电气传动系统动力学基础

第一章 电气传动系统动力学基础
1.1电气传动系统的运动方程式
电力拖动装置通常由电动机、工作机构、控制设备和电源四部分组成。

电动机和工作机构之间一般还有传动机构，把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。

（一） 运动方程式
对于直线运动，方程式为
F －F Z = m dt dv
(N)
式中 F －拖动力 F Z －阻力 m dt dv
－惯性力 m 的单位为kg
对于旋转运动，方程式为
T －T Z =J dt d Ω
（N ·m ）
式中 T －拖动转矩
T Z －阻转矩（或称负载转矩）
J dt d Ω
－惯性转矩（或称加速转矩）
通常将转动惯量J 用飞轮矩GD 2来表示，它们之间的关系为
J=mp 2
=g 4GD2
式中 m 与G －转动部分的质量（kg ）与重量（N ）；
ρ与D －惯性半径与直径（m ）；
g=9.81m/s 2 －重力加速度
再将机械角速度Ω用转速n 表示，则可得运动方程式的实用形式
T – T Z =
3752GD dt dn
式中 GD 2－飞轮矩 N ·m 2
电动机的工作状态可由运动方程式判断
M ω
M +T L
M
图2.1 单轴拖动系统
（1） 当 T=T Z ， dt dn
=0 ， 则n=0 或 n=常值 电动机静止或等速旋转，即拖动系统稳定运行。

（2） 当 T>T Z ， dt dn
>0 ， 电力拖动系统加速运行。

（3） 当 T<T Z ， dt dn
<0 ， 电力拖动系统减速运行。

（二）运动方程式中转矩的正负号分析
根据电动机和生成机械负载类型及运转状态的不同，运动方程式中的T 和T Z 都有方向变化带来的正负号问题，一般可作如下规定：先规定某一方向为n 的正方向，则转矩T 的方向与此方向相同为正，反之为负，转矩T Z 的方向与此方向相反为正，相同为负。

dt dn
的大小及正负符号由T 及T Z 的代数和来决定。

上述运动方程式是对一根轴而言的，适用于单轴系统。

对于多轴系统，就应列出多个方程联立求解，比较麻烦。

为此，通常只要把电动机轴作为研究对象即可，这就需要把实际的拖动系统折算为等效的单轴系统。

1.2负载转矩和惯量的折算
1.2.1旋转运动
惯量的折算：
1.2.2平移运动
转矩的折算：
惯量的折算：
1.3生产机械的负载转矩特性
负载转矩与转速的关系用曲线表示称为生产机械的负载转矩特性。

生产机械品种繁多，特性各不相同，但大多数生产机械的负载转矩特性可以归纳为以下三种类型。

1.3.1恒转距负载特性
1．反抗性恒转距负载特性
T Z的大小恒定不变，方向总是与运动方向相反。

负载转矩特性在第一和第三象限，如图2—1所示，例如金属的压延，机床的平移机构等。

1． 1． 位能性将转矩负载特性
T Z 的大小和方向均与转速无关，不随机变化。

其负载转矩特性在第一和第四象限，如图 2－2所示，例如重物的提升与下放等。

1.3.2离心式通风机型负载特性
T Z 大小基本上与转速n 的平方成正比，即
T Z =kn 2
式中 k －比例常数
其特性如图 2－3所示，在第一，三象限，例如风机、水泵、油泵等
1.3.3恒功率负载特性
T Z 的大小基本上与转速n 成反比，即
T Z = n k
这时 P Z =T Z Ω=T Z 602n
π=55.9n
T Z =55.9k
=k 1
故称恒功率负载特性，如图 2－4所示，切削机床属于此类。

实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。

1.4电气传动系统稳定运行的条件
基本要求：
系统稳定运行，即电动机的机械特性与生产机械的机械特性配合好。

稳定运行的含义： 1) 系统匀速运转
2) 在干扰消除后，系统恢复到原运行速度 稳定运行的条件
必要条件：T M = T L ，方向相反，两特性曲线有交点a 和b （即系统平衡点）。

