第五章 三相异步电动机的电力拖动

' Ｘ1、X 2 、p 及 m1 ）以及转差率 s 之间的关系, 因此称为电
磁转矩的参数表达式。显然当U1、f1及电动机的各参数不变
时, 电磁转矩T仅与转差率 s 有关,根据式（5-2）可绘出异步 电动机的 T-s 曲线, 如图5-1所示。
T
' r 2 m1 pU12 s
n
n1 nN nm
HP 段是稳定运行段。 电动机随着负载的增加 而转速略有下降；
H B
P
0
TN
A Tst Tmax
T
AP 段是不稳定 运行段。
图 5-3 三相异步电动机的固有机械特性曲线
5. 2. 2 人为机械特性
由电磁转矩的参数表达式可知 , 人为地改变异步电动机
的任何一个或多个参数（U1 , f1 , p , 定、转子电路的电阻或 电抗等）, 都可以得到不同的机械特性, 这些机械特性统称为 人为机械特性。下面介绍改变某些参数时的人为机械特性。
程度远远不及转子电流增加的程度大,根据磁动势平衡方程式,
定子电流也将大为增加, 长期超过额定值就会发生“烧机”现 象。
T CT Φ1I 2 ' cos2
(5-1)
5. 1. 2 电磁转矩的参数表达式
根据三相异步电动机的近似等效电路可知
' r '2 2 Pem m1 I 2 s U1 ' I2 2 r2 2 r X X 1 1 2 s

T
' r 2 m1 pU12 s
r2' ' 2f1 r X X 1 2 1 s
2


2

(5-2)
由于式（5-2）反映了三相异步电动机的电磁转矩 T 与 电动机相电压U1、电源频率 f1、电动机的参数（r1、r2' 、
r
对绕线转子异步电动机 , 当转子电路串联电阻时 , 可使 sm增大 , 但Tmax Tmax 则与
r
' 2
无关。由于此特点 ,
Tmax是异步电动机可能产生的最大转矩。如果负载转矩
TL > Tmax , 电动机将因承担不了而停转。为保证电动机不会因 短时过载而停转,要求其额定运行时的电磁转矩 TN < Tmax 。我
1） 启动点 A
特点是 n 0s 1 , T = Tst 启动电流 Ist = (4～7) IN 2） 最大转矩点 P 3） 额定工作点B 特点是 n nm s sm , T = Tmax 特点是 n nN s sN , T = TＮ , I1=IN
n
n1 nN nm
' (2) 当电源频率及电压 U1不变时, Tst 随 X1 X 2 的增大而
减小。 (3) 当电源频率、电压 U1与电动机其他各参数不变时, Tst
的适当增大而增大。利用此特点 , 可在绕线转子异步电 随 r2 动机的转子电路串一适当电阻来增大启动转矩 Tst , 从而改善电
动机的启动性能。
动机的 n =f ( T ) 曲线可由 T - s 曲线变换而来。
T Tmax Tst 0
n /s n1
nm sm
s 1 0
0
sm
1
Tst Tmax
T
n=n1(1-s)
5. 2. 1 固有机械特性
固有机械特性是指三相异步电动机工作在额定电压及额定频率下, 电
动机按规定的接线方式接线, 定子及转子电路中不外串电阻或电抗时所获 得的机械特性 n = f ( T ) , 如图 5-3所示。 1. 几个特殊运行点




(5-4)
r2 sm X1 X 2
(5-3)
m1 pU12 Tmax ' 4πf1 X 1 X 2


(5-4)
由式（5-3）及式（5-4）可知：
(1) 当电动机各参数与电源频率不变时 , Tmax与 U12成
正比 , sm 则保持不变 , 与U1无关。 (2) 当电源频率及电压 U1 不变时 , sm 和 Tmax 近似地 与 X X ' 成反比。 1 2 (3) 当电源频率、电压 U1与电动机其他各参数不变 时, sm与
Tmax
T
r2' ' 2f1 r X X 1 2 1 s
2


