三相异步电动机的机械特性及各种运行状态
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。
三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性word版本
精品文档三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性一、实验目的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。
二、预习要点1、如何利用现有设备测定三相线绕式异步电动机的机械特性。
2、测定各种运行状态下的机械特性应注意哪些问题。
3、如何根据所测出的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性。
三、实验项目1、测定三相线绕式转子异步电动机在R=0时，电动运行状态和再生发电制动状态下的机械特性。
S2、测定三相线绕转子异步电动机在R=36Ω时，测定电动状态与反接制动状态下的机械特性。
S3、R=36Ω，定子绕组加直流励磁电流I=0.36A及I=0.6A时，分别测定能耗制动状态下的机械特21S性。
四、实验方法2、屏上挂件排列顺序D51 D34-2 、精品文档．精品文档1S2I1A4R3*U*SW21RV s1V R s I1WAWR12s**A2R12'1'I a I f＋源＋R V2电UGMV组机0a源2枢2V绕电电20电－磁流磁2 2励直励－图6-2 三相线绕转子异步电动机机械特性的接线图3、R=0时的反转性状态下机械特性、电动状态机械特性及再生发电制动状态下机械特性。
S用编号接线，图中M用编号为DJ17的三相线绕式异步电动机，U=220V,Y接法。
MG(1)按图6-2N 合在左S合向左边1端，、S选用D51挂箱上的对应开关，并将S为DJ23的校正直流测功机。
S、S21213、串上四只900Ω180Ω阻值加上R3、R5R边短接端（即线绕式电机转子短路），S合在2'位置。
选用R2的13上R7选用1800Ω阻值，RMET01电源控制屏上两只联再加R1300Ω并联共4430Ω阻值，R选用R1上S2，交流电500V200mA，V的量程为的量程为36Ω的电阻，R暂不接。
直流电表A、A5A，A量程为23243 A量程为3A。
的量程为表V500V，11的定子绕组接成星形的情况下。
M2'位置，端，(2)确定S合在左边1S合在左边短接端，S合在312阻值置最大位置，将控制屏左侧三相调压器旋钮向逆时针方向旋到底，即把输出电压调到零。
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
实验4：三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性
实验4：三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性实验目的：1、了解三相异步电动机的基本结构和工作原理；2、学习三相异步电动机的电气参数计算方法；4、掌握测量三相异步电动机的机械特性的方法。
实验原理：三相异步电动机是一种广泛应用的电动机，其基本结构和工作原理如下图所示：三相异步电动机的主要部件包括：旋转部分和定子部分。
旋转部分包括转子和轴承等部分，定子部分包括绕组、铁心、端盖等部分。
在三相交流电压的作用下，定子上的三组绕组会产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子上的导体产生感应电动势，从而在转子中产生转动力矩。
由于转子中感应电动势的存在，转子的转速与旋转磁场的同步速度是有一定差距的，因此称之为异步电动机。
三相异步电动机的主要电气参数有定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感、互感系数和空载电流等，这些参数与三相异步电动机的机械特性密切相关。
三相异步电动机的机械特性包括：空载特性、转矩特性和效率特性。
其中空载特性是指在无负载情况下，机械输出功率与输入电功率之比；转矩特性是指在有负载的情况下，三相异步电动机的旋转磁场力矩和负载之间的关系；效率特性是指在不同运行状态下，三相异步电动机的效率和输入电功率之间的关系。
实验内容：1、接线及仪器调整：根据图1所示连接电路，仪表的电压选择250V档，电流选择10A 档。
2、实验步骤：(1)打开柜门，启动三相异步电动机，使其无负载运行。
(2)调整滑动变阻器，依次改变定子电压，记录定子电流、转速、输入电功率和输出电功率。
(3)理论计算机械输出功率和机械效率，并与实验测量结果进行比较。
3、实验结果与分析：（1）绘制三相异步电动机空载特性曲线。
（2）比较理论计算结果与实验测量结果，分析其差异的原因。
(3)计算旋转磁场力矩和负载间的关系，并绘制转矩特性曲线。
实验注意事项：1、实验过程中，电动机的运行状态要保持稳定，否则会影响测量结果。
2、实验时需要注意安全，避免触电等意外情况的发生。
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
2023年8月26日 星期六
§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。
2023年8月26日 星期六
§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
2023年8月26日 星期六
§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。
对三相异步电动机的机械特性启动制动与调速的总结
对三相异步电动机的机械特性启动制动与调速的总结
三相异步电动机是一种常用的电动机类型，具有机械特性启动、制动和调速的特点。
下面是对三相异步电动机的机械特性启动、制动和调速的总结：
1. 机械特性启动：
三相异步电动机通过旋转磁场的作用，使转子在磁场的作用下旋转，从而完成机械特性启动。
机械特性启动时，电流较大，容易产生电磁瞬变和热损耗，因此需要采取措施减少其影响。
常用的方法有：阻抗启动、星角启动、自耦启动、电容启动等，其中阻抗启动和星角启动是较为常用的方法。
2. 机械特性制动：
机械特性制动是指通过改变电源的供电方式，使电动机磁场反转，从而使电动机逆向运转，达到减速、停止的目的。
机械特性制动时，需要考虑电动机回转的问题，为此可以采用反电动势励磁制动和短路制动等。
3. 调速：
三相异步电动机的调速方式有很多种，包括电压调速、变频调速、极对数调速、转子电流调速、波形调速等。
其中，变频调速是目前最为成熟的调速方法，可以实现宽范围的调速控制，且对电机影响小，控制稳定性好。
总之，三相异步电动机的机械特性启动、制动和调速等方面是该电机应用时需要注意的关键问题。
选择适当的启动和制动方法，以及合适的调速方式，可以提高电机的运行效率，并延长其使用寿命。
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转子电流折算值： I
E
r
()
x
s
r2
转子功率因数：
cos2
s
( r2 )2 s
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。
（2）参数表达式
T
Pem 1
m1I 22
r2 s
sm
x1
r2 x2
Tm
3 pU12
4f1(x1
x2 )
