1、1第三章第三章 三相异步电动机的机械特性、起三相异步电动机的机械特性、起动和制动动和制动第一节第一节 三相异步电动机三相异步电动机机械特性机械特性2222222222222cos)/(/cosXsRRXsRsR一、一、物理表达式物理表达式122cosTmTCI式中：式中：11112wTpm N kC异步机的转矩系数异步机的转矩系数 异步机每极磁通异步机每极磁通 m222222XsREI2物理表达式的几点讨论：物理表达式的几点讨论：v1.1.三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩T T是由主磁通和是由主磁通和转子电流相互作用产生的转子电流相互作用产生的v2.T2.T和气隙磁通以及转子电
2、流的有功分量成正和气隙磁通以及转子电流的有功分量成正比；（因为转子电流滞后于转子电势，在气比；（因为转子电流滞后于转子电势，在气隙磁场同一极性下面的各转子有效导体中，隙磁场同一极性下面的各转子有效导体中，电流方向不完全相同）电流方向不完全相同）221cosICTmT3vT,T,磁通，转子电流的有功分磁通，转子电流的有功分量三者之间的关系：左手定量三者之间的关系：左手定则；则；vn=f(In=f(I2 2)曲线曲线v 曲线曲线vn=n=f(Tf(T)曲线曲线)(cos2fn 221cosICTmT4物理表达式的局限性：物理表达式的局限性：v用于物理分析异步电动机在各种运转状态下，用于物理分析异步
3、电动机在各种运转状态下，转矩和气隙磁通及转子电流有功分量之间的转矩和气隙磁通及转子电流有功分量之间的关系，但不能和具体的参数联系起来。不利关系，但不能和具体的参数联系起来。不利于定量地分析问题于定量地分析问题v需要参数表达式需要参数表达式5异步电动机的异步电动机的机械特性机械特性二、参数表达式二、参数表达式 21112wmEf N k 12sfp1222cossmTE I 可得可得222ZIE222/cosZsR2122smRTIs则得则得6由于异步电动机的电磁功率为由于异步电动机的电磁功率为221 2eRPm IsesPT 分子分母同乘以分子分母同乘以（1-s），），即得即得 2PT 由异步
4、电动机的近似等效电路由异步电动机的近似等效电路 2222112UIRRXXs 得异步电动机的得异步电动机的机械特性机械特性参数表达式：参数表达式：221222112sRUmsTRRXXs7v1.1.几个状态几个状态v2.42.4个特殊点个特殊点三相异步电动机三相异步电动机的固有机械特性的固有机械特性8221212XXRRsm临界转差率临界转差率 0d/dsT使使 ，即可求得，即可求得 最大转矩最大转矩 21max2211122sUmTRRXX 由于由于211XXR212XXRsm21max122()smUTXX 起动转矩起动转矩 221221212stsU RmTRRXX起动转矩倍数起动转矩倍
5、数 N/TTKstst9三、实用表达式三、实用表达式1max212212mmmmRTsRTsRssssR忽略忽略 R1 得机械特性的得机械特性的实用表达式：实用表达式：max2mmTTssssNTTTmTTss*)1(max2N10第二节第二节 三相异步电动机的固有机械特性三相异步电动机的固有机械特性 与人为机械特性与人为机械特性一、固有机械特性一、固有机械特性 固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电电动机按规定的接线方法接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）
6、时所获得的机械特性曲线抗或电容）时所获得的机械特性曲线。三相异步电动机三相异步电动机的固有机械特性的固有机械特性1）起始点）起始点A；2）额定工作点）额定工作点B；3）同步转速点）同步转速点H；4）最大转矩点）最大转矩点P和和P。11二、人为机械特性二、人为机械特性三相异步电动机降低定子三相异步电动机降低定子相电压时的人为机械特性相电压时的人为机械特性（一）降低（一）降低 xU 降低后电动机电流将大于降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时连续运行，额定值，电动机如长时连续运行，最终温升将超过允许值，导致电最终温升将超过允许值，导致电动机寿命缩短，甚至烧坏。动机寿命缩短，甚至烧坏。xU转子电
7、路内串联对称电阻转子电路内串联对称电阻时的人为机械特性时的人为机械特性（二）转子电路内串联对称电阻（二）转子电路内串联对称电阻 转子电路串联对称电阻转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电动机适用于绕线转子异步电动机的起动，也可用于调速。的起动，也可用于调速。12（三）定子电路串联对称电抗（三）定子电路串联对称电抗定子电路内串联对称电抗定子电路内串联对称电抗时的人为机械特性时的人为机械特性 定子电路串联对称电抗定子电路串联对称电抗一般用于笼型异步电动机的一般用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流。起动电流。定子电路内串联对称电阻定子电路内串联对称电阻时的人
