三相异步电机的转矩特性与机械特性(20200927012610)
53三相异步电动机的转矩特性和机械特性
其磁力线通过定子和转子铁心
S R / X m 2 20
再将Sm代入转矩公式中，即可得
Tmax K U2 2 X 20
通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 T / T m max N
称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负 载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。 鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机
R 2U 2
此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图 所示。
3 T T , n 0 , S 1 st
电动机的启动工作点。
将S=1代入转矩公式中，可得
T st K 2 2 R2 X20
可见，异步电动机的启动转矩Tst与U、 R2及X20有关。
R2U2
当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；
当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大； 而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。
加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即 d i 1 u i R ( e ) ( e ) i R L ( e ) 1 1 1 L 1 11 1L1 1 d t 如用复数表示，则为
U I R ( E ) ( E ) I R j I X ( E ) 1 1 1 L 1 1 1 1 1 1 1
60 f n0 p n0 nm R 2 Sm X 20 n0 T max U 2 K 2 X 20
三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
利用先进的传感器、控制器和算法，实现三相异 步电动机的智能控制，提高电机响应速度和运行 稳定性。
集成化设计
将电机、减速器和控制器等部件集成在一起，形 成紧凑、高效的一体化系统，降低整体能耗和成 本。
面临的挑战与问题
效率与能耗
尽管三相异步电动机在许多领域已经取得了显著的节能效果，但在 高负载、高转速等极端工况下，仍存在较大的能耗和效率提升空间 。
电磁转矩的大小取决于定子电流的幅值、频率、电动机的磁路结构、转子电阻以 及气隙长度等因素。
电磁转矩的影响因素
定子电流
电源频率
定子电流的大小直接影响电磁转矩的大小 。随着电流幅值的增加，电磁转矩将增大 。
电源频率的变化也会影响电磁转矩的大小 。随着频率的升高，旋转磁场的转速增加 ，导致转子电流和电磁转矩的增大。
改变转差率调速
通过改变转差率的大小来调节 电动机的转速，实现有级调速 。
改变极对数调速
通过改变电动机的极对数来调 节转速，实现有级调速。
转子电阻调速
通过改变电动机转子电阻的大 小来调节转速，实现有级调速
。
控制策略与实现
矢量控制
通过控制电动机的励磁和转矩来实现 精确控制，常用在高性能的调速系统 中。
负载转矩
负载转矩的变化对电动机的转速和转矩也有显著 影响，负载增大，转速下降，转矩增大。
电机参数
电机的参数如电阻、电感等也会影响机械特性， 这些参数的变化会导致电动机性能的变化。
机械特性的应用场景
调速控制
通过改变电源电压或频率，可以实现对电动机转速的精确控制， 广泛应用于各种需要调速的场合。
负载匹配
三相异步电动机可以通过直接启 动、降压启动或软启动等方式启
三相异步电机的转矩特性与机械特性
三相异步电机的转矩特性与机械特性1．电磁转矩（简称转矩）异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I 2相互作用而产生的。
电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I 及旋转磁场的强弱有关。
经理论证明，它们的关系是：22cos T T K I ϕ=Φ （5-4）其中 T 为电磁转矩 K T 为与电机结构有关的常数Φ为旋转磁场每个极的磁通量 I 2为转子绕组电流的有效值ϕ2为转子电流滞后于转子电势的相位角 若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为： 22122220()T sR U T K R sX '=+ （5-5）其中 T K '为常数 U 1为定子绕组的相电压S 为转差率 R 2为转子每相绕组的电阻 X 20为转子静止时每相绕组的感抗由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U 1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。
此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。
图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。
2．机械特性曲线图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线 在一定的电源电压U 1和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的n n m (a) T =f (s )曲线关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。
在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：1）．额定转矩T N额定转矩T N 是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
