本模塊主要講述三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性并以此為理論基礎(chǔ)分別

本模塊主要講述三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性，并以此為理論基礎(chǔ)，分別介紹了三相異步電動機(jī)的起動、調(diào)速和制動的種類及實現(xiàn)方法，對各種方法的特性做簡單分析。專題6.1三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性教學(xué)目標(biāo):1）掌握三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線圖；2）掌握三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的三個公式；3）掌握固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性的變化規(guī)律；4）熟悉三相異步電動機(jī)穩(wěn)定運行的條件。6.1.1三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性1.定義三相異步電動機(jī)的運行特性就是三相異步電動機(jī)運行工作時的機(jī)械特性。是指在一定條件下,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由于異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差率及旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為,所以異步電動機(jī)的機(jī)械特性往往用的形式表示。簡稱為曲線。2.三種表達(dá)式（1）物理表達(dá)式由電磁轉(zhuǎn)矩的公式得：式中，為三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，是一常數(shù)；是三相異步電動機(jī)的氣隙每極磁通量，、分別為轉(zhuǎn)子電路的電流和功率因數(shù)。（2）參數(shù)表達(dá)式上式為機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式。給定參數(shù)，可以畫出曲線，即機(jī)械特性曲線，如圖所示。圖6-1由參數(shù)表達(dá)式繪制的三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線下面分析圖6-1機(jī)械特性中幾個特征點：①同步轉(zhuǎn)速點A。其特點是()、。A點為理想空載運行點，即使在沒有外界轉(zhuǎn)矩的作用下，異步電動機(jī)本身不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速點。②額定運行點B。其特點是電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為額定值，分別用和表示，相應(yīng)的額定轉(zhuǎn)差率用表示，異步電動機(jī)可長期運行在額定狀態(tài)。③最大轉(zhuǎn)矩點C。其特點是對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率用，稱為臨界轉(zhuǎn)差率。把式(6-2)中的T對s求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為零。最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，也稱過載能力，用表示：（6-5）最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是異步電動機(jī)的重要數(shù)據(jù)之一,列于產(chǎn)品目錄。一般異步電動機(jī)的＝1.6～2.2，對于冶金起重機(jī)械用的電動機(jī)，可達(dá)2.2～2.8。④起動點D。其特點是對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率，，，對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，又稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，它是異步電動機(jī)接通電源開始啟動時的電磁轉(zhuǎn)矩。起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，稱為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用表示，即（6-7）一般電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)＝1.0～2.0，對于冶金起重機(jī)械用的電動機(jī)為2.8～4.0。（2）實用表達(dá)式使用該公式時，先由電動機(jī)產(chǎn)品目錄查得的數(shù)據(jù),算出和，就可得到與的關(guān)系曲線。具體解法如下：

額定輸出轉(zhuǎn)矩：最大轉(zhuǎn)矩：額定轉(zhuǎn)差率：

臨界轉(zhuǎn)差率：

機(jī)械特性的三種表達(dá)式，應(yīng)用場合各有不同。物理表達(dá)式適用于定性分析與及之間的物理關(guān)系；參數(shù)表達(dá)式適用于分析各參數(shù)變化對電動機(jī)機(jī)械特性的影響；實用表達(dá)式適用于進(jìn)行機(jī)械特性的工程計算?！纠?-1】一臺三相異步電動機(jī)額定值如下：接法，過載能力。試求電動機(jī)機(jī)械特性的實用表達(dá)式.

解：額定轉(zhuǎn)差率額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩時，由式（6-8）

解得

機(jī)械特性的實用表達(dá)式

6.1.2固有機(jī)械特性三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性是指異步電動機(jī)工作在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定的接線方式接線，定、轉(zhuǎn)子外界電阻為零時，與的關(guān)系。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式可繪出異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性，如圖6-1所示。三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性可以利用實用表達(dá)式計算得到。方法是先利用實用表達(dá)式計算出同步轉(zhuǎn)速點A、額定轉(zhuǎn)速點B、最大轉(zhuǎn)矩點C和起動點D這幾個特殊點，然后將這些點連接起來，便得到固有機(jī)械特性曲線。當(dāng)然計算的點越多，做出的曲線就越精確?！纠?-2】某三相異步電動機(jī)，，，試?yán)L出電動機(jī)的固有機(jī)械特性。解：⑴同步轉(zhuǎn)速點

