1、第五章 三相異步電動機的電力拖動5.15.1三相異步電動機的機械特性三相異步電動機的機械特性電動機作為一種將電能轉化成機械能，從而帶動其他電動機作為一種將電能轉化成機械能，從而帶動其他機械進行工作的設備，我們最關心的是電動機的機械機械進行工作的設備，我們最關心的是電動機的機械特性。所謂三相異步電動機的機械特性是指在一定條特性。所謂三相異步電動機的機械特性是指在一定條件下，電動機的轉速件下，電動機的轉速n n與轉矩與轉矩T T之間的關系之間的關系n n= =f f（T T）。三相異步電動機的轉速三相異步電動機的轉速n n與轉差率與轉差率s s之間存在一定關系，之間存在一定關系， 所以三相異步電動

2、機的機械特性也往往用所以三相異步電動機的機械特性也往往用T T= =f f（s s）的形式表示。的形式表示。 11nnns5.1.1 5.1.1 三相異步電動機機械特性的三種表達式三相異步電動機機械特性的三種表達式根據前面章節的學習，我們知道三相異步電動機的等效電路圖可以化簡為如圖所示。 從電路的觀點分析知，電磁功率為； srImIEmPem22212221cos mNmNkNfkNfE 1111112244. 4pfp1112 22122112xxsrrUIr1 jx1E1 = E2I11ssr2I2jx2 r2I0rmxm+U1一、電磁轉矩的物理表達式一、電磁轉矩的物理表達式我們把 公式進

3、行整理（利用前面已學的公式）可得； （5-1） 式中 轉矩常數 上式表明三相異步電動機的電磁轉矩是由主磁通 與轉子電流的有功分量 相互作用產生的。1emmecPPT22cos ICTmTJ2111NTJkNpmCm22cos I二、電磁轉矩的參數表達式二、電磁轉矩的參數表達式22122112211)()(2xxsrrfsrpUmTem 1emPTsrImPem2221將代入可得該式表明了電磁轉矩與轉差率之間的關系稱為轉矩特性該式表明了電磁轉矩與轉差率之間的關系稱為轉矩特性T= f(s)T= f(s)， 由于轉速由于轉速n=(1-s)nn=(1-s)nl l，故可將故可將T= f(s)T= f(

4、s)曲線轉化為異步電動機轉速曲線轉化為異步電動機轉速n n與電磁轉矩與電磁轉矩T T之間的關系，稱之為之間的關系，稱之為機械特性機械特性。（5-2）機械特性曲線機械特性曲線如果把如果把T,s,nT,s,n1 1畫在同一個坐標系中畫在同一個坐標系中, ,并且機械特性上還有幾個特并且機械特性上還有幾個特殊的點殊的點1.1.起動點起動點A A起動轉矩起動轉矩。電動機起動時。電動機起動時n=0,s=1,n=0,s=1,代入（代入（5-25-2）式）式中可求得起動可求得起動轉矩為，轉矩為，2.2.最大電磁轉矩點最大電磁轉矩點 B B最大電磁轉矩最大電磁轉矩T Tm m與臨界轉差率與臨界轉差率s sm m

5、。用數學方法將式用數學方法將式(5-2)(5-2)對對s s求求導，令導，令dT/ds=0, dT/ds=0, 即可求得產生最大電磁轉矩即可求得產生最大電磁轉矩T Tm m的的s sm m稱為臨界稱為臨界轉差率，且轉差率，且畫在機械特性中過載系數過載系數 。為了保證電動為了保證電動機不會因短時過載而停轉，機不會因短時過載而停轉，一般電動機都具有一定的過一般電動機都具有一定的過載能力。最大電磁轉矩愈大，載能力。最大電磁轉矩愈大，電動機短時過載能力愈強，電動機短時過載能力愈強，因此把最大電磁轉矩與額定因此把最大電磁轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載轉矩之比稱為電動機的過載能力，用能力，用 表示，即

