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第五章第五章 交流电动机的工作原理及特性交流电动机的工作原理及特性 了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握三相异步电动机启动、调速和制动等各种特性；掌掌握握实实现现三三相相异异步步电电动动机机启启动动、调调速速和和制制动动的的各各种种方方法法及及它它们们的使用场所；的使用场所；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。了解同步电动机的结构、工作原理、运行特性和启动方法。51 三相异步电动机的基本结构和工作原理三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、三相异步电动机的基本结构一、三相异步电动机的基本结构 三三相相异异步步电电动动机机主主要要由由定定子子和和转转子子两两个个部部分分组组成成，定定子子是是不不动动的的部部分分，转转子子是是旋旋转转部部分分，在在定定子子和和转转子子之之间间有有一一定定的的气气隙隙。如如图图所示。所示。1.定子定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子由定子铁心、绕组以及机座组成。定子铁心是磁路的一部定子铁心是磁路的一部分，它由分，它由0.5mm的硅钢片叠的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座成为一个整体，固定于机座上。上。定子绕组是电动机的电定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用绕组，分别用AX、BY、CZ表示，其中，表示，其中，A、B、C称为称为首端首端，而，而X、Y、Z称为称为末端末端。机机座座主主要要用用于于固固定定与与支支撑撑定定子子铁铁心心。中中小小型型异异步步电电动动机机一一般般采采用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。用铸铁机座。根据不同的冷却方式采用不同的机座型式。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生生旋转磁场旋转磁场。2.转子转子 转子铁心也是电动机磁转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片冲片如图所示。硅钢片冲片如图所示。转子由铁心与绕组组成。转子由铁心与绕组组成。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩产生转子电流，即产生电磁转矩。鼠笼式异步电动机转子绕鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，组是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图所示。端环上而组成，如图所示。线绕式异步电动机转线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，启动性能与调节转速，二、三相异步电动机的工作原理二、三相异步电动机的工作原理 1定子旋转磁场定子旋转磁场 假假设设每每相相绕绕组组只只有有一一个个线线匝匝，分分别别嵌嵌放放在在定定子子内内圆圆周周的的6个个凹凹槽槽之之中中。现现将将三三相相绕绕组组的的末末端端X、Y、Z相相连连，首首端端A、B、C接接三三相相交流电源。且三相绕组分别叫做交流电源。且三相绕组分别叫做A、B、C相绕组。如图所示。相绕组。如图所示。假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且A相相绕组的电流作为参考正弦量，即绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组的初相位为零，则三相绕组A、B、C的电流（相序为的电流（相序为ABC）的瞬时值为：的瞬时值为：如图所示是这些电流随时间变化的曲线。如图所示是这些电流随时间变化的曲线。iB为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端；iC为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从C端流到端流到Z端。端。按按右右手手螺螺旋旋法法则则确确定定三三相相电电流流产产生生的的合合成成磁磁场场，如如图（图（a）箭头所示。箭头所示。iA=0 iB为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Y端流到端流到B端；端；iA为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到端流到X端。端。此此 时时 的的 合合 成成 磁磁 场场 如如 图图（b）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向向旋旋转了转了 /3。