电动机机械特性

m st N
) 2 ( x 1 x 2 )2 f1 ( R1 R2

m1 PU1 R2

1
N
N N
N
N
em
N
1
2．人为机械特性
所谓三相异步电动机的人为机械特性是指：人为地 改变电动机的某些参数或电源电压大小而得到的机械特 性，人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。 由上述内容可知，改变电动机转子绕组中电阻的大小或 改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面 着重讨论这两种常用的人为机械特性。
st m
以上三相异步电动机的机械特性性能都 是通过特性方程式分析得来的。但方程式较 为复杂，而且一般情况下，三相异步电动机 的某些数据在产品目录或铭牌上是查不到的， 给方程式的定量运算带来不便。通过对方程 式的分析，可以得到只反映电动机运行外部 机械参数的实用表达式如下： 2 （4-7） T T 图4.4 异步电动机转子串接 S S S S 其中 对称电阻时的人为机械特性 （4-8） P T T S S 1
4.1 三相异步电动机的机械特性 电动机作为一种将电能转化成机械能，从而 带动其他机械进行工作的设备，我们最关心的是 电动机的机械特性。所谓三相异步电动机的机械 特性是指在一定条件下，电动机的转速n与转矩 Tem之间的关系n=f（Tem）。三相异步电动机的转 n n s 速n与转差率s之间存在一定关系： n ，所以 三相异步电动机的机械特性也往往用Tem=f（s） 的形式表示。

m1 I 2
2
2f1 p
R2 s
m1 pU12
2 R2 2 2f1 R1 X 1 X 2 s
R2 s
4.1.2 三相异步电动机的机械特性
1．固有机械特性 三相异步电动机的固有机 械特性是指电动机工作在额定 电压和额定频率下，按规定方 法接线，定子、转子外接电阻 为零时，n（或s）与Tem的关系。 对于某一台确定的电动机 而言。机械特性方程式表明， 此时只有n（或s）与Tem是变量， 其余均为确定值。因为机械特 性方程式是一个二次方程，故 Tem存在最大值。以Tem为横轴， n（或s）为纵轴，做出如图4.2 所示的三相异步电动机固有机 图4.2 三相异步电动机的 械特性曲线。 固有机械特性曲线
m m N
（3）启动点A Tst 为电动机 Tem Tst 。 电动机工作在启动点A时n=0，s=1， 的启动转矩或称堵转转矩。电动机的启动转矩必须大于电动 机所带负载的转矩，电动机才能启动，因此，堵转转矩的大 小是衡量电动机启动性能好坏的技术指标。由机械特性方程 式知： 2
Tst
（4-6） 由式可知：启动转矩 Tst 的大小与电源电压的平方成正比， 同时也受转子电阻大小的影响。为了衡量电动机的启动性能， TN Tst 我们用电动机的启动转矩 与额定转矩 之比来表示。 T K Km 即 被称之为启动转矩倍数，反映电动机的 T ， K 启动能力。一般 在 1.8 m ～2.0之间。 （4）额定点N n n P n n ,s s , T T 9 550 n n ， nN 由 电动机工作在额定点时， 铭牌可知，TN 可通过铭牌参数计算得到。额定工作点是希望的 工作点。
（1）降低电源电压时的人为机械特性
降低电源电压时，电动机的转 矩（包括 Tm 或 Tst ）将按电压的平 方降低，但临界转差率不变。绘出 不同电压时某一台电动机的人为特 性曲线如图4.3所示。由图可见：降 压后的机械特性变“软”，启动能 力和过载能力都下降。如果此时的 负载转矩大于电磁转矩则将停止运 转；如果此时的负载转矩小于电磁 转矩可继续运转，但转速n下降， 转差率s增大，转子电动势 E2 s sE2 增大，导致电流 I , I 增大，使电 动机过载，这样长期过载会使电动 机的温升将超过允许值，影响电动 机的使用寿命，甚至烧毁绕组。
2 1 2
Tem
PMEC 公式进行整理（利用前面已学的公式）可得；

