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。

（2）转子回路串联对称电阻

图15-2 三相异步电动机降低电压时的人为机械特性图

15-3 三相异步电动机转子回路串联对称电阻时的人为机械特性适用绕线式电机，不变，当增大，即串入，增大，增大，不变，其人为机械特性见图15-3。

（3）定子回路串联对称电抗

一般用于鼠笼式异步电动机降压起动，不变，、、随所串电抗值的增大而减小，其人为机械特性见图15-4。

（4）定子回路串联对称电阻

同定子回路串联对称电抗，不变，、、随所串电阻值的增大而减小，其人为机械特性见图15-5。

图15-4 三相异步电动机定子回路串联对称电抗时的人为机械特性

图15-5 三相异步电动机定子回路串联对称电阻时的人为机械特性（5）转子回路接入并联电阻和电抗

图15-6 三相异步电动机转子回路接入并联电阻和电抗时的人为机

械特性

适用于绕线式电机。转子回路接入并联电阻和电抗如图15-6a 所示，起动过程中，电抗值随转子回路的频率变化，转速较低即频率较高时电抗值较大，转子电流大部分流过电阻，随着转速升高，电抗逐步减小，流过电阻的电流逐步减小，流过电抗的电流逐步增大，起动结束后，几乎全部转子电流都流过电抗，近乎将并联的电阻开路。如果参数配合适当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，绕线式异步电动机转子串联频敏变阻器起动即应用了上述原理。其人为机械特性不变，低速时由于电阻流过的电流大，转矩比固有特性大，由于电抗的串入略有减小，曲线见图15-6b。

对于改变电源频率和电动机极对数的人为机械特性，在《电机学》有关章节中专门讨论，因本次实验不包括这些内容，此处就不再介绍。

三、三相异步电动机的各种运行状态

与直流电动机相同，三相异步电动机也可工作于两大运行状态，即电动运行状态和制动运行状态。在交流电力拖动系统运行时，拖动不同负载的条件下，改变异步电动机电源电压的大小、相序及频率，或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异步电动

机可以运行在四个象限的各种不同状态。

1．电动运行状态

图15-7 电动运行状态下异步电动机的机械特性

电动运行状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同，在图15-7的第I及第III象限绘出了电动状态下电动机的机械特性。第I象限电动机工作在正向电动状态，第III象限相当于电动机改变相序后，工作在反向电动状态。在电动状态下运行，电动机由电网吸取电能，变换为机械能带动负载。

2．制动运行状态

与直流电动机相同，异步电动机也可工作于回馈制动、反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同的特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能，或消耗在电阻中，或反馈回电网。

（1）回馈制动

当异步电动机由于某种原因，例如位能性负载的作用，使其转速高于同步速，转差率，转子感应电势反向，转子电流的有功分量

也反向，而转子电流的无功分量方向则不变，由相量图可以看出，定子电流也相应改变，和间的相位差角，此时定子功率为负，即定子绕组将电能回馈电网。同时转差率，电磁转矩，电磁转矩的方向和转向相反，在转子轴上产生制动转矩。

综上所述，当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。

(a) (b)

图15-8 异步电动机回馈制动的机械特性

(a) 正向回馈制动(b) 反向回馈制动

当电动机处于正向电动运行时，转速高于同步速为正向回馈制动，如图15-8a所示；当电动机处于反向电动运行时，转速高于同步速为反向回馈制动，如图15-8b所示。本次实验做的是正向回馈制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其转速高于同步速。

（2）反接制动状态

实现反接制动可有转速反向和定子两相反接两种方法，分别讨论