2

(5-2)
0 图 5-1
sm
1
s
三相异步电动机的 T-s 曲线
由图5-1 可知 , 在 s 值很小的区间 , T∝s , 该段称为线性区；在 s 值较大
的区间, T∝1/s，该段称为非线性区。因此 T-s 曲线为一条二次曲线 , 在某 一转差率 sm 时 , 转矩有一最大值 Tmax , 称为异步电动机的最大转矩。
5.1 三相异步电动机的电磁转矩表达式
三相异步电动机电磁转矩的基本公式为：T=Pem /Ω1
下面根据此公式进一步分析电磁转矩的三种表达式。 5. 1. 1 电磁转矩的物理表达式
' ' 若把 P m E em 1 2 I 2 cos2,
' E2 4.44 f1 N1kw1Φ1
和Ω1 2π n1 60 2 f1 p 代入异步电动机电磁转矩
对笼型异步电动机, 其启动转矩不能用转子电路串联电阻
的方法来改变, 我们把它的启动转矩与额定转矩的比值称为启
动转矩倍数 , 用 Kst 表示, 即
Tst K st TN
Kst 是笼型异步电动机的另一个重要性能指标, 它反映了电 动机的启动能力, 一般 Y 系列三相异步电动机的 Kst 为1.8~2.0 。 显然, 当 Tst > TL时, 电动机才能启动。在额定负载下, 只有 Kst >1
(1) 因为 n1=60 f1 / p , 所以转子串电阻后, 同步转
速n1不变 。 (2) 转子串电阻后的最大转矩 Tmax 不变, 但临界 转差率 sm 随 Rp 的增大而增大（或临界转速 nm 随 Rp
的基本公式 T Pem Ω1 中，可得
' Pem m1 4.44 f1 N1k w1Φ1 I 2 cos 2 T Ω1 2 f1 p
转矩常数
m1 pN1k w1 Φ1I 2' cos 2 CT Φ1I 2' cos 2 2
T CT Φ1I 2 ' cos2
上式表明异步电动机的电磁转矩与主磁通Φ1成正
r2' m1 pU s
2 1 ' 2 r2 ' 2f1 r X X 1 1 2 s
T


2

1. 降低定子端电压时的人为机械特性
如图5-5所示。其特点如下：
(1) 因为 n1 = 60 f1 / p , 所以降压后,同 步转速 n1不变, 即不同 U1的人为机械特性 都通过固有机械特性的同步点。 (2) 降压后的最大转矩 Tmax 随 U12 成比 例下降, 但临界转差率 sm 或临界转速 nm 不变。 (3) 降压后的启动转矩 Tst 也随 U 成 比例下降。
们把最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数或过载能力,
用 λ m 表示, 即
Tmax λm TN
λ m是异步电动机的一个重要性能指标, 它反映了电动机短 时过载的极限。一般异步电动机的过载倍数 λ m=1.8～3.0, 对
于起重冶金用的异步电动机 , 其 λ m可达3.5。
除了 Tmax 外 , 异步电动机还有另一个重要参数,即启动转
H B
P
0
TN
A Tst Tmax
T
4） 同步点 H（理想空载点）
' 特点是 n = n1 , T = 0 , I 2 0 , I1= I0
图 5-3 三相异步电动机的固有机械特性曲线
2. 稳定运行区域
从同步点到最大转矩点是“稳定”运行区域 , 从最大转矩
点到启动点是 “不稳定”运行区域 , 如下图所示。
矩 Tst , 它是异步电动机接至电源开始启动时的电磁转矩 , 此 时 s 1n 0 , 因此将 s =1 代入式（5-2）, 可得
m1 pU12 r2 Tst 2 2 2f1 r1 r2 X 1 X 2


由上式可知： (1) 当电动机各参数与电源频率不变时, Tst与U12 成正比。
' 同。一般物理表达式适用于定性分析 T 与Φ1 及 I 2 cos2之间
的关系； 参数表达式适用于定性分析电动机参数变化对其运
行性能的影响； 实用表达式适用于工程计算。
5.2 三相异步电动机的机械特性
上一节我们分析了 T - s 曲线, 但在电力拖动系统中常用机 械特性, 即 n = f ( T )关系曲线来分析电力拖动问题, 三相异步电
2 1
图5-5 降低定子端电压的人为机械特性 的变化规律
r2 sm X1 X 2
m1 pU12 Tmax ' 4πf1 X 1 X 2


m1 pU12 r2 Tst 2 2 2f1 r1 r2 X 1 X 2


(5-3)
(5-4)
(5-5)
" 小于负载转矩 TL , T max
图5-5 降低定子端电压的人为机械 特性的变化规律
太多（电压为U″）, 使
电动机将停转, 在实际应用中必须注意。
Tst K st TN
Tmax λm TN
2. 转子电路串三相对称电阻时的人为机械特性
绕线转子三相异步电动机 , 转子电路串三相对 称电阻时的人为机械特性如图5-6所示, 其特点如下：