芯：起导磁作用。0.35~0.5mm硅钢片冲制、 涂漆、叠压而成，内圆均匀开槽，用于嵌放定子三 相绕组。
定子绕组：起导电作用。漆包线绕制线圈，若干线 圈按一定规律连接成三相对称绕组，定子三相绕组 可以接成星形或三角形。 机座： 起支撑和固定作用。铸铁或钢板焊接而成。
绕线转子异步电动机转子绕组结构示意图
二、异步电动机的基本工作原理
1、旋转磁场 (1) 旋转磁场的产生
(2) 旋转磁场的转速 旋转磁场的转速称为同步转速，用n0表示。
60 f1 n0 ( r / min) p
由于我国电网频率 f1 固定为50Hz，极对数P只能为 整数，所以同步速只有固定的几种可能，常见的有：
4、转矩表达式
Pm (1 s ) PT Pm PT PT PT T (1 s ) 2n / 60 9.55 n 9.55 n 0 0 1 1 P2 P2 P2 9.55 T2 2n / 60 n T0 pm pad pm pad 9.55 pm pad 2n / 60 n
2n0 为同步机械角速度。 其中： 0 60
四、异步电动机的额定参数
1、额定功率PN：电动机在额定运行时，轴上输出的 机械功率，单位：W或kW。 2、额定电压U1N：电动机额定运行时，加在定子绕组 上的线电压，单位：V。 3、额定电流I1N：电动机在定子绕组上加额定电压、 轴上输出额定功率时定子绕组的线电流，单位：A。
r r 2 x x 2 2r2 1 1 1 2 2 r2 2 s r1 x1 x 2 s
r r 2 x x 2 2r2 1 1 1 2 2 r22 r2 2 s r1 2r1 2 x1 x 2 s s
转子功率因数：
cos 2
r2 / s / s )2 x 2 ( r2 2
转子功率因数随转速的增大而增大，低速运 行时转子功率因数很低，起动时大约在0.2左右。 接近同步速时转子功率因数接近1。
二、参数表达式
mI 22 r2 s mI 22 r2 s T 0 2n0 / 60 2f1 / p PT
定子
E1 气隙 m E 2 2 F2 I 2 N 2 I2 2 e 2
U R 2 I 2 R2
转子
2、异步电机的基本方程式及等效电路
U 1 E1 I 1 ( r1 jx1 ) E1 I 1 Z1 E I ( r jx ) I Z 1 m m m m m r2' ' ' ' E 2 I 2 ( jx 2 ) s ' E1 E 2 ' I1 I 2 I m
一、物理表达式
m1 E 2 I 2 cos 2 T 0 2n0 / 60 PT
m1 ( 2f1 N1k w1 m ) I 2 cos 2 2f1 / p pm1 N1k w1 m I 2 cos 2 2 CTJ m I 2 cos 2
注意：等效电路是某一相的等效电路，而不是整 台电机的等效电路。
异步电动机简化等效电路
从简化等效电路得：
I2
U1 / s r1 ) 2 ( x1 x ) 2 ( r2 2
3、功率平衡方程式： P1 3U1 I1 cos 1 pCu1 3 I12 r1 2 pFe 3 I m rm P P p p 1 Cu 1 Fe T
最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大 小反映电动机短时过载的极限：
Tm KT TN
一般异步电动机过载倍数 KT = 1.8 ~ 3.0。
结论：
1、最大电磁转矩Tm与电源电压U1平方成正比; 临界转差率sm与电源电压U1无关。
2、转子回路电阻越大，临界转差率sm越大；最 大电磁转矩Tm与转子电阻无关。 3、频率f1越高，最大电磁转矩Tm和临界转差率 sm越小；漏抗越大，最大电磁转矩Tm和临界转 差率sm越小；
P n0 1 2 3 4 3000 1500 1000 750 5 600 6 500
结论：改变电源频率或极对数可以改变气隙磁场 转速。
(3) 旋转磁场的方向 旋转磁场沿着U1→V1→W1方向旋转，与三相 绕组中的三相电流的相序L1→L2→L3是一致的。 结论：改变电源相序可以改变气隙磁场转向，从 而改变电机的转向。
绕组：起导电作用，分为鼠笼型和绕线型两种 。 相应的电机称为笼型转子异步电动机和绕线转子异 步电动机。
笼型绕组：用铝浇铸而成或用铜条焊接而成，所 有导条都通过端环自行形成闭合回路。
绕线型绕组： 铜线绕成的三相对称绕组， 星形 接法， 通过集电环引出，可自成回路也可通过外 电阻形成闭合回路。
绕线型转子的外形结构
2、三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机的定子绕组接通三相交流电源 后，在电动机内部产生旋转磁场，转子在旋转磁场 的作用下就会转动起来。 启动时，转子静止， 磁场旋转，转子导体切割 磁场感应出电流；载流导 体与磁场作用产生电磁力 矩拖动转子旋转。 思考：转子转速能否达 到同步速？
3、转差率 由于需要有相对运动才能产生驱动转子旋转的 力矩，所以转子与气隙磁场之间总有一定的转差， 转差与同步速的比值称为转差率：s = ( n0 – n )/n0。 在同步速一定的情况下，转差率与转子转速之间的 关系是固定的，在很多情况下用转差率表示电机的 转速更方便于分析问题。
I2 U1 ( r1 r2 s ) 2 ( x1 x ) 2 2
3 pU r s T 2 2f1 r1 r2 s x1 x 2
2 1 2 2
在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩 T与转差率 s 之间的关系可用曲线表示如图所示。
起动瞬间电动机的电磁转矩称为起动转矩，用 Tst 表示，将 s = 1代入转矩表达式得：
3 pU 12 r2 Tst 2 2 2f1 r1 r2 x1 x 2
起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数， 用 Kst 表示:
Tst K st TN
很显然，只有Tst> TZ ，电动机才能起动。一般 异步电动机的 Kst = 1 ~ 2。
思考：所串电阻是否越大越好？ 此时再增大所串的电阻，起动转矩反而减小。
三、实用表达式
2 r2 2 2 r2 3 pU 1 2f1 r1 x1 x 2 s s T 2 Tm r r 2 x x 2 3 pU 1 4f1 1 1 1 2
一般情况下有：
sm 0.1～0.2 1 r1 r2
从转差率的定义可以看出，电机速度越低转差 率越大，通常情况下sN = 0.015~0.06，电动机起动 时 s = 1，空载运行时 s < 0.05。
4、转子回路的频率：
p n p( n0 n) pn0 n0 n f2 s f1 60 60 60 n0
电机刚起动时，转子回路频率与电网频率相同， 随着转速的升高，转子回路频率逐步降低。
令 dT/ds = 0，可以求得出现最大转矩时的转 差率，该转差率称为临界转差率，用 sm 表示：
sm
r2
r12 ( x1 x ) 2 2
将 sm 代入转矩表达式可以得到最大转矩Tm：
Tm
)2 4f1 r1 r ( x1 x2
2 1
3 pU
2 1
考虑到
sm
r2
)2 r ( x1 x2
2 1
r1 sm r2 2r2 r1 2 r 1 sm T 2 r1 sm sm s Tm r2 2 r2 r2 2 2 s 2 2r1 2 s r2 s s s sm m
4、额定频率f1N：我国规定电网工频为50Hz。
5、额定转速nN：电动机在定子额定电压、额定频率 下，轴上输出额定功率时的转子转速，单位：r/min。