iC=0 iC为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端；iA为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从A端流到端流到X端。端。此此时时的的合合成成磁磁场场如如图图（c）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向旋转了向旋转了2 /3。iB=0 iC为为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从负，电流实际方向与正方向相反，即电流从Z端流到端流到C端；端；iB为为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从正，电流实际方向与正方向一致，即电流从B端流到端流到Y端。端。此此时时的的合合成成磁磁场场如如图图（d）所所示示，合合成成磁磁场场已已从从 t=0 瞬瞬间间所所在在位位置置顺顺时时针针方方向旋转了向旋转了 。按按以以上上分分析析可可以以证证明明：当当三三相相电电流流随随时时间间不不断断变变化化时时，合合成成磁磁场也在不断旋转，故称场也在不断旋转，故称旋转磁场。旋转磁场。2旋转磁场的旋转方向旋转磁场的旋转方向 A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而B相绕组内的相绕组内的电流又超前电流又超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，当三相交流电的当三相交流电的ABC，旋转磁场的旋转方向为从旋转磁场的旋转方向为从ABC，即向顺时针方向旋转。即向顺时针方向旋转。如如果果将将定定子子绕绕组组接接至至电电源源的的三三根根导导线线中中的的任任意意两两根根线线对对调调，例例如如，将将B，C两两根根线线对对调调，使使B相相与与C相相绕绕组组中中电电流流的的相相位位对对调调，如如图所示。图所示。此时此时A相绕组内的电流超前相绕组内的电流超前C相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，而，而C相绕相绕组内的电流又超前组内的电流又超前B相绕组内的电流相绕组内的电流2 /3，用上述同样的分析方法，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为ACB，即向逆时针方向即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。电源的三根导线中的任意两根对调即可。3.旋转磁场的极数与旋转速度旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用度，用n0表示。表示。以以上上讨讨论论的的旋旋转转磁磁场场，具具有有一一对对磁磁极极（磁磁极极对对数数用用p表表示示）即即p=1。从从上上述述分分析析可可以以看看出出，电电流流变变化化经经过过一一个个周周期期（变变化化360电电角角度度），旋旋转转磁磁场场在在空空间间也也旋旋转转了了一一转转（转转了了360机机械械角角度度），若若电电流的频率为流的频率为f，旋转磁场每分钟将旋转旋转磁场每分钟将旋转60f 转，即：转，即：如果把定子铁心的槽数增加如果把定子铁心的槽数增加1倍（倍（12个槽），制成如图所示的个槽），制成如图所示的三相绕组。三相绕组。其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。如图所示。如图所示。从从图图可可以以看看出出，对对应应于于不不同同时时刻刻，旋旋转转磁磁场场在在空空间间转转到到不不同同位位置置，此此情情况况下下电电流流变变化化半半个个周周期期，旋旋转转磁磁场场在在空空间间只只转转过过了了 /2，即即1/4转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了转，电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了1/2转。转。由由此此可可知知，当当旋旋转转磁磁场场具具有有两两对对磁磁极极（p=2）时时，其其旋旋转转速速度度仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有仅为一对磁极时的一半。依次类推，当有p对磁极时，其转速为：对磁极时，其转速为：所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。成反比。2极电机演示极电机演示 4极电机演示极电机演示4工作原理工作原理 三相异步电动机的工作原三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。电流的相互作用。假假设设定定子子只只有有一一对对磁磁极极，转转子只有一匝绕组。子只有一匝绕组。在在旋旋转转磁磁场场的的作作用用下下，转转子子导导体体切切割割磁磁力力线线（其其方方向向与与旋旋转转磁磁场场的的旋旋转转方方向向相相反反），因因而而在在导导体体内内产产生生感感应应电电动动势势e从从而而产产生生感感应应电电流流i。