充分条件：系统有稳定平衡点（即a 点）。

n > n a ，T M < T L ，即n ↑(干扰)， 消除后T M - T L <0，减速 n < n a ，TM > TL ，即n ↓(干扰)， 消除后TM - TL >0，加速
第二章 直流电动机的传动特性
2.1直流电机的基本工作原理及结构
一、直流电机的基本结构
1、主磁极——建立主磁场（N 、S 交替排列） a 、 主极铁心——磁路，由1.0~1.5mm 厚钢板构成 b 、 励磁绕组——电路、由电磁线绕制
2、机座——磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚
3、电枢铁心——磁路，0.5mm 厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）
4、电枢绕组——电路。

电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）
5、换向器——换向片间相互绝缘（用云母或塑料）
）（M T f n =）
（L T f n =
n n ’n 稳定工作点的判别
6、电刷装置
a、电刷——石墨或金属石墨
b、刷握、刷杆、连线（铜丝辨）
换向极——改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）
二、基本工作原理
直流电机的构成
（1）.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；
（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴
（3）.气隙
**注意：同步电机—旋转磁极式；直流电机—旋转电枢式。

1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；
（1）原理：导体切割磁力线产生感应电动势
（2）特点：e=BLV；
a、电枢绕组中电动势是交流电动势
b、由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势
c、电枢电动势——原动势；电磁转矩——阻转矩（与T、n反向）
2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；
（1）原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来
（2）特点：f=BiL
a、外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈
b、电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩
的方向不变。

c、电枢电动势——反电势（与I反向）；电磁转矩——驱动转矩（与n
同向）
**说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。

7、3、脉动的减小——电枢绕组由许多线圈串联组成
三、励磁方式
1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；
2.分类：以直流发电机为例
分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）
他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。

**说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。

四、直流电机的型号和额定值(type and rated values)
1.型号： Z 2-9 2
铁心长度代号
机座号
第二次改型设计
直流
2.额定值
①额定功率：发电机P N：输出电功率；电动机P N：输出机械功率；
②额定电压：U N；
③额定电流：I N；
④额定值之间的关系：发电机：P N= U N I N；
电动机：P N= U N I NηN。

2.2直流电动机的运行特性
1．转矩—转速特性（机械特性）——电磁转矩Te 与转速n 之间的关系曲线 n=f （Te ）或Te= f （n ）
*（1）n=f （Te ）与励磁方式有关
（2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性 U=U N R f j =0 I aj =0
N
φφ=
N
U U ≠ N
φφ≠
0a
j
I ≠
（3）硬特性与软特性
2．工作特性——指U=U N = 常数R fj =0时n,T e ,η与P 2的关系曲线
(1) 转速特性 n=f(P 2)或n=f(I a ) (2) 转矩特性 Te=f(P 2) (3) 效率特性 η=f(P 2)
一、 并励直流电动机的运行特性
（一）转矩—转速特性——指U=U N =常数,R f =常数,n=f(T e )
1．接线图
2．表达式E a =U-I a R a =C e n φ; I a =T e /C T φ
n=(U-I a R a )/C e φ=U/C e φ-R a I a /C e φ=U/C e φ-R a T e /C T C e φ2 =n 0-R a T e / C T C e φ2
3．N=f(T e )曲线 *特点：硬特性 4．引起n 下降的原因
T2↑→Te ↑→Ia ↑→IaRa ↑→n ↓
┗→φ↓→n 0↑R a / C T C e φ2↑→n ↓
（二）工作特性
1．转速特性n=f(I a )或n=f(P 2)
（1）表达式
（2）分析：P 2↑→T 2↑→T e ↑→I a ↑→n ↓ （3）并励直流电动机的转速调整率△n △n=(n 0-n N )/n N
*△n=(3~8)%励磁绕组不允许断开 2．转矩特性
（1）表达式 （2）分析 3．效率特性
同其它电机：
可变损耗等于不变损耗时，
m a x
η
η=
2.3直流电动机的起动特性
直流电动机的起动
1．对起动性能的要求： Tst 足够大
Ist 尽量小（小于允许值）
2．起动方法
（1）直接起动——直接将电枢投入U N 起动
（2）电枢回路串变阻器起动——起动时在电枢回路串入起动电阻Rst （3）降压起动——起动降低电枢绕组电压 U<U N
2.4直流电动机的调速特性
直流电动机速度的调节
1．对调速性能的要求：
（1）调速范围大 （m in
m ax
n n
D =调速比）
（2）调速平滑；
（3）经济性好
（4）方法简便可靠 2．调速方法
因为 n=U/C e φ-I a (R a +R Ω)/C e C T φ
2
所以 （1）电枢回路串电阻R Ω
（2）改变励磁电流 I f （励磁回路串电阻）
（3）改变电枢电压U
2.5直流电动机的制动特性
直流电动机的制动（电磁制动）
一般保持原磁场大小，方向不变，仅改变
方向a
I T n →→↓↓反向 1．能耗制动 2．反接制动 3．回馈制动
第三章 交流电动机的传动特性
3.1三相异步电动机的结构与转动原理 3.1.1三相异步电动机的基本构造
三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，它们之间有空气隙。