8、为机械特性时的人为机械特性（四）定子电路串联对称电阻（四）定子电路串联对称电阻 与串联对称电抗时相同，与串联对称电抗时相同，定子串联对称电阻一般也用于定子串联对称电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动笼型异步电动机的减压起动。13例题3114一一.异步电动机的起动指标异步电动机的起动指标1.1.起动的要求：起动的要求：v起动电流要小，以减小对电网的冲击起动电流要小，以减小对电网的冲击v起动转矩要大，以加速起动过程，缩短起动时间起动转矩要大，以加速起动过程，缩短起动时间2.2.异步电动机的实际起动情况：异步电动机的实际起动情况：v（1 1）转子电路的电阻降低很多，起动电流显著增）转子电路的电阻降
9、低很多，起动电流显著增加，增加的起动电流还会使电机磁路饱和，使漏抗加，增加的起动电流还会使电机磁路饱和，使漏抗减小，这又会使电流进一步增大。减小，这又会使电流进一步增大。v笼形异步电动机起动电流达额定电流的笼形异步电动机起动电流达额定电流的4 47 7倍，某倍，某些型号甚至可达些型号甚至可达8 81212倍倍第二节第二节 三相笼形异步电动机的起动三相笼形异步电动机的起动15过大的起动电流会造成：过大的起动电流会造成：v电动机发热，影响电动机寿命；电动机发热，影响电动机寿命；v过大的起动电流还会使电网产生过大的电压过大的起动电流还会使电网产生过大的电压降落，影响接在电网上的其他设备的正常运降落，
10、影响接在电网上的其他设备的正常运行。行。v（2）起动电流大，但是异步电动机的起动转）起动电流大，但是异步电动机的起动转矩并不大；因为功率因数小矩并不大；因为功率因数小v起动转矩小则会对需满载起动的机械造成困起动转矩小则会对需满载起动的机械造成困难。难。163.3.要改善异步电动机的起动性能，关键在于设要改善异步电动机的起动性能，关键在于设法限制起动电流，增大起动转矩。法限制起动电流，增大起动转矩。4.4.把异步电动机起动分成把异步电动机起动分成4 4种情况：种情况：v（1 1）小容量电动机轻载起动）小容量电动机轻载起动v（2 2）中大容量电动机轻载起动）中大容量电动机轻载起动v（3 3）小容量
11、电动机重载起动）小容量电动机重载起动v（4 4）中大容量电动机重载起动）中大容量电动机重载起动17一般规定，异步电动机的功率小于一般规定，异步电动机的功率小于7.5kW时允时允许直接起动。许直接起动。如果功率大于如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。符合下式要求者，电动机也可允许直接起动。一一.直接起动小容量电动机轻载直接起动小容量电动机轻载起动起动11NstIIKIAkVAkV341起动电动机容量电源总容量如果不能满足要求，则必须采用如果不能满足要求，则必须采用减压起动减压起动的方法的方法 。18还要考虑其他一些因素：还要考
12、虑其他一些因素：v起动是否频繁起动是否频繁v供电线路的距离供电线路的距离v同一台变压器其他用户的要求同一台变压器其他用户的要求19v轻载：对起动转矩要求并不高，此时的主要矛盾是轻载：对起动转矩要求并不高，此时的主要矛盾是电流；电流；v降低起动电流的方法，主要靠降低起动电流的方法，主要靠降低电压降低电压；v由于笼形异步电动机的转子本身不可能外接任何阻由于笼形异步电动机的转子本身不可能外接任何阻抗，那么只能在定子电路采取措施。抗，那么只能在定子电路采取措施。二二.减压起动大中容量电动机轻减压起动大中容量电动机轻载起动载起动 异步电动机异步电动机的的机械特性机械特性参数表达式：参数表达式：22122
13、2112sRUmsTRRXXs20v减压起动减小起动电流的同时，也减小了起动转矩；减压起动减小起动电流的同时，也减小了起动转矩；v所以，只能用于对起动转矩要求不高的场合。所以，只能用于对起动转矩要求不高的场合。若忽略励磁电流，则：若忽略励磁电流，则：2222112UIRRXXs v降低每相绕组电压的措施：降低每相绕组电压的措施：v（1 1）定子绕组串电阻或电抗；）定子绕组串电阻或电抗；v（2 2）自耦变压器）自耦变压器v（3 3）星形三角形起动（改变定子绕组接法）星形三角形起动（改变定子绕组接法）21（一）定子绕组串电阻或电抗减压起动（一）定子绕组串电阻或电抗减压起动 笼型异步电动机电阻笼型异
