三相异步电动机的工作特性及测取方法.docx

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三相异步电动机的工作特性及测取方法

*转速特性*定子电流特性*功率因数特性*电磁转矩特性*效率特性

异步电动机的工作特性

在额定电压和额定频率运行的情况下，

*电动机的转速n、

*定子电流11、

*功率因数cos①1、

*电磁转矩Tem、

*效率n等

与输出功率P2的关系即U1=UN,f=fn时的

隔）

cosp.二/鸥）

"二卫）

.工作特性的分析

（一）转速特性

输出功率变化时转速变化的曲线n=f（P2）

转差率s、转子铜耗Pcu2和电磁功率Pem的关系式

负载增大时，必使转速略有下降，转子电势E2s增大，

所以转子电流12增大，以产生更大一点的电磁转矩和负载转矩平衡

因此随着输出功率P2的增大,转差率S也增大，则转速稍有下降,所以异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线

（2）定子电流特性

定子电流的变化曲线I仁f（P2）

定子电流几乎随P2按正比例增加

（3）功率因数特性

定子功率因数的变化曲线COS①1=f（P2）

（1）空载时

定子电流Ii主要用于无功励磁，所以功率因数很低，约为0.1~0.2

（2）负载增加时转子电流的有功分量增加，使功率因数提高，

（3）接近额定负载时功率因数达到最大

（4）负载超过额定值时

s值就会变得较大，使转子电流中得无功分量增加，

因而使电动机定子功率因数又重新下降了

（4）电磁转矩特性

电磁转矩特性Tem=f（P2）接近于一条斜率为1/Q的直线

（5）效率特性

异步电动机的效率为

円-玄氏

£耳十Pc.1+P凫+Pc.2十%十Pl

当可变损耗等于不变损耗时，异步电动机的效率达到最大值

中小型异步电机的最大效率出现在大约为3/4的额定负载时

异步电动机的工作特性可用直接负载法求取，

也可利用等效电路进行计算

*空载试验*励磁参数与铁耗及机械损耗的确定

通过空载试验可以测定异步电动机的励磁参数，

异步电动机的励磁参数决定于电机主磁路的饱和程度，

所以是一种非线性参数；

通过短路试验可以测定异步电动机的短路参数

异步电动机的短路参数基本上与电机的饱和程度无关，是一种线性参数

一.空载试验与励磁参数的确定

（一）空载试验

1.异步电动机空载运行

指在额定电压和额定频率下，轴上不带任何负载的运行状态

2.空载试验电路

380V

图5.7.1异步电动机空载试验电路

3.空载试验的过程

定子绕组上施加频率为额定值的对称三相电压，

从（1.10~1.30）倍额定电压值开始调节电源电压,

逐渐降低到可能使转速发生明显变化的最低电压值为止

每次记录端电压、空载电流、空载功率和转速,

根据记录数据，绘制电动机的空载特性曲线

图5.7.2空载特性曲线

（二）励磁参数与铁耗及机械损耗的确定

从空载特性可确定

计算工作特性所需等值电路中的励磁参数、铁耗和机械损耗

1•机械损耗和铁耗的分离

空载试验时输入电动机的损耗有：

定子铜耗、铁耗和机械损耗

Pio丈竹丄;穴十戸忌十口醯

其中定子铜耗和铁耗与电压大小有关，而机械损耗仅与转速有关

上式改写为

口0—mJ：

耳沁P盹+真喚

由于可认为铁耗与磁密平方成正比，因而铁耗与端电压平方成正比,

绘制曲线pFe+pmec=f（U1）

图5.7.3机械损耗与铁耗的分离

作曲线延长线相交于直轴于0/点，

过0/作一水平虚线将曲线的纵坐标分为两部分，

由于空载状态下电动机的转速n接近n0,可以认为机械损耗是恒值

所以虚线下部纵坐标表示与电压大小无关的机械损耗，

虚线上部纵坐标表示对应于某个电压U1的铁耗

2.励磁参数的确定

⑴空载试验时的等效电路

图5.7.4空载试验等效电路

（2）励磁参数计算公式

.短路试验与短路参数的确定

（一）短路试验