图15-40（a ）所
示是一台鼠笼式三相异步电动机的组成部件。

1-定子 2-转子 3-风扇 4-罩壳 5-接线盒 6-端盖 1-定子 2-转子 3-空气隙
（a ）三相异步电动机的组成部件 （b ）定子转子铁心片
图15-40 三相异步电动机基本构造
（1）定子
三相异步电动机的定子是由装有对称三相绕组的定子铁心放置在机座内构成的。

机座由铸铁或铸钢制成。

铁心由0.5mm 厚的硅钢片叠制而成，小型电机为圆形冲片，大中型电机为扇形冲片拼成，内表面有均匀分布的槽，片间涂以绝缘漆再迭压成圆筒形状。

三相定子绕组AX 、BY 和CZ 对称地安放于铁心的槽中，A 、B 、C 称为三相绕组的始端，X 、Y 、Z 称为末端。

六个线端再引到机座外侧的接线盒上，就 可以根据三相电压的不同，方 便地接成Y 形或Δ形，如图15-41所示。

（J 、JO 系列是这样的，而Y 、YL 系列则大部分是在电机 内部已接成△形，只将三个端头引到接线盒内）。

（2）转子
转子主要由转子铁心和转子导体（绕组）构成。

铁心也是由0.5mm 厚的硅钢片制成，外表面有槽，用于安放转子导体，迭压装在转轴上。

按转子导体的不同型式，转子可分成鼠笼式和绕线式两种，如图15-42、15-43所示。

鼠笼式转子导体由铜条做成，两端焊上铜环（称为端环），自成闭合路径。

为了简化制造工
图15-41 三相异步电动机的接线图
(a) Y 联接 (b) △联接
艺和节省铜材，目前中、小型异步电动机常将转子导体、端环连同冷却用的风扇一起
用铝液浇铸而成。

具有这种转子的异步电动机称为鼠笼式异步电动机。

(a)鼠笼绕组 (b)铸铝转子 1-转子绕组 2-电刷 3-滑环4-变阻器
图15-42 鼠笼式转子 图15-43 绕线式转子示意图
绕线式转子绕组与定子绕组一样，由导线绕制并连接成Y 形。

每相端分别联接到装于转轴上的滑环上，环与环、环与转轴之间都相互绝缘，靠滑环与电刷的滑动接触与外电路相连
接。

具有这种转子的异步电动机称为绕线式异步电动机，它与鼠笼式电动机的工作原理是一样的。

一般中小型异步电动机的定子和转子，用装有轴承的端盖组装在一起，轴承支承转子的转轴，端盖固定在机座上。

3.1.2三相异步电动机的转动原理
三相异步电动机又称交流感应式 电动机，它是靠旋转着的定子磁场切
割转子导体产生感应电流，此旋场又 对转子感应电流作用而带动转子转动
的，从而实现了机电能量的转换。

1．电动机状态 （ 0< n < n 1, 0< s <1 ）p214图
(1) 定子三相对称绕组通入三相对称电流，产生同步转速旋转的气隙磁场。

(2) 转子导体运动（相对磁场，磁场转速快）切割磁力线，产生感应电动势，
进而产生电流。

电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相同的拖动
图15-44 定子三相绕组
B
B
(a)嵌放示意图 (b)Y 接法
转矩。

