三相异步电动机在各种运行特性下的机械特性
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性
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。
三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性word版本
精品文档三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性一、实验目的了解三相线绕式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。
二、预习要点1、如何利用现有设备测定三相线绕式异步电动机的机械特性。
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R=0时，电动运行状态和再生发电制动状态下的机械特性。
S2、测定三相线绕转子异步电动机在R=36Ω时，测定电动状态与反接制动状态下的机械特性。
S3、R=36Ω，定子绕组加直流励磁电流I=0.36A及I=0.6A时，分别测定能耗制动状态下的机械特21S性。
四、实验方法2、屏上挂件排列顺序D51 D34-2 、精品文档．精品文档1S2I1A4R3*U*SW21RV s1V R s I1WAWR12s**A2R12'1'I a I f＋源＋R V2电UGMV组机0a源2枢2V绕电电20电－磁流磁2 2励直励－图6-2 三相线绕转子异步电动机机械特性的接线图3、R=0时的反转性状态下机械特性、电动状态机械特性及再生发电制动状态下机械特性。
S用编号接线，图中M用编号为DJ17的三相线绕式异步电动机，U=220V,Y接法。
MG(1)按图6-2N 合在左S合向左边1端，、S选用D51挂箱上的对应开关，并将S为DJ23的校正直流测功机。
S、S21213、串上四只900Ω180Ω阻值加上R3、R5R边短接端（即线绕式电机转子短路），S合在2'位置。
选用R2的13上R7选用1800Ω阻值，RMET01电源控制屏上两只联再加R1300Ω并联共4430Ω阻值，R选用R1上S2，交流电500V200mA，V的量程为的量程为36Ω的电阻，R暂不接。
直流电表A、A5A，A量程为23243 A量程为3A。
的量程为表V500V，11的定子绕组接成星形的情况下。
M2'位置，端，(2)确定S合在左边1S合在左边短接端，S合在312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。
第九章 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
U
2 X
(10 17)
R12
(X1
X
' 2
)
2
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：
Sm
R2'
X1
X
' 2
(10 18)
Tm
m1U
2 X
20 ( X1
X
' 2
)
(10 19)
可以看出：
4.几点规律
1)当电动机各参数及电源频率不变时， Tm 与 UX2 成正比，sm 因与 UX 无关而保持不变
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
E
' 2
2f1W1kW1 m (10 5)
0
2f
p
(10 6)
T
m1 0
E
' 2
I
' 2
c
os
' 2
(10 7)
E
' 2
I
' 2
Z
' 2
(10 8)
R2'
c
os
' 2
PT
3I
2 2
R2 R f s
(10 44)
转子轴上机械功率为
P2 PT (1 s) (10 45)
s > 1，P2 为负值，即电动机由轴上输入机械功率 转子电路的损耗为
DP2 PT (1 s) (10 45)
DP2 数值上等于 PT 与 P2 之和，所以反接制动时能量损耗极大 3)用途 可以用于稳定下放位能性负载
实验4：三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性
实验4：三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性实验目的：1、了解三相异步电动机的基本结构和工作原理；2、学习三相异步电动机的电气参数计算方法；4、掌握测量三相异步电动机的机械特性的方法。
实验原理：三相异步电动机是一种广泛应用的电动机，其基本结构和工作原理如下图所示：三相异步电动机的主要部件包括：旋转部分和定子部分。
旋转部分包括转子和轴承等部分，定子部分包括绕组、铁心、端盖等部分。
在三相交流电压的作用下，定子上的三组绕组会产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子上的导体产生感应电动势，从而在转子中产生转动力矩。
