1、北京科技大学自动化学院控制科学与工程系15.1 三相异步电动机（感应电机）的三相异步电动机（感应电机）的基本结构和工作原理基本结构和工作原理第第5章章 三相异步电动机（感应电机）三相异步电动机（感应电机）的原理及特性的原理及特性（1）定子部分（静止）定子部分（静止）（2）转子部分（旋转）转子部分（旋转）（3）空气隙）空气隙5.1.1 基本结构基本结构北京科技大学自动化学院控制科学与工程系2图图5.1 三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构北京科技大学自动化学院控制科学与工程系31.定子部分定子部分定子铁心定子铁心定子绕组定子绕组机座机座组成组成 机座的主要作用是用来固定和支撑定子铁心。对于轴
2、承机座的主要作用是用来固定和支撑定子铁心。对于轴承装于端盖上的电动机，其机座还要支撑转子部分。装于端盖上的电动机，其机座还要支撑转子部分。定子铁心的主要作用是产生旋转磁场，是电动机磁路的定子铁心的主要作用是产生旋转磁场，是电动机磁路的一部分，装在机座里。一部分，装在机座里。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系4 主磁通经过的磁路是：主磁通经过的磁路是：气隙气隙 定子齿定子齿定子轭定子轭气隙气隙转子齿转子齿转子轭转子轭转子齿转子齿图图5.2 主磁通主磁通定子齿定子齿北京科技大学自动化学院控制科学与工程系5 为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相同的槽，为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相
3、同的槽，如图如图5.3所示。所示。图图5.3 定子铁心定子铁心北京科技大学自动化学院控制科学与工程系6 常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如图常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如图5.4所示。所示。(a)开口槽高压大中型(b)半开口槽500V以下中型(c)半闭口槽低压160KW以下(1)层间绝缘；(2)槽楔；(3)扁铜线；(4)槽绝缘；(5)槽楔；(6)圆导线图图5.4 定子槽形定子槽形北京科技大学自动化学院控制科学与工程系7（2）低压中、小容量，根据需要可接成）低压中、小容量，根据需要可接成Y形或形。形或形。三相定子绕组的引出线常采用以下两种形式：三相定子绕组的引出线常采用以
4、下两种形式：（1）高压大、中容量，常采用高压大、中容量，常采用Y接；接；北京科技大学自动化学院控制科学与工程系82.空气隙空气隙 空气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响，具空气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响，具体表现在：体表现在：为了减少电动机的励磁电流，提高功率因数，空气隙应尽为了减少电动机的励磁电流，提高功率因数，空气隙应尽可能的小；可能的小；空气隙过小，将引起装配困难和运行不可靠；空气隙过小，将引起装配困难和运行不可靠；从减少附加损耗以及高次谐波磁动势产生的磁通来看，空从减少附加损耗以及高次谐波磁动势产生的磁通来看，空气隙稍大一点也有其有利的一面。气隙稍大一点也有其有利的
5、一面。（1）决定气隙大小的因素）决定气隙大小的因素 （2）气隙大小与电机容量的关系）气隙大小与电机容量的关系 北京科技大学自动化学院控制科学与工程系9电机容量（kW）气隙（mm）10以下1010010015000.200.450.500.800.851.50 异步电动机的空气隙比同容量同步电动机小得多，在中小异步电动机的空气隙比同容量同步电动机小得多，在中小型异步电动机中，空气隙大约为型异步电动机中，空气隙大约为0.21.5mm。3.转子转子转子铁心转子铁心转子绕组转子绕组转轴转轴组成组成绕线型绕线型笼型笼型北京科技大学自动化学院控制科学与工程系10（1）绕线型转子绕组）绕线型转子绕组图图5.
