第五章 三相感应电动机的电力拖动
§ 5－ 1 异步电动机的电磁转矩和机械特性一、机械特性的三种表达式
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)1(
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em
P
n
S
R
Im
S
n
S
S
R
Im
n
S
S
R
Im
P
T
1、机械特性的物理表达式
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1
1111
c o s
c o s
2
44.4
IC
I
f
kNpfm
T
M
w
反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。
电磁转矩的物理表达式
2、机械特性的参数表达式
2
2
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1
1
c o s
R
XS
X
S
R
S
R
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44.4
If
kNpfmT w
2
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2
1
1
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)( XX
S
R
R
U
I
根据简化电路得到的转子电流转子侧功率因数机械特性的参数表达式
221
2
2
1
22
11
1
1
XX
S
R
R
S
R
Um
T
＋
电磁转矩的参数表达式：
电磁转矩与转速之间的关系曲线，是电动机的 机械特性 。
几个关键点,
起动点
最大转矩点
额定工作点
电动，发电，制动三种运行状态电磁转矩的参数表达式（ 2）
异步电动机的 T-s曲线上有一个最高点；
最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。
2
21
2
1
2
)(
0
XXR
RS
dS
dT
m
令：
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1
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1
2
11
1
m a x
2
1
XXRR
UmT
代入转矩公式，得
过载能力：最大转矩与额定转矩之比：
N
m T
Tm a x
（ 1.6~2.2)
最大转矩，过载能力
最大转矩 与电网电压的平方成正比 ；
最大转矩近似 与漏电抗成反比 ；
最大转矩的 位置 可以 由转子电阻的大小来调整 ；
最大转矩的 值与转子电阻值没有关系 ；
异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。
关于最大转矩的几个重要结论
2
21
2
1
2
1
2
11
1
ma x
2
1
XXRR
UmT
起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；
从等效电路求出起动电流：
2
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2
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1
2 )()(
XXRR
UII
st
起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩
2
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1 )()(
1
XXRR
RUmT
st
若令 Sm = 1 221212 )( XXRR
起动转矩等于最大转矩。 对于绕线式转子可通过外串电阻达到。
起动电流、起动转矩
异步电动机的起动转矩 与电压的平方成正比 ；
总漏抗越大，起动转矩越小 ；
绕线式异步电动机可以在 转子回路串入 适当的电阻可以增大起动转矩 ；
起动转矩的几个重要结论
当 时,起动转矩最大。 2
21212 )( XXRR
2
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1 )()(
1
XXRR
RUmT
st
通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。
3 转矩的实用计算公式
S
S
S
ST
T
m
m
2
m a x
12 mmNm SS
m
S
R
XXR
XX
S
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m a x
)(
2
二、固有机械特性当定子的对称三相绕组
按规定的接线方式 ；
定子不经任何阻抗 直接加额定电压、额定频率的三相电压；
转子 回路不串任何阻抗,直接短路 。
这种情况下得到的 n＝ f（ T）,称为固有机械特性。
T
S
固有机械特性的特殊点固有机械特性的特殊点：
1,起动点 A：该点 S＝ 1；
2,临界点 B：该点 S＝ Sm；
3,额定点 C：该点 S＝ Sn；
4,同步点 D：该点 S＝ 0，
又称理想空载点；
S=0
S=1
T0
Sn
Tn
Sm
Tm
三、人为机械特性人为地改变电动机地任一个参数（如 U1,f1,p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗 的机械特性称为人为机械特性。
1,降低定子端电压的人为特性；
2,改变转子回路的电阻的人为特性；
3,改变定转子回路电抗的人为特性；
4,改变极数后的人为特性；
5,改变输入频率的人为特性；
