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第五章 三相异步电动机的拖动特性 三相异步电动机的机械特性

生产机械的负载特性

三相异步电动机的起动

三相异步电动机的调速

三相异步电动机的反转与制动

三相异步电动机故障分析及维护

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三相异步电动机的机械特性 机械特性方程

临界转差率和最大转距

固有机械特性方程

人为机械特性方程

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机械特性方程 三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速与

转矩之间的关系，即

221

2'1

'2

11 '2

32

2

xxrU

f

pT

Sr

Sr

s

rI

f

pn

PPT MM 22

2111

32

60

2

221

2'1

12

'2 xxr

UI

Sr

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临界转差率和最大转距 机械特性方程为一个二次方程，当 s 为某一数值时，电磁转矩有一最大值 Tm 。

由数学知识可知，令 dT/ds = 0 ，即可求得此时的转差率，用 sm 表示，即

求得对应时的电磁转矩，即最大电磁转矩值：

临界转差率和最大转距的特点

2'21

21

'2

)( xxr

rsm

2'21

211

21

1 )(

1

4

3

xxrrU

f

pTm

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临界转差率和最大转距的特点 当电源的频率及电机的参数不变时，最大电磁转矩 Tm 与定子绕

组电压 U1 的平方成正比。

最大电磁转矩 Tm 和临界转差率 sm 都与定子电阻及定、转子漏抗有关。

最大电磁转矩 Tm 和转子回路中的电阻无关，而临界转差 sm 率则与成正比。

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固有机械特性方程 固有机械特性方程 异步电动机的固有机械特性是指在额定电压和额定频率下，按规

定方式接线，定、转子外接电阻为零时，电磁转矩 T 与转差率 s的关系，即 T=f(s) 曲线。

固有机械特性曲线

固有机械特性曲线的特点

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固有机械特性曲线

0>s 0<s<1 s>1

A

Ts

n

TN

B

sN sm s=1 s

Tm

C

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固有机械特性曲线的特点 曲线形状分析：

AB 段。因 s 较大，且异步电动机中，，近似为双曲线。随着 s 的减小， T 反而增大。

BO 段。因 s 很小，，近似为直线。随着 s 的减小， T 亦减小。

曲线的几个特殊点的分析： 起动点 A 同步点 O 临界点 B 额定点 C

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人为机械特性方程 人为机械特性就是人为地改变电源参数或电机参数而得到的机械

特性。三相异步电动机的人为机械特性主要有以下两种： 降低定子电压的人为机械特性 转子串电阻的人为机械特性

UN ＞ U1 ＞U2

s

T

sm

n

OTm

UNU1

U2

r1 ＜ r2 ＜ r

3

n

0 Tm

T

sr1

r2

r3

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生产机械的负载特性 生产机械的负载特性 生产机械的负载特性是指生产机械的转速 n 与负载转矩 TL 之间的关系，即 n=

f （ TL ）。一般可以分为以下三种： 恒转距负载 恒转矩负载是指负载转矩 TL 的大小不随转速的改变而改变的生产机械。主要有

两种： 反抗性恒转矩负载 是指负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动

的方向相反。 位能性恒转矩负载 是指不论生产机械运动的方向变动与否，负载转矩的大小和方向始

终不变。 恒功率负载 恒功率负载是指负载所需的功率为恒定值。 通风机型负载 通风机型负载是指负载转矩 TL 的大小与转速 n 的平方成正比的生产机械。即 TL

= Kn2 。

生产机械的负载特性曲线

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生产机械的负载特性曲线

-n

n n TL

O TL T

-TL

-TL

TL +n

TL -nTL

n

0

G

G

T

TL+n

n

TL0

+n +TL

n

TL

1 、反抗性恒转矩负载

2 、位能性恒转矩负载

3 、 恒 功 率 负载

4 、 通 风 机 型 负载

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三相异步电动机的起动 起动的定义 三相异步电动机的起动就是转子转速从零开始到稳定运行为止的这一过程。 起动的要求

电动机应有足够大的起动转矩。 在保证一定大小的起动转矩的前提下，起动电流越小越好。

鼠笼式异步电动机的起动 直接起动 降压起动

绕线式异步电动机的起动

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直接起动 直接起动的条件

一般 10kW 以下的电动机都可以直接起动。 直接起动的特点

直接起动是最简单的起动方法。 直接起动时，起动电流很大，

直接起动的接线 起动时用闸刀开关、磁力起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到

电源上。

kW

kVA

I

IK

N

sI 电动机额定功率

电源总容量3

4

1

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降压起动 降压起动的概念 降压起动是指电动机在起动时降低加在定子绕组上的电压，起动结束

