第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态

对笼型异步电动机，Tst不能用转子电路串联附 加电阻改变，一般在设计手册上会给出起动转 矩倍数
起动转矩倍数
K st Tst / TN
三、实用表达式
由于电机铭牌与产品技术手册中，定子及转子的电气 参数R1、 X1、 R‘2、 X’2都是查不到的，因此参数表达 式不方便使用。为此为了使用方便因推导较为实用的 机械特性表达式--实用表达式
cos 2 m I2
pm1 N1kW 1 CT1 2
cos Te CT 1m I 2 2
R1
X1
R´ 2
X´ 2
I1 U1 E1
Rm
I´ 2
1 s R2 s
Xm
异步电动机的T型等效电路
cos 2
R2
2 2 R2 X2 s
cos 2
R2 s

2 R2 2 ( ) X2 s cos 2
cos 2
功率因数（功率角）折算前后保持不变
= I2
E2 1-s 2 R + R X 2 2 2 s
2

E2 R2 2 X 2 s
2
) n f (I2
第十章 三相异步电动机的机械特性
及各种运转状态
第一节 三相异步电动机机械特性的 三种表达式
物理表达式
来自百度文库
参数表达式
实用表达式
一、物理表达式
cos T CT 1m I 2 2
转子电流有功分量
pm1 N1k w1 式中： CT 1 2
——异步机的转矩系数
m ——异步机每极磁通
R2
2 2 R2 s2 X 2
ke ki R2 (ke ki R2 ) 2 s 2 (ke ki X 2 ) 2 R2 2 s 2 X 2 2 R2 R2 s

2 R2 2 ( ) X2 s R2 2 s 2 X 2 2 R2 ke ki R2 (ke ki R2 ) 2 s 2 (ke ki X 2 ) 2 R2 ( R2 ) 2 ( X 2 s ) 2
2
异步电动机的机械特性参数表达式
R2 U m1 s T 2 s R2 2 R1 X 1 X 2 s
2
R2 T I2 s s m1
2
异步电动机的机械特性
线性工作区
非线性工作区
使
dT / ds 0
，即可求得
sm R2
Pmech P2 pmech p P2 p0 由于空载损耗 p0相对
于输出功率P2很小，
P2 Te
可以忽虑不计，即 P mech P 2
由异步电动机的近似等效电路
I2 U 2 R2 R X X 1 2 1 s
电动机必须具有一定的过载倍数KT，他反映了电动机
短时过载的极限。
过载倍数

Tmax KT TN
一般异步电动机的过载倍数KT≈1.8~3.0 起重冶金机械用电机的过载倍数KT可以达到3.5
起动转矩
R2 U m1 s T 2 s R2 2 R1 X 1 X 2 s
机转矩与转速的方向相反，以实现制动。 机械特性位于第2象限、第4象限

回馈制动
反接制动
能耗制动
（—）回馈制动状态
当异步电动机由于某种原 因（例如位能负载的作用 ）， 使其转速高于同步速度 时， 0 s (ns n) ns 0 E2 s sE2 转子感应电动势反向，转子电
可得
T
s
m1
I2 cos E2 2
则得
R2 T I2 s s m1
2
R2 s cos 2 Z2
I2 Z2 E2
R2 由于异步电动机的电磁功率为 Pe m1I 2 s Pe Te
2
s
分子分母同乘以（1-s） 即得
(1 s) Pe Pmech Te s (1 s) s Pe
使与两者乘积成正比的Te值不 大。这样，在n从零到ns之间，
转矩Te出现一个最大值。
) n f (I2 n f (cos 2)
n f (Te )
二、参数表达式
Pe Te s
P e m 1E2 I 2 cos 2
2πf1N1kw1m E2
2πf1 s p
2 R X 1 X 2 2 1
临界转差率
最大转矩
Tmax
s 2 R R 2 X X 2 1 1 1 2

m1
2 U
由于 R1 X1 X 2
R2 sm X1 X 2
Tmax
2 mU 1
（一）降低 U x
U x 降低后电动机电流将大于额定值，电动机如长时
连续运行，最终温升将超过允许值，导致电动机寿命 缩短，甚至烧坏。
三相异步电动机降低定子 相电压时的人为机械特性
UΦ↓→T↓ →s↑→sE2 →I2↑ →T↑ → T = Tz
（二）转子电路内串联对称电阻
转子电路串联对称电阻适用于绕线转子异步电
2 2 2 2sN KT 4KT sN 4 sN ) sm 2
舍弃
sm s 当电动机在额定负载以下运行时，转差率s很小，s s m
2Tmax 机械特性的实用表达式 T s s m sm s
中的
项可以
进一步被忽虑，于是实用表达式可以简化为
2Tmax T s sm
于是，当s < sN时，电磁转矩Te与转差率s成正比。
2
起动转矩

