三相异步电动机的机械特性
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。
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
第二章 三相异步电动机的机械特性
转矩公式的推导
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。
T KT Φm I 2 cos2（牛顿米）
常数 每极磁通
•由于异步电动机的起动转矩不大，因此用来拖动机 械的异步电动机可先空载起动，待升速后再用机械离 合器加上负载。
转子电流 转子电路的
cos2
稳定运行段
sE 20
2 R2 ( sX 20 ) 2
5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性
sR2 2 T K 2 U 1 2 R2 (sX 20 )
固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接 线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
几个特殊点：
Tmax
I2
，否
sE 20
n 0 (s 1) I 2 I1
2 R2 ( sX 20 ) 2
电机严重过载
( 3 ) 起动转矩
Tst ：
电机起动时的转矩。
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 ) 其中 n 0 (s 1)
则
R2 2 Tst K 2 U1 2 R2 ( X 20 )
机械特性曲线
n f (T )
稳定运行段
电动机的自适应负载能力
电动机的电磁转矩可以随负 载的变化而自动调整，这种 能力称为自适应负载能力。
启动： Tst>TL (负载转矩)，电机启动 转速n，转矩T c点：转矩达最大Tmax ，转速n继续，T，沿cb走 b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行
n1 n s n1
转子功率因数
cos 2
R2
2 2 R2 X2
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。
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。
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三相异步电动机的机械特性
（一）机械特性方程
1）物理表达式：T=CTФmI2’ cosф2 (T是电磁作用的结果)
2）参数表达式：
3) 工程表达式：
——外施电源电压；
——电源频率；
——电机定子绕组参数；
——电机转子绕组参数。
（二）固有机械特性曲线
1．形状(根据工程表达式来说明)
AB段（s较大）：为双曲线，T与S成反比。
BO段(s很小)：为直线，T与S 成正比。
2．起动点A，n=0,S=1，
起动转矩倍数KT=TS/TN 一般取0.8~1.8
3.临界点B
临界转差率只与转子电阻有关. 取0.1~0.2
最大转矩与电源电压UI2有关。
过载能力λ=Tm/TN 取1.6~2.2
4.同步点O
n=n1 T=0 (理想的空载转速，旋转磁场的转速 )
5.额定点C
0< SN <Sm取0.02~0.06
在该点附近有TN=9550PN/nN
（三）人为机械特性
1、降低定子电压的人为机械特性——“变瘦”
当定子电压U1 降低时，电磁转矩T与U1 的平方成正比，故同步转速不变，Sm不变，最大转矩Tm 和起动转矩TS 随电压平方降低。
其特性曲线（红色）所示。
2、转子串电阻的人为机械特性——“变软”
当转子回路串电阻时，同步点不变，Sm与转子电阻成正比，转速随电阻增加而减小，最大转矩Tm保持不变，在一定范围内起动转矩有所增加，其特性曲线（红色）所示
3、降低定子电压频率的人为机械特性——“变小”
降低定子电压频率时，同步转速随之下降，从而使得电机转速下降，但特性的硬度基本保持不变。
电动机在工作时要求主磁通保持不变，因此在降低频率的同时，定子电压也要随之降低。