(3) 电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。

2．发电机状态 （ n > n 1 , s<0 ）
（1） 原动机拖动转子以n(>n 1)转速旋转。

(2) 转子导体运动（相对磁场，磁场转速慢）切割磁力线，产生感应电动势，
进而产生电流。

电流与气隙磁场的相互作用产生与转子转向相反的制动转矩。

(3) 电机从轴上吸收机械功率，经过气隙耦合再向电网输出电功率。

3．电磁制动状态 ( n<0 , s>1)
转子逆着磁场方向旋转，此时电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率，它们都消耗在电机内部变成损耗。

3.1.3三相异步电动机的旋转磁场
（1）旋转磁场的产生
三相异步电动机定子三相对称绕组通入三相对称电流便可产生旋转磁场。

为分析方便，设三相定子对称绕组AX 、BY 和CZ 接成Y 形，如图15-44所示。

所谓对称是指这三个绕组匝数相同，结构一样，互隔120°。

设三相定子绕组通入的对称三相电流为
t I i m A ωsin = ()︒-=120sin t I i m B ω ()︒+=120sin t I i m C ω
三相电流的波形如图15-45所示，并规定电流正方向由始端指向末端，图中实际电流的流入端用⊗表示，流出端用⊙表示。

为了分析合成磁场的变化规律，我们任选几个特定时刻
︒=︒=︒==360,240,120,0t t t t ωωωω进行分析。

（a ）=t
ω 0 (b) =t ω120○ (c) =t ω 240○ (d) =t ω360○
图15-45 两极旋转磁场的形成
当0=t ω时，i A =0，i B 为负，i C 为正，其实际方向见图15-45a 。

依右手螺旋定则，其合成磁场如图中虚线所示。

它具有一对（即两个）磁极：N 极和S 极，且与A 相绕组平面重合。

同理可得在=t ω120°、240°和360°时的合成磁场如图15-45b 、c 、d 所示。

可见，当定子绕组通入对称三相电流后，就产生旋转磁场，且该磁场是随电流的交变而在空间有规律地不断旋转。

（两极时，电一周期，磁场转一圈）
（2）旋转磁场的转向
从上面的分析中还可发现，合成磁场的转动方向是由A 相绕组平面转向B 相绕组平面再到C 相绕组平面，周而复始地继续旋转下去。

从图15-45又可看出，旋转磁场的转向与三相绕相通入三相电流的相序是一致的。

所以只要对调三根电源线中的任意两相接线，旋转磁场必将反向旋转。

（3）旋转磁场的转速
由以上两级（即极对数p =1）旋转磁场的分析可知，电流变化一周，磁场也正好在空间旋转一周，若电流频率为
1
f ，则两极旋转磁场每分钟的转速为
n 1=60
1
f （r/min ）。

在实际应用中，常使用极对数p ＞1的多磁极电动机。

而旋转磁场的极对数与定子绕组的安排有关。

若每相绕组至少由两个线圈串联组成。

见图15-46（a ）、（b ）所示，各绕组始端之间在空间相差60°，则通入对称三相电流后便产生四极旋转磁场，即磁极对数为p =2。

这时由图15-46（c ）、（d ）分析可知，电流变化一周，旋转磁场在空间只转过1/2圈，即转速为
()min /2
601
1r f n =
B
B
（a ）绕组安排 （b ）绕组接法 （c ）=t
ω0时 （d ）=t ω120○
时
图15-46 四极旋转磁场
由此可见，只要按一定规律安排和联接定子绕组，就可获得不同极对数的旋转磁场，产生不同的转速，其关系为：
()min /601
1r p
f n =
（4-23）
在我国，工频交流电1
f =50Hz ，所以，不同磁极对数的旋转磁场转速如表15-4。