6、4 绕线型转子绕线型转子北京科技大学自动化学院控制科学与工程系111-转子绕组2-集电环（滑环）3-电刷4-附加电阻A1A2B2B1C1C22134图图5.5 绕线型异步电动机接线图绕线型异步电动机接线图北京科技大学自动化学院控制科学与工程系12（2）笼型转子绕组）笼型转子绕组图图5.6 笼型转子笼型转子 笼型转子在转子铁心的每个槽里放上一根导体，在铁心的笼型转子在转子铁心的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，从而形成一个自行闭合的短路绕组。两端用端环连接起来，从而形成一个自行闭合的短路绕组。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系13 笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工
7、作原理笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工作原理是一样的。笼型异步电动机由于构造简单、价格便宜、运行可是一样的。笼型异步电动机由于构造简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，因此目前已成为生产机械中使用最广泛的一种靠、维护方便，因此目前已成为生产机械中使用最广泛的一种电动机。电动机。如果把转子铁心拿掉，剩下的绕组像个松鼠笼子，因此如果把转子铁心拿掉，剩下的绕组像个松鼠笼子，因此称为笼型转子。导条的材料可以是铜，也可以是铝。称为笼型转子。导条的材料可以是铜，也可以是铝。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系145.1.2 工作原理工作原理结论：结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时会产生圆
8、形旋定子三相对称绕组流过三相对称电流时会产生圆形旋转的基波气隙磁动势，以及基波气隙磁密，并顺着三相绕组转的基波气隙磁动势，以及基波气隙磁密，并顺着三相绕组中所流过电流的相序方向以中所流过电流的相序方向以同步同步转速转速n1旋转。旋转。其中，其中，f1为定子电流频率；为定子电流频率；p为为极对数极对数。1160 fn=p分析：分析：如果定子三相绕组（假设为如果定子三相绕组（假设为Y接）通入三相对称正弦交接）通入三相对称正弦交流电流，其表达式为流电流，其表达式为北京科技大学自动化学院控制科学与工程系15120sin120sinsinmWmVmUtIitIitIiimI0UiWiVitWiU1U2V
9、1V2W1W2ViUi北京科技大学自动化学院控制科学与工程系16U1U2V2W1V1W2t=0合成磁场方向向下合成磁场方向向下t=120顺时针旋转顺时针旋转120t=240顺时针旋转顺时针旋转240imI0UiWiVit北京科技大学自动化学院控制科学与工程系17n1NSnn1图图5.7 电动运行电动运行1.电动运行电动运行 异步电动机转子的转速异步电动机转子的转速n不可能达到同步转速不可能达到同步转速n1，一般，一般总是略小于总是略小于n1，“异步异步”二字二字就是由此而来的。就是由此而来的。通常把异步电动机同步转通常把异步电动机同步转速速n1和转子转速和转子转速n二者之差与二者之差与同步转速
10、同步转速n1的比值称为转差率，的比值称为转差率，用用s表示，即表示，即 。n-n=ns11北京科技大学自动化学院控制科学与工程系18 异步电机处于电动运行状态时的特点：异步电机处于电动运行状态时的特点：（1）；1n n0 1s0（2）电磁转矩电磁转矩T与转速与转速n的方向相同；的方向相同；（3）异步电机定子从电源吸收电功率，通过转子轴的转动输异步电机定子从电源吸收电功率，通过转子轴的转动输出机械功率。出机械功率。当当 时，时，；1=s0n=当当 时，时，；0s0=s1nn=当当 时，时，；当当 （即（即 n与与n1的转向相反）时，的转向相反）时，。1s0nn1图图5.7 发电运行发电运行（1）