对异步电动机而言，

短路是指T形等效电路中的附加电阻（1-s）r2'/s=0的状态,

即电动机在外施电压下处于静止的状态

1•短路试验电路

图5.7.5异步电动机短路试验电路

2•短路试验的过程

短路试验在电动机堵转降低电源电压情况下进行，

一般从U1=0.4UN开始，然后逐步降低电压，

测量5~7个点，每次记录端电压、定子短路电流和短路功率,并测量定子绕组的电阻。

根据记录数据，绘制电动机的短路特性

Iis=f（Ui）,pis=f（Ui）

图5.7.6异步电动机的短路特性

（二）短路参数的确定

1.电动机堵转时的等效电路

rwx

fYYV_[

Ils

图5.7.7异步电动机堵转时等效电路

2•短路参数计算公式

由于Zm»Z2'，可以认为励磁支路开路，Im-0，铁耗可忽略不计

所以

斗壮兀—

1亠2

第六章三相异步电动机的电力拖动

本章讨论三相异步电动机的机械特性，然后以机械特性为理论基础，研究三相异步电动机的起动、制动和调速等问题。

§-1三相异步电动机的机械特性

6.1.1三相异步电动机机械特性的三种表达式

一.异步电动机机械特性的物理表达式

1.异步电动机电磁转矩表达式：

丁二G①工COS0：

2.转矩常数表达式

3.转子电流表达式

4.转子电路功率因数表达式

可以看出：

转差与电流、功率因数的关系及异步电动机机械特性（图6.1.1）

图6.1.1

1•电流与转差关系（图6.1.1）

12'最初与s成正比地增加，

s较大时，12'增加逐步减缓

2•功率因数与转差关系（图6.1.1）

s=0,cos①'2=1

随着n的逐步下降，s增加，cos①'2将逐步下降

3•合成曲线

反映了不同转速时T与①m及转子电流的有功分量12'cos①'2间的关系

在物理上，这三个量的方向遵循左手定则

二异步电动机机械特性的参数表达式

采用参数表达式可直接建立异步电动机工作时转矩和转速关系并进行定量分析

COS0；=

由异步电动机的近似等效电路

（Rl

+引+（&+£）

i•异步电动机的机械特性参数表达式:

T二比

Q（R、c/?

<=s）

2•异步电动机的机械特性

图6.1.2异步电动机的机械特性

因为异步电动机机械特性为二次方程式，

所以在某一转差率sm时，转矩有一最大值Tm，

该值称为异步电动机的最大转矩

求出生产Tm时的转差sm

S=土f°亏

"收I（戈I幼

3•对应异步电动机的最大转矩Tm为

SjU：

'财2士尺+』R：

+（A；+£『

正号对应于电动机状态，而负号则适用于发电机状态

考虑R1<<（X1+X2'）,可得：

叫U：

2Q0（Xl-X；）

4•几点规律

1）当电动机各参数及电源频率不变时，

Tm与U成正比，sm因与Ux无关而保持不变

2）当电源频率及电压不变时，

sm与Tm近似地与（Xi+X2'）成反比

3）Tm与R2'之值无关，sm与R2'成正比

5•电动机过载倍数Kt

一般异步电动机的Kt约等于1.8~3.0

起重冶金机械用的电动机，KT可达3.5

过载倍数Kt是电动机短时过载的极限

6•起动转矩倍数Kst

异步电动机起动转矩Tst，即为S=1时电机的电磁转矩

三.机械特性的实用表达式

考虑机械特性参数表达式

及最大转矩Tm的表达式

机械特性可简化为

忽略R1可以得到异步电动机机械特性的实用表达式

这里

可卡7；

—%-%

当电动机在额定负载下运行时，转差率很小，忽略

s/sm,得：

6.1.2三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性

一•异步电动机的固有机械特性

异步电动机在下述条件下工作：

额定电压

额定频率

电动机按规定接线方法接线

定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）

时的机械特性曲线n=f（T），称之为固有机械特性

其中:

