第二章 三相异步电动机的机械特性
电机机械特性
§6-1 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: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6.1.11.电流与转差关系(图6.1.1)I2' 最初与 s 成正比地增加，s 较大时，I2' 增加逐步减缓2.功率因数与转差关系(图6.1.1)s = 0，cosΦ'2 = 1随着 n 的逐步下降，s 增加，cos Φ'2 将逐步下降3.合成曲线J Φm ,即得 n = f(T) 的曲线，两条曲线相乘，并乘以常数 CT称为异步电动机的机械特性。
(图6.1.1)反映了不同转速时 T 与Φm 及转子电流的有功分量 I2' cosΦ'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由异步电动机的近似等效电路:1.异步电动机的机械特性参数表达式：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 sm3.对应异步电动机的最大转矩Tm为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：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 ( X1+ 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 K约等于 1.8 ~ 3.0T起重冶金机械用的电动机，KT 可达 3.5是电动机短时过载的极限过载倍数 KT6.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最大转矩点电动状态最大转矩点回馈制动最大转矩点A B HPP'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 f1、定子极对数 p、定子及转子电路的电阻 R1、R2'及电抗 X1、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。
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性原理简述机械特性是指其转速与转矩间的关系，一般表示为。
由于三相异步电动机的机械特性呈非线性关系，所以函数表达式以转速为自变量，转矩为因变量，写为更为方便。
又因转差率s也可以用来表征转速，而且用s表示的机械特性表达式更为简洁，所以对三相异步电动机一般用来表示机械特性，同时将作为横坐标，这样和原的图形是一致的。
一、三相异步电动机机械特性的表达式三相异步电动机机械特性的表达式一般有三种：1．物理表达式其中为异步电机的转矩常数；为每极磁通；为转子电流的折算值；为转子回路的功率因数。
2．参数表达式其中。
3．实用表达式其中为最大转矩，为发生最大转矩时的转差率。
三种表达式其应用场合各有不同，一般物理表达式适用于定性分析与及间的关系，参数表达式可以分析各参数变化对电动机运行性能的影响，而实用表达式最适合用于进行机械特性的工程计算。
二、三相异步电动机的机械特性1．固有机械特性固有机械特性是指异步电动机在额定电压、额定频率下，电动机按规定方法接线，定子及转子回路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性，如图15-1所示。
图15-1 三相异步电动机的固有机械特性下面对机械特性上反映其特点的几个特殊点进行分析：（1）起动点：其特点是：，，起动电流；（2）额定运行点：其特点是：，，；（3）同步速点：其特点是：，，，，点是电动状态与回馈制动的转折点；（4）最大转矩点：电动状态最大转矩点，其特点是：，；回馈制动最大转矩点，其特点是：，；由公式可以看出，。
2．人为机械特性由三相异步电动机机械特性的参数表达式可见，异步电动机的电磁转矩在某一转速下的数值，是由电源电压、频率、极对数及定转子电路的电阻、电抗、、、决定的。
因此人为的改变这些参数，就可得到不同的人为机械特性。
现介绍改变某些参数时人为机械特性的变化：（1）降低电压不变，不变，因为，，，所以降低电压时，、、均减小，其人为机械特性见图15-2。
7.6三相异步电动机的机械特性
2 R s X 2 2 2
) n f (I2 ) n f (cos 2
s R2
2 R s X 2 2 2
r1
I1
x1
rm
x2
I2
E 1 E2
r2
U1
Im
1 s r2 s
• 起动时的情况
– “起动”即是转子堵转状态。 – n＝0，s＝1； – 附加电阻为0，电路为短路状态。 – 起动电流很大，功率因素较低。
r1
I1
x1
rm
x2
I2
E 1 E2
r2
U1
Im
1 s r2 s
xm
异步电动机起动时起动电流的大小与负载轻重无关
• 发电机运行
n1
n1
n1
外转矩使转子逆着旋转磁场的 方向旋转，此时电磁转矩方向 仍和旋转磁场方向一致，但与 外转矩方向相反，电磁转矩仍 是制动性质的。
异步电动机，转速略低 于同步转速，电磁转矩 是拖动性质的。
用一外在转矩拖动异步电机， 使转速超过同步转速，此时电 磁转矩是制动性质的，异步电 机从转子轴上输入机械功率。
1、降低定子端电压的人为机械特性
异步电机磁路在额定电压下已有点饱和，故不宜再升高电压。 只能讨论降低定子端电压时的人为机械特性。