29550N P T n =（5-6） 式中P 2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n 的单位是转/分，T N 的单位是牛·米。
当忽略电动机本身机械摩擦转矩T 0时，阻转矩近似为负载转矩T L ，电动机作等速旋转时，电磁转矩T 必与阻转矩T L 相等，即T = T L 。
额定负载时，则有T N = T L 。
2）．最大转矩T mT m 又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。
三相异步交流电动机的原理转矩机械特性调速制动
•即 p＝2
•或2p＝2 •C
•X
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•B •或2p＝4 •低 速 三相异步交流电动机的原理转矩机械
特性调速制动
第2章 交流电动机
•2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理
•二. 三相异步电动机的工作原理
•㈠ 旋转磁场的产生
•A
•X •A
' •X •C
•A' •B'
•C' •Z•Y •B •Z •Y
•C •Z •B' •B
若改变接法将每相两个
• “半绕组”并联，形成的磁场则 • 是一对磁极，即 p＝1或2p＝2。 • （详见变极调速）
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三相异步交流电动机的原理转矩机械 特性调速制动
第2章 交流电动机
•2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理
•二. 三相异步电动机的工作原理
•A
3个始端连接在 • 3个铜滑环上；
电刷引出线连接 • 起动调速变阻器。
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三相异步交流电动机的原理转矩机械 特性调速制动
第2章 交流电动机
•2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理
•二. 三相异步电动机的工作原理
•㈠ 旋转磁场的产生
在定子的三相对称绕组中通入三相对称交流电流，
• 可以产生在空间旋转的圆形合成磁场。
•一. 三相异步电动机的基本结构
•定子 •铁心
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•三相对称 •圆形 •交流绕组模型
•定子冲片
三相异步交流电动机的原理转矩机械 特性调速制动
第2章 交流电动机
•2-1 三相异步电动机的基本结构与工作原理
•一. 三相异步电动机的基本结构
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
《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：
三相异步电动机的转矩与机械特性
三相异步电动机的转矩与机械特性电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一。
而机械特性是它的主要特性之一。
一、三相异步电动机的转矩三相异步电动机的电磁转矩为：将代入上式则有：二、三相异步电动机的机械特性1、*固有机械特性：异步电动机在额定电压和额定电流下，用规定的接线方式，定子电路和转子电路不串接任何电阻或电抗时的机械特性称为固有机械特性（自然机械特性）。
可用四个特征点来描述固有机械特性：1.当T=0点,即抱负空载点（0，n0 ）其中：n0=60f1/p2.电机额定工作点（TN,nN）其中：TN=9.55PN/nN3.启动点（Tst,0），此时n=0,s=1,所以有：4.极值点（nm,Tmax）有：电机固有机械特性的两个重要指标：(1) 启动力量系数(2) 过载力量系数转矩-转差率特性表达式：2、人为机械特性：转变定子电压、电子电流频率、定子电路串入电阻或电抗、转子电路串入电阻或电抗时的机械特性称为电动机的人为机械特性。
1）降电源电压时的人为机械特性当U降低，n0及Sm不变。
Tmax正比于U2。
即在同一转差率的状况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方和之比。
因此，异步电动机对电压的波动特别敏感。
此外，电网电压下降，在负载转矩不变的状况下，将使电动机转速下降，转差率S增加，电流增大，引起电机发热或烧坏。
2）定子电路串入电阻或电抗时的人为机械特性与降低电源电压时的人为特性类似，所不同的是定子电路串电阻或电抗的最大转矩比直接降压时的最大转矩大些。
3）定子电路串入电阻或电抗时的人为机械特性与降低电源电压时的人为特性类似，所不同的是定子电路串电阻或电抗的最大转矩比直接降压时的最大转矩大些。
Tmax正比于1/f2，Sm正比与1/f，n0正比与f，Tst正比与1/f。
注：转变频率时要保证最大转矩不变，应使U/f不变，因此变频时要转变电压。
三相异步电动机的电磁转矩及机械特性
电动机起动时有最大转矩，可令sk=1 ，则起动 转矩为最大转矩时转子回路所串的电阻应为：
rs xk r2
16
1、三相绕线式异步电动机转子回路串电阻后，下 列参数将如何变化？ （1）起动电流 （2）起动转矩 （3）最大转矩 （4）临界转差率
减小，增大，不变，增大
17
2、若频率为50HZ的三相异步电动机接在频率为 60Hz的电网上运行，电动机下列参数将如何变化？ （1）起动转矩； （2）最大转矩； （3）起动电流。
最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差 率与电源电压无关。
转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁 转矩与转子电阻无关。
频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏 抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。
13