由于转子中感应电动势的存在，转子的转速与旋转磁场的同步速度是有一定差距的，因此称之为异步电动机。
三相异步电动机的主要电气参数有定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感、互感系数和空载电流等，这些参数与三相异步电动机的机械特性密切相关。
三相异步电动机的机械特性包括：空载特性、转矩特性和效率特性。
其中空载特性是指在无负载情况下，机械输出功率与输入电功率之比；转矩特性是指在有负载的情况下，三相异步电动机的旋转磁场力矩和负载之间的关系；效率特性是指在不同运行状态下，三相异步电动机的效率和输入电功率之间的关系。
实验内容：1、接线及仪器调整：根据图1所示连接电路，仪表的电压选择250V档，电流选择10A 档。
2、实验步骤：(1)打开柜门，启动三相异步电动机，使其无负载运行。
(2)调整滑动变阻器，依次改变定子电压，记录定子电流、转速、输入电功率和输出电功率。
(3)理论计算机械输出功率和机械效率，并与实验测量结果进行比较。
3、实验结果与分析：（1）绘制三相异步电动机空载特性曲线。
（2）比较理论计算结果与实验测量结果，分析其差异的原因。
(3)计算旋转磁场力矩和负载间的关系，并绘制转矩特性曲线。
实验注意事项：1、实验过程中，电动机的运行状态要保持稳定，否则会影响测量结果。
2、实验时需要注意安全，避免触电等意外情况的发生。
三相异步电动机运行特性
第13章 三相异步电动机运行特性
图13-1 异步电动机工作特性曲线
第13章 三相异步电动机运行特性
13.2 转矩特性
三相异步电动机的转矩特性是指在电源电压和频率为额定值，
并且电动机固有参数不变的情况下，电磁转矩与输出功率的关系
特性，即T=f(P2)的关系曲线。 电动机稳定运行时，电磁转矩应与负载制动转矩相平衡，即
即启动电流也将达到最大值，三相异步电动机的启动电流一般可
达额定电流的4～7倍。启动电流的大小是
Ist I2
U1 (r1 r2 )2 (x1 x2 )2
(14-1)
第13章 三相异步电动机运行特性
较大的启动电流是十分有害的，对频繁启动的电动机来说， 会引起电动机过热而温升较高，使电动机绝缘材料老化，使用寿 命减少。对供电变压器来说，当变压器容量有限，输电距离较长 时，大的启动电流将造成变压器输出电压下降，并且会影响到同 一供电线路上的其他设备的正常工作。例如，在电动机启动瞬间， 照明灯会变暗，数控机床会失控等。
(14-2)
第13章 三相异步电动机运行特性
异步电动机启动时，在满足启动转矩的条件下，应尽量减小 启动电流。由式(14-1)和式(14-2)看出，降低启动电流的方法有三 种: 一是降低电源电压；二是增加定子回路电阻或电抗值；三是 增加转子回路电阻或电抗值。加大启动转矩的方法是适当增加转 子电阻。
第13章 三相异步电动机运行特性
空载时，输出功率P2=0，转子电流I2接近于零，转子转速n接 近于同步转速。由负载转矩公式T2=P2/Ω可知，随着负载的增大， 即输出功率的增大，输出转矩也将增大，以达到电磁转矩与负载 转矩平衡。而转子电流增大才能保证电磁转矩增大，也就是说转 子电动势E2s必须增大，因此，转子转速随着负载的增大而下降。 为了保证电动机负载时有较高的效率，转子铜耗不能太大， 因此 负载时转差率限制在比较小的范围内。所以，随着负载的增大， 转速降并不大。三相异步电动机的转速特性是一条稍向下倾斜的 曲线，特性曲线较硬，如图13-1所示。
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。
三相异步电动机械特性及各种运行状态
n
n0
a1
O
T
－n0
机械功率Pm
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(2) 转子反向的反接制动 ——下放重物
① 制动原理
n
定子相序不变，转子 电路串联对称电阻 Rb。 低速提 a 点 惯性 b 点(Tb＜TL)，升重物
n↓ c 点 ( n = 0，Tc＜TL )
n0
a
b
e TL
Oc
1 T
在TL 作用下 M 反向起动
由参数表达式可知，改变定子电压U1、 定子频率f1、极对数p、定子回路电阻 r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗 x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。
（1）降低定子电压的人为机械特性
在参数表达式中，保持其它参数不变， 只改变定子电压U1的大小，可得改变 定子电压的人为机械特性。
讨论电压在额定值以下范围调节的人 为特性（为什么？）
Pe = m1—I2'—2 R定2'子＋s 发Rb出'＜电0功率，向电源回馈电能。
Pm=
(1－s ) ——
轴Pe上＜输0入机械功率(位能负载的位能)。
PCu2 = Pe－Pm
|Pe | = |Pm|－PCu2