后加额定电压运行的起动方式。 降压起动的特点

降低电动机起动电流。 由于电动机的转矩与电压的平方成正比，因此降压起动时电动机的

转矩也减小较多，故此法一般适用于电动机空载或轻载起动。

降压起动的方法 定子串接电抗器(或电阻)的降压起动 Y-△起动 自耦变压器（起动补偿器）起动 延边三角形起动

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定子串接电抗器 ( 或电阻 ) 的降压起动 方法 起动时，将电抗器 ( 或电阻 ) 接入定子电路起到降压的目的；起动后，切除所串的电抗器 ( 或电阻 ) ，电动机在全压下正常运行。

特点 减小了起动电流 能耗较大 电阻增加了控制柜的体积

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Y-△起动 方法 起动时将定子绕组接成 Y形，起动结束运行时定子绕组则改接成△形 。 接线图 起动电流 起动电流是直接起动时的 1/3 起动转距 Y-△起动时起动转矩也是直接起动时的 1/3。 特点

不需要增加设备，方法简单，价格便宜。 载或空载情况下，应优先采用 。 定子绕组是△接法

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Y-△起动的接线图

KM3

Δ

Y

FU

KM2

KM1

U V W

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自耦变压器（起动补偿器）起动 方法 自耦变压器也称起动补偿器。起动时将电源接在自耦变压器初级，次级接电动

机。起动结束后切除自耦变压器，将电源直接加到电动机上运行。 起动电流

起动转距

特点 定子绕组采用 Y形或△形接法都可以使用。 缺点是设备体积大，投资较贵。

SS IK

I2

1'

SSNS

S TK

TKU

U

T

T222

11''

即

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延边三角形起动 特点

它介于自耦变压器起动与 Y-△起动方法之间 延边三角形可采用不同的抽头比，来满足不同负载特性的要求。 优点是节省金属，重量轻；缺点是内部接线复杂

接线图

29 5

C 3

B

w2

48

w1

6 7

A I1s ‘ 1

（ a）

I1s

6 1

9 7

4 2 8

B

3 C 5

A

（ b）

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绕线式异步电动机的起动 转子串接电阻器起动

转子串频敏变阻器起动

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转子串接电阻器起动 方法 起动时，在转子回路中串接起动电阻器，借以提高起动转矩，同时因

转子回路中电阻的增大也限制了起动电流；起动结束，切除转子回路所串电阻。为了在整个起动过程中得到比较大的起动转矩，需分几级切除起动电阻。

起动接线图和特性曲线 特点

在整个起动过程中产生的转矩都是比较大的，适合于重载启动，广泛用于桥式起重机、卷扬机、龙门吊车等重载设备。

其缺点是所需起动设备较多，起动时有一部分能量消耗在起动电阻上，起动级数也较少。

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转子串电阻起动接线图和特性曲线

3

2

1

hi

d

f

b

0

ge

c

aa

n1

n

O TL Ts2 Ts1 T

R3

~

KM3

KM2

KM1

R2

R1

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转子串频敏变阻器起动 频敏变阻器 实质上是一台铁损很大的电抗器。它是一个三相铁心线圈，其铁心不用硅钢片而用厚钢板叠成。铁心中产生涡流损耗和一部分磁滞损耗，铁心损耗相当于一个等值电阻，其线圈又是一个电抗，其电阻和电抗都随频率变化而变化。

接线图 特点

具有结构简单、造价便宜、维护方便、无触点、运行可靠、起动平滑等优点。

它具有一定的线圈电抗，功率因数较低，起动转矩要小一些，故一般适用于电机的轻载起动 。

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转子串频敏变阻器的接线图 A B C

KM

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三相异步电动机的调速由

可知调速的方法有：

变极调速

变频调速

改变转差率调速

)1(60

)1( 11 s

p

fsnn

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变极调速 定义 在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，电动机的同步转

速就会发生变化，从而改变电动机的转速。 原理 变极一般采用反向变极法，即通过改变定子绕组的接法，使之半绕组

中的电流反向流通，极数就可以改变。这种因极数改变而使其同步速发生相应变化的电机，我们称之为多速电动机。其转子均采用鼠笼式转子，因其感应的极数能自动与定子变化的极数相适应。

接线图 左图为四极 右图为两级

U UN V W U V W

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变频调速 原理 在定子绕组极对数一定的情况下，旋转磁场的转速 n1 与电源频率 f1 成正比，

所以连续地调节频率就可以平滑地调节异步电动机的转速。 注意 在变频调速中，由定子电势方程式 U1≈E1=4.44f1w1Kw1φm 可以看出，当降低

电源频率 f1 调速时，若电源电压 U1 不变，则磁通 φm 将增加，使铁心饱和，从而导致励磁电流和铁损耗的大量增加，电机温升过高，这是不允许的。因此在变频调速的同时，为保持磁通 φm 不变，就必须降低电源电压，使 U1/f1 为常数。另在变频调速中，为保证电机的稳定运行，应维持电机的过载能力 λ 不变。