11、；1n n0s 异步电机处于发电运行状态时异步电机处于发电运行状态时的特点：的特点：（2）电磁转矩）电磁转矩T与转速与转速n的方向相反；的方向相反；（3）原动机通过异步电机转子输入）原动机通过异步电机转子输入机械功率，借助于电磁感应，异步机械功率，借助于电磁感应，异步电机定子向电源回馈电功率（这里电机定子向电源回馈电功率（这里的电功率指有功功率，实际上电机的电功率指有功功率，实际上电机仍需要从电源获得无功功率，以建仍需要从电源获得无功功率，以建立磁场）。立磁场）。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系20n1NS3.制动运行（电磁制动运行）制动运行（电磁制动运行）n图图5.8 制动运行制动运行
12、 异步电机处于制动运行状态时的异步电机处于制动运行状态时的特点：特点：（1）；n（2）电磁转矩）电磁转矩T与转速与转速n的方向相反；的方向相反；（3）异步电机定子从电源吸收电功率）异步电机定子从电源吸收电功率（这里主要指有功功率），转子从（这里主要指有功功率），转子从外部吸收机械功率，两者都将变为外部吸收机械功率，两者都将变为电机内部的损耗。电机内部的损耗。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系215.1.3 额定数据额定数据图图5.9 异步电动机铭牌异步电动机铭牌北京科技大学自动化学院控制科学与工程系22 三相异步电动机的铭牌数据主要有：三相异步电动机的铭牌数据主要有：（1）型号（如教材）型
13、号（如教材P280所示）；所示）；北京科技大学自动化学院控制科学与工程系23铁心长度代号：L；M；S 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的类型类型选择选择有代表意义的汉字，有代表意义的汉字，并并用该汉字的第一个拼音字母用该汉字的第一个拼音字母表示表示。例。例如如Y Y系列三相异步电动机表示如下：系列三相异步电动机表示如下：Y 2 -100 L 1 -2异步电动机设计序号：1；2；3机座中心高(mm)极数：2；4等机座长度代号：1-长；2-短北京科技
14、大学自动化学院控制科学与工程系24（2）额定功率）额定功率PN：指电动机在额定运行状态时轴端输出的：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械功率机械功率，单位为，单位为W或或kW；（3）额定电压）额定电压UN：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压线电压，单位为，单位为V；（4）额定电流）额定电流IN：指电动机在额定电压下轴端输出额定功率：指电动机在额定电压下轴端输出额定功率时，定子绕组中的时，定子绕组中的线电流线电流，单位为，单位为A；额定功率额定功率PN、额定电压、额定电压UN、额定电流、额定电流IN之间的关系为：之间的关系为：NNNNN3cosPU
15、 I式中，式中，为交流电动机的额定效率。为交流电动机的额定效率。N输入功率输入功率P1为：为：1NNN3cosPU I北京科技大学自动化学院控制科学与工程系25（5）额定频率）额定频率fN：我国规定电网的频率为：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电动，除出口电动机外，国内通用的异步电动机的额定频率都是机外，国内通用的异步电动机的额定频率都是50Hz；（6）额定功率因数）额定功率因数 ：指电动机额定运行时：指电动机额定运行时定子侧定子侧的功的功率因数；率因数；Ncos（7）额定转速）额定转速nN：指电动机在额定频率、额定电压下，且轴：指电动机在额定频率、额定电压下，且轴端输出额定功率时转子的转
16、速，单位为端输出额定功率时转子的转速，单位为r/min。此外，铭牌上还标明定子绕组接法、绝缘等级、防护等此外，铭牌上还标明定子绕组接法、绝缘等级、防护等级、冷却方式和重量等。级、冷却方式和重量等。对于对于绕线型绕线型异步电动机，还要标明转子绕组接法、转子异步电动机，还要标明转子绕组接法、转子额定电压额定电压E2N（指定子绕组加额定电压，转子绕组开路时集电（指定子绕组加额定电压，转子绕组开路时集电环间的线电压）和转子额定电流环间的线电压）和转子额定电流I2N（指额定运行状态下，转（指额定运行状态下，转子绕组短路时流过的线电流）等数据。子绕组短路时流过的线电流）等数据。北京科技大学自动化学院控制科