U 3 Tm ' 21 ( X1 X 2 )
' U12 R2 3 Tst ' 2 ' 2 1 ( R1 R2 ) ( X1 X 2 )
几种异步电机的典型运行情况
第二章 三相异步电动机的机械特性
转矩公式的推导
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。
T KT Φm I 2 cos2（牛顿米）
常数 每极磁通
•由于异步电动机的起动转矩不大，因此用来拖动机 械的异步电动机可先空载起动，待升速后再用机械离 合器加上负载。
转子电流 转子电路的
cos2
稳定运行段
sE 20
2 R2 ( sX 20 ) 2
5.1.2 三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性 一、固有机械特性
sR2 2 T K 2 U 1 2 R2 (sX 20 )
固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接 线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。
几个特殊点：
Tmax
I2
，否
sE 20
n 0 (s 1) I 2 I1
2 R2 ( sX 20 ) 2
电机严重过载
( 3 ) 起动转矩
Tst ：
电机起动时的转矩。
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 ) 其中 n 0 (s 1)
则
R2 2 Tst K 2 U1 2 R2 ( X 20 )
机械特性曲线
n f (T )
稳定运行段
电动机的自适应负载能力
电动机的电磁转矩可以随负 载的变化而自动调整，这种 能力称为自适应负载能力。
启动： Tst>TL (负载转矩)，电机启动 转速n，转矩T c点：转矩达最大Tmax ，转速n继续，T，沿cb走 b点：T=TL，转速n不再上升，稳定运行
n1 n s n1
转子功率因数
cos 2
R2
2 2 R2 X2
异步电机机械特性 2
Tst k st TN
5.1 三相异步电动机的机械特性
一般将异步电动机的特性曲线分为两部分：
转差率0～sm部分：在这一部分，T
s n
0
与s的关系近似成正比，即s增大时，T 也随之增大，该部分为异步电动机的
n1
sm
稳定运行区。
降压后同步转速n1不变； 降压后，最大转矩T随 U 12 成比
例下降，但是临界转差率sm不变；
降压后的启动转矩Tst也随 U 1 成
2
比例下降。
感应电动机降低电压时的人为机械特性
5.1 三相异步电动机的机械特性 2）定子回路串对称三相电抗器的人为机械特性
定子回路串电抗使sm和Tm都减小，机械特性的直线部分硬度也
加而增加（近似成正比）。
r2' 相对变小了， x x ' 开始成为分母中的主要部分，此 3、当s较大时， 1 2 s
时随着s的增大，电磁转矩T的增大并不是很大。
r2' r2' ' 4、当T达到最大值Tmax时，如果s再增大， 将更小，使得 远小于 x1 x 2 s s r2' ，此时 可略去不计，则电磁转矩T随s的增加而减小。 s
第5章
5.1
异步电动机的电力拖动
三相异步电动机的机械特性
5.1 三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性是指在电压和频率一定
情况下，转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f(T)。
由于异步电动机的转速n与转差率s之间存在着一定 的关系，所以异步电动机的机械特性通常也可用s=f(T)的 形式表示。 1、固有机械特性的分析 三相异步电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在 额定电压和额定下，按规定的接线方式接线，定、转子外界
三相异步电机的机械特性(精)
实验报告课程名称：电机与拖动基础实验项目：三相异步电动机机械特性姓名：lmysdju一．实验目的理解三相异步电动机的机械特性，用MATLAB绘制出不同控制方法下三项异步电机的机械特性曲线。
二．实验项目1. E1/f1为常数，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线；2. U1/f1为常数，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线；，在不同供电频率下绘制出机械特性曲线。
三．实验内容本实验是基于MATLAB软件的，所需要的电机时参数已知的。
电机的特征如下：三相四极，定子绕组为Y接，其额定数据和毎相参数如下：1. 采用恒E1/f1控制，通过MATLAB编程，绘制出不同供电频率下三相异步电机的机械特性。
