第10章三相異步電動機的機械特性及各種運轉狀態

10.1三相異步電動機機械特性的三種表達式10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性10.3三相異步電動機的各種運轉狀態10.4根據異步電動機的技術數據計算其參數10.5繞線式異步電動機調速與制動電阻計算10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁

物理表達式表明：三相異步電動機的電磁轉矩是由主磁通Φm與轉子電流的有功分量I2'

cosφ'

2相互作用產生的。形式上，與直流電動機轉矩表達式T=CTFIa相似；稱物理表達式，用于物理上分析異步電動機在各種運轉狀態下，轉矩T與磁通Fm及轉子電流有功分量之間的關系較方便?！D矩系數10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁由異步電動機的近似等效電路得說明：電磁轉矩與電源參數（ＵΦ、f1）、結構參數（R、X、m1、p）和運行參數（s）有關。2電磁轉矩的參數表達式

10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁nSTnO1010.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁臨界轉差率：最大轉矩：將sm代入T=f（s）得：通常10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁小結當電動機參數及電源頻率不變時，Tmax與UΦ2成正比，sm保持不變，與UΦ無關；當電源頻率及電壓不變時，sm與Tmax近似與X1＋X2'成反比；頻率越高，最大電磁轉矩和臨界轉差率越??；

Tmax與R2'無關，sm則與R2'成正比。10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁過載倍數Tmax

是電動機可能產生的最大轉矩。如果Tz>Tmax，電動機將停轉，為保證電動機不會因短時過載而停轉，電動機必須有一定的過載倍數KT一般電動機的KT＝1.8～3.0，起重設備的電動機的KT可達3.5；10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁起動轉矩除Tmax外異步電動機還有一個重要的參數，即起動轉矩。起動時，s=1（n=0）代入T=f（s），得結論：當其它參數一定時(1)起動轉矩與電源電壓平方成正比；(2)頻率越高，起動轉矩越??；漏抗越大，起動轉矩越??；(3)繞線式電動機，轉子回路電阻越大，起動轉矩先增后減。(4)起動轉矩倍數10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁對鼠籠式異步電動機，則不可通過轉子回路串電阻來增加電動機的TST；當TST>Tz時，電動機才能起動，在額定負載下，只有KST>1的籠型異步電動機才能額定負載起動。

三相異步電動機的機械特性曲線可分為兩個區域：

(1)穩定運行區域；

(2)不穩定運行區域。10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁穩定運行區域：

在此區域內，，。此時，機械特性向下傾斜，無論是對于恒轉矩負載還是對于風機、泵類負載，電力拖動系統可以穩定運行；不穩定運行區域：

在此區域內，，。對于恒轉矩負載，系統將無法穩定運行；而對于風機、泵類負載，盡管系統可以穩定運行，但由于轉速太低，轉差率較大，轉子銅耗較大，三相異步電動機將無法長期運行。nSTnO10穩定運行區域：不穩定運行區域：10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁

由于sN

sm，上式?。?。3電磁轉矩的實用表達式

T=+2Tmax

sms

ssm由［］=±－1ssmTmaxT(

)2TmaxT10.1三相異步電動機的機械特性解方程，可得各種運行情況下的轉差率與臨界轉差率的關系

※

根據s和sm的相對大小，取“＋”或取“－”。

返回目錄頁額定負載時，s一般很小，有s/sm<<sm/s，則10.1三相異步電動機的機械特性返回目錄頁

電動狀態，由于sN

sm，則(

)2［］=－－1sNsmTmaxTNTmaxTN即有下面的關系sm=sN(KT＋

KT2－1)sN=sm(KT－

KT2－1)

【例

10.1】

Y132M－4型三相異步電動機帶某負載運行，轉速n=1455r/min，試問該電動機的負載轉矩TZ是多少？若負載轉矩TZ=45N·m，則電動機的轉速n是多少？

由電工手冊查到該電機的PN=7.5kW，

nS=1500r/min，nN=1440r/min，KT=2.2。由此求得nS－nnSs

===0.031500－14551500nS－nNnSsN===0.041500－1440150010.1三相異步電動機的機械特性解：返回目錄頁sm=sN(KT＋