17、学与工程系265.2异步电动机的基本方程式和等效异步电动机的基本方程式和等效电路电路1.等效电路和基本方程式等效电路和基本方程式5.2.2转子旋转时的异步电动机转子旋转时的异步电动机（1）等效电路）等效电路5.2.1转子不转时的异步电动机转子不转时的异步电动机1.转子绕组开路（参见教材转子绕组开路（参见教材P118P124）2.转子绕组短路并堵转（参见教材转子绕组短路并堵转（参见教材P124P131）北京科技大学自动化学院控制科学与工程系27 异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子绕组异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子绕组折算折算之后得到的之后得到的 T 形等效电路如下图（教材
18、形等效电路如下图（教材P136图图5.19）所）所示。示。+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jX图图5.10 三相异步电动机旋转时三相异步电动机旋转时T 形等效电路形等效电路I22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系28为附加电阻。为附加电阻。21sRs图中，图中，1U为定子绕组的相电压；为定子绕组的相电压；1I为定子绕组的相电流；为定子绕组的相电流；1E为每相定子绕组的感应电动势；为每相定子绕组的感应电动势；11RjX为定子绕组每相的漏阻抗；为定子绕组每相的漏阻抗；0I为气隙磁通的励磁电流；为气隙磁通的励磁电流；mmRjX为励磁阻抗；为励磁阻抗；22RjX为转子绕组
19、每相漏阻抗的折算值；为转子绕组每相漏阻抗的折算值；为转子绕组相电流的折算值；为转子绕组相电流的折算值；2I为每相转子绕组感应电动势的折算值；为每相转子绕组感应电动势的折算值；2E北京科技大学自动化学院控制科学与工程系29（2）基本方程式）基本方程式和上图所对应基本方程式为：和上图所对应基本方程式为：11111()UEI RjX 10()mmEIRjX 2222()REIjXs120III21EE+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系302.简化等效电路简化等效电路+U1I12R2jX21sRs1R1jX图图5.11 三相异步电
20、动机简化等效电路三相异步电动机简化等效电路1jX1RmjXmR0II2北京科技大学自动化学院控制科学与工程系31 实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路算出实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路算出的定、转子电流及励磁电流，与用图的定、转子电流及励磁电流，与用图5.10所示所示 T 形等效电路形等效电路算出的值相当接近，但对小容量异步电动机，其误差较大。算出的值相当接近，但对小容量异步电动机，其误差较大。1011()()mmUIRRj XX122112()()UIRRj XXs 设简化等效电路的励磁电流为设简化等效电路的励磁电流为 ，转子电流为，转子电流为 。由。由简化等效电路图（
21、教材简化等效电路图（教材P140图图5.22）可以很方便地算出：）可以很方便地算出：2I0I北京科技大学自动化学院控制科学与工程系325.3 异步电动机的功率和转矩异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率三相异步电动机的功率 三相异步电动机稳定运行时，定子绕组从电源输入的电功三相异步电动机稳定运行时，定子绕组从电源输入的电功率为率为11 113cosPU I式中，式中，U1为定子绕组相电压；为定子绕组相电压；I1为定子绕组相电流；为定子绕组相电流；为定子侧的功率因数。为定子侧的功率因数。1cos 定子铜损耗定子铜损耗 pCu1为为2Cu1113pI R式中，式中，R1为定子绕组每相
22、电阻。为定子绕组每相电阻。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系33 电动机的铁损耗电动机的铁损耗 pFe（磁滞和涡流损耗）为磁滞和涡流损耗）为2Fe03mpI R 由于由于PM是通过电磁感应向转子电路传送的，所以称为电是通过电磁感应向转子电路传送的，所以称为电磁功率。磁功率。M1Cu1FePPpp 转子绕组铜损耗转子绕组铜损耗 pCu2为为2Cu2223pI R222213()sIRRs2223RIsMsP北京科技大学自动化学院控制科学与工程系34 电磁功率电磁功率PM减去转子铜损耗减去转子铜损耗 pCu2即为附加电阻即为附加电阻 上的功率，这部分功率实际上就是传输到电动机转轴上的机上的功率