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
Tmax
pm1
1
U12
1 2 xk
注意：
（1）三相异步机的 Tmax和电压的平方成正比，所
（2）最大电磁转矩 Tmax 最大转矩:电机带动最大负载的能力。
TL Tmax，电机因带不动负载而停转。
电磁转矩
r2
T
pm1
2 f1
U12
s ( r2)2
s
xk2
令 dT 0，求出当T最大时的转差率sK。
dS
10
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
（2）最大电磁转矩 Tmax
sk
C1r2 r12 (x1 C1x2 )2
Tmax
m1 pU12
2 f1
2C1(r1
1 r12 (x1 x2 )2 )
sk
r2 xk
C1 1 Tmax
m1 pU12
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三相异步电机的转矩特性与机械特性
1电磁转矩(简称转矩)
异步电动机的转矩T 是由旋转磁场的每极磁通 与转子电流|2相互作用而产 生
的。
电磁转矩的大小与转子绕组中的电流 I 及旋转磁场的强弱有关。
经理论证明，它们的关系是：
T K T 12 COS 2
其中 T 为电磁转矩 K T 为与电机结构有关的常数
为旋转磁场每个极的磁通量 I 2为转子绕组电流的有效值
2为转子电流滞后于转子电势的相位角
若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系， (5-4)修正为:
(5-5) 其中
K T 为常数 U i 为定子绕组的相电压 S 为转差率 R 2为转子每相绕组的电阻
X 20为转子静止时每相绕组的感抗
由上式可知，转矩T 还与定子每相电压U i 的平方成比例，所以当电源电压 有所变动时，对转矩的影响很大。
此外，转矩T 还受转子电阻R 2的影响。
图4-15 为异步电动机的转矩特性曲线。
2. 机械特性曲线
(a) T=f(s)曲线 (b) n 二f(T)曲线
图5-5三相异步电动机的机械特性曲线
在一定的电源电压U i 和转子电阻R 2下，电动机的转矩T 与转差率n 之间的 关系(5-4) K T
R ； (sx 』
曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线，它可根据式(5-4)得出，如图5-5所示。
在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：
1).额定转矩T N
额定转矩T N是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
F2
T N 9550」
n
(5-6)
式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，T N的单位是牛•米。
当忽略电动机本身机械摩擦转矩T o时，阻转矩近似为负载转矩T L，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩T L相等，即T= T L。
额定负载时，则有T N= T L O
2).最大转矩T m
T m又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。
它反映了电动机的过载能力。
最大转矩的转差率为S rn,此时的&叫做临界转差率，见图5-5 (a)
最大转矩Tm与额定转矩T N之比称为电动机的过载系数，即
=Tm/ T N
一般三相异步的过载系数在1.8 2.2之间。
在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机
的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。
否则，就是重选电动机。
3).起动转矩T st，
T st为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s=l时的转矩。
为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：T st T N, —般的三相异步电
动机有T st/T N=1 2.2。
3 .电动机的负载能力自适应分析
电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。
T L n S I2 T直至新的平衡。
此过程中，12时，I1
电源提供的功率自动增加。
总结:
1、电磁转矩T的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。
T K T I2 cos 2
转矩T还与定子每相电压U i的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。
此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。
2、在一定的电源电压U i和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f(s)或转速与转矩的关系曲线n=f(T)，称为电动机的机械特性曲线。
其特性见图5-5
3、三个转矩：
1).额定转矩T N
额定转矩T N是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。
F2
T N 9550 2
n
2).最大转矩T m
T m又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。
它反映了电动机
的过载能力。
3).起动转矩T st，
T st为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s=l时的转矩。
4、电动机的负载能力自适应分析
电动机在工作时，它所产生的电磁转矩T的大小能够在一定的范围内自动调整以适应负载的变化，这种特性称为自适应负载能力。