6、表示，即m m NmmTT 2.2.額定運行點額定運行點C C異步電動機帶額定負載運行，異步電動機帶額定負載運行，s sN N=0.01-0.06=0.01-0.06，其對應的電磁其對應的電磁轉矩為額定轉矩轉矩為額定轉矩T TN N。若忽略空載轉矩，若忽略空載轉矩，T TN N即為額定輸出轉矩。即為額定輸出轉矩。4.4.理想空載運行點理想空載運行點D D該點該點n=nn=nl l=60f/p, s=0=60f/p, s=0，電磁轉距電磁轉距T=0T=0機械特性曲線三、電磁轉矩的三、電磁轉矩的實用表達式實用表達式ssssTTmmmem2已知電機的額定功率、額定轉速、過載能力將將Tm和和sm代入即

7、可得到機械特性方程式代入即可得到機械特性方程式異步電動機按規定方式接線，工作在額定電壓、額定頻率下，異步電動機按規定方式接線，工作在額定電壓、額定頻率下，定、轉子電路均不外接電阻情況下的機械特性，稱為固有機定、轉子電路均不外接電阻情況下的機械特性，稱為固有機械特性。當電機處于電動機運行狀態時，其固有機械特性如械特性。當電機處于電動機運行狀態時，其固有機械特性如圖所示。圖所示。 四四.固有機械特性固有機械特性五五.人為機械特性人為機械特性人為機械特性人為機械特性是指人為改變電源參數或電動機參數而得到的機是指人為改變電源參數或電動機參數而得到的機械特性。械特性。1. 1. 降壓時的人為機械特性降壓

8、時的人為機械特性snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm0.5UN2 2. . 轉子回路串對稱電阻時的人為機械特性轉子回路串對稱電阻時的人為機械特性串電阻后串電阻后, , 、 不變，不變， 增大。增大。nmTms在一定范圍內增加電阻，可以在一定范圍內增加電阻，可以增加增加 。當。當 時時 ，若，若再增加電阻，再增加電阻， 減小。減小。stT1ms stmTT stT 串電阻后，機械特性線性段斜率變大，特性變軟。串電阻后，機械特性線性段斜率變大，特性變軟。 除了上述特性外，還有除了上述特性外，還有改變電源頻率、極對數等人改變電源頻率、極對數等人為機械特性。為

9、機械特性。Tstsmr2+Rs21 0TstTmTems n0n1smr2r2+Rs1r2+Rs3六六.穩定運行的條件穩定運行的條件線性段曲線段 起動指電動機接通電源后由靜止狀態加速到穩定運行狀態的起動指電動機接通電源后由靜止狀態加速到穩定運行狀態的過程過程. .對電動機的起動性能要求二：起動電流大對電動機的起動性能要求二：起動電流大, ,起動轉矩不大。起動轉矩不大。1.1.起動電流大的原因起動電流大的原因 起動時起動時, , ,轉子感應電動勢大轉子感應電動勢大, ,使轉子電流大使轉子電流大, ,根據磁根據磁動勢平衡關系動勢平衡關系, ,定子電流必然增大定子電流必然增大. .1, 0sn2.2

10、.起動轉矩不大的原因起動轉矩不大的原因從下述公式分析從下述公式分析022stemTTTCI cos 起動時起動時, , ,遠大于運行時的遠大于運行時的 , ,轉子漏抗轉子漏抗 很大很大, , 很低很低, ,盡管盡管 很大很大, ,但但 并不大并不大. .1ss22sXXs2cos2I22cosI 由于起動電流大由于起動電流大, ,定子漏阻抗壓降大定子漏阻抗壓降大, ,使定子感應電動勢減小使定子感應電動勢減小, ,對應的氣隙磁通減小對應的氣隙磁通減小. .由上述兩個原因使得起動轉矩不大由上述兩個原因使得起動轉矩不大. .第二節第二節 三相異步電動機的起動三相異步電動機的起動 一般地說，容量在容量

