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（返回顶部）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ZK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（返回顶部）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因数,转子相电流,以及为转子功率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（电磁转矩与转子相电流）,变化不大，成正比关系，表现为AB段近似为直线，）,如减少近一称为直线部分；当较大时（半，很小，尽管转子相电流增大，有功电流段，段为曲线不大，使电磁转矩反而减小了，此时表现为段，称为曲线部分。
由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转差率下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的转矩为称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。
直流电动机机械特性
（二）他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机电路原理图
002em em e e T U R n T n T n n C C C βφφ
=-=-=-∆ 机械特性曲线：当U 、R 、φ为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以β为斜率向下倾斜的直线，如图所示。
图2-14他励直流电动机的机械特性
机械特性的硬度: β越大，特性越陡，称为软特性；
β越小，特性越平，称为硬特性；
表明机械特性曲线的下垂程度。
1、他励直流电动机的固有机械特性
当N U U =,N φφ=,a R R =()0s R =时的机械特性称为固有机械特性。
其方程式为 2N a em e N e T N
U R n T C C C φφ=
-， 2、人为机械特性
1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持N U U =,N φφ=不变，只在电枢回路串入电阻s R 的人为特性。
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曲线概要
sm
s 'm
0
T
Tst Tst
R2 得：S m X 20
T 令： 0 S
R2 R'2
R2的 改变 ： 鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同 绕线式电动机外接电阻不同
（牛顿•米）
三、电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。 常用特
TL n S I 2 T 直至新的平衡。此过程中，I 2 时， I 电源提供的功率自动 1
增加。
n
性段
n0
T
自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要 特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大 油门，才能带动新的负载。）
n
n0
T
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 ( sX 20 )
求 解
Tmax
T 0 S
Tmax
KU12
1 2 X 20
五、最大转矩
Tmax 过载系数： TN
三相异步机
1.8 ~ 2.2
（1）三相异步机的 Tmax和电压的平方成正比，所 以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。 （2） 工作时，一定令负载转矩 机将停转。致使 ，否则电 TL Tmax
电机严重过热
n 0 I 2 I1
六、起动转矩 Tst
n
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 ) 其中 n 0 (s 1)
则
n0
T
Tst
R2 2 Tst K 2 U1 2 R2 ( X 20 )
பைடு நூலகம்
Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst TL电机能
直流他励电动机的机械特性
1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 ?U ? U N ,? ? ? N ?
电压平衡方程式为：U N ? E ? Ia (Ra ? Rad )
得到的人为机械特性方程式为：n
?
UN
K e? N
?
Ra ? Rad
K e K m?
2 N
T
n0
?
UN
Ke? N
得 ?0,n0 ?
(4) 求额定转矩:
TN
?
PN ?N
?
9.55 PN nN
得 ?TN , nN ?
根据 ?0,n0 ?、?TN , nN ?
注意这只是近似的，因
为T=Kt ФIN≠TN
两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 n ? f ?T ?。
三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压 U和励磁磁
U
K e?
N
?
空载速度随着U的减小而减小；
?转速降落不变；
特性硬度不变
由于电动机电枢绕组绝缘 耐压强度的限制，电枢电压只 允许在其额定值以下调节，所 以，不同值的人为特性曲线均 在固有特性曲线之下。
3．改变磁通? 时的人为特性 ?U ? UN , Rad ? 0?
把n ?
（2）当? ＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近? ，通常
称为“飞车”； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，
电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。
因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程 中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动 机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
直流电动机的机械特性
一、他励直流电动机的机械特性概念
四、他励电动机机械特性的绘制
① 电枢串电阻的人为机械特性 根据 值的不同，可将电动机机械特性分为三类。
三、他励电动机的人为机械特性
n
③ 减弱气隙磁通的人为机械特性