時，

(2)額定運行點

(3)最大轉(zhuǎn)矩點C：

(4)起動點將代入公式得

6.1.3人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性是指人為地改變電機(jī)參數(shù)或電源參數(shù)而得到的機(jī)械特性。由式（6-2）可見，可以改變的量有：加到定子端的電源電壓、電源頻率、磁極對數(shù)，定子電路的電阻或電抗、轉(zhuǎn)子電路的電阻或電抗等等。所以三相異步電動機(jī)的人為機(jī)械特性種類很多，這里介紹幾種常見的人為機(jī)械特性。1.降低定子電壓時的人為機(jī)械特性當(dāng)定子電壓降低時，由式（6-2）可見，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將與成正比地降低，但產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的臨界轉(zhuǎn)差率與電壓無關(guān)，因此同步轉(zhuǎn)速也不變?？梢娊档碗妷旱娜藶樘匦允且唤M通過同步速點的曲線簇。圖6-3繪出了的固有特性和及時的人為機(jī)械特性。由圖可見，當(dāng)電動機(jī)在某一負(fù)載下運行時，若降低電壓，將使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)差率增大；而轉(zhuǎn)子電流將因轉(zhuǎn)子電動勢的增大而增大，從而引起定子電流的增大。若電流超過額定值，則電動機(jī)的最終溫升將超過允許值，導(dǎo)致電動機(jī)壽命縮短，如果電壓降低過多，致使最大轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則會發(fā)生電動機(jī)的停轉(zhuǎn)。2.轉(zhuǎn)子電路中串對稱電阻時的人為特性在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電路內(nèi)，三相分別串接大小相等的電阻，由前述分析可知，此時電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速不變，最大轉(zhuǎn)矩

也不變，臨界轉(zhuǎn)差率則隨外接電阻的增大而增大。3.定子電路串接電阻或電抗的人為特性6.1.4三相異步電動機(jī)的穩(wěn)定運行穩(wěn)定運行定義：從運動方程分析，電力拖動系統(tǒng)運行在工作點上，就是一個平衡的運行狀態(tài)。但是，實際運行的電力拖動系統(tǒng)，經(jīng)常會出現(xiàn)一些小的干擾，比如電源電壓或負(fù)載轉(zhuǎn)矩的波動等。這樣就存在下面的問題：系統(tǒng)在工作點上穩(wěn)定運行時，若突然出現(xiàn)了干擾，待干擾消除后，該系統(tǒng)是否仍能夠回到原來工作點上繼續(xù)穩(wěn)定運行？如果能夠，我們就說是處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，該工作點就是穩(wěn)定工作點；如果不能夠，則認(rèn)為是不穩(wěn)定運行狀態(tài)，該工作點稱為不穩(wěn)定工作點。圖6-6異步電動機(jī)拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行點圖6-6異步電動機(jī)拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行點對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（圖6-6中的負(fù)載特性1），不難判定它在A點能夠平衡穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，而在B點卻只能平衡而不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，所以線性段對恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為穩(wěn)定運行區(qū)，非線性段為不穩(wěn)定運行區(qū)。對于通風(fēng)機(jī)類負(fù)載（圖6-6中的負(fù)載特性2），C點雖然處于特性曲線的非線性段，但仍滿足穩(wěn)定運行條件，所以整條特性曲線都可以平衡穩(wěn)定運行。項目6.2三相異步電動機(jī)的起動教學(xué)目標(biāo)：

1）鼠籠式三相異步電機(jī)的直接起動和降壓起動方法；

2）繞線式三相異步電機(jī)的起動方法；3）繞線式三相異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級起動的級數(shù)及各級電阻。6.2.1項目簡介通過檢測直接起動、定子回路串電阻降壓起動、Y-Δ降壓起動、和自耦變壓器降壓起動等起動方法的起動電流，幫助讀者理解三相異步電動機(jī)的起動方法和性能。1.對異步電動機(jī)起動性能的要求對異步電動機(jī)起動性能有如下要求:（1）具有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩

，以保證生產(chǎn)機(jī)械能夠正常地起動；（2）在保證一定大小的起動轉(zhuǎn)矩的前提下，電動機(jī)的起動電流越小越好；（3）起動設(shè)備力求結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作方便；（4）起動過程的能量損耗越小越好，起動時間越短越好。2.鼠籠式異步電動機(jī)的起動鼠籠式電動機(jī)有直接起動和降壓起動兩種方法。（1）直接起動——小容量電動機(jī)起動方法直接起動也稱為全壓起動。這種起動方法最簡便，不需要復(fù)雜的起動設(shè)備，但因起動電流較大，只允許在小容量電動機(jī)中使用。在一般電網(wǎng)容量下，7.5KW的電動機(jī)就認(rèn)為是小容量，所以的異步電動機(jī)可以直接起動。但是所謂小容量也是相對的，如果電網(wǎng)容量大就可以允許容量較大的電動機(jī)直接起動。因此，對容量較大的電動機(jī)，若能滿足下列要求，也可允許直接起動。式中，為籠型異步電動機(jī)的起動電流倍數(shù)，其值可根據(jù)電動機(jī)的型號和規(guī)格從有關(guān)手冊中查得。（2）降壓起動——大中容量電動機(jī)輕載起動方法對于不允許直接起動的鼠籠式異步電動機(jī)，為限制起動電流，只有降低加在繞組上的電壓。①定子電路串接電阻或電抗降壓起動②自耦變壓器降壓起動

