三相异步电动机原理及特性教案

第五章 三相异步电动机的电力拖动运行

5.1 三相异步的电动机的机械特性)(s f T em = (转矩-转差率曲线)

一、机械特性表达式)(s f T em =

(一)物理表达式: Tem 2'

2'2cos ψI C I C T a T Φ=Φ=；

222

2

22

σ

x r E I '+

''=' 1．转矩与转子电流的关系 2．最大转矩Tm (二)参数表达式：

??

?

???'++'+'±

=220

12211221

)()(23em x x s r r f s

r pU T σπ

“ +”对应于电动状态；“-”对应于发电机状态。 1.转矩特性： )(s f T em =

分析：异步电动机转差率s 在0～1之间，但实际上s 在0～s m （临界转差率）时，

0?ds dT em 稳定；s 在1～s m 之间，0?ds dT em 不稳定；0=ds

dT

em ，s=sm ，处于临界状态。

2.三个特征转矩

①额定转矩T N ：额定负载时

)(1055.93m N n P

P T N

N N N N ???=Ω=

**注：N P 的单位为kW 。 ②最大电磁转矩Tm ： )

(4]

)([42112

1

122121112

1

1e '+±

≈'+++±±

=x x f pU m x x r r f pU m T m ππ

'

+'±

≈'

++'

±

=2

12

2

21212

)(x x r x x r r s m

特点：⑴Tm 与2

1U 成正比；而S m 与2

1U 无关；

⑵Tm 与转子电阻无关；而S m 与转子电阻有关； ⑶f 1一定时，'

+21x x 越大， Tm 越小。

⑷过载能力（或最大转矩倍数）N

m T T

k =T 一般为1.6～2.5，越大，过载能力越强。

③起动转矩:T st

n=0, S=1，得]

)()[(22

2122112

211'++'+'

=x x r r f r pU m T st π

当转子回路电阻为：'

+='+'212x x r r st 时，起动转矩达到最大电磁转矩。 起动转矩倍数：N

st st

T T k =

，st k ↑，st T ↑，起动能力强。

JO 2：1.0～1.8；Y ：1.4～2.2；特殊电机：4.0以上。 (三)、实用表达式: m

m em s s s s T T +=

max

2 此表达式主要用于求机械特性曲线。

其中: N

N N n P T 9550

= ；)1K K (2

T T N -±=s s m 当s 较小时，使用公式可变为简化实用公式：s s T 2T m

m

em =：Sm=2K T S N

例题：（书上）

二、固有机械特性 三、人工机械特性

（一） 变频的人工机械特性：

特点：频率较高时，硬度近似不变。频率较低时，由于定子电阻的影响，电机的过载能力要降低。

（二） 降压的人工机械特性：

特点：①同步转速不变；②电压降低后，电磁转矩成平方降低；③负载不变时，不能长期运行。

（三）转子串电阻的人工机械特性：

特点①同步转速不变；②最大电磁转矩保持不变；③起动转矩随所串电阻的变化而变化。

第三节三相异步电动机的制动

异步电动机制动方法反接制动、再生发电制动和能耗制动三种制动状态。 一、异步电动机的反接制动运行状态

1. 倒拉反接制动运转状态 ：负载为位能负载。

①物理过程：若原采系统运行在自然特性1的A 点，并以速度A n 提升重物G ，如图所示。突然在转子电路中串入附加电阻zd r ，拖动系统过渡到机械特性2上运行。由于机械惯性，转速不能发生突变，因此系统应从A 点过渡到B 点。因为fz B M M <，转速将下降。直到电动机转速下降为零时，D dc M M =仍然小于负载转矩fz M ，重物将迫使电机的转子反向旋转，直到C 点，fz

C M

M =，

电机拖动系统以C n 的速度稳定运转。在这种情况下，电动机的转矩作用方向与电机的实际转向相反，我们说电机拖动系统进入反接制动运转状态。此时，负载转矩成为拖动转矩，而电动机的电磁转矩却起着制动作用。

异步电动机倒拉反接制动原理图 （a ）及机械特性（b ）

① 能量关系：转差率()11

1>--=

n n n s ，

2221222

11

1r s

s I m r s s I m P j '-'-='-'=＜0 表示这时电动机轴上是输入机械功率。

从定子传送到转子的电磁功率P dc 则为：

s

r I m P dc 222

1'

'=＞0 它表示电动机内的功率传送方向不变。 这两部分功率都在转子电阻上转换成为热功率，即全部转换为转子铜损耗

转子铜损耗，即：22212

2212

22

121r I m r s s I m s r I m P P p j dc cu ''=??