其程序如下：%Mechanical characteristic with E1/f1=Constclcclearsyms U1n Nph Poles Fe0 Nn R1 R2p X10 X20p R0 X0 Nsn Sn Zeq Z1 F1 Ns X1 X2p Xm...E1 E1n S Nrl Teml a b;U1n=380/sqrt(3);Nph=3;Poles=4;Fe0=50;Nn=1480;R1=1.03;R2p=1.02;X10=1.03;X20p=4.4;R0=7;X0=90;Nsn=120*Fe0/Poles;Sn=(Nsn-Nn)/Nsn;Zeq=(R0+j*X0)*(R2p/Sn+j*X20p)/((R0+j*X0)+(R2p/Sn+j*X20p)); Z1=R1+j*X10; E1n=abs(Zeq*U1n/(Zeq+Z1));for b=1:4if b==1F1=50;elseif b==2F1=35;elseif b==3F1=25;elseif b==4F1=10;endNs=120*F1/Poles;X1=X10*(F1/Fe0);X2p=X20p*(F1/Fe0);Xm=X0*(F1/Fe0);E1=E1n*(F1/Fe0);for a=1:2000S=a/2000;Nrl=Ns*(1-S);Teml=Nph*Poles/(4*pi)*(E1/F1)^2*F1*R2p/S/((R2p/S)^2+X2p^2);Tem(a)=Teml;Nr(a)=Nrl;plot(Teml,Nrl);hold on;endhold on;endxlabel('Torque[N.m]');ylabel('Speed[r/min]');title('Mechanical characterristic with E1/f1=const');ylim([0,1600]);xlim([0,105]);text(50,1350,'f=50Hz');text(50,900,'f=35Hz');text(50,600,'f=25Hz');text(50,150,'f=10Hz');运行结果：Mechanical characterristic with E1/f1=constSpeed[r/min]Torque[N.m]2．采用恒U1/f1控制，重新绘制出不同供电频率下三相异步电机的机械特性曲线。
电工技术：三相异步电动机的转矩与机械特性
二、机械特性
2.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。
R2 m1 p U s T 2 R2 ' 2 2f1 ( R1 ) ( X1 X 2 ) s
2 1
二、机械特性
一、电磁转矩
2.参数表达式
Pem T 1
2 m1 I 2
R2 2 R2 m1 pU1 S S 2 2f 1 R2 2 2f 1 R1 ＋ X 1 X 2 p S
T与电源参数（Ｕ1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。 参数表达式用来分析或计算参数的变化对三相异步电动机运行性能的影响。
适用于绕线型异步电动机。
三相异步电动机的人为机械特性很多：
• 降低定子端电压的人为特性； • 改变转子回路的电阻的人为特性；
• 改变定转子回路电抗的人为特性；
• 改变极数后的人为特性； • 改变输入频率的人为特性等 一般重点研究降低定子端电压的人为特性和改变转子回路电阻的人为特性。
二、机械特性
（1） 降ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时的人为机械特性
一、电磁转矩
3.实用表达式
2Tmax T S Sm Sm S
TN 9.55 PN nN
实用表达式应用于工程计算中。 通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。
Tmax
PN mTN 9.55m nN
S m S N m 2 m 1
二、机械特性
电动机电磁转矩与转速之间的关系曲线，称为电动机的机械特性。
电压下降： • 理想空载速度不变； 定子电压 变化
三相异步电动机的机械特性曲线概要
sm
s 'm
0
T
Tst Tst
R2 得：S m X 20
T 令： 0 S
R2 R'2
R2的 改变 ： 鼠笼式电动机转子导条的金属材料不同 绕线式电动机外接电阻不同
（牛顿•米）
三、电机的自适应负载能力
电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。 常用特
TL n S I 2 T 直至新的平衡。此过程中，I 2 时， I 电源提供的功率自动 1
增加。
n
性段
n0
T
自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要 特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大 油门，才能带动新的负载。）
n
n0
T
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 ( sX 20 )
求 解
Tmax
T 0 S
Tmax
KU12
1 2 X 20
五、最大转矩
Tmax 过载系数： TN
三相异步机
1.8 ~ 2.2
（1）三相异步机的 Tmax和电压的平方成正比，所 以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。 （2） 工作时，一定令负载转矩 机将停转。致使 ，否则电 TL Tmax
电机严重过热
n 0 I 2 I1
六、起动转矩 Tst
n
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 (sX 20 ) 其中 n 0 (s 1)
则
n0
T
Tst
R2 2 Tst K 2 U1 2 R2 ( X 20 )