根根据据安安培培电电磁磁力力定定律律，转转子子电电流流与与旋旋转转磁磁场场相相互互作作用用产产生生电电磁磁力力F（其其方方向向用用左左手手定定则则决决定定），这这力力在在转转子子的的轴轴上上形形成成电电磁磁转转矩矩，且且转转矩矩作作用用方方向向与与旋旋转转磁磁场场的的旋旋转转方方向向相相同同，转转子子受受此此转转矩矩的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。的作用，按旋转磁场的旋转方向旋转起来。转差率转差率S：电机同步转速与实际转速差值的相对值。：电机同步转速与实际转速差值的相对值。一般情况下，转子的旋转速度一般情况下，转子的旋转速度n总是略小于同步转速总是略小于同步转速n0，转速差转速差的存在是异步电机运行的必要条件的存在是异步电机运行的必要条件转子的旋转速度称为电动机的转速，用转子的旋转速度称为电动机的转速，用n表示。表示。演示演示n=（1-S）n05三相交流异步电机与直流电机（他励）比较三相交流异步电机与直流电机（他励）比较1）交流电机在结构上无换向器；交流电机在结构上无换向器；直流电机有换向器直流电机有换向器2）交流电机仅在定子上通入三相交流电，转子电流是感）交流电机仅在定子上通入三相交流电，转子电流是感应出来的；应出来的；直流电机是定子通直流，转子也通直流直流电机是定子通直流，转子也通直流3）交流电机定子磁场是旋转的；）交流电机定子磁场是旋转的；直流电机定子磁场是静止的直流电机定子磁场是静止的4）交流电机磁极是隐式的；）交流电机磁极是隐式的；直流电机磁极是显式的直流电机磁极是显式的5.25.2 三相异步电动机的额定参数三相异步电动机的额定参数一、一、三相异步电动机定子绕组的接法三相异步电动机定子绕组的接法1两种接法两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，定子绕组的首端和末端通常都接在电动机接线盒的接线柱上，一般按图所示的方法排列。一般按图所示的方法排列。按按照照我我国国电电工工专专业业标标准准规规定定：定定子子绕绕组组出出线线端端的的首首端端为为D1、D2、D3，末端为末端为D4、D5、D6。三三相相电电动动机机的的定定子子绕绕组组有有星星形形（Y型型）和和三三角角形形（形形）两两种种不同的接法，如图所示。不同的接法，如图所示。2线电压与相电压线电压与相电压 线电压线电压：两相绕组首端之间的电压，用：两相绕组首端之间的电压，用Ul表示；表示；相电压相电压：每相绕组首、尾之间的电压，用：每相绕组首、尾之间的电压，用U相相表示。表示。对于星形接法：对于星形接法：对于三角形接法：对于三角形接法：3线电流与相电流线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用线电流：电网的供电电流，用I1 表示；表示；相电流：每相绕组的电流，用相电流：每相绕组的电流，用I相相表示。表示。对于星形接法对于星形接法：对于三角形接法对于三角形接法：4.电动机的输入功率电动机的输入功率二、额定参数二、额定参数 电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定额定运行运行，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在，通常用额定值来表示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。电动机的铭牌上。1.额定功率额定功率PN：在额定运行情况下，在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率电动机轴上输出的机械功率。输出功率的一般表达式为：输出功率的一般表达式为：其中：其中：效率效率P1 输入功率输入功率P2输出功率输出功率 输出功率和输出转矩的关系为：输出功率和输出转矩的关系为：I2为转子电流为转子电流 2.额定电压额定电压UN：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。值。如如标标有有两两种种电电压压值值（例例如如220/380V），这这表表明明定定子子绕绕组组采采用用/Y连接时应加的线电压值。连接时应加的线电压值。即：即：三角形接法时，定子绕组应接三角形接法时，定子绕组应接220V的电源电压；的电源电压；星形接法时，定子绕组应接星形接法时，定子绕组应接380的电源电压。的电源电压。3.额定频率额定频率f：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（在额定运行情况下，定子外加电压的频率（Hz）。）。如如标标有有两两种种电电流流值值（例例如如10.35/5.9A），则则对对应应于于定定子子绕绕组组为为/Y连接的线电流值。连接的线电流值。4.额定电流额定电流IN：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。定子的线电流值。即：即：三角形接法时，定子电流为三角形接法时，定子电流为10.35A；星形接法时，定子电流为星形接法时，定子电流为5.9A。5.额定转速额定转速nN：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转速。功率时，电动机的转速。与额定转速相对应的转差率称为与额定转速相对应的转差率称为额定转差率额定转差率SN。一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下：1.1.