③Y—△起動

④起動方法的比較3.三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的起動這種電動機(jī)的起動方法，適用于大中容量異步電動機(jī)重載起動。這是因為，當(dāng)繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入適當(dāng)電阻起動時，既可增大起動轉(zhuǎn)矩，又可限制起動電流，可以同時解決鼠籠式異步電動機(jī)起動時存在的兩個問題。繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)起動有轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器和轉(zhuǎn)子串接電阻兩種起動方法。專題6.3三相異步電動機(jī)的調(diào)速教學(xué)目標(biāo)：1）掌握三相異步電動機(jī)的調(diào)速原理；2）熟悉三相異步電動機(jī)常見的調(diào)速方法。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的調(diào)速性能大有改善，交流調(diào)速應(yīng)用日益廣泛，在許多領(lǐng)域有取代直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。從異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式可以看出，異步電動機(jī)的調(diào)速可分以下三大類：(1)改變定子繞組的磁極對數(shù)p，稱為變極調(diào)速；

(2)改變供電電源的頻率f1，稱為變頻調(diào)速；

(3)改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，其方法有改變電壓調(diào)速、繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速。

6.3.1變極調(diào)速方法：改變定子繞組接法—將每相定子繞組分成兩個“半相繞組”，改變它們之間的接法，使其中一個“半相繞組”中的電流反向，極對數(shù)就成倍改變。

圖6-15三相四極電動機(jī)定子U相繞組圖6-16三相兩極電動機(jī)U相繞組

優(yōu)缺點及適用場合：方法簡單，操作方便，調(diào)速范圍小且為有級調(diào)速，變極調(diào)速的電動機(jī)稱為多速電動機(jī)，適用于功率不大、對調(diào)速要求不高的場合。6.3.2變頻調(diào)速改變，即改變，從而調(diào)節(jié)。

為使保持不變，就要保持為定值，即改變

的同時按比例改變，這時電動機(jī)容許輸出的轉(zhuǎn)矩不變，為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。一般在額定頻率往下調(diào)時，采取這種調(diào)速方式。但從額定頻率往上調(diào)時，電壓不容許按比例上升而只能保持額定，此時，越高，越弱，容許輸出的轉(zhuǎn)矩越小，而輸出轉(zhuǎn)速越高，故為恒功率調(diào)速方式。6.3.3改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

改變定子電壓調(diào)速，轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級調(diào)速都屬于改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。這些調(diào)速方法的共同特點是在調(diào)速過程中都產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率。前兩種調(diào)速方法都是把轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電路里，很不經(jīng)濟(jì)，而串級調(diào)速則能將轉(zhuǎn)差功率加以吸收或大部分反饋給電網(wǎng)，提高了經(jīng)濟(jì)性能。1.改變定子電壓調(diào)速

2.轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

3.串級調(diào)速專題6.4三相異步電動機(jī)的制動和反轉(zhuǎn)

教學(xué)目標(biāo)：1)掌握三相異步電機(jī)的反轉(zhuǎn)；2)掌握三相異步電動機(jī)制動的原理和方法。6.4.1三相異步電動機(jī)的反轉(zhuǎn)

從三相異步電動機(jī)的工作原理可知，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向。因此只要改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，就能使三相異步電動機(jī)反轉(zhuǎn)。6.4.2三相異步電動機(jī)的制動

三相異步電動機(jī)的制動方法有下列兩類：機(jī)械制動和電氣制動。機(jī)械制動是利用機(jī)械裝置使電動機(jī)從電源切斷后能迅速停轉(zhuǎn)。它的結(jié)構(gòu)有好幾種形式，應(yīng)用較普遍的是電磁抱閘，它主要用于起重機(jī)械上吊重物時，使重物迅速而又準(zhǔn)確地停留在某一位置上。 電氣制動是使異步電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩和電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反。電氣制動通?？煞譃槟芎闹苿印⒎唇又苿雍突仞佒苿?再生制動)等三類。

1．能耗制動方法：將運行著的異步電動機(jī)的定子繞組從三相交流電源上斷開后，立即接到直流電源上，如圖6-23所示，用斷開QS，閉合SA來實現(xiàn)。

(a)接線示意圖(b)原理圖

圖6-23三相異步電動機(jī)能耗制動示意圖

2.反接制動反接制動分為電源反接制動和倒拉反接制動