三相異步電動機的工作特性及測取方法

1、三相異步電動機的工作特性及測取方法        *轉速特性 *定子電流特性 *功率因數(shù)特性 *電磁轉矩特性 *效率特性        異步電動機的工作特性        在額定電壓和額定頻率運行的情況下，        * 電動機的轉速 n、       

2、* 定子電流 I1、        * 功率因數(shù)cos1、        * 電磁轉矩Tem、        * 效率 等         與輸出功率 P2 的關系   即 U1 =  UN，f = fn 時的  一.工作特性的分析   

3、(一) 轉速特性        輸出功率變化時轉速變化的曲線 n = f (P2)       轉差率 s、轉子銅耗 Pcu2 和電磁功率 Pem 的關系式     負載增大時，必使轉速略有下降，轉子電勢 E2s 增大，     所以轉子電流 I2增大，以產生更大一點的電磁轉矩和負載轉矩平衡     因此隨著輸出功率 P2的增大， 

4、60;  轉差率 s 也增大，則轉速稍有下降，    所以異步電動機的轉速特性為一條稍向下傾斜的曲線   (二)定子電流特性      定子電流的變化曲線 I1= f (P2)         定子電流幾乎隨 P2 按正比例增加    (三)功率因數(shù)特性      定子功率因數(shù)的變化曲線 cos1 = f(P2) &#

5、160;   (1)空載時       定子電流 I1 主要用于無功勵磁，所以功率因數(shù)很低，約為 0.1 0.2    (2)負載增加時    轉子電流的有功分量增加，使功率因數(shù)提高，    (3)接近額定負載時   功率因數(shù)達到最大    (4)負載超過額定值時         s 值就會變得較大，使轉子電

6、流中得無功分量增加，     因而使電動機定子功率因數(shù)又重新下降了  (四)電磁轉矩特性     電磁轉矩特性 Tem = f (P2) 接近于一條斜率為 1/ 的直線  (五)效率特性      異步電動機的效率為          當可變損耗等于不變損耗時，異步電動機的效率達到最大值      中小型異步電機的最大效率出現(xiàn)在

7、大約為3/4的額定負載時    異步電動機的工作特性可用直接負載法求取，    也可利用等效電路進行計算*空載試驗     *勵磁參數(shù)與鐵耗及機械損耗的確定       通過空載試驗可以測定異步電動機的勵磁參數(shù)，      異步電動機的勵磁參數(shù)決定于電機主磁路的飽和程度，      所以是一種非線性參數(shù)；   

8、0;  通過短路試驗可以測定異步電動機的短路參數(shù)      異步電動機的短路參數(shù)基本上與電機的飽和程度無關，是一種線性參數(shù)   一.空載試驗與勵磁參數(shù)的確定     (一) 空載試驗         1.異步電動機空載運行           指在額定電壓和額定頻率下，軸上不帶任何負載的運行狀態(tài)&#

9、160;        2.空載試驗電路                                          

10、60;                圖5.7.1異步電動機空載試驗電路       3.空載試驗的過程         定子繞組上施加頻率為額定值的對稱三相電壓，         從 (1.10 1.30) 倍額定電壓值開始調節(jié)

11、電源電壓，         逐漸降低到可能使轉速發(fā)生明顯變化的最低電壓值為止         每次記錄端電壓、空載電流、空載功率和轉速，         根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，繪制電動機的空載特性曲線              

12、                                          圖5.7.2空載特性曲線      (二) 勵磁參數(shù)與鐵

13、耗及機械損耗的確定         從空載特性可確定         計算工作特性所需等值電路中的勵磁參數(shù)、鐵耗和機械損耗      1.機械損耗和鐵耗的分離        空載試驗時輸入電動機的損耗有：定子銅耗、鐵耗和機械損耗       

14、0;                                其中定子銅耗和鐵耗與電壓大小有關，而機械損耗僅與轉速有關       上式改寫為        由于可認為鐵耗與