额额定定功功率率因因数数 ：在在额额定定频频率率、额额定定电电压压和和电电动动机机轴轴上上输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。输出额定功率时，定子相电流与相电压之间相位差的余弦。2.额额定定效效率率 ：在在额额定定频频率率、额额定定电电压压和和电电动动机机轴轴上上输输出出额额定定功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为功率时，电动机输出机械功率与输入电功率之比，其表达式为 3.额额定定负负载载转转矩矩TN：电电动动机机在在额额定定转转速速下下输输出出额额定定功功率率时时轴轴上上的负载载矩。的负载载矩。4.4.线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。三、定子绕组连线方法的选用三、定子绕组连线方法的选用 定定子子三三相相绕绕组组的的连连接接方方式式（Y形形或或 形形）的的选选择择，和和普普通通三三相相负负载一样，须视电源的线电压而定。载一样，须视电源的线电压而定。如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的如果电源的线电压等于电动机的额定相电压，那么，电动机的绕组应该接成绕组应该接成；如果电源的线电压是电动机额定相电压的如果电源的线电压是电动机额定相电压的 倍，那么，电动倍，那么，电动机的绕组就应该接成机的绕组就应该接成Y。通常电动机的铭牌上标有符号通常电动机的铭牌上标有符号 /Y和数字和数字220/380，前者表示，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。例例 电电源源线线电电压压为为380V，现现有有两两台台电电动动机机，其其铭铭牌牌数数据据如如下下，试选择定子绕组的连接方式。试选择定子绕组的连接方式。1.J32-4，功功率率1.0kW，连连接接方方法法/Y，电电压压220/380V，电电流流4.25/2.45A，转速转速1420 r/min，功率因数功率因数0.79。2.J02-21-4，功率功率1.1 kW，连接方法连接方法 ，电压，电压380V，电流电流6.27A，转速转速1410 r/min，功率因数功率因数0.79。解：解：J32-4 电动机应接星形（电动机应接星形（Y），），如图如图(a)所示。所示。J02-21-4 电动机应接成三角形（电动机应接成三角形（），如图），如图(b)所示。所示。四、三相异步电动机的能流图四、三相异步电动机的能流图 电源到定子的电功率电源到定子的电功率Pcu1定子铜耗定子铜耗Pfe1定子铁耗定子铁耗Pe传递到转子的电磁功率传递到转子的电磁功率Pm转子机械损耗转子机械损耗Pcu2转子铜耗转子铜耗Pm转子机械功率转子机械功率P2输出功率输出功率53 三相异步电动机的转矩特性和机械特性三相异步电动机的转矩特性和机械特性一、三相异步电动机的定子电路一、三相异步电动机的定子电路 三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。定子绕组接上三相电源电定子绕组接上三相电源电压（相电压为压（相电压为u1）时，则有三时，则有三相电流通过（相电流为相电流通过（相电流为i1），定，定子三相电流产生旋转磁场，其子三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这磁场不仅在转子每相闭合，这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势绕组中要感应出电动势e2，而而且在定子每相绕组中也要感应且在定子每相绕组中也要感应出电动势出电动势e1 设设定定子子和和转转子子每每相相绕绕组组的的匝匝数数分分别别为为N1和和N2，如如图图所所示示电电路路图是三相异步电动机的一相电路图。图是三相异步电动机的一相电路图。旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也是随时间按正弦规律变化的，是随时间按正弦规律变化的，定子每相绕组中产生的定子每相绕组中产生的感应电动势感应电动势为：为：它也是正弦量，其有效值为：它也是正弦量，其有效值为：式中，式中，f1为为e1的频率。的频率。因为旋转磁场和定子间的相对转速为因为旋转磁场和定子间的相对转速为n0，所以所以 它等于定子电流的频率，即它等于定子电流的频率，即 定子每相绕组中还要产生定子每相绕组中还要产生漏磁电动势漏磁电动势 加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量，即 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 式式中中，和和 ()为为定定子子每每相相绕绕组组的的电电阻阻和和漏漏磁磁感感抗。抗。由由于于R1和和X1较较小小，其其上上电电压压降降与与电电动动势势E1比比较较起起来来，常常可可忽忽略略，于是于是二、三相异步电动机的转子电路二、三相异步电动机的转子电路 旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为 其有效值为其有效值为 式中，式中，f2为转子电动势为转子电动势e2或转子电流或转子电流i2相对于旋转磁场的频率相对于旋转磁场的频率.