起动点额定工作点同步速点

电动状态最大转矩点

最大转矩点

回馈制动最大转矩点

ABHP

M>|r|

可见：

回馈制动时异步电动机过载能力大于电动状态时的过载能力

二•人为机械特性

由电动机的机械特性参数表达式可见：

异步电动机电磁转矩T的数值是由某一转速n

（或s）下，电源电压Ux、电源频率fl、定子极对数p、定子及转子电路的电阻R1、

R2'及电抗XI、X2'等参数决定人为特性，

改变电源电压、电源频率、定子极对数、定子和转子电路的电阻及电抗等参数，可得到不同的人为机械特性。

（一）降低电源电压Ux

最大转矩Tm及起动转矩Tst与U成正比地降低；

sm与Ux的降低无关

1•降低电网电压对电动机的影响

过载能力下降

负载电流上升

从机械特性物理表达式进行分析

因为电网电压下降，电动机气隙磁通下降，

所以在电动机带一定负载转矩情况下，

转子电流增加

2.降低电源电压的机械特性

图622异步电动机降低电源电压的机械特性

（二）转子电路内串联对称电阻

R；

由（623）

—土空一JU：

业2土尺++（A；+£『

由（6.2.4）知道：

最大转矩Tm不变；

sm随串联电阻增大而增加

1•转子电路串联对称电阻时机械特性

R；t>Rft>Rn>Rn

图623异步电动机转子电路串联对称电阻时机械特性

2•转子电路串联对称电阻用途

（1）绕线转子异步电动机的起动

（2）调速

（3）定子电路串联对称电抗

由（623）（624）知道：

最大转矩Tm随串联电抗增大而减小；

sm随串联电抗增大而减小

1•转子电路串联对称电抗时机械特性

图6.2.4异步电动机转子电路串联对称电抗时机械特性

2•用途：

用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流

（四）定子电路串联对称电阻

由（623）（624）知道：

最大转矩Tm随串联电阻增大而减小;

sm随串联电阻增大而减小

1•转子电路串联对称电阻时机械特性

人为机械特性

图625异步电动机转子电路串联对称电阻时机械特性

2•用途：

用于笼型异步电动机的降压起动，以限制电动机的起动电流

（五）转子电路接入并联阻抗

1•电路

异步电动机转子电路接入并联阻抗的电路（图6.2.5）

2•机械特性异步电动机转子电路接入并联阻抗的机械特性（图6.2.5）

3.对人为机械特性的解释

1）起动初期

因为转子频率相当大，感抗较大，转子电流的大部分将流过电阻Rst

所以起动转矩相当大，相当于转子电路串大电阻

2）转子加速

所以相当于电动机转子串联很小对称电阻时的机械特性

3）几乎恒定的转矩

适当的参数配合，

可使电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩

4）电抗器参数选取

接入并联阻抗的转子等效电路

图626接入并联阻抗转子的等效电路其中:

工二（3〜4）工

R：

—16尽

（6.2.6）

三相异步电动机的起动方法

一.三相笼型异步电动机的起动方法

三相笼型异步电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种方法。

图6.2.1

图6.2.2

定子串电抗起动电路（图6.2.1，图6.2.2）

定子串电阻或电抗起动的方法特点为：

起动平稳、运行可靠、方法简单

降压后，起动转矩Tst与电压的平方成正比例地降低

起动电流1st与电压成正比例地降低

（2）用自耦变压器起动

1-t

图623自耦变压器

图624定子串自耦变压器起动电路

由变压器原理知:

设起动时：

电压

Ux/U1=N2/N1

电流

1st

根据（图623）则有:

lx/lst=（Ux/U1=）N2/N1（式624）

而利用变压器原理可以得到:

