交流电机特性

第八章 交流电机电力拖动的运行状态电力拖动是指以电能为能源，以各种电机为驱动装置的运动系统。

而以交流电动机为原动机的电力拖动系统称为交流电力拖动系统。

交流电动机有异步电动机和同步电动机，由于异步电动机结构简单、价格便宜，而且其性能良好、运行可靠，因此交流电力拖动系统中的电动机主要是三相异步电动机。

所以本书的交流电力拖动以三相异步电动机电力拖动的内容为主。

三相异步电动机电力拖动主要内容是电动机的各种运行状态、起动及调速。

本章讨论三相异步电动机起动的各种运行状态。

在三相异步电动机电力拖动系统中，电动机的转速、电磁转矩、负载转矩等物理量的正方向，都按电动机惯例规定，这与直流电机电力拖动系统是一致的。

电力拖动系统种类很多，大到各种大型船舶、机车车辆的拖动，小到各种微小型伺服系统，都是以电机为驱动装置的。

本章主要介绍三相异步电动机的机械特性和运行状态，为三相异步电动机的电力拖动系统的起动及调速打基础。

8.1 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定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩emT 与转速n (或转差率s )之间的函数关系()em T f n =或()em T f s =。

通常把()em T f s =称为T s -曲线。

8.1.1 机械特性的表达式及运行三相异步电动机的T s -曲线不是线性的，因此比直流电机复杂。

根据对分析问题的不同要求，三相异步电动机的机械特性有三种形式。

一、机械特性物理表达式在第七章已导出了机械特性物理表达式为'22cos em T m T C I ϕ=Φ虽然电磁转矩的物理表达式概念清晰，但式中的''2I =和'2cos ϕ=随电机转差率s 变化。

这样em T 式中的三个量em T 、'2I 、2cos ϕ均随s 变化，使em T 值不易确定。

因此，机械特性的物理表达式在电机拖动系统中应用较少。

二、机械特性的参数表达式从式（7—48）可知，电磁转矩可用下式计算'''2'222'22'22211133132260em R R I I R s s T I n f s pππ===Ω （8—1） 根据异步机的简化等效电路，可得'2I =（8—2）将式（8—2）代入（8—1）得()'2212'2'2111232em R pUs T R f R X X s σσπ=⎡⎤⎛⎫+++⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（8—3） 式（8—3）是用电机参数表示的()em T f s =关系式。

等式右边包含了定子电阻1R 、定子漏抗1X σ、转子归算电阻'2R 、转子归算漏抗'2X σ，这些参数当电机制造成以后就有确定值，供电频率1f 不变时这些参数不变，电机极对数p 为常值。

这就是三相异步电机的机械特性参数表达式。

固定1U 、1f 时，可以将()em T f s =之间的关系画成曲线，称为T s -曲线，如图8—1所示。

图8—1 三相异步电动机的T s -曲线1．T s -曲线分析从图8—1中可见，异步电动机的机械特性是一条曲线，并且跨Ⅰ、Ⅱ及Ⅳ三个象限。

下面就异步电动机的T s -曲线进行分析。

（1）额定工作点B异步电动机工作在额定点B 时，电动机的各项参数均为额定值。

其特点是，N n n =，N s s = ，em N T T = ，11N I I = 。

（2） 起动点A起动点A 的转速0n =，转差率1s =，启动电流为st I ，1(5~7)st N I I =，对应的电磁转矩为st em T T =，st T 称为起动转矩。

将1s =代入式(8—3)，可得到异步电动机的起动转矩公式为2'12'2'21121232()()st U R pT f R R X X σσπ=+++ （8—4） 由式(8—4)可知：当电源频率1f 和电动机的参数为常数时，起动转矩st T 与定子相电压的平方成正比。

所以电源电压较低时，起动转矩明显降低。

增加转子回路的电阻'2R ，可以增加起动转矩st T 。

起动转矩st T 的大小常用起动转矩倍数st K 表示，即stst NT K T =（8—5） st K 反映了电动机的起动能力，是笼型异步电动机的一个重要技术参数，可在产品目录中查得。

起动时，只有当起动转矩st T 大于负载转矩L T 时，拖动系统才能起动。

（3） 同步转速点HH 点所对应的转速是理想空载转速，即同步转速1n 。

从T s -曲线中可见，H 点的特点是1n n =(0)s =，电磁转矩0em T =，转子电流20I =，定子电流110I I =。

在实际运行中，没有外转矩拖动电机，电机转速是不能达到1n 点的。

所以电机的实际空载转速是小于1n 的。

（4） 最大转矩点P最大转矩点P 对应的电磁转矩为异步电机电磁转矩的最大值m T ，称为最大转矩。

最大转矩m T 对应的转差率m s 称为临界转差率。

最大转矩m T 可以通过对式（8—3）中的s 求导，并令0em dT ds =求出em m T T =时的转差率m s ，即'm s = （8—6）从式（8—6）可见，m s 仅与电动机的参数有关，与电机电压和转速无关，与转子回路的电阻'2R 成正比，因此改变转子回路电阻，可以改变产生最大转矩时的转差率m s 。