14、步电动机电阻减压起动的原理图减压起动的原理图笼型异步电动机电抗笼型异步电动机电抗减压起动的原理图减压起动的原理图22sI11UkRkjXstR1sI1UkRkjX1U等值电路：等值电路：23注意：注意：v（1 1）降压起动方法虽然降低了起动电流，但）降压起动方法虽然降低了起动电流，但起动转矩也显著减小，只适用于空载或轻载起动转矩也显著减小，只适用于空载或轻载起动；起动；v（2 2）串电阻降压起动一般用于低压电动机，）串电阻降压起动一般用于低压电动机，串电抗降压起动一般用于高压电动机；串电抗降压起动一般用于高压电动机；v（3 3）降压起动除了限制起动电流，有时以减）降压起动除了限制起动电流，有时
15、以减小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲小起动转矩为主要目的，以减轻对机构的冲击并保证平稳加速。击并保证平稳加速。24v3.3.起动电阻或电抗的计算起动电阻或电抗的计算v4.4.R Rk k和和X Xk k的估算的估算v5.5.例题例题3 32 225（二）自耦补偿减压起动（二）自耦补偿减压起动 异步电动机自耦补偿异步电动机自耦补偿起动的原理线路图起动的原理线路图2621xUNUNxxstIUIU21xstININ121xININ所以所以2121stININ通过自耦变压器，电网所提供的起动通过自耦变压器，电网所提供的起动电流降低为：电流降低为：222111xstNNIIINN自耦变压器的自耦
16、变压器的减压原理图减压原理图27总结：总结：v与直接起动相比，起动电压降低为与直接起动相比，起动电压降低为 ；v电网所提供的起动电流和起动转矩都降低为电网所提供的起动电流和起动转矩都降低为v与定子串电阻电抗相比，同样的起动电流，与定子串电阻电抗相比，同样的起动电流，采用自耦变压器减压起动，电动机可产生较采用自耦变压器减压起动，电动机可产生较大的起动转矩，所以，可带较大的负载；大的起动转矩，所以，可带较大的负载；v适用于容量较大的低压电动机作降压起动。适用于容量较大的低压电动机作降压起动。21KK128（三）星形一三角形（三）星形一三角形（YY）起动）起动 笼型异步电动机星形笼型异步电动机星形三
17、三角形起动的原理线路图角形起动的原理线路图29在起动时，先将三相定子绕组联结成在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。这样，起动时联结成星形的三角形。这样，起动时联结成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形联定子绕组电压与电流都只有三角形联结时的结时的 ，由于三角形联结时绕组，由于三角形联结时绕组内的电流是线路电流的内的电流是线路电流的 ，而星形，而星形联结时两者则是相等的。因此，联结联结时两者则是相等的。因此，联结成星形起动时的线路电流只有联结成成星形起动时的线路电流只有联结成三角形直接起动时线路电流的三角形直接起动时线路电流的1
18、/3。3/13/130v在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，在起动时，先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再改联结成三角形。待转速接近稳定时再改联结成三角形。v适用于定子绕组在正常工作时三角形联接的适用于定子绕组在正常工作时三角形联接的三相异步电动机，且轻载。三相异步电动机，且轻载。31三三.小容量电动机重载起动小容量电动机重载起动v只要矛盾是起动转矩不足只要矛盾是起动转矩不足v解决的办法：解决的办法：v1.1.选择容量大一号的电机选择容量大一号的电机v2.2.选择高起动转矩的电动机选择高起动转矩的电动机特殊电机特殊电机v（1 1）深槽式异步电动机）深槽式异步电动机v（2 2）双鼠笼
19、异步电动机）双鼠笼异步电动机32一、深槽异步电动机一、深槽异步电动机转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率转子频率愈高，槽高愈大，集肤效应愈强。当起动完毕，频率 仅为仅为13Hz，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导，集肤效应基本消失，转子导条内的电流均匀分布，导条电阻变为较小的直流电阻条电阻变为较小的直流电阻 2f33二、双笼型异步电动机二、双笼型异步电动机双笼异步电动双笼异步电动机的机械特性机的机械特性双笼型转子的双笼型转子的结构与漏磁通结构与漏磁通这种异步电动机的转子上有两套导条，上笼这种异步电动机的转子上有两套导条，上笼与下笼，两笼间由狭长的缝隙隔开。与下笼，