因为旋转磁场和转子间的相对转速为因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n 在在 n=0，即，即S=1时，转子电动势为时，转子电动势为为转子最大电动势为转子最大电动势 可见转子电动势可见转子电动势E2与转差率与转差率S有关。有关。和和定定子子电电流流一一样样，转转子子电电流流也也要要产产生生漏漏磁磁通通，从从而而在在转转子子每每相相绕组中还要产生漏磁电动势。绕组中还要产生漏磁电动势。因此，对于转子每相电路，有因此，对于转子每相电路，有 如用复数表示，则为如用复数表示，则为 式中，式中，R2和和X2转子每相绕组的电阻和漏磁感抗转子每相绕组的电阻和漏磁感抗 在在 n=0 ，即即 S=1 时，转子感抗为时，转子感抗为为转子最大感抗为转子最大感抗 可见转子感抗可见转子感抗E2与转差率与转差率S有关。有关。转子每相电路的电流为转子每相电路的电流为 可见转子电流可见转子电流I2也与转差率也与转差率S有关。当有关。当S增大，即转速增大，即转速n降低时，降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是提高，于是E2增加，增加，I2也增加。也增加。S(n0-n)磁力线切割磁力线切割E2 I2 S与与I2之间定性关系之间定性关系三、转矩特性三、转矩特性 电电磁磁转转矩矩（以以下下简简称称转转矩矩）是是三三相相异异步步电电动动机机最最重重要要的的物物理理量量之一。机械特性是它的主要特性。之一。机械特性是它的主要特性。所以所以因为因为转矩特性转矩特性 式中，式中，K与电动机结构参数、电源频率有关的常数；与电动机结构参数、电源频率有关的常数；U1、U定子绕组电压，电源电压；定子绕组电压，电源电压；R2转子每相绕组的电阻；转子每相绕组的电阻；X20 电动机不动（电动机不动（S=1）时转子每相绕组的感抗。时转子每相绕组的感抗。四机械特性四机械特性 在在异异步步电电动动机机中中，转转速速 n=(1-S)n0，为为了了符符合合习习惯惯画画法法，可可将将曲曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。1固有机械特性固有机械特性 异异步步电电动动机机在在额额定定电电压压和和额额定定频频率率下下，用用规规定定的的接接线线方方式式，定定子子和和转转子子电电路路中中不不串串联联任任何何电电阻阻或或电电抗抗时时的的机机械械特特性性称称为为固固有有（自然）机械特性。（自然）机械特性。根据根据 三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。从从特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，其其上上有有四四个个特特殊殊点点可可以以决决定定特特性性曲曲线线的的基基本本形形状状和和异异步步电电动动机机的的运运行性能，这四个特殊点是：行性能，这四个特殊点是：电电动动机机处处于于理理想想空空载载工工作作点点，此此时时电电动动机机的的转转速速为为理理想想空空载载转转速。速。电动机额定工作点。此时额定转电动机额定工作点。此时额定转矩和额定转差率为矩和额定转差率为 式中式中:PN电动机的额定功率；电动机的额定功率；nN电动机的额定转速，一般电动机的额定转速，一般 SN电动机的额定转差率，一般电动机的额定转差率，一般 TN电动机的额定转矩。电动机的额定转矩。电动机的启动工作点。电动机的启动工作点。将将S=1代入转矩公式中，可得代入转矩公式中，可得 可见，异步电动机的启动转矩可见，异步电动机的启动转矩Tst与与U、R2及及X20有关。有关。当当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。通常把在固有机械特性上启动转矩通常把在固有机械特性上启动转矩Tst与额定转矩与额定转矩TN之比之比 st=Tst/TN 作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般 电动机的临界工作点。电动机的临界工作点。欲求转矩的最大值，可令欲求转矩的最大值，可令 得得临界转差率临界转差率 再将再将Sm代入转矩公式中，即可得代入转矩公式中，即可得 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 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。载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。鼠笼式异步电动机鼠笼式异步电动机 线绕式异步电动机线绕式异步电动机2人为机械特性人为机械特性 由上述分析可知：异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，由上述分析可知：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改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。改改变变定定子子电电压压U、定定子子电电源源频频率率f、定定子子电电路路串串入入电电阻阻或或电电抗抗、转转子电路串入电阻或电抗子电路串入电阻或电抗等，都可得到异步电动机的人为机械特性。