U U , ,R R R • 有 通过（ , 0）、（ , ）
3
2
1
N
N 1 2 3 T
四、他励电动机机械特性的绘制
固有机械特性的绘制
• 根据 PN 、U N 、I N ，估算 Ra ； • 计算 Ce N ；
• 求 n0；
• 计算 TN ；
• 通过（ n0 , 0）、（ nN , TN ）
两点，绘制固有机械特性。
Ra
1 2
2 3
U
N
IN IN
2
谢谢大家！
二、他励电动机的固有机械特性
固有机械特性
• 条件
n
U U N , N , R Ra 时，n f (T )
n0
n UN
Ra
T
nN
Ce N CT N Ce N
• 是一条略下倾的直线
当 T TN时， n n0 NTN n0 nN
nN －－额定转速降
nN
TN
T
三、他励电动机的人为机械特性
n
• 有 U U , N , R Ra
n0
n01
n U
Ra
T
Ce N Ce N CT N
n0' T
n02
T
• n0 变， 不变，一组平行线。
n
③ 减弱气隙磁通的人为机械特性
• 有 U U N , , R Ra
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。
04实验三、三相异步电动机在各种状态下的机械特性
实验三、三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性执笔：姚立红、罗琴娟、王政一、实验目的了解三相线绕式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。
二、预习要点1. 如何利用现有设备测定三相绕式异步电动机的机械特性。
2. 测定各种运行状态下的机械特性应注意哪些问题。
3. 如何根据所测出的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性。
三、实验项目a) 测定三相绕线式转子异步电动机在Rs=0时，电动运行状态和回馈（发电）制动状态下的机械特性。
b) 测定三相绕线转子异步电动机在Rs=36Ω（70%R2N）时，测定电动状态与反转状态下的机械特性。
c) Rs=36Ω,定子绕组加直流励磁电流I1=0.6I N及I1=I N时，分别测定能耗制动状态下的机械特性。
四、实验设备1. RTDJ36 三相绕线式异步电动机2. RTDJ45 校正过直流电机3. RTT16 三相可调电阻器（0～90Ω）4. RTT16－1三相可调电阻器（0～900Ω）5. RTZN02 智能直流电压，电流表6. RTZN08 智能存储式真有效值电流表7. RTZN09 智能存储式真有效值电压表8. RTZN12 智能转矩，转速，功率表9. RTDJ47-1 电机导轨，测速编码器10.RTT15直流电机励磁电源，电枢电源11. 万用表、呆扳手五、实验方法按图1接线，图中：M用RTDJ36，额定电压：220V，定子绕组Y连接。
用呆扳手安装并固定好。
MG用RTDJ45。
用呆扳手安装并固定好。
交流电流表A1选用RTZN08。
交流电压表V1选用RTZN09。
Rs选用RTT16三组可调电阻，其大小按下列各实验要求选用。
R1选用RTT16－1的可调电阻，其大小按下列各实验要求选用。
R2选用RTT16－1的1800Ω可调电阻。
R3选用RTT16－1的900Ω可调电阻。
测速编码器的输出接至RTZN12。
1. Rs=0时的电动及反馈制动状态下的机械特性（测1、2象限特性）⑴S1合向1位置，S2合向2′位置；M的转子绕组三个红色接线柱相互短接，即Rs=0；R1用1980Ω（即900Ω＋900Ω＋180Ω）。
电动机的电磁特性和机械特性分析
LFChun 制作
大连理工大学电气工程系
定子、转子每相绕组的等效电路如下：
定子相当于变压 器的一次绕组
转子相当于变压 器的二次绕组
＋ I 1
U1
R1 f1
jX1
－ E1
－ E2s
jX2s f2
R2
I2s
－
＋
＋
转子 电路 通常 是短 路的
定子每相电路 转子每相电路 ※ R1、X1 —— 定子每相绕组的电阻和漏磁感抗。 ※ R2、X2s —— 转子每相绕组的电阻和漏磁感抗。 （下标“s”表示其值与转差率即转速有关）
LFChun 制作
大连理工大学电气工程系
LFChun 制作
大连理工大学电气工程系
d点情况分析说明
LFChun 制作
大连理工大学电气工程系
d点情况分析说明
d点的运行情况：在d点T=T2，恒速运行。 假设某些因素使T2突然增大了，从图上来看，它从T2增加 为T2′，在这一瞬间，T＜ T2′，n就会下降，s会增大，根据 转矩特性曲线，在ba段内， s增大，T相应会减小， T进一步 小于负载转矩，n进一步下降，s进一步增加， T再进一步减 小， T再进一步小于负载转矩，n再进一步下降，s再进一步 增加，最后电动机就停转了。
LFChun 制作
大连理工大学电气工程系
9.4 三相异步电动机的功率和转矩
6. 总机械功率 Pm
Pm = Pe－PCu2－PFe2 = Pe－PCu2 = P1－PCu1－PFe1－PCu2 机械损耗 附加损耗 7. 空载损耗 P0 P0 = Pme＋Pad 8. 输出功率P2 P2 = Pm－P0 = P1－PCu1－PFe1－PCu2－P0 9. 电动机的效率 P2 = P ×100%（约 80% ~ 90%）
机电传动系统的稳定运行条件
机电传动系统的稳定运行条件电动机的机械特性是TM=f(n) 曲线及生产机械的机械特性是TL ＝f(n)曲线
当电动机作为生产机械的原动机（动力源）时，两个函数中的n为同一个参数。
在运行中由运动方程式可知，要想稳定运行，速度应匀速不变或者TL＝TM时是稳定的一个条件,所以系统稳定运行的条件是：
1、电动机和生产机械的机械特性曲线应有交点
此处：Tm=TL（匀速）
例曲线1和2，符合这个条件,有a、b交点
曲线1和3，不符合
2、当有外加干扰使n变化时，干扰消除后n应能自行恢复到原状态。
这件条件的判断原则是:
当n↑Tm<TL
当n↓Tm>TL
由运动方程看
当干扰使n↑时,干扰消除后希望n↓这时如Tm-TL<0则负加速当干扰使n↓时,干扰消除后希望n↑这时如Tm-TL>0则正加速
例：a,b两点
a点，当n↑时Tm↓—Tm’
当干扰消除后由于在n’处Tm-TL<0,所以n↓
b点，当n↑时Tm↑—Tm’’
当干扰消除后由于在n’’处Tm-TL>0,所以n↑到n’’’直到a点处平衡。
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电动机的机械特性
电动机的基本特性:(1)转矩和转速成正比;(2)力矩与转速平方成反比,即力矩=转速*转角;(3)功率P 与转速n 成正比,即P= N* n.其中:(4)启动电流I 由短路条件决定。
(5)对称三相异步电动机的机械特性是不对称的，具有明显的机械共振现象，因此要采取减振措施。
(6)直接起动时，应先用小容量直接起动器起动后再逐渐增加起动电流。
(7)电动机在制造、安装、使用或维护过程中，禁止敲击，撞击及重物挤压电动机外壳；电源线必须按规定架设。
(8)严禁在带电情况下拆卸、修理电动机。