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过载能力，用λm表示，
即：
m
Tm TN
一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。
②起动转矩Tst
起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，
这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转
2、调速电阻推导公式
10-1 异步电动机机械特性
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转差率的关系，即 n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。
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。
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 。
三相异步电动机的机械特性及 各种运行状态
本章教学目的：
1、掌握异步电动机机械特性的三种表达式 2、掌握异步电动机固有机械特性与人为机械 特性及曲线画法
3、掌握异步电动机的各种运转状态计算 4、掌握调速及制动电阻计算
重点和难点：
重点：1、运转状态及其制动电阻计算 2、调速电阻计算
难点：1、运转状态分析及其制动电阻 计算
本章小结2
工作特性反映了异步电动机在额定电压、额 定频率时的使用性能。机械特性则是异步电 动机运行特性中最重要，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 转速或转差率的关系，即n=ƒ(T)或s=ƒ(T)。机 械特性可用函数表示，也可同曲线表示，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，三种表达式各有 不同的适用场合。
2f1
p
3 pU12
r s
2f1
r1
r2 s
2
x1
x2
2
异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平 方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造 成很大影响。
机械特性曲线
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。
异步电动机机械特性
①最大转矩Tm
c 点(T = TL),
以速度 nc 稳定下放重物。 制动效果：
T
Oc
由制动回路的电阻决定。
TL
制动运
行状态
第 十 章 异步电动机的电力拖动
2. 反接制动
(1) 定子反相的反接制动 —— 迅速停车
① 制动原理
3~
3~
制
动
前
的
M
电
3~
路
制
动
M
时
3~
的
电
Rb
路
第 十 章 异步电动机的电力拖动
制动前：正向电动状态。
1.异步电动机机械特性三种表达式
（1）物理表达式
电磁转矩为：
T
Pem 1
m1E2 I2 cos2 2n1
m1(4.44f1N1kw1m )I2 cos2 2f1
60
p
pm1N1kw1 2
m I 2
cos2
CT mI2 cos2
分析物理表达式
异步电动机的转矩系数：CT
pm1N1kw1 2
（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
Байду номын сангаас
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
(4)起动点D 在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。
3.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r2ˊ和电抗 x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。
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。
② 制动效果
Rb →I1 →Φ →T →制动快。 ③ 制动时的功率
矩，用Tst表示，则有：
Tst
2f1
r1
3 pU12r2
r22 x1
x2 2
起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍
数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：
kst
Tst TN
一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。
实用（表3达）式实：用T 表达2r式2r1
r2 sm
2
r1sm r2
T
×
TM3~
n
M 为制动状态。
F
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 能耗制动时的机械特性
特点： ① 因T 与 n 方向相反，
n－T 曲线在第二、 四象限。 ② 因 n = 0 时， T = 0， n－T 曲线过原点。 ③ 制动电流增大时， 制动转矩也增大； 产生最大转矩的转速不变。
n
T
O
I1'＜ I1"
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
作业：3-24
作业：10-1、10-2
第 十 章 异步电动机的电力拖动
10.2 三相异步电动机的各种运转状态
1. 能耗制动
3~
(1) 制动原理
制动前 S1 合上，S2 断开， M 为电动状态。
制动时
S1
Φ
S2 Rb
＋
I1
U －
S1 断开，S2 合上。 F
定子: U →I1 →Φ 转子: n →E2 → I2
n
制动时：定子相序改变， 2
n0 变向。
b
n0
a
1
s
=
－n0 －n －n0
=
n0＋n n0
即：s ＞1 (第二象限)。
－TL
T
c
O TL
同时：E2s、I2 反向，T 反向。 a 点 惯性 b 点(T＜0，制动开始)
d
n↓ c 点(n = 0，T ≠ 0)，
－n0
制动结束。
到 c 点时，若未切断电源，
cd
f1"
n
a
YY
cd Y
O TL
T
O TL
T
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 下放重物时的回馈制动
3~
T
n
M
TL
3~
b 反接制动
c
n 正向电动
n0
a
O
TL
T
Rb
回馈制动
G
－n0
反向电动
d
第 十 章 异步电动机的电力拖动
制动时的功率
第四象限：
s=
－n0－n －n0
=
n0＋n n0
＜0 (n＜－n0)
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
最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，最大转
矩为： Tm
4f1
r1
3 pU12 r12
( x1
x2 )2
最大转矩对应的临界转差率为：
sm
r2 r12 (x1 x2 )2
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）。
最大转矩近似表达式
通常情况下r，12 (x1 x2 )可2 忽略r1，则有：
n
n0
a1
O
T
－n0
机械功率Pm