11、在7.57.5kwkw 以下的小容量鼠籠式異步電動以下的小容量鼠籠式異步電動機都可直接起動。機都可直接起動。一、直接起動一、直接起動經驗公式經驗公式起動轉矩倍數起動轉矩倍數K KM M和起動電流倍數和起動電流倍數K KI5.2.15.2.1 三相籠型異步電動機的起動三相籠型異步電動機的起動習題二二. .自耦變壓器降壓起動自耦變壓器降壓起動21ststTTk 起動轉矩減小的倍數：起動轉矩減小的倍數：自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用。自耦變壓器一般有三個分接頭可供選用。直接起動時的起動電流：直接起動時的起動電流：111ZUINst降壓后二次側起動電流降壓后二次側起動電流:11122ZkUZUIN

12、st變壓器一次側電流變壓器一次側電流:1122111ZUkIkINstst電網提供的起動電流減小倍數電網提供的起動電流減小倍數2111kIIstst三三 、Y Y一一 起動起動31ststYTT 適用于正常運行時定子繞組為三角形接線的電動機。起動適用于正常運行時定子繞組為三角形接線的電動機。起動時時Y Y接線，運行時接線。接線，運行時接線。起動電流關系起動電流關系:特點： Y- 降壓起動設備簡單，成本低。但起動轉矩降低很多，多用于空載或輕載起動的設備上。 31ststYII起動轉矩關系起動轉矩關系:四四. .延邊三角形降壓起動延邊三角形降壓起動5.2.25.2.2、三相繞線式異步電動機的起動、

13、三相繞線式異步電動機的起動1 1、轉子回路串電阻分級起動、轉子回路串電阻分級起動 為了使整個起動過程中盡量保持較大的起動轉矩、繞線式異步電動機為了使整個起動過程中盡量保持較大的起動轉矩、繞線式異步電動機可以采用逐級切除起動電阻的轉子串電阻分級起動。起動時串入全部電阻，可以采用逐級切除起動電阻的轉子串電阻分級起動。起動時串入全部電阻，隨著轉速上升逐級切除所串電阻。起動完畢，起動電阻全部切除。隨著轉速上升逐級切除所串電阻。起動完畢，起動電阻全部切除。 為了有較大的為了有較大的起動轉矩、使起動起動轉矩、使起動過程平滑，應在轉過程平滑，應在轉子回路中串入多級子回路中串入多級對稱電阻，并隨著對稱電阻，并

14、隨著轉速的升高，逐漸轉速的升高，逐漸切除起動電阻。切除起動電阻。 起動過程中起動過程中功率因數高，但設功率因數高，但設備投資大，維修不備投資大，維修不便。便。2. 2. 轉子回路串頻敏變阻器起動轉子回路串頻敏變阻器起動 頻敏變阻器類似只有一次繞組的三相三柱式變壓器，其鐵心是由幾片或十幾片厚鋼板或鐵板疊成。 頻敏變阻器是利用鐵心渦流損耗隨頻率變化而變化的原理改變起動電阻的。頻敏變阻器的電阻隨頻率降低而逐漸減小。 頻敏變阻器靜止無觸點，頻敏變阻器靜止無觸點，結構簡單，成本低，大大提高結構簡單，成本低，大大提高了轉子回路功率因數，既限制了轉子回路功率因數，既限制了起動電流，又提高了起動轉了起動電流，

15、又提高了起動轉矩，應用較為廣泛。矩，應用較為廣泛。練習填空:1.用Y-降壓起動時,起動電流為直接用接法起動時的 ,所以對降低 很有效 但起動轉矩也只有直接用接法起動時的 ，因此只適用于 啟動。 2,籠型異步電機的降壓起動方法有： 、 、 。 3.繞線型異步電機的降壓起動方法有： 、 。 判斷題1.三相異步電動機進行降壓起動時，起動電流變小，起動轉矩變大。（ ）2.三相異步電動機在起動的瞬間，由于某種原因，定子的一相繞組斷路，電動機還能起動，但是電動機處于很危險的狀態，電動機很容易燒壞。 （ ） 3.三相異步電動機不管其轉速如何改變，定子繞組上的電壓、電流的頻率及轉子繞組中電勢、電流的頻率總是固