Tst
2 2 s R1 R2 X1 X 2
m1
2 U R2
起动转矩Tst是异步电动机接通电源开始起动 时的电磁转矩。 当Tst > Tz时，电动机才能起动起来。
对于绕线转子异步电动机，转子电路串联附
加电阻，可以改变Tst，从而改善起动特性。
不外接电阻（电抗或电容）时所获得的
机械特性曲线 。
1）起始点A；
2）额定工作点B； 3）同步转速点H； 4）最大转矩点P和P′。
三相异步电动机 的固有机械特性
工作区
非工作区 （通风机负载除外）
二、人为机械特性
降低 U x
转子电路内串联对称电阻 定子电路串联对称电抗 定子电路串联对称电阻 转子电路接入并联阻抗
电动机转子绕组
电
电抗器 Lst 阻 器
R2 电抗器参数 X st (3 ~ 4) X 2 Rst
式中，R2、X2为电动机转子绕组的电阻与电抗
与电抗器并联的电阻 Rst则可以采用 Rst= 16R2
第三节 三相异步电动机的各种运转状态

电动运转状态 机械特性位于 第1象限、第3象限 异步电动机正向、反向转动
电磁转矩
R2 Pe m1 I 2 s
2
Te
s
Pe
p Pe 1 p 2 R2 I2 cos 2 I2 cos 2 Te m1I 2 m1E2 m1E2 s s s 0 2f1
2f1N1kw1m E2
Te
pm1 N1kw1 2
动机的起动，也可用于调速。
转子电路内串联对称电 阻时的人为机械特性
Rst Rst R R
（三）定子电路串联对称电抗
定子电路串联对称电抗一般用于笼型 异步电动机的降压起动，以限制电动机的起 动电流。
定子电路内串联对称电抗 时的人为机械特性
（四）定子电路串联对称电阻
与串联对称电抗时相同，定子串联对称
转矩与转速同方向
制动运转状态 机械特性位于 第2象限、第4象限 能耗制动、反接制动、回馈制动 转矩与转速反方向
一、电动运转状态
电动运转状态的特点是电动机转矩的方向与旋
转的方向相同。
电动状态下异步电
动机的机械特性
二、制动运转状态
异步电动机可工作于回馈制动，反接制动
及能耗制动三种制动状态。其共同特点是电动
电阻一般也用于笼型异步电动机的减压起动 。
定子电路内串联对称电阻时 的人为机械特性
（五）转子电路接入并联阻抗
由于转子电路参数可变，如果参数配合恰当， 电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，在 右图上绘出了这样的人为机械特性。
转子电路接入并联阻抗 时的电路图和人为机械 特性
转子电路接入并联阻抗时转子等效电路
2
m1
2 U
sm
m1 2 s R2 2 R1 X 1 X 2 Te s 2 U Tmax m1 s 2 R R2 X X 2 1 2 1 1
2 U
R2 s
sm
R2 R X1 X 2
当 n = ns（即s =
R2 X2 当s较小时，s X 2 ，
R2 0）时，s ，I2 0
。随着n从ns减小，
可以被忽略，此时电机呈现较强
最初与s成比例地增 电阻特性，功率因数cosφ较大。I 2
加，当 s 较大时
I2 E2 R2 2 X2 s
实用表达式
2Tmax T s sm sm s
由于机械特性的实用表达式中的临界转差率 Smax在电机铭牌与产品技术手册中是查不到的， 因此实用表达式还存在不方便使用的问题。为 此还应利用已知条件推导临界转差率Smax。
2 sm sN ( KT KT 1) 的推导
2Tmax T s sm sm s
2
R2 s
相对变小，X 2 不能被忽略，且为
分母的主要部分，
此时将随着 n 的继续减小（即 s 继续上升）， I 2 增加缓慢。
n f (cos 2)
对于
cos R2 2 s 2 X 2 2 R2
cos 当 n = ns（即s = 0）时， ， 2 1
) 2s ( X1 X 2
RQ R12 ( X 1 X 2 )2 R2 R12 ( X 1 X 2 ) 2 R2 RQ

最大转矩
最大转矩Tmax是异步电动机可能产生的最大转矩。如 果负载转矩Tz>Tmax，电动机将因承担不了负载而停 转。为此，为了保证电动机不会因短时过载而停转，
2 1 2
忽略 R1 得机械特性的实用表达式
R1 2Tmax 1 sm R2 T R1 s sm 2sm sm s R2
2Tmax T s sm sm s
sm可以通过下式求出
2 sm sN ( KT KT 1)
式中
ns nN sN ns
实用表达式的推导
电机的参数表达式
R2 U m1 s T 2 s R2 2 R1 X 1 X 2 s
2
Tmax
s 2 R R 2 X X 2 1 1 1 2

R2 R12 X 1 X 2
TN 2sm sN 1 2 2 Tmax sN sm KT
2 2 sm sN 2KT sN sm
当s = sN 时，Te = TN
2Tmax TN sN sm sm sN
Kst Tst / TN
2 sm sN ( KT KT 1) 2 sm sN ( KT KT 1) 0
三相异步电动机 的固有机械特性
工作区
T
2Tmax s sm
非工作区 （通风机负载除外）
第二节 三相异步电动机的固有机械特性 与人为机械特性 机械特性

固有机械特性
人为机械特性
一、固有机械特性
固有机械特性是指异步电动机工作
在额定电压及额定频率下，电动机按规 定的接线方法接线，定子及转子电路中
随着n的逐渐下降（即s的逐 渐增大）， cos 2 将逐步下降。
n f (Te )
n f (Te ) 异步电动机的机械特性
增加较 当n由ns逐渐减小时，I 2
cos 快， 2 的数值较大，使Te值
增加较快。当n = 0(s =1)时，虽
较大，但由于 cos 2 较小， 然 I2