பைடு நூலகம்
Tst体现了电动机带载起动的能力。若 Tst TL电机能
三相异步电动机在各种运行特性下地机械特性
实验五 三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性【思考要点】1． 如何利用现有设备测定三相绕线式异步电动机的机械。
2． 测定各种运行状态下的机械特性应注意哪些问题。
3． 如何根据所测得的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性。
【实验原理】三相异步电动机的定、转子之间没有直接电的联系，它们之间的联系是通过电磁感应而实现的。
一台三相异步电动机的电磁转矩的大小决定了其拖动负载的能力，而三相异步电动机的电磁力矩的大小不仅与电动机本身的参数有关，也和其外加电源的电压有关。
本实验围绕异步电动机的电磁力矩和其参数、外加电压的关系以及各种运行状态等电力拖动问题进行展开。
1. 三相异步电动机的机械特性机械特性是指电动机转速n 与转矩T 之间的关系，一般用曲线表示。
欲求机械特性，先求T 与n 的数学关系式，称为机械特性表达式。
电磁转矩''21200em R m I P s T ==ΩΩ由异步电动机的近似等效电路，得()'22'2'2112X U I R R X X s =⎛⎫+++ ⎪⎝⎭ 代入T 的公式，即得参数表达式)()('212'21'221X X s R R sR U mT X+++Ω=考虑到0(1)n s n =-， 00260n πΩ=， 即可由此式绘出异步电动机的机械特性曲线()n f t =，如图6.24所示。
图6.24 三相异步电动机机械特性机械特性的参数表达式为二次方程，电磁转矩必有最大值，称为最大转矩T m 。
将表达式对s 求导，并令0dTds=，可求出产生最大转矩T m 时的转差率S m()'222'112m R S R X X =±++S m 称为临界转差率。
代入T 的公式则可得T m 的公式()2122'011122Xm U T R R X X =±Ω⎡⎤±+++⎢⎥⎣⎦式中正号对应于电动机状态，负号适用于发电机状态。
三相异步电动机的机械特性
空载时损耗占比例大，效率低；随P2增 加，增加，当负载过大，铜损耗增加快，使 效率下降，如图所示。
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
效率曲线和功率因数曲线都是在额定负载附近 达到最高，因此合理选用电动机容量时，对电动 机的寿命、功率因数和效率都有很实际的意义。 5、功率因数特性cos1=f(P2)
§4－5 三相异步电动机的机械特性
本节要点： 一、三相异步电动机的工作特性 二、机械特性：n = f ( T ) ㈠固有机械特性曲线分析 ㈡人为机械特性 三、运行性能 1、运行状态 2、启动转矩倍数
3、过载能力 4、异步电动机机械特性的结论
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
原因：是静止的转子导体与定子旋转磁 场之间的相对切割速度很大（n1）。将 产生很大的I2，使定子电流也增大。但 由于转子绕组的功率因数cosφ2很小， 由于Tst=CTφI2cosφ2，故启动转矩并不 很大。
只有当Tst达到一定值时，电动机才 能启动。
Tst>TL ，将 S = 1代入T公式，即 可得Tst 的表达式。
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
⑵额定运行点（TN、nN） TN = 9.55 PN/nN
⑶临界工作点（Tm、nm） 当S = Sm 时，电磁转矩达到最大
值。
Sm ∈( 0.04，0.14 ) ⑷同步点（0、n1）
n = n1
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
2023年8月26日 星期六
§4－5 三相异步电动机的机械特性
2、转矩特性T=f(P2) 空载时P2=0，电磁转矩T等于空载转矩 T0。随着P2的增加，已知T2=9.55P2/n， 如n基本不变，则T2为过原点的直线。 考虑到P2增加时，n稍有降低，故 T2=f(P2)随着P2增加略向上偏离直线。 在T=T0+T2式中。T0很小，且为常数。所 以T=f(P2)将比平行上移T0数值，如图所 示。
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点，其线性段为稳定运行区，而非线性段为不稳定运行区。固有机械特性的线性段属于硬特性，额定工作点的转速略低于同步转速。人为机械特性曲线的形状可用参数表达式分析得出，分析时关键要抓住最大转矩、临界转差率及启动转矩这三个量随参数的变化规律。
1 三相异步电动机的机械特性文
三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系。由于转速n与转差率S有一定的对应关系，所以机械特性也常用Tem＝f（s）的形式表示。三相异步电动机的电磁转矩表达式有三种形式，即物理表达式、参数表达式和实用表达式。物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，说明了电磁转矩是由主磁通和转子有功电流相互作用而产生的。参数表达式反映了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析参数变化对电磁转矩的影响和对各种人为特性的影响。实用表达式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。