当绕线式异步电动机转子回路串入电阻时，m s 将变大，当1m s =时，起动转矩st m T T =，达到最大。

将m s 代入式(8—3)，即可求得最大电磁转矩m T 为2m T = （8—7）式(8—7)取正号时，对应于T s -中的P 点，是异步电机电动机运行状态时可产生的最大电磁转矩m T ；取负号时，则对应图中的'P 点是发电运行状态时的最大转矩m T -。

由于式(8—7)中的1R 前有正负号，所以m T 和m T -的绝对值并不相等，即m m T T <-。

当忽略1R 时，m m T T =-。

从式（8—7）可见，异步电动机的最大转矩m T 与电源电压1U 的平方成正比，与电源频率1f 成反比，但与转子电阻'2R 无关。

当转子回略串电阻时，虽然m s 变大，但m T 保持不变。

在实际使用中，不允许负载转矩L T 大于m T 。

如果电动机所带负载转矩L m T T >，拖动系统就会减速而停转。

为保证不会因短期过载而停转，异步电动机应有一定的过载能力。

过载能力可以用转矩过载系数T K 表示，即mT NT K T =（8—8） （5）稳定运行区域异步电动机的机械特性分为以下两个区域。

(a) 转差率0~m s 区域。

在此区域内转差率s 比较小，转矩公式（8—3）可以近似为()()2'1222''112122'2121'121323322em pU sR T f sR R s X X pU sR pU s s f R f σσπππ=⎡⎤⎡⎤+++⎣⎦⎢⎥⎣⎦≈=∝ （8—9） 从式（8—7）可见，em T 与s ()n 近似成直线关系，该区域是异步电动机的稳定区域，一般情况下异步电机要求运行在这一区域。

只要负载转矩小于电动机的最大转矩，电动机就可以在该区域内稳定运行。

(b) 转差率~1m s 区域。

在此区域内转差率1m s ≈，转矩公式（8—3）可以近似为()()()'2212'2'21112'22122'111232312em R pUs T R f R X X s R pU s s f R X X σσσσππ=⎡⎤⎛⎫+++⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦≈∝⎡⎤++⎢⎥⎣⎦（8—10）从式（8—10）可见，em T 与s ()n 近似成反比关系。

即s 增大时，在该区域为异步电动机的不稳定区域。

但水泵、风机类负载可以在此区域稳定运行。

2. 异步电动机在三个不同象限的运行(1) І象限，电机转速在10n n << 、转差率在01s << 的范围内，电磁转矩em T 为正值，转子旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，电动机处于电动运行状态。

(2) Ⅱ象限，电机转速1n n >、转差率0s <，电磁转矩em T 为负值，转速为正，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，此时，电动机处于发电运行状态，也是一种制动状态。

(3) 在Ⅳ象限，电机转速0n <、转差率1s >，电磁转矩em T 为正，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反，电动机运行于制动状态。

8.1.2 机械特性的实用表达式上述两种表达式，对于分析电磁转矩em T 与电机参数间的关系时非常有用的。

但是异步电机的定子和转子参数1R 、1X σ、'2R 、'2X σ不能在产品目录中查到。

因此，参数表达式不利于绘制电机的机械特性曲线，不利于分析计算。

而异步电机机械特性的实用公式可以克服上述不足，下面推导实用公式并介绍使用中的一些问题。

一、实用公式用式(8—3)去除式(8—7)得()'212'2'21122em m R R T T R s R X X s σσ⎡+⎣⎦=⎡⎤⎛⎫+++⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（8—11） 从式(8—6)可得'2m s R =，并代入式（8—11）的分子有()()''2212'2'2112''2212''22'221112222m emm m R R R s T T R s R X X s R R R s R R s R R X X s s σσσσ⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⎡⎤⎛⎫+++⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎡⎤+⎢⎥⎣⎦=⎡⎤⎛⎫++++⎢⎥⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦（8—12）再将'2m s R =代入（8—12）分母并化简得 1'21'2222m em mm m ms R T R R s s s T R s s +=++ （8—13） 式中，1'222m m s R s R ≈，其中m s 大约在0.1~0.2的范围内，因此有2m ms s s s +≥，而 1'222m s R R <，对于式（8—13），可忽略1'22m s R R 。

这样（8—13）可简化为2em mm mT s s T s s =+ （8—14） 式（8—14）就是三相异步电动机的机械特性实用公式。

可见，机械特性实用公式虽然粗糙，但是较为实用。

二、实用公式的应用1. m T 和m s 的计算从实用公式看出，必须先知道最大转矩m T 及临界转差率m s 才能得到T s -曲线，它们可以由电动机的产品目录中查得的数据求得。