2
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1 )()(
1
XXRR
RUmT
st
起动转矩：
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XXRR
UmT
最大转矩：
2)( 2121
2
XXR
RS
m
临界转差率：
S
T
改变定子电压的人为特性
T
S
改变转子电阻的人为特性
T
S
改变定子电抗的人为特性人为特性曲线
§ 5-2 三相感应电动机的起动起动性能包括：
起动电流倍数 Ist/IN;
起动转矩倍数 Mst/MN;
起动时间
起动时消耗的能量
起动设备的简单和可靠；
起动的过渡时间异步电动机直接起动时的问题,电流大但转矩并不大。
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)()(
c o s
XX
S
R
R
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ICT mMem
起动时,S＝ 1,等效阻抗小,起动电流大；
f2＝ f1,?2接近 900,cos?2很小,转子电流用功分量小。
异步电动机的起动,存在两种矛盾：
1,电动机起动电流大,供电网络承受冲击电流能量有效；
2,电动机起动转矩小,负载要求有足够的转矩才起动；
异步电动机起动分四种情况：
1,小容量轻载起动；
2,中、大容量轻载起动；
3,小容量电机重载起动；
4,中、大容量重载起动；
一、小容量电动机轻载起动－直接起动不仅取决于电机本身的大小,还与供电电网容量和供电线路长短有关。 （要求母线降落不大于 10％）
电动机容量与供电变压器的比值；
起动是否频繁；
供电线路距离；
同一台变压器其它用户的要求；
一般 7.5KW以下电机允许直接起动。
二、中、大容量电动机轻载起动－降压起动此时主要矛盾时电流。 降低电流的方法,主要靠降低电压。
2
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1
)()( XXRR
UI
Q
起动电流：
降压起动时,起动电流与定子电压成比例降低。待转速升高到一定值,恢复全电压。
注意,起动转矩与 U2成正比,降压起动后,比起动电流降低得更厉害。
常用的降压起动方法
定子串电阻或电抗降压起动；
用自耦变压器降压起动；
Y－?起动
延边三角形起动三、小容量电动机重载起动主要矛盾是起动转矩不足。
解决的方法,容量大一号的电动机；
高起动转矩的电动机特殊电机获得高起动转矩的原因,主要是转子电阻的影响。
转子参数自动随转速的变化而变化。
如双鼠笼电机和深槽电机。
集肤效应
漏磁通只穿过槽一次,由 槽底铁心形成闭合回路。 可以看成许多单元导体的并联；
越接近槽口的导体所交链的漏磁通越少,即漏抗小；接近槽底底单元，漏抗大,使导体电流密度分布不均,产生把电流向槽口排挤的“趋表效应”；
电机转速越低,转子电流频率越高,趋表效应越突出；
导体的导电高度缩小,转子电阻增加；
深槽式,高度是宽度的 10～ 12倍,堵转时,电阻达额定运行的 3倍,随着转速升高,频率降低,电流分布趋向均匀,转子电阻自动减小。
双鼠笼式,两套绕组,材料不同，
截面也不同。
外笼,起动笼,截面小,材料选用电阻系数大；
内笼,工作笼,截面大,电阻系数小。
外笼内笼四、中、大容量电动机重载起动两种矛盾同时起作用。
采用绕线式电机,转子串电阻。 既增大起动转矩，
又减小起动电流。
常用的方法：转子串电阻或转子串频敏变阻器。
§ 5-3 三相感应电动机的制动三相异步电动机的电动状态,电磁转矩 T与转速 n同方向，
电机从电源吸收电功率，扣除自身损耗外,转变为机械功率送至负载；
三相异步电动机的制动状态,T与 n方向相反；
制动状态方式：
反接制动；
回馈制动；
能耗制动；
一、反接制动
1,转向反向的反接制动（正接反转）
重物下放的例子：
TZ与转速 n方向一致。
稳态时,电磁转矩 T＝ TZ，
方向与 n相反。
从机械特性分析：
A点（电动状态）
n>0,T>0
B点（制动状态）
n<0,T>0
足够大的电阻
A
B T
S
转差率：
1)(
1
1
1
1
n
nn
n
nnS
性质：
等效电阻,0)(1
2
RRS
S
机械功率吸收机械功率； 0)(1
2
2
RRS
SI
0)( 2221S RRImP em 电能从定子传向转子；
PPp emcu 2
全部消耗在电阻上；
2、两相对调
AB
T
S电机原运行于电动状态，两相对调后，
气隙磁密立即反向,以－ n1转速旋转；
电机机械特性从 1到 2；
S
S
S
S
T
T
n
nn
n
nn
S
m
m
m
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1
1
1
1
反接的过程,从反接开始到转子为零的过程。
两种反接制动,均有 S>1,机械功率为输入。
区别,前者由负载提供机械功率后者由整个转动部分提供储能。
二、异步机的回馈制动把转轴上输入的机械功率,经异步机转化为电功率送到电网。
轴上外施驱动转矩,电机以同步方向旋转
0
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0
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1 8 090 ),(t a n
,0,
R
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Snn
能量流向：
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0
0c o s
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11111?