—— 机械能转换成电能(减去转子铜损耗等)。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
制动效果 Rb →下放速度 。
第 十 章 异步电动机的电力拖动
(3) 能耗制动过程 —— 迅速停车 2
① 制动原理
b
n
a1
制动前：特性 1。
制动时：特性 2。
a 点 惯性 b 点 (T＜0，制动开始)
O TL
T
n↓ 原点 O (n = 0，T = 0)，制动过程结束。
三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性
6-2 三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性一、实验目的了解三相线绕式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。
二、预习要点1、如何利用现有设备测定三相线绕式异步电动机的机械特性。
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R S=0时，电动运行状态和再生发电制动状态下的机械特性。
2、测定三相线绕转子异步电动机在R S=36Ω时，测定电动状态与反接制动状态下的机械特性。
3、R S=36Ω，定子绕组加直流励磁电流I1=0.6I N及I2=I N时，分别测定能耗制动状态下的机械特性。
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、D31 3、R S =0时的电动及再生发电制动状态下的机械特性。
图6-2 三相线绕转子异步电动机机械特性的接线图（1）按图6-2接线，图中M 用编号为DJ17的三相线绕式异步电动机，额定电压：220V,Y 接法。
MG 用编号为DJ23的校正直流测功机。
S 1、S 2、、S 3选用D51挂箱上的对应开关，并将S 1合向左边1端，S 2合在左边短接端（即线绕式电机转子短路），S 3合在2'位置。
R 1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，R 2选用D44上1800Ω阻值，R S 选用D41上三组45Ω可调电阻(每组为90Ω与90Ω并联)，并用万用表调定在36Ω阻值，R 3暂不接。
直流电表A 2、A 4的量程为5A ，A 3量程为200mA ，V 2的量程为1000V ，交流电压表V 1的量程为150V ，交流电流表A 1量程为2.5A 。
(2) 确定S 1合在左边1端，S 2合在左边短接端，S 3合在2'位置，M 的定子绕组接成星形。
把R 1、R 2阻值置最大，将控制屏左侧三相调压器旋钮向逆时针方电枢电源向旋到底，即把输出电压调到零。
三相异步电动机在各种运行特性下的机械特性
三相异步电动机在容性种运行特下的机械特性实验五 三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性【思考要点】如何利用现有设备测定三相绕线式异步电 动机的机械。
测定各种运行状态下的机械特性应注意哪 些问题。
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。
电磁转矩由异步电动机的近似等效电路，得1. 2. 3.—Ux+ 号］+（尤+*；）2代入T的公式，即得参数表达式° （久+住）2+（尤+兀）考虑到// = （l-.v）n09即可由此式绘岀异步电动机的机械特性曲线“=/（/）,如图6・24所示。
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Lo将表达式对s求导，并令 j 可求出产生as最大转矩7；时的转差率X^+(x, + x 2)2Sm 称为临界转差率。
代入T 的公式则可得几的公 式昭 2 ±/?,+^+(X 1+X 2)2式中正号对应于电动机状态，负号适用于发电机 状态。
一般d®,故可得近似公式一乙+疋T “ 〃武 ” 一2昭(若+Xj可见：(1)当电动机参数和电源频率不变时，几而S 与弘无关；(2)当电源电压和频率不变时，£和T a近似与(X. + XJ 成反比；(3)增大转子回路电阻心只能使£相应增大，而畫保持不变。
最大转矩監与额定转矩Z 之比称为过载倍数，也称过载能力，用心表示:般异步电动机K T =l. 8〜3. Oo 对于起重冶金机异步电动机起动时，力=0, s=l,代入参数 表达式，可得起动转矩的公式4 （尺 +/?2）+（X]由此式可知，对绕线式异步电动机，转子回lil 械用的电动机，可达3. 5。
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。
三相异步电动机的机械特性及各种运转状态要点
1、异步电动机机械特性的三种表达式
1)当电动机各参数及电源频率不变时，Tm与U x成正比，sm保持不变。