15、磁密平方成正比，因而鐵耗與端電壓平方成正比，       繪制曲線 pFe + pmec = f (U1)2                                     

16、;                                  圖5.7.3    機械損耗與鐵耗的分離     作曲線延長線相交于直軸于 0點，    

17、 過 0作一水平虛線將曲線的縱坐標分為兩部分，     由于空載狀態(tài)下電動機的轉速 n 接近 n0 ，可以認為機械損耗是恒值     所以虛線下部縱坐標表示與電壓大小無關的機械損耗，    虛線上部縱坐標表示對應于某個電壓 U1 的鐵耗   2.勵磁參數(shù)的確定    (1)空載試驗時的等效電路            &

18、#160;                                                 圖5.7.4 

19、0;      空載試驗等效電路    (2)勵磁參數(shù)計算公式                                       

20、                                              二. 短路試驗與短路參數(shù)的確定  (一) 短路試驗 

21、60;   對異步電動機而言，    短路是指 T 形等效電路中的附加電阻(1-s)r2'/s = 0 的狀態(tài)，    即電動機在外施電壓下處于靜止的狀態(tài)  1.短路試驗電路                           &#

22、160;                     圖5.7.5 異步電動機短路試驗電路  2.短路試驗的過程    短路試驗在電動機堵轉降低電源電壓情況下進行，   一般從 U1 = 0.4 UN 開始，然后逐步降低電壓，   測量 57個 點，每次記錄端電壓、定子短路電流和短路功率，   并測量定

23、子繞組的電阻。   根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，繪制電動機的短路特性 I1s = f (U1), p1s = f (U1)                                        &

24、#160;                            圖5.7.6   異步電動機的短路特性  (二) 短路參數(shù)的確定   1.電動機堵轉時的等效電路         

25、                                             圖5.7.7  異步電動機堵轉時等效電路  2.短路參數(shù)計算公式

26、60;   由于 Zm>>Z2'，可以認為勵磁支路開路，Im0，鐵耗可忽略不計    所以                                      &#

27、160;              第六章 三相異步電動機的電力拖動     本章討論三相異步電動機的機械特性，然后以機械特性為理論基礎，研究三相異步電動機的起動、制動和調速等問題。§6-1 三相異步電動機的機械特性      6.1.1三相異步電動機機械特性的三種表達式  一.異步電動機機械特性的物理表達式    1.異步電動

28、機電磁轉矩表達式:                       2.轉矩常數(shù)表達式:   3.轉子電流表達式:                     

29、;     4.轉子電路功率因數(shù)表達式:    可以看出:     轉差與電流、功率因數(shù)的關系及異步電動機機械特性(圖6.1.1)                               

30、0;       圖6.1.1   1.電流與轉差關系(圖6.1.1)    I2' 最初與 s 成正比地增加，    s 較大時，I2' 增加逐步減緩    2.功率因數(shù)與轉差關系(圖6.1.1)    s = 0，cos'2 = 1    隨著 n 的逐步下降，s 增加，cos '2  將逐步下降  3.合成曲線

31、    兩條曲線相乘，并乘以常數(shù) CTJ m ,即得 n = f(T) 的曲線，     稱為異步電動機的機械特性。(圖6.1.1)    反映了不同轉速時 T 與 m 及轉子電流的有功分量 I2' cos'2 間的關系    在物理上，這三個量的方向遵循左手定則   二.異步電動機機械特性的參數(shù)表達式       采用參數(shù)表達式可直接建立異步電動機工作時轉矩和轉速關系并進行定量分

32、析                                                  

33、;                                由異步電動機的近似等效電路:           1.異步電動機的機械特性參數(shù)表達式：   &

34、#160;              2.異步電動機的機械特性                                   

35、0;        圖6.1.2   異步電動機的機械特性       因為異步電動機機械特性為二次方程式，       所以在某一轉差率 sm 時，轉矩有一最大值 Tm，       該值稱為異步電動機的最大轉矩       求出生產 Tm 時的轉差 sm 

36、                                  3.對應異步電動機的最大轉矩Tm為         正號對應于電動機狀態(tài)，而負號則適用于發(fā)電機狀態(tài)   

37、;   考慮 R1 << ( X1 + X2') ,可得：                                           

38、60;                                                 

39、60;                                4.幾點規(guī)律       1)當電動機各參數(shù)及電源頻率不變時，         Tm 與

40、U 成正比，sm  因與 UX 無關而保持不變       2)當電源頻率及電壓不變時，         sm 與 Tm 近似地與 ( X1 + X2')成反比       3)Tm 與 R2' 之值無關，sm 與 R2'成正比     5.電動機過載倍數(shù) KT      