KT2－1)=0.04(2.2

＋

2.22－1)=0.1664602TN=PNnN602=×N·m=49.76N·m75001440Tmax

=KTTN=2.2×49.76N·m=109.47N·m10.1三相異步電動機的機械特性忽略

T0，則TZ

=T2

sms=T=＋2Tmax

ssm=N·m=38.32N·m+2×109.470.030.1660.1660.03返回目錄頁當

TZ

=T2=T=45N·m時=0.166×－－1(

)2109.4745109.474510.1三相異步電動機的機械特性=0.036n=(1－s)nS=(1－0.036)×1500r/min=1446r/minTmaxTs=sm

－－1TmaxT(

)2返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性1.三相異步電動機的固有機械特性

當Uφ、f1、R2、X2=常數時：

T=f(s)——轉矩特性

n=f(T)——機械特性當Uφ=

UN、f1=fN，且繞線型轉子中不外串電阻或電抗時，機械特性稱為固有機械特性。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性OTs1n0TnOMSNNM

S(1)額定狀態（N點）

額定狀態是指各個物理量都等于額定值的狀態。

N點：n=nN，s=sN

，

T=TN，P2=PN。額定狀態說明了電動機長期運行的能力。

實際上TZ≤TN，P2≤PN，I1≤IN。nNTNn0TnON工作段返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性

sN=0.01~0.09很小，

T

增加時，n下降很少——硬特性。(2)起動狀態（S點）

對應s=1，n=0的狀態。

——又稱為堵轉狀態。起動時T=

Tst，

I1=Istn0TnOSTstTst——直接起動的能力。

起動條件

①Tst>TZ。②

Ist＜線路允許值。

起動轉矩倍數Kst=TstTN

起動電流倍數KI=IstIN返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性

Y系列三相異步電動機Kst=1.6~2.2，KI=5.5~7.0

臨界轉速(3)臨界狀態（M點）nSnTOM

對應s=sm，T=

Tmax的狀態。nmTmax

臨界狀態明了電動機的短時過載能力。

過載倍數KT=TmaxTNY系列三相異步電動機

KT

=2~2.2

臨界轉差率smsm=sN(KT＋KT2－1)

【例

10.2】一臺Y225M－2型三相異步電動機，若TZ=200N·m，試問能否帶此負載：(1)長期運行；(2)短時運行；(3)直接起動（設Ist在允許范圍內）。解：

查電工手冊得知該電機的PN=45kW，nN=2970r/min，KT=2.2，Kst=2.0。

(1)電動機的額定轉矩602TN=PNnN602×3.14

==145N·m45×1032970由于TN＜TZ，故不能帶此負載長期運行。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性(2)電動機的最大轉矩

Tmax=KTTN=2.2×145N·m=319N·m由于Tmax＞TZ

，故可以帶此負載短時運行。(3)電動機的起動轉矩

Tst=KstTN=2.0×145N·m=290N·m由于Tst＞TZ，且超過1.1倍TZ，故可以帶此負載直接起動。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性2.三相異步電動機的人為機械特性人為地改變電動機的任一個參數（如Uφ、f1、p、定子回路電阻或電抗、轉子回路電阻或電抗）的機械特性稱為人為機械特性。①降低定子端電壓的人為特性；②改變轉子回路的電阻的人為特性；③改變定、轉子回路電抗的人為特性；④改變極數后的人為特性；⑤改變輸入頻率的人為特性；返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性(1)降低定子電壓時的人為特性Tmax∝Uφ2；Tst∝Uφ2；nS和sm與電壓無關。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性s"U1'＞U1"U1"0snsm10nSs'U1'TTZT'm1R2'ΩSsT=I2'2

降低U1轉速穩定后

T=TZs"

＞s'

n"＜n'I2"＞I2'1s'1s"I2'2=I2''21sNI2N'2=1sI2'2如電動機原在額定狀態下運行，降壓后：I2'＞

I2N'