表15-4
（4）异步转动原理与转差率 ①转动原理
当电动机定子对称三相绕组通入顺序三相电流时，电动机内部就产生一个顺时针方向的旋转磁场。

设某瞬间的电流及两极磁场如图15-47所示，并以1
n 转速
顺时针旋转。

由于转子导体与旋转磁场间的相对运动而在转子导体中产生感应电动势。

若把旋转磁场视为静止，则相当于转子导体逆时针方向切割磁力线，感应电动势的方向可用右手定则来判定。

因为转子绕组是闭合的，所以会产生与感应电动势同方向的感应电流。

这样，上半部转子导体的电流是从纸面流出来的，下半部则是流进去的。

正如所知，通电（载流）导体在磁场中要受到电磁 力作用，故载有感应电流的转子导体与旋转磁场相 互作用便产生电磁力F ，其方向可用左手定则判断。

此力对转轴形成一个与旋转磁场同向的电磁转矩， 使得转子沿着旋转磁场的方向以n 的转速旋转起来。

②转差率
异步电动机转子的转速n 永远低于旋转磁场的转速n 1。

因为如果n =n 1，转子与旋转磁场间就没有相对运动，转子导体就不切割磁力线，也就没有感应电势和感应电流产生，所以也不会产生电磁转矩使转子转动了。

n ≠n 1，异步电动机因此得名，n 1称为同步转速。

又因为转子电动势和电流是通过电磁感应产生的，故异步电动机又叫感应电动机。

转子的转速是随着轴上机械负载的变化而略有变化的。

当电动机拖动的机械负载转矩增大时，转速n 将要下降。

旋转磁场与转子转速存在着转速差（n 1-n ）是异步电动机工作的一个特点。

通常，我们将这个转速差与同步转速n 1之比称为转差率，用s 表示。

即
1
1n n n s -=
（15-24）
它是反映异步电动机运行情况的一个重要物理量。

当异步电动机接通电源起动瞬间 n =0，所以s =1。

电动机转差率的变化范围为
0＜s ≤1
中、小型电动机在额定运行时的转差率一般为s N ≈（0.02～0.06）。

例15-4 已知一台异步电动机的额定转速为n N =720r/min ，电源频率f 为50Hz ，试问该电机是几极的？额定转差率为多少？
解：由于电动机的额定转速应接近于其同步转速，所以可知 n 1=750r/min
依公式（15-22）得
4705
5060601
1
=⨯==
n f p
所以该电动机是8极电机。

额定转差率为 04.0750
7207501
1=-=
-=n n n s N
3.1.4定子绕组线端连接方式
图15-47 异步转动原理图
3.1.5异步电动机的额定值
额定功率：电机轴上输出的机械功率W , kW 额定电压：定子绕组线电压V 额定电流：定子绕组线电流A 额定频率：电网频率即工频50H Z 额定转速：额定工况下的转子转速r/min
另外有：额定运行时的效率N η 和额定运行时的功率因数N ϕcos 关系式：N
N N N N
I U P ϕηcos 3=
定子三相绕组Y 接时
N
N N
N U U I I φφ3=
= ；定子绕组Δ接时
N
N N
N U U I I φφ==
3
3.2三相异步电动机的定子电路和转子电路 3.2.1定子电路分析
异步电动机的电磁关系可以参照变压器的电磁关系析之，不同的是副边短路，且因转动而使转子电流频率与电源频率不同。

对于定子中的每相绕组，与变压器原绕组一样，如图15-48所示的等效电路。

忽略铜损与漏磁时
1111144.4k N f E V Φ=≈ （15-26） 其中k 1为绕组系数，因每相绕组分布在不同 的定子槽内k ≤1，一般空载时，V 1≈97%E 1
图15-41 三相异步电动机的接线图
(a) Y 联接 (b) △联接
额定负载时，V 1≈93%E 1。

而转子电路中的每相（鼠笼式每根转子 导体便为一相）绕组，虽说其内阻R 2与漏抗
X 2均不大，但因其转速（负载大小）的变化
与各种工作情况之别，电流与频率的变化均 比较剧烈，直接影响电动机的运行特性，也是 影响其电磁转矩的重要因素，所以都需虑及。

3.2.2转子电路分析
首先，转子电流的频率2f 是转子导体切割旋转磁场而产生，其切割速度为（n 1-n ）， 故 ()()11
1
112
60
60
sf n n n
pn n n p f =-⋅
=
-=
（15-27）
起动时n =0，s =1，则 12f f = 与变压器相符，且为最大值。