成正比 2）当电源频率及电压不变时，sm与Tm近似地与X 1 X 2
之值无关，sm与R2 成正比。 3）Tm与R2
若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机停机或无法起动， 为保证电机不会因短暂过载而停机，电动机必须具有一定的过载能 力，用过载倍数KT表示：
定义: 将最大电磁转矩 Te max 与额定转矩 （或过载能力），用 K T 表示，即：
KT Tm TN
的比值定义为最大转矩倍数
KT: 一般电动机为1.8~3.0,冶金起重等电动机可达3.5
1、异步电动机机械特性的三种表达式
此外，由图6.50还可以看出：三相异步电动机的机械特性曲线 可分为两个区域：（1）稳定运行区域；（2）不稳定运行区域。 稳定运行区域： 在此区域内， 0 s sm ， n1 (1 sm ) n n 。此时，机械特性向下 1 倾斜，无论是对于恒转矩负载还是对于风机、泵类负载，电力拖动 系统可以稳定运行； 不稳定运行区域： 0 n n1 (1 sm ) 。此时，对于恒转矩负载， 在此区域内，sm s 1 ， 系统将无法稳定运行；而对于风机、泵类负载，尽管系统可以稳定 运行，但由于转速太低，转差率较大，转子铜耗较大，三相异步电 动机将无法长期运行。
1、异步电动机机械特性的三种表达式
• （1）物理表达式 • 电磁转矩为：
cos 2 I2 cos 2 m1 (4.44f1 N1k w1 m ) I 2 Pem m1 E2 T 2n1 2f1 1 60 p pm1 N1k w1 cos 2 CT mI2 cos 2 mI2 2
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
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。
三相异步电动机的转矩特性和机械特性
eL2
LL2
di2 dt
因此，对于转子每相电路，有
e2
i2 R2
(eL2 )
i2 R2
LL2
di2 dt
如用复数表示，则为 E2 I2R2 (EL2 ) I2R2 jI2 X2
式中，R2和X2——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗
X2 2f2LL2 2Sf1LL2
Sm R2 / X20
U2 Tmax K
2 X 20
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
m 1.8 ~ 2.2 m 2.5 ~ 2.8
（1）降低电动机电源电压时的人为特性
n0
60 f p
Sm
R2 X 20
n0 nm n0
Tmax
K
U2 2 X 20
Tst
K
R2U 2
R22
X
2 20
Tmax
TN
n0 不变 Sm 不变 Tmax 随着电压的减小而大大地减小 Tst 随着电压的减小而大大地减小
提高，于是E2增加，I2也增加。
三、转矩特性
电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量 之一。机械特性是它的主要特性。
T KmI2 cos2
因为
I2
S4.44 f1N2
R22 ( SX 20 )2
所以 T
第15讲 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
动 基
sm
R2 R12 ( X1 X 2 )2
础
同步转速ns不变 Tmax、Tst、Sm将随Rf增大而减小 也用于笼型异步电动机的减压起动 。
22
（五）转子电路接入并联阻抗
起动初期，转子频率sf1较大，
Xst=2πsf1Lst较大，转子电流的大部分
电 机
将流过电阻Rst； Rst决定了起动电流 和起动转矩；
础 机械特性
物理表达式
参数表达式
实用表达式
3
一、物理表达式
机械特性的物理表达式：
电
T CT1mI2 cos 2
机 CT1 ——异步电动机的转矩系数 及 拖 Φm ——异步电动机每极磁通
CT 1
pm1N1kw1 2
动 基 I 2 ——转子电流的折算值
础 cos2——转子电路的功率因数
2
R12
(
X1
X 2
)2
2s ( X1 X 2 )
拖
动 基 结论： 础 1）当电动机各参数及电源频率不变时，Tmax与Uφ2成正比，
sm则保持不变，与Uφ无关；
2）当电源频率及电压不变时，sm与Tmax近似地与X1+X2′成 反比；
3）Tmax与R2′之值无关，sm则与R2′成正比。
因此
I 22
1 sN
I22z
1 sz
T
Pe
s
1
s
m1 I 22
R2 s
由于n下降→ sz＞sN，故I2z′＞ I2N′，即U φ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