T与 n方向相反，
处于制动状态回馈制动的实现
（ 1）同步转向反向的回馈制动（反接正转）
定子两相对调后,位能性负载最后稳定于第四象限,重物以高于同步速的速度下放。
（ 2）同步转向不变的回馈制动电车下坡 ；
变极或变频调速过程；
三、异步电动机的能耗制动
~制动时,三相绕组脱离三相电源，
由直流电流过定子绕组，在气隙中形成恒定磁场。
过程分析：
由于惯性,转子仍以 n速度旋转切割磁力线 感应电势 感应电流 产生电磁力 制动转矩在制动转矩和负载转矩共同作用下,转子减速至 n＝ 0。
能耗制动可使反抗性负载准确停机,使位能性负载匀速下放。 注意：恒定磁场获得,需通过定子绕组的改接
§ 5-4 三相感应电动机的调速
要求电动机具有几种转速；
在一定的范围内可以连续调速；
调速的方法,)1()1(
1601 SnSn p f
（ 1） 改变定子绕组的极对数 p；
（ 2）改变电源的频率 f1；
（ 3）改变电动机的转差率；
改变定子绕组的端电压；
改变定子绕组的外加电阻或电抗；
转子回路加电阻或电抗；
转子回路引进 f＝ sf的外加电势一、变极调速单绕组双速电机,一套定子绕组具备两种极对数而得到两个不同同步转速；
三速或四速电机,定子内放两套独立的绕组；
A1
X1A2
X2
A1 X1 A2 X2 A1 X1 A2 X2
单绕组双速电机原理：
A1X1和 A2X2串联形成四极磁场；
A1X1和 A2X2串联,A2X2反向,形成两极磁场变极调速的注意点：
（ 1）电机运行时，
§ 5－ 1 异步电动机的电磁转矩和机械特性一、机械特性的三种表达式
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1、机械特性的物理表达式
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反映了感应电动机的电磁转矩与气隙每极磁通和转子电流有功分量的乘积成正比的物理本质。
电磁转矩的物理表达式
2、机械特性的参数表达式
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根据简化电路得到的转子电流转子侧功率因数机械特性的参数表达式
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电磁转矩的参数表达式：
电磁转矩与转速之间的关系曲线，是电动机的 机械特性 。
几个关键点,
起动点
最大转矩点
额定工作点
电动，发电，制动三种运行状态电磁转矩的参数表达式（ 2）
异步电动机的 T-s曲线上有一个最高点；
最大转矩可以根据高等数学中求极值的方法求得。
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代入转矩公式，得
过载能力：最大转矩与额定转矩之比：
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（ 1.6~2.2)
最大转矩，过载能力
最大转矩 与电网电压的平方成正比 ；
最大转矩近似 与漏电抗成反比 ；
最大转矩的 位置 可以 由转子电阻的大小来调整 ；
最大转矩的 值与转子电阻值没有关系 ；
异步电动机调节转子电阻时机械特性的变化。
关于最大转矩的几个重要结论
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起动电流指起动瞬间电机从电网吸收的电流；
从等效电路求出起动电流：
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起动转矩，即起动瞬间电动机的电磁转矩
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若令 Sm = 1 221212 )( XXRR
起动转矩等于最大转矩。 对于绕线式转子可通过外串电阻达到。
起动电流、起动转矩
异步电动机的起动转矩 与电压的平方成正比 ；
总漏抗越大，起动转矩越小 ；
绕线式异步电动机可以在 转子回路串入 适当的电阻可以增大起动转矩 ；
起动转矩的几个重要结论
当 时,起动转矩最大。 2