返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性(2)轉子回路串對稱電阻時的人為特性返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性

根據sm=R2'

/(X1+X2')

，Tmax與R2'

無關。R2'

＜R2"R2'

＜X1+X2'R2"'

＞X1+X2'R2"

=X1+X2'Tmaxsm＜1sm=1sm＞1R2"R2"'R2'

TsO0n0R2'

＜R2"＜R2"'

當R2'

＜X1+X2'

時，sm＜1，

R2'

→Tst。當R2''

=X1+X2時，

sm=1，Tst=

Tmax。當R2''

'

＞X1+X2時，

sm＞1，R2'

→Tst。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性分析

當轉子電阻R2'增大時，同步轉速nS和臨界轉矩Tmax不變，但臨界轉差率sm變大，起動轉矩Tst隨轉子電阻R2'增大而增大，直至Tst=Tmax。當轉子電阻R2'再增大時，起動轉矩Tst反而減小。轉子串入對稱三相電阻的方法應用于繞線式異步電動機的起動和調速。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性（3）定子回路串聯對稱電抗時的人為機械特性

由上面公式可知，X1增大時，nS不變，Tmax

、sm、Tst隨X1的增大而減小。返回目錄頁10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性nSnTOXst=0Xstsm'sm

定子回路串聯對稱電抗用于籠型異步電動機降壓起動，以限制電動機啟動電流。10.2三相異步電動機的固有與人為機械特性定子回路串聯對稱電阻，R1增大時，nS不變，Tmax

、sm、Tst隨R1的增大而減小，與定子回路串對稱電抗相似。定子回路串聯對稱電阻亦可用于籠型異步電動機降壓起動，以限制電動機啟動電流。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁10.3三相異步電動機各種運轉狀態1.電動運轉狀態nSnTMTnMTnO正向電動反向電動三相異步電動機有兩大運轉狀態：電動狀態與制動狀態。特點：

1）電動機轉矩方向與轉速方向相同。

2）機械特性在第一、三象限內。

3）電動機從電網吸收電能，轉化為機械能帶動負載。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁2.制動運轉狀態與直流電動機相同，異步電動機可工作于回饋制動，反接制動及能耗制動三種制動狀態。其共同特點是電動機轉矩與轉速的方向相反，以實現制動。此時，電動機由軸上吸收機械能，并轉換為電能。

機械特性位于第二象限和第四象限。與直流電動機相同，異步電動機可工作于回饋制動，反接制動及能耗制動三種制動狀態。其共同特點是電動機轉矩與轉速的方向相反，以實現制動。此時，電動機由軸上吸收機械能，并轉換為電能。nTMTMTnOn第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁1).回饋制動

實現：電動機轉子在外力作用下，使|

n|

＞|

nS|，s＜0。電機處于發電機狀態。(1)正向回饋制動原理

當異步電動機由于某種原因，使得n>nS時，轉差率s<0,則轉子感應電動勢sE2反向。轉子電流的有功分量為：第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁轉子電流的無功分量為：上兩式說明：當s<0時，轉子電流的有功分量改變方向,無功分量的方向沒變。＜0，電磁轉矩改變方向，和電動機旋轉方向相反，制動。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁異步電動機在回饋制動時的相量圖s＜0回饋制動時電機的機械特性在第二象限。轉子中串接電阻?？傻玫饺藶闄C械特性，并可得到不同的穩定速度。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁異步電動機軸上輸入機械功率。能量轉換關系：機械功率被轉換成電功率后，一部分被轉子電阻消耗掉，剩余的通過氣隙傳遞到定子。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁傳遞到定子的電磁功率，有一部分被定子電阻和定子鐵心損耗掉，剩余的從定子輸出，即定子繞組把電能回饋給電網。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁(2)回饋制動過程分析①調速過程中的回饋制動TnOf1'f1"f1'＞

f1"TZABCDTnOYYYTZABCDMTZnTMTZnT第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁OnTTZnS－nS②反向回饋下放重物時的回饋制動（電源兩相反接）GRΩ

T3~M3~TnTZBAC正向電動反接制動Dn回饋制動反向電動第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