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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'2I =代入T 的公式，即得参数表达式)()('212'21'221X X s R R sR U m T X+++Ω=考虑到0(1)n s n =-，0260n 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 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()2122'011122XT 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。
一般'112()R X X +，故可得近似公式'2'12m R S X X =±+ ()21'0122Xm mU T X X =±Ω+可见：（1）当电动机参数和电源频率不变时，2m X T U ∝，而S m 与U X 无关；（2）当电源电压和频率不变时，S m 和T m 近似与'12()X X +成反比； （3）增大转子回路电阻'2R ，只能使S m 相应增大，而T m 保持不变。
最大转矩T m 与额定转矩T N 之比称为过载倍数，也称过载能力，用K T 表示：m T NT K T =一般异步电动机K T ＝1.8～3.0。
对于起重冶金机械用的电动机，可达3.5。
异步电动机起动时，n ＝0，s ＝1，代入参数表达式，可得起动转矩的公式()()2'1222''01212X st m U R T R R X X =Ω+++由此式可知，对绕线式异步电动机，转子回路串接适当大小的附加电阻，能加大起动转矩T st ，从而改善起动性能。
起动转矩T st与额定转矩T N之比，称为起动转矩倍数K st：ststNTKT=ststNTKT=一般电动机K st＝1.0～2.0，对于起重冶金机械用的电动机为2.8～4.0。
2.三相异步电动机的制动异步电动机的制动亦分三类四种。
（1）能耗制动能耗制动的实现如图6.25（a）所示。
3M1J2J（a）（b）图6.25 三相异步电动机能耗制动（a）电路图（b）机械特性将1J断开，2J接通，亦即让电动机从三相电源断开，定子绕组通入一定大小的励磁电流。
转子由于惯性，继续旋转时，转子绕组切割定子绕组产生的恒定磁场，感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用。
产生与转向相反的转矩，电动机进入制动状态。
随着转速的降低，制动转矩亦随之减少，到n＝0时，T＝0，故可用于准确停车。
能耗制动的机械特性如图6.25（b）所示。
能耗制动的机械特性曲线过0点，如图中曲线所示，如果励磁电流不变，加大转矩电路所串电阻，特性斜率增大，T m不变，如曲线3所示。
如果电阻不变，减小励磁电流，则曲线如图中曲线2所示，T m减小。
由机械特性曲线可以看出能耗制动用于快速停车的过程，这时一般取励磁电流：()23I I-=，()0.20.5NI I=转子回路串接的电阻：()2220.20.43NNER RIΩ=，2223N NNRI=可保证快速停车时最大制动转矩为（1.25~2.2）T N。
异步电动机带位能性负载时，可用于低速下放重物，此时的机械特性在第Ⅳ象限。
转子电路串接的电阻越大，下放速度越高；定子电流I－越大，下放速度越慢。
（2）反接制动实现反接制动的方法有两种：转速反向的反接制动和定子两相反接的反接制动。
a．转速方向的反接制动3M nTGn（a ） （b ）图6.26 异步电动机转速反向时的反接制动（a ）电路图 （b ）机械特性如图6.26所示，绕线型异步电动机带位能性负载时，若要下放重物，可在转子回路串接较大电阻，使电动机的T st <T Z ,电动机将由重物产生的转矩拖动反向起动，随着下放速度的提高，电动机的转矩逐步增大。
可由图6.26（b ）的机械特性看出，当工作点达B 点时，稳速下放重物。
转子回路的电阻R f 越大，下放速度越快。
b ．两相反接的反接制动设制动前电动机运行于电动机运行状态，工作在图6.27（b ）中的A ，若将定子两相反接，工作点移至新的特性上的B 点，转矩为负，进入制动状态，快速减速，转速降至零以前，及时断开电源，否则可能出现反转现象。
调节制动电阻R f 的大小，可以调速快速停车的速度。
R f 较小，制动转矩调大，制动较快。
3M nTcR（a ） （b ） 图6.27 异步电动机两相反接的反接制动（a ）电路图；（b ）机械特性。
（3）回馈制动当电动机由于某种外因，例如在位能负载作用下，使电动机的转速高于同步转速n 0，电动机处于发电机状态，将系统的动能转换成电能送回电网，三相异步电动机处于回馈制动状态。
【实验目的】了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。
【实验内容】1． 测定三相绕线式异步电动机在电动运行状态和再生发电制功状态下机械特性。