41、                                                   

42、;                            一般異步電動機的 KT 約等于 1.8 3.0     起重冶金機械用的電動機，KT 可達 3.5     過載倍數(shù) KT 是電動機短時過載的極限   6.起動轉矩倍數(shù) Kst

43、60;                                         異步電動機起動轉矩 Tst ，即為 S = 1 時電機的電磁轉矩   三.機械特性的實用表達式

44、0;     考慮機械特性參數(shù)表達式                                            

45、60;                                                  &#

46、160;                及 最大轉矩 Tm 的表達式                ，機械特性可簡化為                 

47、0;                忽略 R1 可以得到異步電動機機械特性的實用表達式                               &

48、#160;              這里                                   

49、0;                                                  

50、60;                   當電動機在額定負載下運行時，轉差率很小，忽略 s/sm，得:                           6

51、.1.2三相異步電動機的固有機械特性和人為機械特性       一.異步電動機的固有機械特性          異步電動機在下述條件下工作：          額定電壓          額定頻率      &

52、#160;   電動機按規(guī)定接線方法接線          定子及轉子電路中不外接電阻（電抗或電容）          時的機械特性曲線 n =  f ( T ) ，稱之為固有機械特性其中：      起動點   額定工作點    同步速點    &

53、#160;                最大轉矩點                                  

54、     電動狀態(tài)最大轉矩點     回饋制動最大轉矩點          A     B                H          

55、60;   P                         P'                       

56、0;                                                   &#

57、160;    可見:回饋制動時異步電動機過載能力大于電動狀態(tài)時的過載能力    二.人為機械特性       由電動機的機械特性參數(shù)表達式可見：異步電動機電磁轉矩 T  的數(shù)值是由某一轉速 n（或 s ）下，電源電壓 Ux、電源頻率 f1、定子極對數(shù) p、定子及轉子電路的電阻  R1、R2'及電抗  X1、X2' 等參數(shù)決定人為特性，       改變電源電壓、電源頻率

58、、定子極對數(shù)、定子和轉子電路的電阻及電抗等參數(shù)，可得到不同的人為機械特性。       (一) 降低電源電壓 Ux            最大轉矩 Tm 及起動轉矩 Tst 與 U 成正比地降低；            sm 與 Ux 的降低無關      &

59、#160;   1.降低電網(wǎng)電壓對電動機的影響            過載能力下降            負載電流上升            從機械特性物理表達式進行分析      

60、0;     因為電網(wǎng)電壓下降，電動機氣隙磁通下降，            所以在電動機帶一定負載轉矩情況下，            轉子電流增加          2.降低電源電壓的機械特性     

61、;                                                  圖 6.2.2異步

62、電動機降低電源電壓的機械特性  (二) 轉子電路內串聯(lián)對稱電阻由 (6.2.3)       由(6.2.4) 知道：最大轉矩 Tm 不變；     sm 隨串聯(lián)電阻增大而增加    1.轉子電路串聯(lián)對稱電阻時機械特性                      

63、0;                            圖6.2.3 異步電動機轉子電路串聯(lián)對稱電阻時機械特性      2.轉子電路串聯(lián)對稱電阻用途      (1)繞線轉子異步電動機的起動   

64、;   (2)調速  (三) 定子電路串聯(lián)對稱電抗       由  (6.2.3)  (6.2.4) 知道：      最大轉矩 Tm 隨串聯(lián)電抗增大而減小；       sm 隨串聯(lián)電抗增大而減小     1.轉子電路串聯(lián)對稱電抗時機械特性          

65、60;                                        圖6.2.4異步電動機轉子電路串聯(lián)對稱電抗時機械特性   2.用途：   

66、  用于籠型異步電動機的降壓起動，以限制電動機的起動電流   (四) 定子電路串聯(lián)對稱電阻       由 (6.2.3)  (6.2.4) 知道：       最大轉矩 Tm 隨串聯(lián)電阻增大而減??；       sm 隨串聯(lián)電阻增大而減小       1.轉子電路串聯(lián)對稱電阻時機械特性  

67、60;                                         圖6.2.5 異步電動機轉子電路串聯(lián)對稱電阻時機械特性   2.用途：  