摘 要：阐述了异步电动机结构，运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动、制动、调速等技术问题。
关键词：三相异步电动机；电力拖动机具有结构简单、运行可靠、价格低、维护方便等一系列的优点，因此，异步电动机被广泛应用在电力拖动系统中。尤其是随着电力电子技术的发展和交流调速技术的日益成熟，使得异步电动机在调速性能方面大大提高。目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。就三相异步电动机的机械特性出发，主要简述电动机的启动，制动、调速等技术问题。
三相异步电动机的机械特性
1. 降低定子端电压U1的人为机械特性
2）最大转矩点
横坐标Tm ：
最大转矩Tm与定子端电压U1的 平方成正比，降低U1之后，最 大转矩Tm的值大幅度减小。
纵坐标nm： nm=n1(1-sm) =n1(1-R2/X2)
用平滑曲线连接这三个坐标 点，就得到了降低定子端电 压U1的人为机械特性。
1.降低定子端电压U1的人为机械特性
降低电压U1对电动机运行 性能的影响：
TL1 TL2
1）最大转矩Tm和启动转矩Tst 都大幅度减小，过载能力λ和 启动能力Kst都显著降低。 如果U1降低得太多，可能会因 为Tst<TL而无法启动，也可能 会因为Tm<TL而堵转。
长期欠压过载运行，电动机绕组的温升会超过允许值而损害 绕组的绝缘，甚至会烧毁绕组。
电动机的电气控制电路要设置欠电压保护：
1）电动机通常由接触器控制。接触器在其线圈电压下降到 85%UN时，会自动释放而切断电路，自带欠压保护功能。 2）低压断路器上有失压脱扣器，在低电压时会自动跳闸， 有欠压失压保护功能。 3）有时需要设置专门的欠电压继电器作欠压保护。
TL1 TL2 TL3
TL4
可采取的措施2：
电动机的固有机械特性
√ 换一台启动转矩Tst大于TL3，额定转矩TN与TL3相当的电动
机，带动TL3重新启动。
运行情况：
TN ≈ TL3，电动机会运行在额定状态附近，运行性能好。
★通过固有机械特性判断电机运行情况
参考答案4：
电动机带负载TL4不能启动， 绕组很快就会烧毁。
第1步： 从产品目录中查出电动机的外部参数值，计算出Tm和sm的 值，代入实用表达式，得到T = f ( s )。在转差率s的取值范 围内，计算出电动机若干个运行点的（s，T）坐标值。
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性
1.三相异步电动机的电磁转矩
三相异步电动机的转矩:
三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而生成的。
它与Φ和I2 的乘积成正比，此外，它还与转子电路的功率因素cosφ2 有关。
转矩表达式：
式中，K——与电动机结构参数、电源频率有关的一个常数；
U1，U ——定子绕组相电压，电源相电压；
R2——转子每相绕组的电阻；
X20——电动机不动（n＝0）时转子每相绕组的感抗。
2.三相异步电动机的固有机械特性
固有机械特性：
异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中的不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。
电动机的抱负空载转速：
额定转矩及额定转差率：S=(N1-N2)/N1
转矩－转差率特性的有用表达式，即规格化转矩－转差率特性。
3.三相异步电动机的人为机械特性
人为机械特性：
异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以转变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。
电压U的变化对抱负空载转速no和临界转差率Sm不发生影响，但最大转矩Tmax与U2成正比，当降低定子电压时，no和Sm不变，而Tmax大大减小。
在同一转差率状况下，人为特性与固有特性的转矩之比等于电压的平方之比。
因此在绘制降低电压的人为特性时，是以固有特性为基础，在不同的S处，取固有特性上对应的转矩乘降低电压与额定电压比值的平方，即可作出人为特性曲线：
在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低。
三相异步电动机的机械特性
起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍 数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：
一般异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。
Tst k st TN
r1sm 2 实用表达式： r 1 T 2 r1sm sm s Tm r22 r2 r22 2 s 2 2r1 2 s r2 s s s sm m
降电压人为机械特性曲线 Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm与电压无关
TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性
（2）定子回路串入对称电阻的人为机械特性
当定子电阻r1 增大时，同步 转速n1不变， 但临界转矩Tm、 临界转差率sm、 起动转矩Tst都 变小
定子回路串入对称电阻的 接线图和人为机械特性
从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、 λm应用实用公式就可方便得出机械特性表达 式。
2.固有机械特性
异步电动机的固有机 械特性是指U1=U1N， ƒ1=ƒ1N，定子三相绕 组按规定方式连接， 定子和转子电路中不 外接任何元件时测得 的机械特性n =ƒ（T） 或T=ƒ（s）曲线。 对于同一台异步电动 机有正转（曲线1） 和反转（曲线2）两 条固有机械特性。
机械特性曲线
在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T 与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。
异步电动机机械特性
①最大转矩Tm
最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，最大转 矩为： 3 pU 2
Tm 4f1 r1 r12 ( x1 x2 ) 2
1
最大转矩对应的临界转差率为：
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的运行特性摘要：本章介绍了三相异步电动机的机械特性的三个表达式。
固有机械特性和人为机械特性，阐述了三相异步电动机的起动、调速和制动的各种方法、特点和应用5.1三相异步电动机的运行特性三相异步电动机的运行特性就是三相异步电动机的运行工作时的机械特性。
和直流电动机一样，三相异步电动机的机械特性也是指电磁转矩与转子转速之间的关系。
由于转子转速与同步转速、转差率存在下列关系，即（5.1）则三相异步电动机的机械特性用曲线表示时，习惯上纵坐标同时表示转速和转差率，横坐标表示电磁转矩。
三相异步电动机的机械特性有三种表达式，现介绍如下：5.1.1机械特性的物理表达式由上一章三相异步电动机的转矩关系知，三相异步电动机转矩的一般表达式为（5.2）式中为三相异步电动机的转矩系数，是一常数；为三相异步电动机的气隙每极磁通量；为转子电流的折算值；为转子电路的功率因数；式（5.2）表明了电磁转矩与磁通量和转子电流的有功分量的乘积成正比，它是电磁力定律在三相异步电动机的应用，它从物理特性上描述了三相异步电动机的运行特性，因此这一表达式又称为三相异步电动机的物理表达式。
仅从式（5.2）不能明显地看出电磁转矩与转差率之间的变化规律。
要从分析气隙每极磁通量，转子相电流，以及为转子功率因数与转差率之间的关系，间接地找出其变化规律。
现分析如表5.1所示。
根据表5.1中的分析，可作出曲线、和分别如图5.2、5.3、5.4所示，据此可得出图5.1所示的机械特性曲线。
曲线分为两段：当较小时(),变化不大，，电磁转矩与转子相电流成正比关系，表现为AB段近似为直线，称为直线部分；当较大时()，如，减少近一半，很小，尽管转子相电流增大，有功电流不大，使电磁转矩反而减小了，此时表现为段，段为曲线段，称为曲线部分。
由此分析知，三相异步电动机的机械特性在某转差率下，产生最大转矩，即点称为最大转矩点，相应的转矩为称为最大转矩，对应的转差率称为临界转差率。
三相异步电动机机械特性
I2st
E20
R22
X
2 20
2020年7月19日星期日
20
242.5A
0.022 0.082
9
4.三相异步电动机的机械特性
1).三相异步电动机的转矩
三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通与转子电流 相互作用而产生的:
T KtI2 cos2
E2o 4.44Sf1N2
SN
n0 nN n0
11
自然机械特性
(3)起动工作点
T=Tst, n=0, 此时有
Tst
K
R2U 2 R22 X 202
(4)临界工作点
S=1;
st
Tst TN
T=Tanm, n=nm, s=Sm;有:
Sm
R2 X 20
U2 Tman K 2 X 20
2020年7月19日星期日
m
Tman TN
电机带动最大负载的能力。
如果TL Tmax电机将会
因带不动负载而停转。
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
n
n
0
T
Tm ax
求解 T S
2020年7月19日星期日
0
Tm a x
KU12
1 2 X 20
14
过载系数： Tm ax
TN
三相异步机 1.8 ~ 2.2
Tm a x
KU12
1 2 X 20
8
举例
例2:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速 1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势 E20=20V,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子 电流. 解;1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=1500r/min
1.1.2三相异步电动机的转矩特性和机械特性