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通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。
3 转矩的实用计算公式
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二、固有机械特性当定子的对称三相绕组
按规定的接线方式 ；
定子不经任何阻抗 直接加额定电压、额定频率的三相电压；
转子 回路不串任何阻抗,直接短路 。
这种情况下得到的 n＝ f（ T）,称为固有机械特性。
T
S
固有机械特性的特殊点固有机械特性的特殊点：
1,起动点 A：该点 S＝ 1；
2,临界点 B：该点 S＝ Sm；
3,额定点 C：该点 S＝ Sn；
4,同步点 D：该点 S＝ 0，
又称理想空载点；
S=0
S=1
T0
Sn
Tn
Sm
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三、人为机械特性人为地改变电动机地任一个参数（如 U1,f1,p、定子回路电阻或电抗、转子回路电阻或电抗 的机械特性称为人为机械特性。
1,降低定子端电压的人为特性；
2,改变转子回路的电阻的人为特性；
3,改变定转子回路电抗的人为特性；
4,改变极数后的人为特性；
5,改变输入频率的人为特性；
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起动转矩：
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最大转矩：
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改变定子电压的人为特性
T
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改变转子电阻的人为特性
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改变定子电抗的人为特性人为特性曲线
§ 5-2 三相感应电动机的起动起动性能包括：
起动电流倍数 Ist/IN;
起动转矩倍数 Mst/MN;
起动时间
起动时消耗的能量
起动设备的简单和可靠；
起动的过渡时间异步电动机直接起动时的问题,电流大但转矩并不大。
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起动时,S＝ 1,等效阻抗小,起动电流大；
f2＝ f1,?2接近 900,cos?2很小,转子电流用功分量小。
异步电动机的起动,存在两种矛盾：
1,电动机起动电流大,供电网络承受冲击电流能量有效；
2,电动机起动转矩小,负载要求有足够的转矩才起动；
异步电动机起动分四种情况：
1,小容量轻载起动；
2,中、大容量轻载起动；
3,小容量电机重载起动；
4,中、大容量重载起动；
一、小容量电动机轻载起动－直接起动不仅取决于电机本身的大小,还与供电电网容量和供电线路长短有关。 （要求母线降落不大于 10％）
电动机容量与供电变压器的比值；
起动是否频繁；
供电线路距离；
同一台变压器其它用户的要求；
一般 7.5KW以下电机允许直接起动。
二、中、大容量电动机轻载起动－降压起动此时主要矛盾时电流。 降低电流的方法,主要靠降低电压。
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起动电流：
降压起动时,起动电流与定子电压成比例降低。待转速升高到一定值,恢复全电压。
注意,起动转矩与 U2成正比,降压起动后,比起动电流降低得更厉害。
常用的降压起动方法
定子串电阻或电抗降压起动；
用自耦变压器降压起动；
Y－?起动
延边三角形起动三、小容量电动机重载起动主要矛盾是起动转矩不足。
解决的方法,容量大一号的电动机；
高起动转矩的电动机特殊电机获得高起动转矩的原因,主要是转子电阻的影响。
转子参数自动随转速的变化而变化。
如双鼠笼电机和深槽电机。
集肤效应
漏磁通只穿过槽一次,由 槽底铁心形成闭合回路。 可以看成许多单元导体的并联；
越接近槽口的导体所交链的漏磁通越少,即漏抗小；接近槽底底单元，漏抗大,使导体电流密度分布不均,产生把电流向槽口排挤的“趋表效应”；
