三相异步电动机的机械特性分解
1.1.2三相异步电动机的转矩特性和机械特性
Tst
随着电压的减小而大大地减小
改变电源电压时的人为特性如图所示： 改变电源电压时的人为特性如图所示：
三、转矩特性 电磁转矩（以下简称转矩） 电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量 之一。机械特性是它的主要特性。 之一。机械特性是它的主要特性。
km1 pU 12 R2 s T= = Km1Φ I 2 cos ϕ 2 2 2 2 2πf1[ R2 + ( sX 20 ) ]
因为
I2 = S 4.44 f1 N 2Φ R2 + ( SX 20 )2
p( n0 − n ) n0 − n pn0 f2 = = = Sf1 60 n0 60
在 n=0 ，即S=1时，转子电动势为 时 E 20 = 4.44 f1 N 2Φ E 2 = SE 20 为转子最大电动势
可见转子电动势 与转差率S有关 有关。 可见转子电动势E2与转差率 有关。 电动势
和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通 漏磁通， 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相 绕组中还要产生漏磁电动势。 绕组中还要产生漏磁电动势。 di 2 eL2 = − LL2 dt 因此，对于转子每相电路， 因此，对于转子每相电路，有 转子每相电路
（1）降低电动机电源电压 时的人为特性 ）降低电动机电源电压U1时的人为特性
60 f n0 = p n0 − nm R2 = Sm = X 20 n0 U2 Tmax = K 2 X 20 R2U 2 Tst = K 2 2 R2 + X 20 λ = Tmax TN
设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和 ， 设定子和转子每相绕组的匝数分别为 和 N2，如图所示电路 图是三相异步电动机的一相电路图 三相异步电动机的一相电路图。 图是三相异步电动机的一相电路图。
三相异步电动机的工作原理及特性
2.转子 转子由铁心与绕组构成。
转子铁心也是电动机磁 路旳一部分，由硅钢片叠压 而成。转子铁心装在转轴上。 硅钢片冲片如图所示。
线绕式和鼠笼式两种电动机旳转子构造虽然不同，但工作原理 是一致旳。转子旳作用是产生转子电流，即产生电磁转矩。
鼠笼式异步电动机转子绕 组是在转子铁心槽里插入铜条， 再将全部铜条两端焊在两个铜 端环上而构成，如图所示。
即1/4转，电流变化一种周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。
由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（p=2）时，其旋转速度
仅为一对磁极时旳二分之一。依次类推，当有p对磁极时，其转速
为：
n0
60 f p
所以，旋转磁场旳旋转速度与电流旳频率成正比而与磁级对数
成反比。
4．工作原理 三相异步电动机旳工作原
理是基于定子旋转磁场和转子 电流旳相互作用。
iC=0 此时旳合成磁场如图（b） 所示，合成磁场已从t=0 瞬间
所在位置顺时针方向旋转了
/3。
3t T 3时
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到X端。
iB=0 iC为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到C端；
此时旳合成磁场如图 （c）所示，合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方
第一章 机电传动断续控制
学习任务
1.1 三相异步电机
• 了解三相异步电动机旳基本构造及工作原理；
• 掌握三相异步电动机旳转矩特征和机械特征；
• 掌握三相异步电动机旳连接措施和额定参数；
• 掌握三相异步电动机开启、调速和制动等多种特征；
• 掌握实现三相异步电动机开启、调速和制动旳多种措施及
它们旳使用场合。
向旋转了2 /3。
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
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
《电子电工技术》课件——三相异步电动机的电磁转矩机械特性
此过程电中机I稳2 定运I行1 在新时的,
T 电源提转供速的下功,工率作自于动d增'点大。
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
Tn
Tm0
n
因带不动负载而停转。
最大转矩对应的转差率称临界转差率Sm
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
0 Sm
Sm=
–R—2 X20
得到转矩公式
T
K
R22
sR2 (sX 20)2
U12
三、机械特性
转矩特性 T= f (S) 机械特性 n = f (T)
根据转矩公式 得特性曲线：
T
0
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
n
n
0
s
T
1
三个重要转矩
1、 额定转矩 TN ：