再将Sm代入转矩公式中，即可得
电动机最大转矩
U2 Tmax K
2X 20
第14页，共22页。
通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比
m Tmax / TN
称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负载 的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。
鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机
加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即
u1 i1R1 (eL1)
如用复数表示，则为
(e1
)
i1R1
LL1
di1 dt
(e1
)
U1 I1R1 (EL1) (E1) I1R1 jI1X1 (E1) 式中， R和1 (X1 X1 2 )为f1定LL子1每相绕组的电阻和漏磁感抗。
由于R1和X1较小，其上电压降与电动势E1比较起来，常可忽略，于是
m 1.8 ~ 2.2 m 2.5 ~ 2.8
第15页，共22页。
2．人为机械特性
由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加
电源电压U、电源频率f有关，将关系式中的参数人为地加以改变而获得 的特性称为异步电动机的人为机械特性。
T
k m1 pU12 R2s
2f1[ R22
(sX
1.1.2 三相异步电动机的特性分析
一、三相异步电动机的定子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原
绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
定子绕组接上三相电源电压
（相电压为u1）时，则有三相电 流通过（相电流为i1），定子三相 电流产生旋转磁场，其磁力线通 过定子和转子铁心而闭合，这磁 场不仅在转子每相绕组中要感应 出电动势e2，而且在定子每相绕组
实验2三相异步电动机的人为机械特性
实验2 三相异步电动机的人为机械特性一、实验目的了解三相线绕式异步电动机的人为机械特性。
二、预习要点1、改变三相线绕式异步电动机的机械特性有哪些方法？2、测定人为机械特性应注意哪些问题？3、如何根据所测出的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性？三、实验项目1、测定三相线绕式转子异步电动机在改变电源电压的人为机械特性。
2、测定三相线绕转子异步电动机在转子电路串入电阻时的人为机械特性。
四、实验方法1、实验设备2、屏上挂件排列顺序D33、D32、D34-3、D51、D31、D44、D42、D41、D31220V励磁电源励磁绕组图1 三相线绕转子异步电动机机械特性的接线图在图1中：(1) M用编号为DJ17的三相线绕式异步电动机，UN=220V，Y接法；(2) MG用编号为DJ23的校正直流测功机；(3) A1量程为3A；(4) 直流电表A2的量程为2000mA；(5) A3量程为200mA；(6) 交流电表V1的量程为500V；(7) V2的量程为1000V；(8) R1选用D44的180Ω阻值加上D42上四只900Ω串联再加两只900Ω并联共4230Ω阻值；(9) R2选用D44上1800Ω阻值；(10) RS选用D41上三组45Ω可调电阻(每组为90Ω与90Ω并联)；(11) S1、S2、、S3选用D51挂箱上的对应开关，并将S1合向左边1端，S2合在左边短接端（即线绕式电机转子短路），S3合在2'位置（空载）。
3、改变电源电压的人为机械特性操作步骤：用万用表测定测功机MG的电枢电阻R a的电阻值为（Ω）(1) 按照图1接线。
确定S1合在左边1端，S2合在左边短接端，S3合在2'位置，M的定子绕组接成星形的情况下。
把R1、R2阻值置最大位置，将控制屏左侧三相调压器旋钮向逆时针方向旋到底，即把输出电压调到零。
(2) 检查控制屏下方“直流电机电源”的“励磁电源”开关及“电枢电源”开关都须在断开位置。
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( 2 ) 最大转矩 Tmax ：
电机带动最大负载的能力。
如果TL Tmax电机将会
因带不动负载而停转。
sm─临界转差率
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
求解 T 0 S
Tm a x
KU12
1 2 X 20
sm
R2 X 20
过载系数： Tm ax
e1
i2
e2
R2
U1 N1Φm1 /
4.44 f1N1Φm
2 N1Φm 2f1 / 2
Φm
U1 4.44 f1N1
E1 U1 4.44 f1N1Φm
R1
E1 U1 4.44 f1N1Φm u1 i1 e1
i2
e2
R2
同理可得：
E2
4.44
f
2
N
Φ
2m
Y
A Z
f 2 ：转子感应电动势的频率
I2
sE20 R22 (sX 20 )2
s n1 n n1
转子功率因数 cos2
R2
R22
X
2 2
R2 R22 (sX 20 )2
转子电流
I2
sE20 R22 (sX 20 )2