I1/lx=（Ux/U1=）N2/N1（式6.2.5）

由（式6.2.4）（式6.2.5）可以得到：

I1/lst=（N2/N1）或I1=1st（N2/N1）

这样，利用自耦变压器后异步电动机起动时有关参数的比较如下

利用自耦变压器前

利用自耦变压器后

定子起动电压U1

（N2/N1）U1

定子起动电流lst

（N2/N1）lst

从电网吸收电流1st

（N2/N1）21st

起动转矩Tst

（N2/N1）2Tst

采用自耦变压器起动时起动电流1st与起动转矩Tst以同样规律变化

自耦变压器若采用不同抽头（40%,68%和80%）便可满足不同的起动要求

（3）定子绕组星-三角形接法切换起动

图6.2.5定子绕组星-三角形接法切换起动电路

定子绕组星-三角形切换起动方法适用于

运行时接成三角形，且每相绕组有两个引出端的三相异步电动机

笼型异步电动机分别为星形和三角形接法时起动时有关参数的比较如下：

星形接法三角形接法

定子线电压

定子相电压

57.7%U1

定子相电流

57.7%1st

1st

从电网吸收线电流

57.7%1st

173%1st

起动转矩

33.3%Tst

Tst

采用定子绕组星-三角形切换起动方法起动时，起动电流1st与起动转矩Tst

均降为（三角形接法）全压起动时的1/3

.三相绕线式异步电动机的起动方法

（一）转子串电阻起动

图626起动电路原理图

（二）转子串频敏变阻器起动

图6.2.7频敏变阻器

图628频敏变阻器等效电路

.深槽异步电动机

G栖淌臓b）曲汽询涉分布c）TT嗷戦IM

图6.2.9深槽异步电动机槽内导条电流分布深槽异步电动机的槽型窄而深，

处于槽底等效线匝的漏电抗大于处于槽口等效线匝的漏电抗。

起动时，由于异步电动机转子电路频率较高，

电流大部分集中在槽口部分的导体（集肤效应），转子的等效电阻大。

起动结束以后，异步电动机转子电路频率较低（1-3Hz），

集肤效应消失，转子导条电阻变为较小的直流电阻。

.双笼型异步电动机

图6210双笼型异步电动机电机结构

工作原理与深槽异步电动机基本一致

图6.2.11双笼型异步电动机机械特性

三相异步电动机的制动

•电动运行状态

电动狀壷下异步电动机的机抜時性

图6.3.1

二.制动运行状态

有三种制动状况:

回馈制动状态*反接制动状态*和能耗制动状态

（一）回馈制动状态

回馈制动状态的特点是电动机转速高于同步速度

1•位能负载的回馈制动状态

2•对回馈制动状态的说明

位能负载使转速高于同步速度nO，即n>nO时,

转差率s=（nO-n”nO<0，

转子感应电动势SE2反向，转子电流的有功分量为12a'

转子电流的无功分量为I2r'

当S变负后，转子电流的有功分量改变了方向，无功分量的方向不变

3.回馈制动状态时相量图

可以绘出回馈制动状态下的相量图

图633异步电动机处于回馈制动状态时的相量图

4.回馈制动状态时的功率

因为U1与11之间的相位差角①1>90°

所以定子功率P1=mIUlllcos①1为负

说明此时电动机将电能回馈电网

由于I2'cos①2为负

所以T=CTJ①mI2'cosj2也变为负，

说明此时电动机电磁转矩与转向相反，

因此这时的电动机既回馈电能，又在轴上产生机械制动转矩因为异步电动机轴上输出机械功率

（）

所以P2也变为负，

说明此时电动机由轴上输入机械功率

5•回馈制动的机械特性

图634异步电动机回馈制动时的机械特性

6•回馈发电的问题

回馈发电状态时

由于转子电流的无功分量方向不变

所以定子必须接到电网，并从电网吸取无功功率

才能建立电动机的磁场

如果在异步电动机定子脱离电网的同时，又希望能发电

则定子三相必须接上连接成三角形或星形的三相电容器

图6.3.5异步电动机定子连接三相电容器

当电容器接成三角形时，电容量取值C可参考下式选择

c=丄仝竺

若2叽

（）

10--电动机的励磁电流（A），可取10=0.3I1N

电容器也可接成星形，这时电容量取值C参考下式选择

c—

（）

（二）反接制动状态

分为转速反向的反接制动和定子两相倒相的反接制动

反接制动状态的特点是电动机转速和旋转磁场方向相反

i•转速反向的反接制动

1）转速反向反接制动电路图

图636异步电动机转速反向反接制动

图637异步电动机转速反向反接制动时的机械特性

2）对转速反向反接制动的说明

转子转速方向与电动状态相反

因此转差率：

转子由定子输入的电功率（电磁功率）为

转子轴上机械功率为

◎ED

（）

s>1，P2为负值，即电动机由轴上输入机械功率转子电路的损耗为

AFT—£

（）

△P2数值上等于PT与P2之和，所以反接制动时能量损耗极大

3）用途

可以用于稳定下放位能性负载

2•定子两相倒相的反接制动

1）定子两相倒相的反接制动电路图和机械特性

机械持性

图638异步电动机定子两相倒相的反接制动及其机械特性

n0与原转速方向相反（即对应于nO）

所以转差率：

2）用途

可以用于迅速停车或反向

优点：

制动效果强

缺点：

能量损耗大，制动准确度差

（三）能耗制动状态

1方法

由于定子两相绕组内通入直流电流，在定子内形成一固定磁场

，根据

电动机产生的转矩为制动转矩

当转子旋转时，其导体即切割此磁场，在转子中产生感应电动势及转子电流左手定则，可以确定出转矩的方向与电动机的转速方向相反，

2.电路图

3.原理

4•机械特性

电路图

机械特性

图639

异步电动机能耗制动及其机械特性

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