＜0（n＞nS）

＜0——向電源回饋電功率。＜0——軸上輸入機械功率(位能負載的位能)。

PΩ=Pe－pCu2

|PΩ|=|Pe|

+pCu2——機械功率轉換成電功率，再減去轉子電阻上消耗的功率，剩余的為電磁功率。

制動時的功率s=-nS-(-n)-nS=nS-nnS第四象限：Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

sPΩ=(1－s)Pe

第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

制動效果RΩ

→下放速度

?！鶠榱吮苊馕ｋU的高速，一般不串聯

RΩ。OnTTZnS－nS第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁（3）特點和應用特點：

n>nS，從電網吸收無功功率建立磁場，向電網輸送有功功率，經濟。應用：電機拖動位能性負載(如繞線式異步機)下放重物。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

【例

10.3】一臺三相繞線型異步電動機，已知PN=20kW，nN=1420r/min，U2N=187V，I2N=68.5A，KT=2.3，拖動TZ=

100N·m的位能性負載。現欲采用回饋制動下放該重物，在轉子電路中串聯電阻RΩ=0.0159。試求：(1)切換后的瞬間（B點）的制動轉矩；(2)在D點下放重物時的轉速。解：欲采用回饋制動下放該重物，定子兩相應反接。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁滿足題意要求的機械特性:BAC0D12nSn-nSnAnDTBTZTsmB-TmaxTmaxsm第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁(1)nB=

nA=

1442r/minnS－nBnSsB=

－1500－1442－1500==1.96smB

=sm

R2＋RΩ

R2=×0.233

=0.277

0.10.0841TB=－+2TM

smBsB

sBsmB=－

=－85.77Nm+2×309.5

0.2771.96

1.960.277第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁(2)轉子串聯電阻

RΩ

時，Tmax不變，sm∝(R2＋RΩ)nD=(1－sD)nS

=(1＋0.046)×(－1500)r/min=－1569r/min=－0.277×－－1=－0.046(

)2309.5100309.5100(

)2sD=－smB

－－1TmaxTZTmaxTZ第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁2).反接制動(1)定子兩相反接的反接制動——迅速停車3~M3~3~M3~RΩ制動前的電路制動時的電路①制動原理實現：將電動機電源兩相反接。TZ制動前：正向電動狀態。制動時：定子相序改變，

nS變向。OnT1nS2－nS

Bs=

－nS

－n－nS=nS＋nnS即：s

＞1(第二象限)。同時：sE2、I2

反向，T

反向。ACA點B點(T＜0，制動開始)慣性n↓C點(n=0，T≠0)，制動結束。返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態MTZnTT0MTZTnT0取決于RΩ

的大小。②制動效果AOnT1nS－nS③制動時的功率Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

s＞0

pCu2

=m1(R2'＋RΩ')

I2'2=Pe－PΩ=Pe＋|PΩ|＜0

PΩ=(1－s)Pe三相電能電磁功率Pe轉子機械功率Pm定子轉子電阻消耗掉返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態

定子兩相反接的反接制動優點：制動效果強，制動速度快。定子兩相反接的反接制動缺點：能量損耗大，制動準確度差。④

制動過程分析對于反抗性恒轉矩負載

當制動到n=0時，即C點，若|T|＞|TZ|，則電動機將反向啟動。最后穩定運行于D點，電動機工作于反向電動狀態。

返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態－TZTZOnT1nS2－nS

BACD

所以反接制動特別適合于要求頻繁正、反轉的生產機械，以便迅速改變旋轉方向，提高生產率。如果采用定子兩相反接制動只是為了停車，那么當制動到n=0前，必須切斷電動機的電源，否則會出現|T|＞|TZ|，使電動機反轉。

MTZnTT0MTZTnT0MTZTnT0返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態對于恒轉矩位能性負載