等，都可得到异步电动机的人为机械特性。（1）降低电动机电源电压时的人为特性）降低电动机电源电压时的人为特性 不变不变不变不变随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小随着电压的减小而大大地减小 改变电源电压时的人为特性如图所示：改变电源电压时的人为特性如图所示：如当定子绕组外加电压为如当定子绕组外加电压为UN、0.8UN、0.5UN时，转子输出最时，转子输出最大转矩分别为大转矩分别为Ta=Tmax、Tb=0.64Tmax和和Tc=0.25Tmax。可见，电压可见，电压愈低，人为特性曲线愈往左移。愈低，人为特性曲线愈往左移。由由于于异异步步电电动动机机对对电电网网电电压压的的波波动动非非常常敏敏感感，运运行行时时，如如电电压压降降低低太太多多，会会大大大大降降低低它它的的过过载载能能力力与与启启动动转转矩矩，甚甚至至使使电电动动机机发发生带不动负载或者根本不能启动的现象。生带不动负载或者根本不能启动的现象。例如，电动机运行在额定负载例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使下，即使 m=2，若电网电压若电网电压下降到下降到 70%UN，则由于这时则由于这时 电动机也会停转电动机也会停转 此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速此外，电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率下降，转差率S 增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。增大，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。U（负载不变）（负载不变）nS磁力线切割加快磁力线切割加快I2 发热烧坏发热烧坏（2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性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低,这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，只不过最大这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似，只不过最大转矩要比直接降低电源电压时的最大转矩大一些。转矩要比直接降低电源电压时的最大转矩大一些。U1=U+I ZZ突然接入，转速下降，突然接入，转速下降，电流减小，在电流减小，在Z上的压上的压降减小，相对地降减小，相对地U增大增大（3）改变定子电源频率时的人为特性）改变定子电源频率时的人为特性 一般变频调速采用恒转矩调速，一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，使应的变化，使 U/f =C ，这在实质上这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。是使电动机气隙磁通保持不变。因此，改变电源频率的机械特性因此，改变电源频率的机械特性如图所示如图所示（4）转子电路串电阻时的人为特性）转子电路串电阻时的人为特性 在在三三相相线线绕绕式式异异步步电电动动机机的的转转子子电电路路中中串串入入电电阻阻后后见见图图(a)，转子电路中的电阻为转子电路中的电阻为思考：随着思考：随着 f 下降，下降，Tst 作何变化？作何变化？不变不变不变不变随着串接电阻的增加而增大随着串接电阻的增加而增大，此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图所示。所示。降压降压定子定子串电阻串电阻变频变频转子转子串电阻串电阻不变不变不变不变减小减小不变不变不变不变不变不变增大增大增大增大减小减小减小减小不变不变不变不变减小减小减小减小增大增大增大增大 54 三相异步电动机的启动特性三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。采用电动机拖动生产机械，对电动机启动的主要要求如下。（1）有有足足够够大大的的启启动动转转矩矩，保保证证生生产产机机械械能能正正常常启启动动。一一般般场场合合下下希希望望启启动动越越快快越越好好，以以提提高高生生产产效效率率。即即要要求求电电动动机机的的启启动动转转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。（2）在在满满足足启启动动转转矩矩要要求求的的前前提提下下，启启动动电电流流越越小小越越好好。因因为为过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。过大启动电流的冲击，对于电网和电动机本身都是不利的。（3）要要求求启启动动平平滑滑，即即要要求求启启动动时时加加速速平平滑滑，以以减减小小对对生生产产机机械的冲击。械的冲击。（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。（5）启动过程中的功率损耗越小越好。）启动过程中的功率损耗越小越好。