电机在额定电压下，以额
n
n nN0
定转速 nN 运行，输出额 定功率 PN 时，电机转轴
（2）工作时，一定令负载转矩
TL
Tm
a
，否则
x
电机将停转。致使
n 0 (s 1) I2 I1 电机严重过热
3 、 起动转矩 Tst：
电机起动时的转矩。
U1↓→ Tst T R2↑→ Tst↑
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
其中 n 0 (s 1)
Tm R2
Tst
则
Tst
K
Φ
Φ
Φ -
①
③
⑦
二、单相异步电动机的特点：
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。
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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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示转速和转差率，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，转子相电流，以及为转子功率因数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(),变化不大，，与转子相电流成正比关系，表现为AB段近似为直线，电磁转矩较大时 ()，如，减少近一称为直线部分；当半，很小，尽管转子相电流增大，有功电不大，使电磁转矩反而减小了，此时表现为段，流段为曲线段，称为曲线部分。
由此分析知，三相异步电动机的机械特下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的性在某转差率转矩为称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。
5.1.2机械特性的参数表达式1.参数表达式的推导：三相异步电动机的机械特性的参数表达式就是直接表示异步电动机与转差率和电机的某些参数（及阻抗等）之间的电磁转矩的关系的数学表达式。
现推导如下：与转子电流关系为已知，电磁转矩（5.3）根据三相异步电动机的等值电路中，由于励磁阻抗比定子、转子漏阻抗大很多，把型等值电路中励磁阻抗这一段电路近似为开路，而计算的误差很小，故（5.4）式（5.4）代入（5.3），得(5.5)这就是机械特性的参数表达式。
给定及阻抗等参数，画曲线，其形状与图5.1一致。
由参数表达式绘制的出曲线便是三相异步电动机的机械特性如图5.5所示，它具有以下特点：在的范围内，特性在第一象限，电磁转矩与转时，即速方向，电动机工作在电动运行状态；在时，即，特性在第二象限，电磁转矩为负值，表现为制动性转矩，电磁功率也是负值，电动机工作在电动发电运行状态；在在第四象限，2.机械特性曲线的分析：下面分析图5.5机械特性中的几个特点：（1）同步转速点：其特点是 。
点为理想空载运行点即在没有外界转矩的作用下，异步电动机本身不可能达到同步转速点。
（2）额定运行点：其特点是电磁转矩和转速均为额定值，用和表示，相应的额定转差率用表示。
异步电动机可长期运行在额定状态。
（3）最大转矩点：其特点是对应的电磁转矩为最大值 ，称为最大转矩，对应的转差率用，称为临界转差率。
把式（5.5）中的对求导，并令，即可得到最大转矩和临界转差率为（5.6）（5.7）式中，“＋”号适用于电动机状态，“－”号适用于发电机状态。
通常情况下，的绝对值大于的数值，但是异步电动机的 型等值电路不超过 的5%，则式（5.6）和（5.7）中可以忽略的影响，则有（5.8）（5.8）也就是说，异步电动机的机械特性具有对称性，即异步电动机的发电机状态和异步电动机的电动机状态的最大电磁转矩绝对值及对应的临界转差率可认为近似相等。
通过式（5.8），可得出下列结论：1）最大电磁转矩与电压平方成正比，与漏电抗成反比。
这说明改变和，可改变的大小；与电阻成正比，与漏电抗成反比,与的2）临界转差率大小无关。
最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值称为最大电磁转矩倍数，又称为过载能力或过载倍数，用表示，即时，绝不可能长期运行在最大转矩处。
因为，此时电流过大，温升会超过允许值，有可能烧毁电机，同时在最大转矩处运行转速也不稳定。
一般情况下，三相异步电动机的＝1.6～2.2，起重、冶金、机械专用的三相异步电动机的＝2.2～2.8。
：其特点是对应的转速，, 对应的转矩称（4）起动点为起动转矩，又称为堵转转矩。
它是异步电动机接通电源开始起动时的电磁转矩。
若令式（5.5）中的，即有（5.9）通过式（5.9）可以得出下列结论：与电压平方成正比，与电阻或漏电抗成反比。
这说明电阻或漏电抗越大，起动转矩越小；电源电压过低，会引起起动转矩明显下降，甚至使，而造成电机不能起动。
起动转矩与额定转矩的比值称为转矩倍数，用表示，即机起动时，必须保证有一定的过载倍数。
只有＞1时，异步电动机才能在额定负载下起动。
一般情况下，是针对鼠笼式电动机而言。
因为绕线式电动机通过增加转子回路的电阻，可加大或改变起动转矩。
这是绕线式电动机的优点之一。
一般的鼠笼式电动机的＝1.0～2.0；起重、冶金、机械专用的鼠笼式电动机的＝2.8～4.0。