68、;   用于籠型異步電動機的降壓起動，以限制電動機的起動電流  (五) 轉子電路接入并聯(lián)阻抗    1.電路                異步電動機轉子電路接入并聯(lián)阻抗的電路(圖6.2.5)    2.機械特性     異步電動機 轉子電路接入并聯(lián)阻抗的機械特性(圖6.2.5)    3

69、.對人為機械特性的解釋      1)起動初期        因為轉子頻率相當大，感抗較大，轉子電流的大部分將流過電阻 Rst        所以起動轉矩相當大, 相當于轉子電路串大電阻     2)轉子加速       轉子頻率逐步降低，轉子頻率將變得很小，Xst 之值很小   

70、;    所以相當于電動機轉子串聯(lián)很小對稱電阻時的機械特性     3)幾乎恒定的轉矩       適當?shù)膮?shù)配合，       可使電動機在整個加速過程中產生幾乎恒定的轉矩       4)電抗器參數(shù)選取      接入并聯(lián)阻抗的轉子等效電路    

71、0;                                                  

72、60;         圖6.2.6     接入并聯(lián)阻抗轉子的等效電路其中：                                  &#

73、160;                                     （6.2.6） 三相異步電動機的起動方法      一. 三相籠型異步電動機的起動方法   三相籠型異步電動機的起動方法有直接起

74、動和降壓起動兩種方法。     （一）直接起動          （1）異步電動機的功率小于7.5 KW          （2）異步電動機的功率大于7.5 KW 時           K I = I 1st / I1N < 0.25 3 + (電源總容量/起動電動機容量

75、）    （二）降壓起動         （1）定子串電阻或電抗起動              定子串電阻起動電路                     &#

76、160;                                                  &

77、#160;                                                 &

78、#160;                                           圖6.2.1       

79、0;                     圖6.2.2                              &

80、#160;  定子串電抗起動電路（圖6.2.1，圖6.2.2）        定子串電阻或電抗起動的方法特點為：        起動平穩(wěn)、運行可靠、方法簡單      降壓后，起動轉矩 Tst 與電壓的平方成正比例地降低      起動電流 Ist 與電壓成正比例地降低   （2）用自耦變壓器起動    &#

81、160;                                              圖6.2.3自耦變壓器   &

82、#160;                                                   

83、;        圖6.2.4定子串自耦變壓器起動電路    由變壓器原理知：    Ux/U1 = N2 / N1    設起動時：電壓     電流                     

84、60;   U1         Ist                         Ux         Ix    根據(jù)（圖6.2.3） 則有： 

85、60;  Ix/Ist = ( Ux/U1 =) N2/N1 (式6.2.4)    而利用變壓器原理可以得到：    I1/Ix = ( Ux/U1 =) N 2 / N 1 (式6.2.5)     由 (式6.2.4) (式6.2.5) 可以得到：    I1/Ist = (N 2 / N 1)2 或 I 1 = Ist (N 2 / N 1 ) 2       這樣，利用自耦變壓器后異步電動機起動時有關參數(shù)的

86、比較如下 利用自耦變壓器前          利用自耦變壓器后      定子起動電壓 U 1               (N 2 / N 1 ) U1      定子起動電流 Ist        

87、0;      (N 2 / N 1 ) Ist      從電網(wǎng)吸收電流 Ist           (N 2 / N 1 ) 2 Ist           起動轉矩 Tst            

88、;   (N 2 / N1)2 Tst    采用自耦變壓器起動時起動電流 Ist 與起動轉矩 Tst 以同樣規(guī)律變化 自耦變壓器若采用不同抽頭（40%, 68% 和 80%）便可滿足不同的起動要求    （3）定子繞組星 - 三角形接法切換起動                       

89、;                   圖6.2.5定子繞組星 - 三角形接法切換起動電路     定子繞組星 - 三角形切換起動方法適用于    運行時接成三角形，且每相繞組有兩個引出端的三相異步電動機    籠型異步電動機分別為星形和三角形接法時起動時有關參數(shù)的比較如下：    

90、60;                      星形接法        三角形接法     定子線電壓               

91、60;    U1                  U1     定子相電壓                 57.7% U1       

92、;        U1     定子相電流                 57.7% Ist                Ist     從電網(wǎng)吸收線電流&