23、，这部分功率实际上就是传输到电动机转轴上的机械功率械功率Pm。21sRsmMCu2PPp 可以看出，电磁功率、转子铜损耗和机械功率之间存在可以看出，电磁功率、转子铜损耗和机械功率之间存在一定的比例关系，即一定的比例关系，即1:(1)ss22213sIRsM(1)s PMCu2m:PpP 北京科技大学自动化学院控制科学与工程系35 三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩擦阻三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩擦阻转矩，也要损耗一部分功率，这部分功率称为机械损耗，用转矩，也要损耗一部分功率，这部分功率称为机械损耗，用pm表示。表示。此外，由于异步电动机定、转子开槽和谐波磁动势的存此外
24、，由于异步电动机定、转子开槽和谐波磁动势的存在，还要产生一些附加损耗，用在，还要产生一些附加损耗，用pS表示（参见参考书表示（参见参考书7第第153页）。对中小型异步电动机，满载时页）。对中小型异步电动机，满载时pS可达额定输出功率的可达额定输出功率的1%3%；对于大型异步电动机，；对于大型异步电动机，pS 约为额定输出功率的约为额定输出功率的0.5%。三相异步电动机转轴上输出的功率三相异步电动机转轴上输出的功率P22mmS()PPpp北京科技大学自动化学院控制科学与工程系36Cu1pFepCu2pmSppP1PMPmP2图图5.12 三相异步电动机的功率流程图三相异步电动机的功率流程图 通过
25、以上分析可知，三相异步电动机运行时从电源输入通过以上分析可知，三相异步电动机运行时从电源输入电功率电功率P1到转轴上输出功率到转轴上输出功率P2的传递过程为的传递过程为21Cu1FeCu2mS()PPppppp北京科技大学自动化学院控制科学与工程系37例题例题5-2 一台三相异步电动机，额定功率一台三相异步电动机，额定功率PN=75kW，额定电压，额定电压UN=380V，额定转速，额定转速nN=1486r/min，定子，定子形联结。已知定子形联结。已知定子每相电阻每相电阻R1=0.07796，每相漏电抗，每相漏电抗X1=0.3014，励磁电阻，励磁电阻Rm=0.798，励磁电抗，励磁电抗 Xm
26、=16.96，转子每相电阻，转子每相电阻为为 ，每相漏电抗，每相漏电抗 。试用。试用T 形等效电路形等效电路计算计算额定负载额定负载运行时运行时：（1）定子电流；（）定子电流；（2）输入功率；（）输入功率；（3）电磁功率；（）电磁功率；（4）转子）转子电流；（电流；（5）定子铜损耗；（）定子铜损耗；（6）铁损耗；（）铁损耗；（7）转子铜损耗；）转子铜损耗；（8）机械功率。）机械功率。20.0462R 20.6552X 解：解：额定转差率为额定转差率为1N11486150015000.009333Nnnsn北京科技大学自动化学院控制科学与工程系3822N20.04620.65520.009333
27、4.950.65524.993 7.54ZRsjXjjT 形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：mmm0.79816.9616.98 87.3ZRjXj+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系39m2m2m216.98 87.34.993 7.54/0.79816.964.950.655284.78 94.844.575 22.9118.53 71.934.2141.781Z ZZZjjZZj1m2/0.077960.30144.2141.7814.2922.08244.7725.88eqZZZ