额定负载时0.02≤s ≤0.06，故工频情况下，2f ≤3H 2，为超低频。

从而转子漏感抗
20
212222222sX
L f s L f L X ====σσσππω （15-28）
转子中感应电动势
202122244.444.4sE N f s N f E =Φ=Φ= （15-29）
其中2120
2σπL f X
= Φ=212044.4N f E 也均为n =0时的情况，与变压器相符。

为最大值，
或者说感性最强。

转子中电流 220
2
22
2022
22
22X
s R sE X
R E I +=
+=
（15-30）
转子电路的功率因数 220
2
2
2
22
cos X
s R R +=
ψ
（15-31）
22cos ψI 与s 的关系如图15-49所示。

3.3三相异步电动机的转矩和机械特性
图15-48 电动机每相等值电路
图15-49 22cos ,ϕI 与s 的关系
0 0.2 0.4 0.6 0.8 s
1
3.3.1三相异步电动机的转矩
1、物理表达式
物理表达式描述了电磁转矩与磁通、转子有功电流的关系，即
22c o s ϕI C T m M em Φ=
因为：
(
)
222'
21
111
2
'
21111
1
2
'
2'
211
cos cos 260
2cos 2cos ϕϕφπϕφπϕI C I k N pm n I k N f m I E m P T m m m N m N em em Φ=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛==
Ω=
Ω=
式中，'
222
221112
1
2
I k I k N pm k k N pm C i N i
N M
==
=
称为异步电动机转矩常数
2、参数表达式
参数表达式描述了电磁转矩与参数的的关系，即
()
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣
⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=
2
'212'
21'
221
112σσπX X s R R f s
R pU
m T em
因为：()
⎪⎪
⎪
⎪⎪⎪⎩
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧
=Ω++⎪
⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+==p f X X s R R U I s
R I m P em
112
'
2
12
'2
11
'
2
'222'12πσσ 所以
1
Ω=
em em P T 得上式
讨论
)
(s f T em =曲线
（1）电源电压、频率一定时，认为参数不变，电磁转矩只与转差率有关，曲线如右图示。

（5.26Fig ）
（2） s=1起动时，电抗起主要作用，R 2/s 相对较小。

（3）s 接近零时，R 2/s 相对较大起主要作用. （4） s 等于零时，到同步速n=n 1时,T em =0
最大电磁转矩：
令0=ds
dT em
得：()
[()
]
⎪⎪⎪
⎩
⎪
⎪⎪⎨
⎧+++±±=++±
=2
'
2121112
11max
2'2121'2
4σσσσπX X R R f pU m T X X R R s m 正号为电动机，负号为发
电机
通常，电阻值远远小于电抗值，上式简化为：⎪⎪
⎩
⎪
⎪⎨
⎧+±
=+±=)(4'2112
11max
'
21'2
σσσσπX X f pU m T X X R s m
讨论：（1）频率一定时，最大转矩与电源电压平方成正比。

（2）最大转矩与转子电阻无关，但出现最大电磁转矩时得转差率s 与
'
2
R 成比例。

利用这个特点，可以在转子绕组（绕线式）中串电阻
改变转差率（速度）。

（3） 频率一定，最大转矩与漏抗成反比。

（4）电机过载能力
N
M T T k m a x
=
k M =1.6 ~ 2.5范围，它是电机的重要性
能指标之一。

起动转矩：
令s=1 得
()()
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
+++=
2
'
21
2
'2
1'
2
2
1112σ
σ
πX
X R R f R pU m T st
对于绕线式电机，转子回路可以串电阻，使电机起动时获得最大转矩，
⎪⎩⎪⎨⎧+=+='21'2'1
σ
σX X R R s st m
起动转矩倍数
N
st st T T k =
（1.0 ~ 2.0 ）
异步电动机性能指标包括：
经济指标：效率、功率因数
技术指标：最大转矩倍数(1.6~2.5)、起动转矩倍数（1.0~2.0）、起动电流
倍数（4~7） 3、实用表达式
该表达式常用于电力拖动系统设计，根据电机已知数据获得实用表达式：
m
m em s s s s T T +=
2max
3.4三相异步电动机的起动特性 3.
4.1三相异步电动机的起动
1、概述
起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程； 起动电流：n=0,S=1时的电流。

k
st Z U x x r r U I 12
212
211
)
()(=
'
++'
+=
起动电流倍数：7
~5==
N
st i
I I k
起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。