20、两笼间由狭长的缝隙隔开。上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制上笼通常用电阻系数较大的黄铜或铝青铜制成，且导条截面较小，故电阻较大；成，且导条截面较小，故电阻较大；下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材下笼截面较大，用紫铜等电阻系数较小的材料制成，故电阻较小。料制成，故电阻较小。34四四.中大容量电动机重载起动中大容量电动机重载起动v要求起动电流小，起动转矩大要求起动电流小，起动转矩大v采用绕线电动机转子串电阻的方法采用绕线电动机转子串电阻的方法35第三节第三节 三相绕线转子异步电动机的起动三相绕线转子异步电动机的起动v对于笼形异步电动机，无论采用哪一种降压起动的对于笼形异步电动机，无论采用哪
21、一种降压起动的方法，在减小起动电流的同时，电动机的起动转矩方法，在减小起动电流的同时，电动机的起动转矩也随之减小；也随之减小；v对于某些重载起动的生产机械，不仅要限制起动电对于某些重载起动的生产机械，不仅要限制起动电流，而且还要有足够大的起动转矩；流，而且还要有足够大的起动转矩；v在这种情况下，基本排除了采用笼形转子异步电动在这种情况下，基本排除了采用笼形转子异步电动机的可能性，而采用起动性能较好的绕线式异步电机的可能性，而采用起动性能较好的绕线式异步电动机。动机。v实现方法：转子串接频敏变阻器或转子串接电阻实现方法：转子串接频敏变阻器或转子串接电阻36（一）转子串联频敏变阻器起动（一）转子串
22、联频敏变阻器起动 FR 当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方当电动机起动时，转子频率较高，频敏变阻器内的与频率平方成正比的涡流损耗较大，成正比的涡流损耗较大，值也因之较大，起限制起动电流及增值也因之较大，起限制起动电流及增大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变大起动转矩的作用。随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器铁心的涡流损耗及阻器铁心的涡流损耗及 值跟着下降，使电动机起动平滑。值跟着下降，使电动机起动平滑。FR频敏变阻器频敏变阻器的等效电路的等效电路37总结：总结：v绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动优绕线式异步电动机转子串频敏变阻器起动优点：
23、结构简单，运行可靠，价格便宜，维护点：结构简单，运行可靠，价格便宜，维护方便，能自动操作。因此，目前获得了十分方便，能自动操作。因此，目前获得了十分广泛的应用。广泛的应用。38（二）转子串联电阻起动（二）转子串联电阻起动在转子回路中串入多级对称电阻，随着电动机转速的增加，逐渐切在转子回路中串入多级对称电阻，随着电动机转速的增加，逐渐切除起动电阻。除起动电阻。39v3.3.起动电阻的计算：解析法起动电阻的计算：解析法v4.4.特点：可得到最大的起动转矩，但起动设特点：可得到最大的起动转矩，但起动设备复杂，操作维修不便，特别是大容量电动备复杂，操作维修不便，特别是大容量电动机，转子电流大，切除电阻
24、时，转矩变化大，机，转子电流大，切除电阻时，转矩变化大，对机械传动机构冲击大；对机械传动机构冲击大；v同时，需要较多的电阻器、开关元件等，设同时，需要较多的电阻器、开关元件等，设备的投资大。备的投资大。40第四节第四节 三相三相异步电动机的制动异步电动机的制动 1、电动运转状态电动运转状态 电动运转状态的特点是电动机电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同。转矩的方向与旋转的方向相同。电动状态下异步电电动状态下异步电动机的机械特性动机的机械特性2、制动运转状态制动运转状态 异步电动机可工作于回馈制异步电动机可工作于回馈制动，反接制动及能耗制动三种制动，反接制动及能耗制动三种制动状态
25、。其共同特点是电动机转动状态。其共同特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制矩与转速的方向相反，以实现制动。此时，电动机由轴上吸收机动。此时，电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能。械能，并转换为电能。41一、能耗制动一、能耗制动 当当K1断开，电动机脱离电网时，立即将断开，电动机脱离电网时，立即将K2接通，接通，则在定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成则在定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定一固定磁场。磁场。42当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流。电流。根据