制動前：正向電動狀態。制動時：定子相序改變，

nS變向。s=

－nS

－n－nS=nS＋nnS即：s

＞1(第二象限)。同時：E2s、I2

反向，T

反向。A點B點(T＜0，制動開始)慣性n↓C點(n=0，T≠0)，制動結束。TZ1OnTnS2－nS

BACMTZnTMTZTnT0T0返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態到

C點時，在制動轉矩和負載轉矩的共同作用下，M將反向起動、加速，T與n都為負，反向電動。TZ1OnTnS2－nS

BACFnF

到n=﹣nS時，雖然T=0，但在負載轉矩的作用下，電動機繼續反向加速，電磁轉矩改變方向，為正，與電動機旋轉方向相反，制動，直到F點，穩定運行,因|n|＞|nS|，回饋制動。MTZnTT0MTZTnT0E返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態特性總結

當電機拖動恒轉矩負載時，在電動機電磁轉矩和負載轉矩的共同作用下，迫使電動機很快減速到C點，n=0，制動結束。

BC段為電源反接制動的制動特性，要想停車，需在n=0前拉閘，否則，若電機拖動反抗性負載，而且C點的電動機電磁轉矩T大于負載轉矩，則反向起動到D點穩定運行。CD段為反向電動狀態特性。若電動機拖動位能性負載，則要從反向電動狀態繼續加速到-n1(E)點，再到反向回饋制動狀態的F點穩定運行。(2)轉速反向的反接制動——下放重物OnT1nSBCTZAD①實現方法與制動原理帶位能性負載，定子相序不變，繞線轉子電路串聯適當大的對稱電阻RΩ（對應機械特性的起動轉矩小于負載轉矩）。A點B點(TB＜TZ)，慣性n↓C點(n=0，TC＜TZ)在TZ作用下M反向起動D點(nD＜0，TD

=TZ)

制動運行狀態②制動效果改變RΩ

的大小，改變特性2的斜率，改變nD。返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態2MTZnTT0MTZnTT0③制動時的功率s=nS－nnS第四象限：＞1(n＜0)Pe=m1I2'2R2'＋RΩ'

s

＞0

pCu2

=m1(R2'＋RΩ')

I2'2=Pe－PΩ=Pe＋|PΩ|＜0

PΩ=(1－s)Pe——定子輸入電功率——軸上輸入機械功率（位能負載的位能）——電功率與機械功率均消耗在轉子電路中。返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁第10.3三相異步電動機各種運行狀態④特點和應用特點：

s>1，運行過程中能量消耗多，改變轉子串聯電阻，可變速度。應用：適用于位能性負載下放重物。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

例10.4

一臺繞線式異步電動機，PN=60kW,nN=577r/min,I1N=133A，I2N=160A，E2N=253V，KT=2.9，ηN=89%，cosφN=0.77，求：（1）當電動機以轉速300r/min提升TZ=0.8TN的重物時，轉子回路應串入多大電阻？（2）當電動機以轉速300r/min下放TZ=0.8TN的重物時，轉子回路應串入多大電阻？（3）當電動機以額定轉速穩定運行時，突然將定子電源兩相反接，要求反接瞬間制動轉矩不超過2TN，轉子回路應串入多大電阻？（4）在（3）的情況下，如負載轉矩TZ=0.8TN，要求下放速度為660r/min，轉子電路應串入多大電阻？請畫出對應以上各種情況的機械特性。第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

或（因小于sN，舍去）解：第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁或（因小于s1,舍去）（1）當電動機以轉速300r/min提升TZ=0.8TN的重物時第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁在轉子回路串入的電阻為（2）當電動機以轉速300r/min下放TZ=0.8TN的重物時第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁或

(因小于s2，舍去)。在轉子回路串入的電阻為第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

（3）在nN=577r/min時，突然將定子電源兩相反接當反接瞬間制動轉矩不超過2TN時

和第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

在轉子回路串入的電阻為（4）以660r/min的速度，下放TZ=0.8TN的重物時第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

和

因小于sm，舍去）在轉子回路串入的電阻為第10.3三相異步電動機各種運行狀態返回目錄頁

對應以上各種情況的機械特性（2）D（4）CEB-nSnOAT（1）nBnNnSnEnDTN-0.8TN0.8TN（3）（3）第