2
21()212
1
11
st em st st st r m I P m s T I r '
'==
=ΩΩΩ
起动电流大的原因：此时处于短路。

起动转矩不大的原因：1）m Φ减少； 使Tst 不大。

2）2cos ϕ减小；
起动要求：①起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；
②起动转矩尽量大，以缩短起动时间； ③起动设备简单，可靠。

2、鼠笼式异步电动机的起动 直接起动
①优点：设备简单，操作方便；
②缺点：起动电流大，须足够大的电源； ③适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。

**如何判断是否能起动：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足。

降压起动
如果电源容量不够大，可采用降压起动。

即起动时，降低加在电动机定子绕组
电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。

*适用：容量大于20kW 并带轻载的情况。

① 定子回路串电抗器起动
st
st I k I 1=
'
； st
st T k
T 2
1=
'
式中：k 为电动机端电压之比，且k>1。

②用Y-Δ起动
适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全部引出来
的电动机才能采用。

∆=
st stY I I 3
1 ； ∆=
st stY T T 3
1
③自耦补偿器（自耦变压器）起动 st
st I k
I 2
1=
'
； st
st T k
T 2
1=
'
优点：一般有三个抽头，有不同的选者。

缺点：设备费用较高。

**三种起动方法的比较 ：
3.4.2特殊结构的笼型异步电动机
1、深槽式异步电动机
结构：定子：与普通鼠笼电动机一样；
转子：槽深而窄,
12
~10=b
h
工作原理：同双鼠笼式异步电动机。

**双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造成本低。

二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。

2、双鼠笼式异步电动机 结构
定子：与普通鼠笼电动机一样；
转子：有两套鼠笼 上层笼：ρ大，黄铜或青铜，截面小，∴r 2上大→起动笼 下层笼：ρ小，紫铜，截面大，∴r 2下小→工作笼
漏磁通分布情况：由于缝隙的存在，Φσ下>Φσ上，即x 2下>x 2上。

运行原理
①起动时，s=1，f 2最大，转子漏抗x 2大，电流分布取决于x 2，∵x 2下>x 2上，∴转子电流集中于上笼（趋肤效应）----起动笼起主要作用，又∵r 2上大→2cos ψ↑→Tst ↑；
②正常运行：s N =0.01～0.06，很小→f 2S 很小→x 2很小→电流取决于r 2，∵r 2下小→电流分布在下笼，此时漏抗x 2小，2cos ψ↑→Tem ↑ 优缺点 ①优点：较大的Tst 和较小Ist ；
②缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。

3.4.3绕线式异步电动机的起动
转子：一般均接成Y 形，正常三相绕组通过滑环短接，若转子绕组直接短接
情况下起动，与鼠笼一样， Ist 大，Tst 不大。

1、在转子回路串起动变阻器起动
在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。

一般取最大加速转矩T 1=(0.7～0.85)T m ，切换转矩T 2=(1.1～1.2)T N 。

①优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩
②适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。

2、在转子回路串接频敏变阻器起动
频敏变阻器是一铁损耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。

结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。

3.5三相异步电动机的调速特性
概述
1.异步电动机特点：结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便。

2.转速公式：)1(60)1(1
1S p
f n S n -=
-=
3.调速方法：①变极调速；②变频调速；③改变转差率 S 调速。

4.调速性能：①调速范围；②调速的稳定性；③调速的平滑性；④调速的经济性。

3.5.1改变定子端电压调速
属于改变转差率调速 Sm 不变；
适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。

**电磁调速异步电动机----滑差电动机
一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速范围广，起动转矩大，已被广泛应用。

3.5.2转子回路串电阻调速
属于改变转差率调速 Sm 改变； 串电阻前后保持转子电流不变，则有：
S
R R S R N
Ω
+=
22；N 22cos cos ϕϕ=；
电磁转矩为：22cos ϕI C T m M em Φ=保持不变，即属于恒转矩调速。

优点：简单、可靠、价格便宜；
缺点：效率低。

为克服这一缺点，可采用串级调速。

3.5.3变极调速
前言：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即
通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势，以实现变极调速。

1.
2p=4。