26、左手定则，可确定出转矩的方向与转速根据左手定则，可确定出转矩的方向与转速的方向相反，即为制动转矩。的方向相反，即为制动转矩。4344能耗制动经验公式对绕线式异步电动机：对绕线式异步电动机：v求定子直流励磁电流求定子直流励磁电流v求转子回路所串电阻求转子回路所串电阻v利用估算的值，可以保证电动机拖动系统的利用估算的值，可以保证电动机拖动系统的快速停车快速停车45转速反向的反接制动转速反向的反接制动时的异步电动机特性时的异步电动机特性异步电动机转速反向异步电动机转速反向反接制动电路图反接制动电路图二、反接制动二、反接制动状态状态 1转速反向的反接制动转速反向的反接制动 46转子轴上机械功率转子轴上
27、机械功率 为负为负2(1)ePPs()1ssssnnnnsnn 此时的转差率此时的转差率转子由定子输入的电功率即为电磁功率转子由定子输入的电功率即为电磁功率 2223feRRPIs为正为正转子电路的损耗转子电路的损耗 为两者之和，因此为两者之和，因此能量损耗极大能量损耗极大。22ePPP47v在该制动状态，由位能负载提供的机械功率在该制动状态，由位能负载提供的机械功率和电源输入的电磁功率全部消耗在电动机的和电源输入的电磁功率全部消耗在电动机的转子电路的电阻上。转子电路的电阻上。v特点：可使位能性负载获得稳定的下放速度，特点：可使位能性负载获得稳定的下放速度，但能量损耗大。但能量损耗大。48异步
28、电动机定子两相反异步电动机定子两相反接的电路图与机械特性接的电路图与机械特性2定子两相反接的反接制动定子两相反接的反接制动 为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由为了迅速停车或反向，可将定子两相反接，工作点由A转移到转移到B此时转差率为此时转差率为 1ssssnnnnsnn 在两相反接时在两相反接时，电动机的转矩为，电动机的转矩为T，与负载转矩共同作用下，与负载转矩共同作用下，电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的电动机转速很快下降，这相当于图中机械特性的BC段。段。4950v在转速接近于在转速接近于0 0时，若想快速停车，应切断电源；时，若想快速停车，应切断电源；v在转速为零的在
29、转速为零的C点，如不切断电源，电动机将反向点，如不切断电源，电动机将反向加速，机械特性进入第三象限，反向的电动状态加速，机械特性进入第三象限，反向的电动状态v反抗性负载反抗性负载v位能性负载位能性负载51v能量关系：和转子反转一样，系统储存的动能量关系：和转子反转一样，系统储存的动能变为轴上输入的机械功率，与定子传递给能变为轴上输入的机械功率，与定子传递给转子的电磁功率一起，全部消耗在转子电路转子的电磁功率一起，全部消耗在转子电路的电阻上。的电阻上。52三、回馈制动三、回馈制动状态状态 位能负载带动异位能负载带动异步电动机进入回步电动机进入回馈制动状态馈制动状态 1.下放重物时的回馈制动下放重
30、物时的回馈制动转速转速高于同步速度高于同步速度 时时，异步电动机，异步电动机既回馈电能，又在轴上产生既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩，即在制动状态下工作。机械制动转矩，即在制动状态下工作。53542.2.变极或变频调速过程中的回馈制动变极或变频调速过程中的回馈制动55第五节第五节 三相异步电动机的四象限运行三相异步电动机的四象限运行一、绕线转子异步电动机注意：一、绕线转子异步电动机注意：v对于位能性负载：对于位能性负载：v提升重物时，电动机始终处于电动状态；提升重物时，电动机始终处于电动状态；v下放重物时，电动机处于制动状态下放重物时，电动机处于制动状态v下放速度低，可采用转子反转的反接制
31、动下放速度低，可采用转子反转的反接制动v下放速度高，可采用定子两相反接时的回馈下放速度高，可采用定子两相反接时的回馈制动制动56二、绕线转子异步电动机在各种运转状态下转二、绕线转子异步电动机在各种运转状态下转子附加电阻的计算子附加电阻的计算v注意：不同运转状态下，方程中各量的正负注意：不同运转状态下，方程中各量的正负号号v（一）根据铭牌数据计算电机的参数（一）根据铭牌数据计算电机的参数v（二）计算人为机械特性上的临界转差率（二）计算人为机械特性上的临界转差率v（三）计算转子每相附加电阻（三）计算转子每相附加电阻57例题36v某三相异步电动机拖动起重机主钩，已某三相异步电动机拖动起重机主钩，已知：知：，转子转子 ，定子，定子Y Y接法，带位接法，带位能恒转矩负载，当负载转矩为能恒转矩负载，当负载转矩为0.8T0.8TN N时，忽略空载转时，忽略空载转矩，请计算：矩，请计算：v（1 1）该电机的起动转矩。该电机的起动转矩。v（2 2）转速为）转速为 提升重物，转子每相应串提升重物，转子每相应串入多大电阻；入多大电阻；v（3 3）转速为）转速为 下放重物，转子回路每相下放重物，转子回路每相串入的电阻值。串入的电阻值。KWPN60min/577rnN9.2TVEN2532AIN1602min/200rmin/200r58作业v思考题34，38v习题：32，37