28、Zjjj+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系4011380=79.66A4.77eqUIZ（1）定子相电流为定子相电流为L13379.66=138AII定子线电流为定子线电流为+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系411110.077960.30140.3113 75.5ZRjXj定子感应电动势为定子感应电动势为1111380 079.66()0.3113 75.5=380 16.2507.88j18.89=364.4(2.97)VEUI Z 11 113c
29、os3 380 79.66 co 25.88s=81.7 WPU Ik（2）输入功率为输入功率为+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE1北京科技大学自动化学院控制科学与工程系42+U1I1I02R2jX21sRsmjXmR+1R1jXI22EE121222364.4=72.98A4.993EEIZZ（3）转子电流为转子电流为222M2N0.046233 72.98=79.1 W0.009333RPIks（4）电磁功率为电磁功率为北京科技大学自动化学院控制科学与工程系4322Cu11133 79.660.07796=1484WpI R（5）定子铜损耗为定子铜损耗为2F
30、e0m33 21.460.798=1103W2pI R（6）励磁电流为励磁电流为22Cu22233 72.980.0462=738.2WpI R（7）转子铜损耗为转子铜损耗为22Nm22N110.00933333 72.980.0462=78.36 W0.009333sPIRks（8）机械功率机械功率10m364.4=21.46A16.98EIZ铁损耗为铁损耗为北京科技大学自动化学院控制科学与工程系445.3.2三相异步电动机的转矩三相异步电动机的转矩mPTms2m()ppPP2mS0()TTTTTT22TP式中，式中，是电动机转轴上输出的转矩；是电动机转轴上输出的转矩；mmTp 是机械摩擦转
31、矩；是机械摩擦转矩；SSTp 是附加损耗转矩；是附加损耗转矩；0mSTTT 是电动机的空载转矩。是电动机的空载转矩。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系45 电磁转矩电磁转矩T与电磁功率与电磁功率PM的关系为的关系为mPT 11260n 式中，式中，是同步机械角速度。是同步机械角速度。1 22cosTJTCIm260Pnm12(1)60PnsM1P22w22TJmCpN k式中，式中，为一常数，称为转矩系数；为一常数，称为转矩系数；为气隙为气隙每极磁通量；每极磁通量；为转子电流；为转子电流；为转子功率因数。为转子功率因数。12I2cos上式称为电磁转矩的物理表达式。上式称为电磁转矩的物理表达
32、式。M19.55Pn北京科技大学自动化学院控制科学与工程系46例题例题5-3 一台四极三相异步电动机，其额定数据为：一台四极三相异步电动机，其额定数据为：PN=55kW，UN=380V。额定负载额定负载运行时，定子铜耗运行时，定子铜耗pCu1=1091W，铁耗铁耗pFe=972.5W，转子铜耗转子铜耗pCu2=737.2W，机械损耗机械损耗pm=600W，附加附加损耗损耗pS=1100W，求求额定负载额定负载运行时：运行时：（1）机械功率；（）机械功率；（2）电）电磁功率；（磁功率；（3）额定转速）额定转速；（；（4）电磁转矩）电磁转矩；（；（5）空载转矩空载转矩；（6）输入功率）输入功率；（
33、；（7）效率。效率。解：解：（1）机械功率为）机械功率为mNms(550006001100)=56700WPPpp（2）电磁功率为）电磁功率为MmCu256700737.2=57437WPPp北京科技大学自动化学院控制科学与工程系47额定转差率为额定转差率为N1(1)(10.012835)15001481/minNnsnr（3）额定转速为）额定转速为（4）电磁转矩为）电磁转矩为M1574379.559.55365.7N m1500PTnm567009.559.55365.6N m1481NPTn或或012835.0574372.737M2CuNPps北京科技大学自动化学院控制科学与工程系48m