电机转速越低,转子电流频率越高,趋表效应越突出；
导体的导电高度缩小,转子电阻增加；
深槽式,高度是宽度的 10～ 12倍,堵转时,电阻达额定运行的 3倍,随着转速升高,频率降低,电流分布趋向均匀,转子电阻自动减小。
双鼠笼式,两套绕组,材料不同，
截面也不同。
外笼,起动笼,截面小,材料选用电阻系数大；
内笼,工作笼,截面大,电阻系数小。
外笼内笼四、中、大容量电动机重载起动两种矛盾同时起作用。
采用绕线式电机,转子串电阻。 既增大起动转矩，
又减小起动电流。
常用的方法：转子串电阻或转子串频敏变阻器。
§ 5-3 三相感应电动机的制动三相异步电动机的电动状态,电磁转矩 T与转速 n同方向，
电机从电源吸收电功率，扣除自身损耗外,转变为机械功率送至负载；
三相异步电动机的制动状态,T与 n方向相反；
制动状态方式：
反接制动；
回馈制动；
能耗制动；
一、反接制动
1,转向反向的反接制动（正接反转）
重物下放的例子：
TZ与转速 n方向一致。
稳态时,电磁转矩 T＝ TZ，
方向与 n相反。
从机械特性分析：
A点（电动状态）
n>0,T>0
B点（制动状态）
n<0,T>0
足够大的电阻
A
B T
S
转差率：
1)(
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性质：
等效电阻,0)(1
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机械功率吸收机械功率； 0)(1
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0)( 2221S RRImP em 电能从定子传向转子；
PPp emcu 2
全部消耗在电阻上；
2、两相对调
AB
T
S电机原运行于电动状态，两相对调后，
气隙磁密立即反向,以－ n1转速旋转；
电机机械特性从 1到 2；
S
S
S
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反接的过程,从反接开始到转子为零的过程。
两种反接制动,均有 S>1,机械功率为输入。
区别,前者由负载提供机械功率后者由整个转动部分提供储能。
二、异步机的回馈制动把转轴上输入的机械功率,经异步机转化为电功率送到电网。
轴上外施驱动转矩,电机以同步方向旋转
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能量流向：
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T与 n方向相反，
处于制动状态回馈制动的实现
（ 1）同步转向反向的回馈制动（反接正转）
定子两相对调后,位能性负载最后稳定于第四象限,重物以高于同步速的速度下放。
（ 2）同步转向不变的回馈制动电车下坡 ；
变极或变频调速过程；
三、异步电动机的能耗制动
~制动时,三相绕组脱离三相电源，
由直流电流过定子绕组，在气隙中形成恒定磁场。
过程分析：
由于惯性,转子仍以 n速度旋转切割磁力线 感应电势 感应电流 产生电磁力 制动转矩在制动转矩和负载转矩共同作用下,转子减速至 n＝ 0。
能耗制动可使反抗性负载准确停机,使位能性负载匀速下放。 注意：恒定磁场获得,需通过定子绕组的改接
§ 5-4 三相感应电动机的调速
要求电动机具有几种转速；
在一定的范围内可以连续调速；
调速的方法,)1()1(
1601 SnSn p f
（ 1） 改变定子绕组的极对数 p；
（ 2）改变电源的频率 f1；
（ 3）改变电动机的转差率；
改变定子绕组的端电压；
改变定子绕组的外加电阻或电抗；
转子回路加电阻或电抗；
转子回路引进 f＝ sf的外加电势一、变极调速单绕组双速电机,一套定子绕组具备两种极对数而得到两个不同同步转速；
三速或四速电机,定子内放两套独立的绕组；
A1
X1A2
X2
A1 X1 A2 X2 A1 X1 A2 X2
单绕组双速电机原理：
A1X1和 A2X2串联形成四极磁场；
A1X1和 A2X2串联,A2X2反向,形成两极磁场变极调速的注意点：
（ 1）电机运行时，