93、#160;          57.7% Ist           173% Ist     起動轉矩                     33.3% Tst &#

94、160;            Tst     采用定子繞組星 - 三角形切換起動方法起動時，起動電流 Ist 與起動轉矩 Tst     均降為(三角形接法）全壓起動時的 1/3  二. 三相繞線式異步電動機的起動方法     （一）轉子串電阻起動            

95、60;                                                  &#

96、160; 圖6.2.6  起動電路原理圖   （二）轉子串頻敏變阻器起動                                           &

97、#160;                                       圖6.2.7 頻敏變阻器         

98、                                                圖6.2.8 頻敏變阻器等效電路&

99、#160; 一. 深槽異步電動機                                                

100、圖6.2.9深槽異步電動機槽內導條電流分布    深槽異步電動機的槽型窄而深，    處于槽底等效線匝的漏電抗大于處于槽口等效線匝的漏電抗。    起動時，由于異步電動機轉子電路頻率較高，    電流大部分集中在槽口部分的導體（集膚效應），轉子的等效電阻大。    起動結束以后，異步電動機轉子電路頻率較低 （1-3 Hz），    集膚效應消失，轉子導條電阻變?yōu)檩^小的直流電阻。  二. 雙籠型異步電動機&#

101、160;                                            圖6.2.10    雙籠型異步電動機電機結

102、構    工作原理與深槽異步電動機基本一致                               圖6.2.11  雙籠型異步電動機機械特性  三相異步電動機的制動     一.電動運行狀態(tài)  

103、    電動狀態(tài)下異步電動機的機械特性（圖6.3.1）                           圖6.3.1    二.制動運行狀態(tài)        有三種制動狀況：* 回饋制動狀態(tài) * 反接制動狀態(tài) * 和能

104、耗制動狀態(tài)      (一) 回饋制動狀態(tài)           回饋制動狀態(tài)的特點是電動機轉速高于同步速度          1.位能負載的回饋制動狀態(tài)                  &

105、#160;                           圖6.3.2  帶位能負載時進入回饋制動狀態(tài)            2.對回饋制動狀態(tài)的說明     &#

106、160;       位能負載使轉速高于同步速度 n0 ，即 n > n0 時，             轉差率 s = ( n0- n )/ n0 < 0，             轉子感應電動勢  sE2 反向，轉子電流的有功分量為 I2a'  

107、                   轉子電流的無功分量為 I2r'       （）           當 s 變負后，轉子電流的有功分量改變了方向，無功分量的方向不變       

108、60; 3.回饋制動狀態(tài)時相量圖               可以繪出回饋制動狀態(tài)下的相量圖                                圖6

109、.3.3異步電動機處于回饋制動狀態(tài)時的相量圖           4.回饋制動狀態(tài)時的功率          因為 U1 與 I1 之間的相位差角1 > 90°           所以定子功率  P1 = m1U1I1cos1 為負      

110、;   說明此時電動機將電能回饋電網(wǎng)         由于 I2'cos2 為負         所以 T = CTJm I2'cosj2 也變?yōu)樨摚?#160;        說明此時電動機電磁轉矩與轉向相反，         因此這時的電動機既回饋電

111、能，又在軸上產生機械制動轉矩         因為異步電動機軸上輸出機械功率                                      

112、;                （）       所以 P2 也變?yōu)樨摚?#160;        說明此時電動機由軸上輸入機械功率     5回饋制動的機械特性         

113、0;                                         圖6.3.4    異步電動機回饋制動時的機械特性   

114、;  6.回饋發(fā)電的問題       回饋發(fā)電狀態(tài)時       由于轉子電流的無功分量方向不變       所以定子必須接到電網(wǎng)，并從電網(wǎng)吸取無功功率       才能建立電動機的磁場       如果在異步電動機定子脫離電網(wǎng)的同時，又希望能發(fā)電   

115、60;   則定子三相必須接上連接成三角形或星形的三相電容器                     圖6.3.5  異步電動機定子連接三相電容器         當電容器接成三角形時，電容量取值 C 可參考下式選擇       

116、               （）          I0 - 電動機的勵磁電流（A），可取 I0 = 0.3 I1N         電容器也可接成星形，這時電容量取值 C 參考下式選擇