? ??

'-'--''=+= 2．电源反接制动运转状态： 负载为摩擦性负载。电源反接制动的原理接线图

和机械特性曲线。

①物理过程：假设原来工作点为自然特性的A 点。现在将定子电源任意两相换接一下，旋转磁场改变了方向，转子电势和电流也改变了方向，电磁转矩变为负值，起制动作用。反接电源后，相应的机械特性为图（b ）中的曲线2。因此，电机拖动系统必然从原来的工作点A 过渡到B 点。这时，系统在电磁转矩和负载转矩的共同作用下，迫使其转速下降，直到特性的C 点，转速为零。若此时的fz c M M >，则系统将朝反向起动，描述电机拖动系统运行的特性曲线进入第三象限。若拖动系统从特性的B 点制动到C 点（n =0）时，将定子电源切除，则电动机将停止不动了，从而完成了制动停车的过程。

反接制动状态下的功率流图 异步电动机电源反接制动时接线图（a ）和机械特性曲线（b ）

②能量关系：电动机的转差率11

1>---=

n n

n s ，它和倒拉反接制动状态下的s 相同，这种反接制动状态下的机械轴上吸收机械能（由系统降速时释放出的动能转换而来），将这两部分能量消耗在转子电路的电阻上，转换成为热能。

必须指出，在采用电源反接制动时， 20sE 比起动时的转子电势20E 还要高（因为1>s ），那么为了限制制动电流，并提高电动机的制动转矩，转子电路中必须串入一个比起动电阻还要大的附加电阻，称为反接制动电阻（R zd ）。另外，如果是采用电源反接制动而实现停车，则必须在转子转速下降到零时，立即切除电动机的定子电源，否则电动机有可能发生反转现象（即反向起动）。

3.反接制动电阻的计算方法 在采用倒拉反接制动时，反接制动电阻是根据拖动系统要求的稳定下降速度来计算的，如图所示。如果要求以C n 的稳定速度下降重

物，我们可以利用在同一转矩下转子转差率与转子电阻成正比的关系，得到如下的计算公式：

22r r r s s zd

A C +=; 所以 21r s s r A C zd ???

? ??-= 当A s 、C s 、2r 已知时，则所需反接电阻值可以算出。

如果是采用电源反接制而实现制动停车，反接制动电阻则要根据要求的最大制

动转矩来计算，要求制动时的最大制动转矩为B

M '，因此首先应找出对应与B M '时，自然特性2上的转差率B s '的值。考虑到自然机械特性的工作段为直线，则有：

e B e B s s M M '='。所以有e e

B

B

s M M s '='。又根据同一转矩（B M '）下电动机的转差率与转子电阻成正比这一关系，因而可得：

2

2r R r s s zd

B A +=' 式中的2r 为特性2的电阻值，zd r r +2为特性3的电阻值，由上式可得：

222111r s M s M r s M M s r s s R e B A e e e B A

B A zd

???? ??-'=?

???

?

? ??-'=???? ??-'= 式中 21

1≈---=

n n n s A

A （因为A n 很接近1n ）。

例6-2 JRO 2-62-4绕线转子异步电动机主要数据如下：P e =30千瓦，U 1e =380伏，

I 1e =59.5安，U 2e =395伏，I 2e =46安，m λ=2.65，n e = 1460转/分，电机从额定转速的

电动状态采用电源反接制动，要求开始的制动转矩M z =1.2M e ，转子每相应串多大电阻？

解: 方法一：先求r 2。

欧131.047

3395027.03222=??=

=

e

e e I U s r

式中 027.01500

1460

150011=-=-=

n n n s e e 再分别求出自然特性的m s 与转子串电阻后的m

s '。 [][]

143.0175.275.2027.012

2=-+=-+=m m e m s s λλ ???

?????-???? ??±=????????-???? ??±='12.12.1122max max e e m e e m c z z c m M M M M s M M M M s s λλ 456.057.812.175.22.175.297.12或=???

?????-??? ??±=

式中 97.11500

1460

150011=---=---=

n n n s e c

最后可计算出转子应串电阻zd R 。取m

s '=8.56时，其值为： 欧72.7131.01143.075.8121=????

??-=???

?

??-'=r s s R m m

zd 取m

s '=0.456时，其值则为： 欧287.0131.01143.0456.0122=???? ??-=???

? ??-'=r s s R m m zd 转子串电阻1zd R 或2zd R 都可满足开始制动转矩e z M M 2.1=的要求，但它们分别对应于两条不同的人工机械特性曲线，见图6-10所示。

方法二：因为异步电动机机械特性曲线从0=s 到m s s =这一段近似为直线，故可采用近似公式（6-42）计算zd R ：

欧79.7131.012.1027.097.112=????