16、定不變的。 （ ） .5.3 5.3 三相異步電動機的制動三相異步電動機的制動5.3.1 能耗制動實現實現：制動時，：制動時，S1S1斷開斷開, ,電機脫離電網，電機脫離電網，同時同時S2S2閉合閉合, ,在定子繞組中通入直流勵磁在定子繞組中通入直流勵磁電流。電流。 直流勵磁電流產生一個恒定的磁場，直流勵磁電流產生一個恒定的磁場，因慣性繼續旋轉的轉子切割恒定磁場，因慣性繼續旋轉的轉子切割恒定磁場，導體中感應電動勢和電流。感應電流與導體中感應電動勢和電流。感應電流與磁場作用產生的電磁轉矩為制動性質，磁場作用產生的電磁轉矩為制動性質，轉速迅速下降，當轉速為零時，感應電轉速迅速下降，當轉速為零時，感

17、應電動勢和電流為零，制動過程結束。動勢和電流為零，制動過程結束。 制動過程中，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路電阻制動過程中，轉子的動能轉變為電能消耗在轉子回路電阻上上能耗制動。能耗制動。nTemA0n1C1B23 對籠型異步電動機對籠型異步電動機, ,可以可以增大直流勵磁電流來增大初始增大直流勵磁電流來增大初始制動轉矩制動轉矩 。 對繞線型異步電動機對繞線型異步電動機, ,可可以增大轉子回路電阻來增大以增大轉子回路電阻來增大初始制動轉矩初始制動轉矩 。. 101s，n所以能耗制動時由于制動電阻大小：制動電阻大小：2220 20 43NBNER( . . )RI 5.3.25.3.2 反接制

18、動反接制動一、倒拉反轉的反接制動(轉子反向的反接制動)條件條件: 適用于繞線式異步電動機帶位能性負載情況。適用于繞線式異步電動機帶位能性負載情況。實現實現：在轉子回路串聯適當大電阻：在轉子回路串聯適當大電阻R RB B。電機工作點由電機工作點由AB AB CC，n=0n=0，制動過程制動過程開始，電機反轉，直開始，電機反轉，直到到D D點。在第四象限點。在第四象限才是制動狀態。才是制動狀態。由于電機反向旋轉，由于電機反向旋轉，n0n1s1。二、電源兩相反接的反接制動實現實現：將電動機電源兩相反接可實現反接制動。：將電動機電源兩相反接可實現反接制動。.,11sn想空載轉速變為理改變由于定子旋轉磁

19、場方向機械特性由曲線機械特性由曲線1 1變為曲線變為曲線2 2，工作點由，工作點由AB CAB C，n=0,n=0,制動過程結束。制動過程結束。繞線式電動機繞線式電動機在定子兩反在定子兩反接同時接同時, ,可在轉子回路串聯可在轉子回路串聯制動電阻來限制制動電流制動電阻來限制制動電流和增大制動轉矩和增大制動轉矩 , ,曲線曲線3 3。5.3.3 回饋制動實現實現：電動機轉子在外力作用下，使：電動機轉子在外力作用下，使nnnn1 1. . 回饋制動狀態實際上就是將軸上的機械能轉變成電回饋制動狀態實際上就是將軸上的機械能轉變成電能并回饋到電網的異步發電機狀態。能并回饋到電網的異步發電機狀態。5. 3

20、. 4三相電動機各種運行狀態反接反接制動制動能耗能耗制動制動固有固有特性特性反抗性負載位能性負載填空1.交流電動機常用的制動方法有： 制動、 制動和 制動 2.反接制動時，當電機接近于 時，應及時 防止 。3.三相異步電動機當電磁轉矩T達到最大轉矩Tm時，此時轉差率為Sm叫 ，當電源電壓下降時，Tm的變化是 ，Sm的變化是 ；電動機最終穩定運行機械特性曲線中段選擇1.三相異步電動機在運行時出現一相電源斷電，對電動機帶來的影響主要是（ ）A 電動機立即停轉 B 電動機轉速降低、溫度升高 C 電動機出現振動及異聲2.把運行中的異步電動機三相定子繞組出線端的任意兩相電源接線對調，電動機的運行狀態變為