从公式和图中看出，当 定子电源电压U不变时， 异步电动机的转差率S 愈大，转子电流I2愈大， cosφ2愈小。
C
B
N2 ：转子线圈匝数
X
f 2 取决于转子和旋转磁场的相对速度 f2 sf1
转子电流
I2
E2
R22
X
2 2
R1
i1
u1
e1
i2
e2
R2
E2 4.44 f2N2Φm 4.44 sf1N2Φm sE20 E20 4.44 f1N2Φm, s 1时的E（2 E2的最大值） X 2 2 f2L2 2 sf1L2 sX 20
第二章 三相异步电动机的机械特性
iA
A
ZX
iC C Y
B
iB
n1 60
A
Y
Z
N
CS
B
X
t 60
iA iB iC
Im
t
n1
A
Y
Z
C
B
X
t 120
n1
A
Y
Z
C
B
X
t 180
旋转磁场的转速大小
一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°
电流频率为 f Hz，则磁场1/f秒旋转1圈，每秒旋 转f圈。每分钟旋转：
§8.2 三相异步电动机的机械特性 一、三相异步电动机的“电－磁”关系
A
Y
Z
C
B
e1 、e2 ：主磁通产生的感应电动势
R1
i2
i1
u1
e1
e2
R2
X
定子电路 转子电路
d
定子边： u1 i1R1 e1 e1 N1 dt
设： Φmsin1t 则：u1 N1Φm1cos1t
R1
i1
u1 N1Φm1cos1t u1
1500r/min. ( )
• 2.转差率s是分析异步电动机的运行性能的 一个重要参数,当电动机转速越快时,则对应 的转差率也就越大. （ ）
• 3、异步电动机转差率s越大，转子电流I2越 大。（ ）
I2
sE20 R22 (sX 20 )2
思考题
• 4、异步电动机起动时，起动电流大 但起动转矩却不大，为什么？
想一想，电机起动时， I2，cosφ2的情况。
对于某一台异步电动 机来说，R2及X20和E20 基本上是不变的，故I2 与cosψ2均随s的变化 而变化，一般可用曲
线表示出它们之间的 变化关系，如图所示。
I2
sE20 R22 (sX 20 )2
cos2
R2 R22 (sX 20 )2
由图看出：当s=1时，则I2很大，即起动时转子中的起动电流很 大，当s=0时，I2很小，即正常运行时转子电流较小。 当s=1时，由于只R2《X20，故cosψ2很小，即电动机起动时转子 功率因数很低。当s=0时，则cosψ2 ≈1，即正常运行时功率因数 较高。
T KTmI2 cos2
T KTmI2 cos2
将其中参数代入： I2
sE20 R22 (sX 20 )2
cos2
R2 R22 (sX 20 )2
E20 4.44 f1N2Φm
Φm
U1 4.44 f1N1
得到转矩公式
T
K
R22
sR2 (sX 20)2
U12
二、 三相电动机的机械特性
s
n1 n1
n
100%
电动机起动瞬间: n 0, s 1（转差率最大）
转子最大转速n n1，s 0(转差率最小）
s范围：0s 1
异步电机运行中: s 1 ~ 9%
n1
60 f1 p
(转/分）
s转子感生电流的频率：
f2
n1 n 60
p
n1 n n1 n1 60
p sf1
例1：三相异步电动机 p=3，电源f1=50Hz，电机额定 转速n=960r/min。
求：转差率s，转子电动势的频率f2
同步转速： n1
60 f1 p
60 50 3
1000 r / min
转差率： s n1 n 1000 960 0.04
n1
1000
f2 sf1 0.04 50 2Hz
电动机转速和旋转磁场同步转速的关系
n 电动机转速（额定转速）:
电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，
但 n n1
异步电动机
提示：如果 n n1
转子与旋转磁场间没有相对运动
无转子电动势（转子导体不切割磁力线）
无转子电流
无转距
转差率 (s) 的概念：
转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：
转矩公式的推导
电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。
T KTΦm I2 cos2（牛顿•米）
常数
转子电流
每极磁通
•由于异步电动机的起动转矩不大，因此用来拖动机 械的异步电动机可先空载起动，待升速后再用机械离 合器加上负载。
转子电路的
cos2
思考题
• 1、根据旋转磁场的转速公式当f1=50HZ时, 则两极异步电动机(p=1)和四极异步电动机 (p=2)的额定转速分别为3000r/min和
根据转矩 公式
T
K
R22
sR2 (sX 20 )2
U12
得特性曲线：
s n1 n n1
三个重要转矩
( 1 ) 额定转矩 TN ：
电机在额定电压下，以额
定转速 nN 运行，输出额 定功率 PN 时，电机转轴
上输出的转矩。
TN
PN
2nN
9550
PN (千瓦) nN (转 / 分)
60
（牛顿•米）
n1 60 f (转/分）
n1称为同步转速
f 50Hz, n1 3000 转 / 分
极对数和转速的关系
Y' C'
A Z
N• B
•
X' S
•
B'
•N
S
X C
30
CS'
X' •
• ZN'
A
n0
NZ •
•X
SC
Z'
A' Y t 0
A' t 60
n1
60 f p
(转/分）
I m iA iB iC t