1
2
s
1
2
2
电磁转矩为
Tem
Pem
（4-3） 可见， （4-3）方程，它清楚地表示了异步电动机电磁转 矩、转差率与电动机各参数之间的关系，下面我们就从这个公 式出发，分析三相异步电动机的固有特性及人为机械特性。
1
m1PU1
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

由此进一步可知： ① 三相异步电动机的临界转差率S m 与电源电压U1无关，只与 成正比，所以改变转子 电动机自身的参数有关，且与转子电阻 R2 的大小（如在绕线型异步电动机转子电路中串接变阻器） 电阻 R2 即可改变临界转差率 S m 。 无关。 ② 三相异步电动机的最大电磁转矩 Tm 与转子电阻 R2 因此，电动机转子电阻的大小不会影响电动机的最大转矩，只会 影响产生最大转矩时的转差率。 ③ 最大电磁转矩 Tm 的大小与电源电压U1的平方成正比，而 临界转差率 S m 却与电源电压无关。最大电磁转矩 Tm 与额定转矩 T m 的值在电动机技术数据资料中 之比叫过载能力， 即 ， T 可查到：一般异步电动机 m 在1.6～2.5之间，特殊用途的电动机 （如起重、冶金用电动机）的 m 值在3.3～3.4之间。m 是异步电 动机的一个重要参数，反映电动机承受负载波动的能力。
1 1
4.1.1 机械特性的表达式
根据前面章节的学习，我们知道三相异步电动机的等效电路图 可以化简为如图4.1所示。 从电路的观点分析知，电磁功率为；
P em m 1I 2
2
R2 s
图4.1 三相异步电动机T型等效电路图
一、电磁转矩的物理表达式
我们把 ' cos （4-1） Tem CT 1I 2 2 式中 CT——转矩常数 上式表明电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流 的有功分量成正比，从物理概念上反映了Tem、 I 2' cos 2 、Φ1 三者的关系，并符合左手定则。 二、电磁转矩的参数表达式 U I 转子电流折算值为 （4-2） R R X X
（2）最大转矩点P
对于三相异步电动机而言，通过数学求导，令 dT em/ds=0 分析可知，产生最大转矩 T m 时的临界转差率 为 Sm R2 Sm 2 2 R12 X 1 X （4-4） 进而可求得最大电磁转矩Tm为； m PU （4-5） T
m 2 2 2 4f1 R1 R1 X 1 X 1 2 1
em m m m
m
m N
TN 9 550
N
nN
m
N

2
m
m

由图可见整个机械特性可以分成两个部分。 （1）H-P部分 即sm>s>0范围内。在这一部分，随着 电磁转矩 T em 的增加，转速降低。根据电力系统稳定运 行的条件，这部分为稳定运行工作部分，电动机应工作 于这一范围内。此时机械特性曲线近似为一条直线。 （2）P-A部分 即1>s>sm范围内。这一部分随着转矩 的减小，转速也减小。此区域称为不稳定运行区域，三 相异步电动机一般不能稳定地工作于这一范围。因此， 有时也将称这一部分为非工作部分。 为了进一步描述三相异步电动机机械特性的特点， 下面重点研究几个反映电动机工作的特殊点。 （1）理想空载点H 此时n=n1, s=0。因转子电流I2=0，定子电流I1=I0， 所以电磁转矩Tem=0。
2 1
图4.3 三相异步电动机降低电源 电压时的 人为机械特性
（2）转子电路串对称电阻的人为机械特性
由式（4-4）、（4-5）、（4-6）知，在异 步电动机转子绕组中串入电阻 R pa 则启动转矩 Tst 将发生变化，S m 也会发生变化，而最大转矩 Tm 不变，人为机械特性曲线如图5.4所示。由图 可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增 加电动机的启动转矩 Tst ，所以起重机械上大 多采用绕线式异步电动机。但若是串接某一 数值的电阻使T T 后，再继续增大转子电阻， 启动转矩将开始减小。
由于 X1 X 2' R1 忽略Ｒ１得近似表达式；
Sm 2 2 R12 X 1 X R2
Ｘ ＋Ｘ＇
１ ２
＇ R ２
m1 pU12 Tm ' 2 2 4 f （ X X ） 1 1 2 2 4f1 R1 R1 X 1 X