第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算
3.1 异步电动机的电磁转矩与机械特性
一、三相异步电动机的电磁转矩
转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到 电磁力所形成的转矩之总和。
F Bl i
T Φ , I 2 , cos 2
T CT ΦI 2 cos 2
常数，与电 机结构有关
〕
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算 起动方法：
(1) 直接起动 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用 直接起动。 定子串电抗器起动 (2) 降压起动： 星形-三角形(Y－ ) 换接起动 自耦降压起动 （适用于鼠笼式电动机） (3) 转子串电阻起动 （适用于绕线式电动机）
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2I s
KAIs KA UN Ul′ KAIs
▲ 自耦变压器降压起动 的起动转 矩为： T = K 2T
sa A s
M 3~
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算
(2) 自耦变压器减压起动 降压比为: 定子电压： 定子电流： KA Is 线路电流： KA2Is Isa = KA2Is
S2
S1 FU 3 ~ UN
UN
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2. 转子回路串对称电阻时的人为机械特性 串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。 串电阻后, n、Tm 不变，s m 增大。
s n
在一定范围内增加电阻，可以 增加 Tst。当 sm 1时 Tst Tm ，若 T 再增加电阻， st 减小。 除了上述特性外，还有 改变电源频率、极对数等人 为机械特性。 0 sm
T 1.8 ~ 2.2
工作时必须使TL <Tm ，否则电机将停转。
I 2 I1 电机严重过热而烧坏。
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算 n0 n
3. 起动转矩 Tst 电动机起动时的转矩。
2 1
sR2U T KT 2 2 R2 (sX 20 ) 起动时n= 0 时，s =1 O Tst 2 T R2U1 Tst KT 2 Tst体现了电动机带 2 R2 X 20 载起动的能力。 2 (1) Tst U1 , U1 Tst 若 Tst > T2电机能起
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转矩特性: 异步机的 T 与 s 之间的关系 T = f (s) 机械特性: 异步机 n 与 T 之间的关系 n = f (T)
固有特性: 在额定电压、额定频率，定子和 转子电路不外串参数时的 T = f (s) 和 n = f (T)
人为特性: 在改变电压、频率及定子电路、 转子电路参数时的 T = f (s) 和 n = f (T)
T
0
TN Tst
Tmax
正常情况下，电动机都工作在特性曲线的 ab 段，当负载转矩增加时，电动机转速要降低，但 对应的电磁转矩却要增加，因为 ab 段比较平坦， 所以电动机的转速变化不大。这种特征称为硬的 机械特性。
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算 n 2.最大转矩 Tm n0
电机带动最大负载的能力。
(1 ) Tm U , U 1 Tm
2 1
当 U1 一定时，Tm为定值

U Tm KT 2 X 20
2 1
(2) sm与 R2 有关， R2 sm n 。绕线式电 机改变转子附加电阻R´2 可实现调速。 过载系数(能力)
T
一般三相异步电动机的过载系数为
Tm TN
T
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综上所述， 三相交流异步电动机有如下主要特
点： 异步电动机有较硬的机械特性，即随着负载的
变化而转速变化较小； 异步电动机有较大的过载能 力和起动能力；电源电压的波动对异步电动机的工 作影响较大。
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三、人为机械特性 人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机 械特性。 sR2U12 T KT 2 R2 (sX 20 ) 2 1. 降压时的人为机械特性
2 sR2U1 KT 2 f1[R2＋(sX2) 2]
T=
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电磁转矩公式
sR2 2 T K 2 U1 2 R2 ( sX 20 )
' T
由公式可知
2 1. T 与定子每相绕组电压 U 1 成正比。U 1 T
2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。
U 1下降后, Tm 和 Tst 均下降, 但 sm不变, T 和 k st 减少。