21、 （ ）A 反接制動 B 反轉運行 C 先是反接制動隨后是反轉運行5.4三相異步電動機的調速由異步電動機的轉速公式由異步電動機的轉速公式116011fnn (s)(s)p 可知，異步電動機有下列三種基本可知，異步電動機有下列三種基本調速方法調速方法：（1 1）改變定子極對數）改變定子極對數 調速。調速。p（2 2）改變電源頻率）改變電源頻率 調速。調速。1f（3 3）改變轉差率）改變轉差率 調速。調速。s5.4.1 變極調速一、變極原理變極調速只用于籠型電動機。變極調速只用于籠型電動機。 以以4 4極變極變2 2極為例：極為例：A A相兩個半相繞組線圈，相兩個半相繞組線圈，正向串聯正向串聯，定

22、子繞組產生，定子繞組產生4 4極磁場：極磁場：若改變界線方式若改變界線方式, ,使兩個半相繞組使兩個半相繞組反向串聯反向串聯和和反向并聯反向并聯，定子繞組產生定子繞組產生2 2極磁場：極磁場：2 2極磁場極磁場反向串聯反向串聯反向并聯反向并聯結論結論: :若使一相繞組中的一個半相繞組內電流改變方向若使一相繞組中的一個半相繞組內電流改變方向, ,就可就可以使極對數以使極對數P P成倍的改變成倍的改變, ,則轉子的轉速也成倍的改變則轉子的轉速也成倍的改變1) 1) Y-YY(Y-YY(雙雙Y)Y)變換變換 制造變極電動機時，在三相繞組中每一相繞組的中點都抽出一個頭來三相繞組的接線方式三相繞組的接線

23、方式 經經Y-YYY-YY變換以后，其中一個半相繞變換以后，其中一個半相繞組的電流反向，而且每相繞組的接組的電流反向，而且每相繞組的接法，都是從正向串聯改為反向并聯。法，都是從正向串聯改為反向并聯。從變極原理可知，此時電動機的極從變極原理可知，此時電動機的極對數減少一半，即由對數減少一半，即由P P=2=2變為變為P P=1=1。若若Y Y接法時同步轉速為接法時同步轉速為n n1 1, ,，則則YYYY接接法同步轉速為法同步轉速為2 2n n1 12) 2) D-YYD-YY變換變換端點1 ,2 ,3接電源，中點4 ,5 ,6空著，三相繞組的另一端依次首尾相接，形成D接法經過經過D-YYD-Y

24、Y后后, ,每相繞組的接法都從每相繞組的接法都從正向串聯改為反向并聯。其中一正向串聯改為反向并聯。其中一個半相繞組中的電流反向。因此個半相繞組中的電流反向。因此D D接法時極對數接法時極對數P=2P=2，同步轉速為同步轉速為n n1 1; ;變換成變換成YYYY接法時，接法時，P P= =1,1,同步轉速同步轉速為為2 2n n1 1 。變極調速時的機械特性變極調速時的機械特性1. Y-YY聯結方式聯結方式22mYYmYmYYmYstYYstYssTTTT 2. -YY聯結方式聯結方式2323mYYmmYYmstYYstssTTTT 變極調速時變極調速時, ,轉速幾乎是成倍變化的轉速幾乎是成倍

25、變化的, ,調速的平滑性較差調速的平滑性較差, ,但但具有較硬的機械特性具有較硬的機械特性, ,穩定性好穩定性好, , 可用于恒功率和恒轉矩負載可用于恒功率和恒轉矩負載. . 改變電動機的電壓改變電動機的電壓時，機械特性為時，機械特性為二、調壓調速 調壓調速既非恒轉矩調調壓調速既非恒轉矩調速，也非恒功率調速，它最速，也非恒功率調速，它最適用于轉矩隨轉速降低而減適用于轉矩隨轉速降低而減小的負載，如風機類負載，小的負載，如風機類負載，也可用于恒轉矩負載，最不也可用于恒轉矩負載，最不適用恒功率負載。適用恒功率負載。三、三、電磁轉差離合器調速電磁轉差離合器調速四、繞線轉子電動機的轉子串接電阻調速繞線轉