其中，（其中，（1）和（）和（2）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指）两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标。标。异步电动机本身的启动特性为：异步电动机本身的启动特性为：a.定子电流大，定子电流大，Ist=(57)IN 异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，异步电动机在接入电网启动的瞬时，由于转子处于静止状态，定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在定子旋转磁场以最快的相对速度（即同步转速）切割转子导体，在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定转子绕组中感应出很大的转子电势和转子电流，从而引起很大的定子电流子电流 b.启动转矩小启动转矩小 启动时启动时 ，转子功率因数，转子功率因数 很低，因很低，因而启动转矩而启动转矩 却不大。却不大。异步电动机的固有启动特性如图所示：异步电动机的固有启动特性如图所示：显显然然，异异步步电电动动机机的的这这种种启启动动性性能能和和生生产产机机械械的的要要求求是是相相矛矛盾盾的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。的，为了解决这些矛盾，必须根据具体情况，采取不同的启动方法。一、一、鼠笼式异步电动机的启动方法鼠笼式异步电动机的启动方法 鼠鼠笼笼式式异异步步电电动动机机有有直直接接启启动动和和降降压压启启动动两两种种方方法法，采采用用什什么么启动方法，要根据实际情况而定。启动方法，要根据实际情况而定。1直接启动（全压启动）直接启动（全压启动）直直接接启启动动就就是是将将电电动动机机的的定定子子绕绕组组通通过过闸闸刀刀开开关关或或接接触触器器直直接接接入电源，在额定电压下进行启动。接入电源，在额定电压下进行启动。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。特点：电动机定子绕组的工作电压和启动电压相等。直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在直接启动的条件：由于直接启动的启动电流很大，因此，在什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取什么情况下采用直接启动，有关供电、动力部门都有规定，主要取决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。决于电动机的功率与供电变压器的容量之比值。一般在一般在有独立变压器供电有独立变压器供电（即变压器供动力用电）的情况下，（即变压器供动力用电）的情况下，若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的若电动机启动频繁时，电动机功率小于变压器容量的20%时允许直时允许直接启动；接启动；若若电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的电动机不经常启动，电动机功率小于变压器容量的30%时也时也允许直接启动。如果允许直接启动。如果没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）没有独立的变压器供电（即与照明共用电源）的情况下，电动机启动比较频繁的情况下，电动机启动比较频繁，则常按经验公式来估算，满足下，则常按经验公式来估算，满足下列关系则可直接启动。列关系则可直接启动。例例5.2：有有一一台台要要求求经经常常启启动动的的鼠鼠笼笼式式异异步步电电动动机机，其其 PN=20kW,Ist/IN=6.5，如如果果供供电电变变压压器器（电电源源）容容量量为为560kVA，且且有有照照明明负负载载，问问可可否否直直接接启启动动？同同样样的的Ist/IN 比比值值，功功率率为为多多大大的的电动机则不允许直接启动？电动机则不允许直接启动？解：根据经验公式算出解：根据经验公式算出 满足上述关系，故允许直接启动。满足上述关系，故允许直接启动。可算出，额定功率大于可算出，额定功率大于24kW的电动机不允许直接启动。的电动机不允许直接启动。2电阻或电抗器降压启动电阻或电抗器降压启动 异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图所示。图所示。启动时，接触器启动时，接触器1KM断开，断开，KM闭合，将启动电阻串入定子闭合，将启动电阻串入定子电路，使启动电流减小；电路，使启动电流减小；待转速上升到一定程度后再待转速上升到一定程度后再将将1KM闭合，闭合，Rst被短接，电动机被短接，电动机接上全部电压而趋于稳定运行。接上全部电压而趋于稳定运行。启启动动转转矩矩随随定定子子电电压压的的平平方方下下降降，故故它它只只适适用用于于空空载载或或轻轻载载启启动的场合；动的场合；不不经经济济，在在启启动动过过程程中中，电电阻阻器器上上消消耗耗能能量量大大，不不适适用用于于经经常常启启动动的的电电动动机机，若若采采用用电电抗抗器器代代替替电电阻阻器器，则则所所需需设设