34、s060011009.559.5510.96N m1481NppTn（5）空载转矩为）空载转矩为1MFeCu157437972.5 1091=59500WPPpp（6）输入功率为）输入功率为2155000100%92.44%59500PP（7）效率为）效率为北京科技大学自动化学院控制科学与工程系495.4 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 三相异步电动机在电源电压三相异步电动机在电源电压 U1、电源频率、电源频率 f1 以及电机参以及电机参数固定的条件下，其电磁转矩数固定的条件下，其电磁转矩 T 与转子转速与转子转速 n 之间的关系，之间的关系，定义为三相异步电动机的机械特性。定义为三
35、相异步电动机的机械特性。1.定义定义（1）函数表示法）函数表示法2.表示方法表示方法 或或()Tf n()Tf s（2）曲线表示法）曲线表示法 T-s曲线曲线北京科技大学自动化学院控制科学与工程系505.4.1机械特性的参数表达式机械特性的参数表达式M1PT 再利用三相异步电动机简化等效电路，得到转子电流有再利用三相异步电动机简化等效电路，得到转子电流有效值为效值为12221212()()UIRRsXX22213260RIsn北京科技大学自动化学院控制科学与工程系51221221121232()()60RUsTnRRsXX 因为因为 ，故有，故有 22II 当异步电动机的定子电压当异步电动机的
36、定子电压 U1、电源频率、电源频率 f1 以及电机参及电机参数数 、都为确定值时，改变转差率都为确定值时，改变转差率s，就能按上式，就能按上式算出对应的电磁转矩算出对应的电磁转矩T。1R2R2X1X221221121232()()RpUsfRRsXX北京科技大学自动化学院控制科学与工程系52 异步电动机的异步电动机的T-s曲线如下图所示：曲线如下图所示：T01nsn10mTmTmsms图图5.13 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性ST北京科技大学自动化学院控制科学与工程系53 该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：（1）当）当0s1或或
37、0nn1时，电磁转矩时，电磁转矩T和转子的转速和转子的转速n都为都为正，这时电机处于电动运行状态；正，这时电机处于电动运行状态；（2）当）当sn1时，电磁转矩时，电磁转矩T为负，转子的转速为负，转子的转速n为正，为正，电机处于回馈制动运行状态，即发电状态。电机处于回馈制动运行状态，即发电状态。（3）当）当s1或或n0时，电磁转矩时，电磁转矩T为正，转子的转速为正，转子的转速n为负，为负，电机处在制动运行状态。电机处在制动运行状态。1.最大转矩最大转矩Tm221221121232()()RpUsTfRRsXX北京科技大学自动化学院控制科学与工程系54 令令 ，可得，可得d0dTs2m22112(
38、)RsRXX 21m22111123122()pUTfRRXX sm又称为又称为临界临界转差率。转差率。其中，其中，“+”号用于电动状态；号用于电动状态；“-”号用于发电状态；号用于发电状态；在一般情况下，在一般情况下，的值不超过的值不超过 的的5%，如果忽，如果忽略略R1的影响，的影响，sm和和Tm可以近似表示为可以近似表示为21R212()XX北京科技大学自动化学院控制科学与工程系552m12RsXX 21m112312 2()pUTf XX 最大转矩最大转矩Tm与额定转矩与额定转矩TN之比称为过载倍数，也叫过载之比称为过载倍数，也叫过载能力，用能力，用km表示表示mmNTkT 普通中小型
39、三相异步电动机的过载倍数普通中小型三相异步电动机的过载倍数km=2.02.2；起重、；起重、冶金机械用的三相异步电动机的过载倍数冶金机械用的三相异步电动机的过载倍数km=2.22.8。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系562.堵转转矩（起动转矩）堵转转矩（起动转矩）TS 当当 s=1（即即n=0）时的电磁转矩，称为堵转转矩，用时的电磁转矩，称为堵转转矩，用TS表表示。示。212S221121232()()pU RTfRRXX 异步电动机堵转转矩异步电动机堵转转矩TS与额定转矩与额定转矩TN之比，称为堵转转矩之比，称为堵转转矩倍数，用倍数，用kS表示表示SSNTkT 堵转转矩倍数堵转转矩倍数