26、子電動機的轉子回路串接對稱電阻時的機械特性為繞線轉子電動機的轉子回路串接對稱電阻時的機械特性為 從機械特性看，轉子串電阻從機械特性看，轉子串電阻時，同步速和最大轉矩不變，但時，同步速和最大轉矩不變，但臨界轉差率增大。當恒轉矩負載臨界轉差率增大。當恒轉矩負載時，電機的轉速隨轉子串聯電阻時，電機的轉速隨轉子串聯電阻的增大而減小。的增大而減小。串入電阻的大小與轉差率的關系串入電阻的大小與轉差率的關系RrrssN22特點特點: :改變調速電阻的大小改變調速電阻的大小, , 可得到平可得到平滑調速滑調速, ,設備簡單設備簡單, ,投資少投資少, ,但能量消耗但能量消耗大大, ,廣泛應用于起重設備中廣泛應

27、用于起重設備中五 變頻調速電壓隨頻率調節的規律 當轉差率當轉差率s s變化不大時，電動機的轉速變化不大時，電動機的轉速n n基本與電源頻率基本與電源頻率f f1 1正比，連續調節電源頻率，可以平滑地改變電動機的轉速。但正比，連續調節電源頻率，可以平滑地改變電動機的轉速。但是，是，11011111122111211214 444 444wwmTNNNEU.f N k.f N kTm pUUcTf ( XX )Tf T 頻率改變將影響磁路的飽和程度、勵磁電流、功率因數、鐵頻率改變將影響磁路的飽和程度、勵磁電流、功率因數、鐵損及過載能力的大小。為了保持變頻率前、后過載能力不變，要損及過載能力的大小。

28、為了保持變頻率前、后過載能力不變，要求下式成立：求下式成立：221111221111NNNNUUUfTf TfTUfT 及1 1、恒轉矩變頻率調速、恒轉矩變頻率調速此條件下變頻調速，電機的主磁通和過載能力不變。此條件下變頻調速，電機的主磁通和過載能力不變。常數1111ffUU對恒轉矩負載對恒轉矩負載2 2、恒功率變頻率調速、恒功率變頻率調速此條件下變頻調速，電機的過載能力不變，但主磁通發生變化此條件下變頻調速，電機的過載能力不變，但主磁通發生變化。對恒功率負載對恒功率負載1195509550ffnnTTnTnTPNNNNNNNNN常數常數1111fUfU得練習練習一.填空1.三相異步電動機的調

29、速方法有：改變 調速、改變 調速、 調速。 2.電磁制動是使電動機產生一個與旋轉方向 的方法實現的；按其產生的制動轉矩方法的不同可分為： 、 、 。 3.異步電動機的同步轉速與磁極對數成 ，與電流的變化頻率成 4.繞線型異步電動機起動方法有 、 ，起動轉矩 （變大或變小），所以它們適用的場所是 。 5. 改變交流電機的轉向可以通過改變 實現。6.感應電動機起動時，轉差率s= ，此時轉子電流 的值 ， , 起動轉矩 。 7.繞線型感應電動機轉子串入適當的電阻，會使起動電流 ，起動轉矩 。8.一臺頻率為 的三相感應電動機，用在頻率為 的電源上（電壓不變），電動機的最大轉矩為原來的 ，起動轉矩變為原

30、來的 。 9.三相感應電機轉速為 ，定子旋轉磁場的轉速為 ，當 時為 運行狀態；當 時為 運行狀態；當 與 反向時為 運行狀態 2I2cos 160Hzf Hz50n1n1nn1nn n1n選擇選擇 1. 繞線式三相感應電動機，轉子串電阻起動時（ ）。 A 起動轉矩增大，起動電流增大； B 起動轉矩增大，起動電流減小； C 起動轉矩增大，起動電流不變； D 起動轉矩減小，起動電流增大。 2. 一臺50HZ三相感應電動機的轉速為980r/min,，該電機的級數和同步轉速為（ ）。 2極, 3000r/min ； 4極， 1500r/min ； 6極，1000r/min ； 8極, 750r/min ， 3. 三相感應電動機等效電路中的附加電阻 上所消耗的電功率應等于（ ）： A 輸出功率 ； B 輸入功率 ； C 電磁功率 ； D 總機械功率 。4. 適當增加三相繞線式感