?

??-?=???? ??-=e e

z e e c zd M M r M s M s R

计算结果与方法一中的1zd R 很接近。

二、异步电动机的再生发电制动运行状态

①物理过程：拖动生产机械以稳定的转速n 运转。现在给系统施加一外力矩

外M ，且fz M M >外，于是系统加速，随着转速的升高，电磁转矩dc M 下降，一直

升到1n n =时，电磁转矩dc M =0。但系统在外M 的作用下（fz M M >外）仍然升速，使系统的实际转速1n n >，所以转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，转子感应电势和转子电流的有功分量与电动状态时方向相反，即相位上相差?180。这时，电动机所产生的电磁转矩反向，与转子的转向相反，已成为制动转矩。于是说电机已进入了制动运行状态。

异步电动机的电源反接制动特性曲线 异步电动机的再生发电 制动的

物理模型 ②能量关系：制动运行状态的主要特点1n n >，因而01

1<-=

n n

n s ，

21r s

s '-＜0， 2221222

111r s s I m r s s

I m P j '+'-='-'= ＜0 s

r I m s r I m P dc 2

22

1222

1''-=''=＜0 轴上的机械功率不是输出而是输入，电磁功率不是由定子传到转子，而是由转

子传到定子，再由定子送回到电网，即电动机已成为一台发电机，所以电动机的这种运行状态称为再生发电制动状态。

注意问题：此时的电机仍需接在电网上。（虽然它是向电网输送有功功率，但它仍需从电网吸取滞后的无功功率，建立耦合磁场，从而实现机电能量的转换。）

因为： 2202

222

220

2

22220

2

222

x s r s r E x s r s r x

s r E I P +??

? ??'''=

'+??

?

??''?

'+??

?

??''=' ＜0

2202

2202

220

2

220220

2

222

x s r x E x s r x x s r E I Q +??

? ??''?'=

'+??

?

??''?

'+??

?

??''='＞0

虽然转子电流的有功分量改变了方向，但转子电流无功分量的方向不变，仍与电动状态下相同。因此，此时的电机仍需接在电网上。

异步电动机的再生发电制动下的功率关系 异步电动机的再生发电制动时的相量图

③工程应用：1) 下放位能性负载，2）改变极对数或改变电网电源频率运行时。 1） 下放位能性负载：转速n 为正时重物上升，而n 为负时重物下降。

再生发电制动状态的机械特性曲线 异步电动机在位能负载下的再生发电制动过程

先将电动机按下降的方向接电，使电动机的转矩与重物下降的方向一致。系统总的加速转矩为(

)fz

M

M +-2。在此转矩的作用下，电动机的转速(-n )迅速上升。直到

1n n -=-时，电动机的转矩为零。但系统在负载转矩fz M 的作用下仍继续加速，使

得1n n ->-。这样电动机就被fz M 拖入到再生发电制动运行状态(特性曲线进入

第四象限)。电磁转矩改变方向，成为阻止重物下降的制动转矩，并随着转速的上升而增大。当a n n -=-时，电动机制动转矩与负载转矩大小相等方向相反，使重物保持匀速下降。

改变转子电阻的大小，可以调节重物下降的稳定运行速度。转子电阻越大，其稳定运行速度越高。

2） 异步电动机变频或变极运行时再生发电制动

设电动机原在特性曲线1上的A 点稳定运行，当增大电动机的极对数或降低供电电源频率时，运行点过渡到电动机的机械特性曲线2的B 点，相应的电磁转

矩为B M -，转速A B n n =，它高于特性曲线2的同步转速引，电动机进入再生发电制动运行状态，迫使电动机的运行速度迅速下降。电动机不断吸收运动系统中释放出来的动能，。并转换成电能反馈到电网。 三、异步电动机的能耗制动运行状态

1． 能耗制动时的物理过程 ：断开交流电源，给定子绕组送入直流励磁。 当定子绕组通入直流电流后，定子磁势是一个位置固定、大小不变的恒定磁场。当转子由于惯性而继续旋转时，转子导体切割这一磁场(与电动状态时转子导体切割磁场的方向正好相反)从而产生感应电势及电流。这时电磁转矩的方向与转速的方向相反，这时电动机进入制动运行状态，其转速迅速下降。当转速0=n 时，转子导体与定子磁场之间无相对运动，因而转子感应电势和电流均下降为零，电动机不产生电磁转矩，电机拖动系统即停止不动。因此，能耗制动常用于要求准确停车的场合。