40、kS的大小，反映了电动机起动负载的能力。的大小，反映了电动机起动负载的能力。堵转转矩倍数设计得越大，电动机起动就越快，电机的成本堵转转矩倍数设计得越大，电动机起动就越快，电机的成本也随之增加。也随之增加。北京科技大学自动化学院控制科学与工程系57 对于对于Y系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩倍数系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩倍数kS=1.72.2。对于三相绕线转子异步电动机，可以通过在转子回路中串对于三相绕线转子异步电动机，可以通过在转子回路中串入电阻来改变堵转转矩的大小，这部分内容将在转子回路串入入电阻来改变堵转转矩的大小，这部分内容将在转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性中介
41、绍。三相对称电阻的人为机械特性中介绍。5.4.2机械特性的实用公式机械特性的实用公式 前面分析异步电动机的机械特性，是基于电动机参数已知前面分析异步电动机的机械特性，是基于电动机参数已知这一前提条件下的。这一前提条件下的。1.实用公式的表达式实用公式的表达式通过推导求得的机械特性的实用公式如下通过推导求得的机械特性的实用公式如下北京科技大学自动化学院控制科学与工程系58mmm2TssTss 上式中的上式中的Tm和和sm可以根据异步电动机产品目录中的有关可以根据异步电动机产品目录中的有关数据求出。数据求出。2.实用公式的证明实用公式的证明221221121232()()RpUsTfRRsXX21
42、m22111123122()pUTfRRXX 北京科技大学自动化学院控制科学与工程系59用用T 除以除以Tm，并取正号，可得，并取正号，可得222111222m12122()()()R RRXXTTs RRsXX又由又由2m22112()RsRXX 可得可得222112m()RRXXs于是有于是有221m22m2212m2()()()22RR RsTTs RRR Rss北京科技大学自动化学院控制科学与工程系60将上式分子分母同乘以将上式分子分母同乘以 ，并认为，并认为 ，可得，可得2m2(R)s12RR221m22m2212m2()()()22RR RsTTs RRR Rssmmmmm2(1)
43、2sTssTsss 一般异步电动机的一般异步电动机的 值在值在0.120.20范围内。若将分子分范围内。若将分子分母中相对较小的母中相对较小的 都忽略不计，则可得到简化的计算公式都忽略不计，则可得到简化的计算公式msm2smmm2TssTss北京科技大学自动化学院控制科学与工程系61 根据电机的额定转速根据电机的额定转速nN、额定功率、额定功率PN和过载倍数和过载倍数km，求，求取取Tm和和sm的过程如下的过程如下：额定转矩额定转矩NN2NN(kW)9550PTTn2mNmm(1)sskk上式中忽略了空载转矩上式中忽略了空载转矩T0。mmNTk T 最大转矩最大转矩1NN1nnsn 额定转差率
44、额定转差率 把把TN、sN和和km代入机械特性的实用公式，可得代入机械特性的实用公式，可得北京科技大学自动化学院控制科学与工程系62 当三相异步电动机拖动负载转矩当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时，就可以把已知时，就可以把T=TL代入实用公式，求得电动机运行时的转差率代入实用公式，求得电动机运行时的转差率s，进而得到电动机，进而得到电动机的转速。的转速。LLmmmN2mTTssTk Tss 由上式可解得由上式可解得2NNmmmLL()1TTsskkTT3.实用公式的应用实用公式的应用1(1)ns n北京科技大学自动化学院控制科学与工程系63 如果是三相异步电动机的转差率如果是三相异步电动机的转差率s（或转速）已知，把它（或转速）已知，把它带入实用公式，可求得电动机的电磁转矩带入实用公式，可求得电动机的电磁转矩mNmmmmm22k TTTssssssss（1）实用公式形式简单，使用方便，但有一定的适用范围，）实用公式形式简单，使用方便，但有一定的适用范围，即即0s1 1时，时，TS随串入电阻的增加反而减小。随串入电阻的增加反而减小。（ii）sm随串入电阻的增加而增大；随串入电阻的增加而增大；特点特点（a）当）当sm1时，堵转转矩时，堵转转矩TS随串入电阻的增加而增大；随串入电阻的增加而增大；