5.1.3机械特性的实用表达式1. 实用表达式的推导：，，，等）在电机实际应用时，三相异步电动机的参数（产品的目录中是查不到的，因此使用参数表达式和物理表达式一样也是不方便的。
为了能利用三相异步电动机产品说明书中给出的数据，计算出异步电动机的机械特性，有必要导出实用的表达式。
用式（5.5）去除式（5.6）得(5.10）由式（5.5）得（5.11）由式（5.11）代入式（5.10）得（5.12）。
对于三相异步电动机，其＝0.1～0.2范围内。
式中上式中显然对任何值，都有（5.13）而,可忽略。
则式（5.13）可简化为(5.14）这就是三相异步电动机机械特性的实用表达式。
2.实用表达式的使用和临界转差率，才能从实用表达式看出，只需求出最大转矩。
下面介绍和的求法。
求出已知三相异步电动机的铭牌数据中额定功率（），额定转速）和过载倍数，则额定输出转矩为（额定转差率为，（当时），且，代入忽略空载转矩，近似认为式（5.14）得由上式可得解之得因,故上式应取“＋”号，则（5.15）算出和，只需给出值，就可算出相应的值。
例 5.1已知一台三相异步电动机，额定频率＝150, 额定电压, 额定转速，＝1460，过载倍数＝2.4。
当转子回380路不串入电阻时，（1）求其转矩的实用表达式；（2）问电动机能否带动额定负载起动。
解：（1）根据已知数据，电机的额定转矩为最大转矩为，可判断出同步转速＝150，根据额定转速＝1460则额定转差率为临界转差率为转子不串电阻的实用表达式为（2）电机开始起动时，＝1，＝，代入实用表达式得因为＜, 故电动机不能拖动额定负载起动。
3.实用表达式的简化＜的直线段，即三相异步电动机在额定负载范围内运行在0＜时，它的转差率小于额定转差率（/也是可以的。
则实用表达式（5.14）变成为实用公式中忽略（5.16）经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性关系，使用起来更方便，并称为机械特性的近似表达式。
在使用式（5.16）时可按下式计算上述三相异步电动机机械特性的三种表达式，虽然都能用来表征电动机的运行特性，但其应用的场合各有不同。
一般来说，物理表达式适用于对电动机的运行作定性分析；参数表达式适用于分析电机各种参数变化对电动机运行特性的影响；实用表达式适用于电动机机械特性的工程计算。
5.1.4机械特性的固有特性和人为特性1.固有机械特性三相异步电动机的定子在额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械特性称为固有机机械特性。
其形状如图5.5所示。
三相异步电动机的固有机械特性可以利用实用表达式（5.14）计算得到。
方法是先利用实用表达式计算出同步转速点，额定运行点，最大转矩点和起动点这几个特殊点，然后将这些点连接起来便得到固有特性曲线。
当然，计算的点越多，做出的曲线就越精确。
，＝750，＝例5.2某三相异步电动机，＝6050，＝2.5，试绘出电动机的固有机械特性。
解：（1）同步转速点＝0时，(2)额定运行点：(3)最大转矩点(4)＝＝(4)起动点：将＝1时代入公式得根据上述求出的四个特殊点，绘出固有机械特性如图5.6所示。
2. 人为机械特性人为地改变三相异步电动机的某些参数所得到的机械特性称为人为特性。
关于人为特性的分析，主要是分析下列四个公式的特性。
同步转速公式临界转差率公式最大转矩公式起动转矩公式下面分析几种常见的人为机械特性。
（1）降低定子回路端电压的人为机械特性。
根据上述四个公式，降低定子回路端电压，则不变，不变，和与成正比地降低。
由于三相异步电动机的磁路在额定电压下已有饱和的趋势，故不宜再升高电压。
图5.7所示为＝0.8，＝0.5时的人为机械特性。
定子回路端电压降低后的人为机械特性，其线性段的特性变软了。
且和也显著地减小，电动机的过载能力也显著地下降。
（2）转子回路内串接对称电阻时的人为机械特性。
绕线式三相异步电动机的转子回路内可以串接电阻（要求三相串接的电阻阻值相等）。
其电路图及人为机械特性如图5.8所示。
不变，不变，随的增大而增大，开根据上述四个公式，的增大而增大，当增大到某一时，＝。
如果再始随继续增大，则开始减小。
越大，其线性绕线式三相异步电动机的转子回路串接电阻后，电阻段的特性越软。
或电阻时的人为机械特性。
（3）定子回路串接对称电抗三相异步电动机的定子回路串接对称电抗性如图5.9所示。
根据上述四个公式，不变，、和随的增大而减小，其线性段的特性变软了。
时的人为机械特性。
同理，可分析定子回路串接对称电阻5.1.5稳定运行问题电力控制系统能否稳定运行，决定于电动机的机械特性和负载转矩特性的配合。
其稳定运行的条件是在这两条特性曲线的交点应满足关系式或和负载转矩，应即电动机拖动继续负载稳定运行时，电磁转矩该是大小相等方向相反。
根据电动机稳定运行的条件，图5.10()中对于电动机机械特性的线性段是能正常运行的。
因为，由于某种原因（如突加负载）使负载转矩突然增大了，如从增大到，异步电动机的转速要降低，随着转速的降低，异步电动机的电磁转矩反而增大了，为，可见电动机能稳定运行于点，只是转速比先前降低了些，当负载转矩恢复正常时，电动机仍能工作在点。
对于图5.10()中的非线性段（段），负载转矩突然增大，使异步电动机的转速降低，但电动机的电磁转矩反而减小，为，导致转速进一步下降，随着转速的降低，电磁转矩越来越小，最后拖不动负载，只有停车，因此，这种情况下，电机不能正常运行。