异步电动机变频或变极运行时的动时原理线路图 异步电动机能耗制的再生发电制动过程

由此可见，异步电动机进入能耗制动后，电动机实际上已成为发电机(频率是变化的)。其负载则是转子电路中的电阻，对于鼠笼式电动机来说，就是转子绕组本身的电阻。

2. 能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性曲线如图。

电阻2r '增大时，m ax M 值保持不变，产生最大转矩的时的转速增加。改变定子直流励磁电流，保持转子电阻不变，最大转矩增加，但产生最大转矩的时的转速不变。

从图可以看出，对于鼠笼电机，为了增大高速时的制动转矩，可以用增加直流励磁电流方法；对于绕线电机，可以用增加转子回路电阻的方法，增大制动转矩。

3.能耗制动时直流励磁电流与转子附加电阻的计算 在绕线式异步电动机的拖动系统中，采用能耗制动时，其定子直流励磁电流c I 和转子附加电阻fj R 可按下列方法计算。

()03~2I I c = 0I 为异步电动机的空载电流，一般取()e I I 105.0~2.0=。 ()

22234.0~2.0r I E R e

e fj -= 2r ：转子每相绕组的电阻???

? ??=e e e I E s r 2223。

第四节三相异步电动机的调速

概述

1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。

2.转速公式：)1(60)1(11

S p

f n S n -=-=

3.调速方法：①变极调速；②变频调速；③改变转差率 S 调速。

4.调速性能：①调速范围；②调速的稳定性；③调速的平滑性；④调速的经济性。

2p=4 2p=2 一、变极调速

前言：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即通

过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势，以实现变极调速。

1. 变极原理：

2.变极绕组的连接方法：

① →YY(2p →p)；

②顺串Y →反串Y （2p →p ）； ③Δ→YY(2p →p)。

说明：变极前后，三相绕组的相序发生改变，为保证电动机的转向不变，须对调定子两相绕组的出线端。

3.变极前后转矩和功率的变化

设⑴定子绕组相电压为X U ，相电流为1I ，则输出功率为

?ηcos 312I U p X =

⑵变极前后两种极对数下，

η、?cos 不变，并近似认为12P P P em ≈≈，则得：

p I U n I U P T

X X em

em

11

11∝∝Ω∝

①Y →YY(2p →p)；

Y 接时绕组相电流为：I ；YY 接时绕组相电流为：2I ；则变极前后电磁转矩之比

为：1

)2()

2(==

p

I U p I U T T X X YY

Y

结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。

②Δ→YY(2p →p)；

同步角速度之比：2

12==ΩΩ?p

p YY

Δ接相电压为：X U 3，相电流为：I ；YY 接相电压为：X U ，相电流为：2I ，

则

两

种

极

对

数

下

输

出

功

率

之

比

为

：

866.02

3

2122322==?=ΩΩ

=???Ip U p I U T T P P X X YY YY YY

结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。

*说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。

二、变频调速 1.概述

异步电动机的转速：)1(601S p

f n -=；当转差率S 变化不大时，n 近似正比于频率

1f ，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。

①单一调频，1U 不变，1f ↑→m Φ↓→)(max T T em ↓→m k →电机得不到充分利用；

1f ↓→m Φ↑→磁路过饱和，励磁电流↑↑→1cos ?↓，

p Fe ↑

②保持m Φ不变，调1f 同时，调1U ，m k 不变。 ))(()(112'''

='m

m X

X emN emN k k f f U U T T

2.恒转矩调速

电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有'

=emN

emN

T T ，则

1))(()(112='''='M M X X emN emN k k f f U U T T ，若令电压随频率作正比变化：''=1

1f U f U X

X ，

则主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速

前后性能都保持不变。 3.恒功率调速

电机变频调速前后它的电磁功率相等，即'Ω'=Ω=11emN emN em T T P ，则 '='ΩΩ=

'

1

111f f T T emN

emN 1）若主磁通不变：

2）若过载能力不变：1

1f f U U X

X '=

'

，主磁通发生变化；

*优点：调速范围广，平滑性好。 *缺点：价格比较贵。

三、转子回路串电阻调速---属于改变转差率调速 Sm 改变 串电阻前后保持转子电流不变，则有：S

R R S R N

Ω+=22；N 22

cos cos ??=；

电磁转矩为：22cos ?I C T m M em Φ=保持不变，即属于恒转矩调速。

优点：简单、可靠、价格便宜；

缺点：效率低。为克服这一缺点，可采用串级调速。

四、改变定子端电压调速----属于改变转差率调速 Sm 不变 适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。 **电磁调速异步电动机----滑差电动机

一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。