2． 测定三相绕线式异步电动机在反接制动运行状态下的机械特性。
【实验设备】1．三相交流可调电源2．220V直流电机励磁电源3．直流可调稳压电源4．电机导轨5．测速表6．直流电压表、直流电流表7．900Ω三相可调电阻器8．90Ω三相可调电阻器9．三刀双置开关【实验步骤】M3图6.28 绕线式异步电动机机械特性实验接线图实验线路如图6.28。
M为三相绕线式异步电动机M09，额定电压U N=220伏，Y接法；G为直流并励电动机M03（作他励接法），其U N=220伏，P N=185WR S选用三组90Ω电阻（每组为MEL-04，90Ω电阻）R1选用675Ω电阻（MEL-03中，450Ω电阻和225Ω电阻相串联），如图6.29。
R f选用3000Ω电阻（电机起动箱中，磁场调节电阻）V2、A2、mA分别为直流电压、电流、毫安表，采用MEL-06或直流在主控制屏上V1、A1、W1、W2为交流、电压、电流、功率表，含在主控制屏上S1选用MEL-05中的双刀双掷开关1．测定三相绕线式异步电机电动及再发电制动机械特性仪表量程及开关、电阻的选择：（1）V2的量程为300V档，mA的量程为200mA档，A2的量程为2A档。
（2）R S阻值调至零，R1、R f阻值调至最大。
（3）开关S1合向“2”端。
（4）三相调压旋钮逆时针到底，直流电机励磁电源船形开关和220V直流稳压电源船形开关在断开位置。
并且直流稳压电源调节旋扭逆时针到底，使电压输出最小。
实验步骤：（1）接下绿色“闭合”按钮开关，接通三相交流电源，调节三相交流电压输出为180V （注意观察电机转向是否符合要求），并在以后的实验中保持不变。
（2）接通直流电机励磁电源，调节R f阻值使I f=95mA并保持不变。
接通可调直流稳压电源的船形开关和复位开关，在开关S1的“2”端测量电机G的输出电压极性，先使其极性与S1开关“1”端的电枢电源相反。
在R1为最大值的条件下，将S1合向“1”端。
（3）调节直流稳压电源和R1的阻值（先调节R1中的450Ω电阻，当减到0时，用导线短接，再调节225Ω电阻，同时调节直流稳压电源），使电动机从堵转（约200转左右）到接近于空载状态，其间测取电机G的U a、I a、n及电动机M的交流电流表A、功率表P I、P II 的读数。
共取8～9组数据记录于表6.20中。
表6.20 电动运行机械特性数据表S f（4）当电动机M接近空载而转速不能调高时，将S1含向“2”位置，调换发电机G的电枢极性使其与“直流稳压电源”同极性。
调节直流电源使其G的电压值接近相等，将S1合至“1”端，减小R1阻值直至为零（用导线短接900Ω相串联的电阻）。
（5）升高直流电源电压，使电动机M的转速上升，当电机转速为同步转速时，异步电机功率接近于0，继续调高电枢电压，则异步电机从第一象限进入第二象限再生发电制动状态，直至异步电机M的电流接近额定值，测取电动机M的定子电流I1、功率P I、P II，转速r 和发电机G的电枢电流I a，电压U a，填入表6.21中。
表6.21 再生发电机械特性数据表U=180V I f= A2．电动及反接制功运行状态下的机械特性在断电的条件下，把R S的三只可调电阻调至90Ω，折除R1的短接导线，并调至最大2250欧，直流发电机G接到S1上的两个接线端对调，使直流发电机输出电压极性和“直流稳压电源”极性相反，开关S1合向左边，逆时针调节可调直流稳压电源调节旋钮到底。
（1）按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出为200伏，合上励磁电源船形开关，调节R f的阻值，使I f=95mA。
（2）按下直流稳压电源的船形开关和复位按钮，起动直流电源，开关S1合向右边，让异步电机M带上负载运行，减小R1阻值（先减小1800欧0.41A，当减至最小时，用导线短接，再接小450欧0.82A），使异步发电机转速下降，直至为零。
（3）继续减小R1阻值或调离电枢电压值，异步电机即进入反向运转状态，直至其电流接近额定值，测取发电机G的电枢电流I a、电压、Ua值和异步电动机M的定子电流I1、P1、P II、转速n，共取8～9组数据填入表6.22中。
表6.22 反接制动机械特性数据表U=200V U f=95mA【注意事项】调节串并联电阻时,要按电流的大小而相应调节串联或并联电阻,防止电阻器过流引起烧坏。
【实验报告】根据实验数据绘出三相绕线转子异步电机运行在三种状态下的机械特性。
【实验思考】1.再生发电制动实验中,如何判别电机运行在同步转速点？2.在实验过程中,为什么电机电压降到200V？在此电压下所得的数据,要计算出全压下的机械特性应作如何处理？三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性实验报告一、实验目的了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。