特点 一是能平滑无级调速、调速范围广、效率高。 二是因特性硬度不变，系统稳定性较好。 三是可以通过调频改善起动性能。 主要缺点是系统较复杂、成本较高。

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改变转差率调速 改变定子电压调速

转子串电阻调速

串级调速

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改变定子电压调速 原理 对于转子电阻大、机械特性曲线较软的鼠笼式异步电动机，如所加

在定子绕组上的电压发生改变，则负载转矩 TL 对应于不同的电源电压 U1 、

U2 、 U3 ，可获得不同的工作点，从而获得不同的转速。 特点

电动机的调速范围很宽。 缺点是低压时机械特性太软，转速变化大，

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转子串电阻调速 原理 转子串电阻时最大转矩不变，临界转差率加大。所串电阻越大，

则运行段机械特性的斜率越大。转子串电阻 R1 前后有

特点转子串电阻调速的优点是方法简单，主要用于中、小容量的

绕线式异步电动机，如桥式起动机等。

常数

ba s

Rr

s

r 122

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串级调速 概念 串级调速，就是在异步电动机的转子回路串入一个三相对称的附加

电势，其频率与转子电势相同，改变的大小和相位，就可以调节电动机

的转速。 分类

低同步串级调速 转速低于同步转速 超同步串级调速 转速高于同步转速

特点 它也是只适用于绕线式异步电动机。

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三相异步电动机的反转与制动 三相异步电动机的反转

三相异步电动机的制动

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三相异步电动机的反转 原理 电动机的旋转方向取决于定子旋转磁场的旋转方向。因此只要改变旋转磁场的旋转方向，就能使三相异步电动机反转。

方法 互换电源的任意两相，就可实现反转。 接线图

正转

A B C

M3~

电 源

反转M3~

电 源A B C

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三相异步电动机的制动 目的

在负载转矩为位能性负载转矩的机械设备中（例如起重机下放重物时，运输工具在下坡运行时）使设备保持一定的运行速度。

在机械设备需要减速或停止时，电动机能实现减速和停止。

制动方法 机械制动 利用机械装置使电动机从电源切断后能迅速停转。 电气制动 使异步电动机所产生的电磁转矩 T 和电动机转子的转速 n 的方向相反。

电气制动的方法 能耗制动 反接制动 回馈制动

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能耗制动 方法 将运行着的异步电动机的定子绕组从三相交流电源上断开后，立即接到直流电

源上。 原理 当定子绕组通入直流电源，将在电机中将产生一个恒定磁场。当转

子因机械惯性按原转速方向继续旋转时，转子导体会切割这一恒定磁场，从而在转子绕组中产生感应电势和电流。转子电流又和恒定磁场相互作用产生电磁转矩 T ，根据右手定则可以判断电磁转矩的方向与转子转动的方向相反，则 T 为一制动转矩。在制动转矩作用下，转子转速将迅速下降，当 n = 0 时， T = 0 ，制动过程结束。

特点 能耗制动的优点是制动力强，制动较平稳。 缺点是需要一套专门的直流电源供制动用。

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反接制动 电源反接制动

方法 改变电动机定子绕组与电源的联接相序， 原理 当电源的相序发生变化，旋转磁场 n1立即反转，从而使转子绕组中的感应电势、电流和电磁转矩都改变方向。因机械惯性，转子转向未发生变化，则电磁转矩 T 与转子的转速 n 方向相反，电机进入制动状态，这个制动过程我们称为电源反接制动。

倒拉反接制动 方法 当绕线式异步电动机拖动位能性负载时，在其转子回路中串入很大的电阻。 原理 在转子回路串入很大的电阻，机械特性变为斜率很大的曲线，因机械惯性，工作点向下移。此时电磁转矩小于负载转矩，转速下降。当电机减速至 n = 0 ，电磁转矩仍小于负载转矩，在位能负载的作用下，电动机反转，工作点继续下移。此时因 n<0 ，电机进入制动状态，直至电磁转矩等于负载转矩，电机才稳定运行。

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回馈制动 方法 电动机在外力（如起重机下放重物）作用下，使其电动机的转速超

过旋转磁场的同步速。

原理 起重机下放重物。在下放开始时， n<n1 ，电动机处于电动状态。在

位能性转矩的作用下，电动机的转速大于同步转速时，转子中感应电势、电流和转矩的方向都发生了变化，电磁转矩方向与转子转向相反，成为制动转矩。此时电动机将机械能转变为电能馈送电网，所以称回馈制动。

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三相异步电动机故障分析及维护 起动前的准备

起动时的注意事项

运行中的监视

电动机的定期维修

常见故障的诊断及排除方法

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