s n n
0
1
TL
如果电机在定额负载下运 行,U 1下降后, n 下降, s 增大, sm E 转子电流因 2 s sE2 增大而增 大,导致电机过载。长期欠压 过载运行将使电机过热，减 10 少使用寿命。
0.8UN
sR2 TK 2 U12 R2 ( sX 20 ) 2
dT 令： 0 求得 dS
R2 s sm X 20
Tmax 将sm代入转矩公式，可得
2 1
O
T
临界转差率
U Tm KT 2 X 20
转子轴上机械负载转矩TL 不能大于Tm ，否则将 造成堵转(停车)。
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S N Sm
1S
TN Tst Tmax T
异步电动机的转矩曲线
异步电动机的机械特性曲线
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算 三个特征转矩：TN、Tm、Tst n n 0 nN 1.额定转矩TN
电机在额定电压下，以额定转 速nN 运行，输出额定功率PN 时，电机转轴上输出的转矩。 额定转矩
PN (千瓦) TN 9550 nN (转 / 分)
▲ 自耦变压器降压起动 的起动转 矩为： T = K 2T
sa A s
起动
M 3~ TA
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(2) 自耦变压器减压起动 降压比为: 定子电压： 定子电流： KA Is 线路电流： KA2Is Isa = KA2Is
S2
S1 FU 3 ~ UN
运行
▲ 自耦变压器降压起动 的起动转 矩为： T = K 2T
(2) Tst与 R2 有关， 适当使 R2 Tst 。对绕线式 电机改变转子附加电阻 R´2 , 可使Tst =Tm 。 动，否则不能起动。 Tst 起动能力 K st TN
一般 Kst=1.0~2.2。
第三章 三相异步电动机的起动及起动设备的计算 n
4. 电动机的运行分析 TL >T TL n s T 达到新的平衡 T =TL
[例3.2.1] 某三相异步电动机，额定功率 PN = 45 kW，额 定转速 nN = 2 970 r/min， KM = 2.2 ，KS = 2.0。 若 TL = 200 N· m，试问能否带此负载：(1) 长期运行; (2) 短期运行; (3) 直接起动。 解： (1) 电动机的额定转矩 60 PN 60 45×103 N· = 145 N· TN = = × m m 2 nN 2 970 2×3.14 由于TN < TL，故不能带此负载长期运行。 (2) 电动机的最大转矩 TM = KMTN = 2.2×145 N· = 319 N· m m 由于TM > TL，故可以带此负载短时运行。 (3) 电动机的起动转矩 TS = KSTN = 2.0×145 N· = 290 N· m m 由于TS > TL，故可以带此负载直接运行。
n0
稳定区
n
TL T´L 电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调 整，这种能力称为自适应负载能力。
自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由 操作者加大油门，才能带动新的负载） 。
此过程中， n 、sE2 , I2 I1 O 电源提供的功率自动增加。
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不利影响 ① 大的 Ist 使电网电压降低，影响自身及其他负载 工作。
② 频繁起动时造成热量积累，易使电动机过热。
笼型异步电动机的直接起动
(1) 小容量的电动机（PN ≤7.5kW） (2) 电动机容量满足如下要求：
Ist sc = IN
1 电源总容量(kV· A) ≤ 〔3 + 电动机容量(kW) 4
旋转磁场 每极磁通
转子电流
转子电路的 功率因数
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T CT Φ I 2 cos 2
I2
由电机分析知：cos 2
sE 20 2 2 R2 ( sX 20 )
R2
2 R2 ( sX 20 ) 2
U 1 4.44 f1 N 1Φm
由此得电磁转矩公式
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3.2.2. 笼型异步电动机的减压起动
(1) 定子串联电阻或电抗减压起动 3~ 3~
S1 FU S1 FU
RS
S2
XS
S2
M 3~
起动 运行
M 3~
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(2) 自耦变压器减压起动 Ul′ KA= U 降压比为: N 定子电压： Ul′= KAUN 定子电流： KA Is 线路电流： KA2Is Isa = KA
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3.2.1 三相异步电动机的起动
电动机的起动指标
(1) 起动转矩足够大 Tst ＞TL Tst ≥(1.1 ~ 1.2) TL (2) 起动电流不超过允许范围。 异步电动机的实际起动情况 起动电流大：Ist = (5.5～7) IN 起动转矩小：Tst = (1.6～2.2) TN