三相异步电动机在各种运行特性下的机械特性

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实验五 三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性

【思考要点】

1． 如何利用现有设备测定三相绕线式异步电动机的机械。 2． 测定各种运行状态下的机械特性应注意哪些问题。

3． 如何根据所测得的数据计算被试电机在各种运行状态下的机械特性。

【实验原理】

三相异步电动机的定、转子之间没有直接电的联系，它们之间的联系是通过电磁感应而实现的。一台三相异步电动机的电磁转矩的大小决定了其拖动负载的能力，而三相异步电动机的电磁力矩的大小不仅与电动机本身的参数有关，也和其外加电源的电压有关。本实验围绕异步电动机的电磁力矩和其参数、外加电压的关系以及各种运行状态等电力拖动问题进行展开。

1. 三相异步电动机的机械特性

机械特性是指电动机转速n与转矩T之间的关系，一般用曲线表示。欲求机械特性，先求T与n的数学关系式，称为机械特性表达式。

电磁转矩

'R2mIPemsT00'12

由异步电动机的近似等效电路，得

'I2UXR'2R1X1X2s'22 代入T的公式，即得参数表达式

mT10考虑到

UX'2R2s'R'(R12)2(X1X2)s

n(1s)n0，

2n0， 60即可由此式绘出异步电动机的机械特性曲线nft，如图6.24所示。

0 3

图6.24 三相异步电动机机械特性

机械特性的参数表达式为二次方程，电磁转矩必有最大值，称为最大转矩Tm。

dT将表达式对s求导，并令0，可求出产生最大转矩Tm时的转差率Sm

ds'R2Sm

2'2R1X1X2Sm称为临界转差率。代入T的公式则可得Tm的公式

2m1UX T20'2R1R12X1X2式中正号对应于电动机状态，负号适用于发电机状态。

' 一般R1(X1X2)，故可得近似公式

'R2 Sm'X1X2Tm'20X1X22mU1X

2可见：（1）当电动机参数和电源频率不变时，TmUX，而Sm与UX无关；

'（2）当电源电压和频率不变时，Sm和Tm近似与(X1X2)成反比； '（3）增大转子回路电阻R2，只能使Sm相应增大，而Tm保持不变。

最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，也称过载能力，用KT表示：

TKTm

TN一般异步电动机KT＝1.8～3.0。对于起重冶金机械用的电动机，可达3.5。

异步电动机起动时，n＝0，s＝1，代入参数表达式，可得起动转矩的公式

2'm1UXR2Tst

0RR'2XX'21212由此式可知，对绕线式异步电动机，转子回路串接适当大小的附加电阻，能加大起动转矩Tst，从而改善起动性能。

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起动转矩Tst与额定转矩TN之比，称为起动转矩倍数Kst：

TTKststKstst

TNTN一般电动机Kst＝1.0～2.0，对于起重冶金机械用的电动机为2.8～4.0。

2. 三相异步电动机的制动

异步电动机的制动亦分三类四种。 （1）能耗制动

能耗制动的实现如图6.25（a）所示。

1J2JM3

（a）（b）

图6.25 三相异步电动机能耗制动

（a）电路图 （b）机械特性

将1J断开，2J接通，亦即让电动机从三相电源断开，定子绕组通入一定大小的励磁电流。转子由于惯性，继续旋转时，转子绕组切割定子绕组产生的恒定磁场，感应电动势和电流，转子载流导体在磁场中受到电磁力的作用。产生与转向相反的转矩，电动机进入制动状态。随着转速的降低，制动转矩亦随之减少，到n＝0时，T＝0，故可用于准确停车。能耗制动的机械特性如图6.25（b）所示。

能耗制动的机械特性曲线过0点，如图中曲线所示，如果励磁电流不变，加大转矩电路所串电阻，特性斜率增大，Tm不变，如曲线3所示。如果电阻不变，减小励磁电流，则曲线如图中曲线2所示，Tm减小。由机械特性曲线可以看出能耗制动用于快速停车的过程，这时一般取励磁电流：

I23I0，I00.20.5IN 转子回路串接的电阻：

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3I2N3I2N可保证快速停车时最大制动转矩为（1.25~2.2）TN。

异步电动机带位能性负载时，可用于低速下放重物，此时的机械特性在第Ⅳ象限。转子电路串接的电阻越大，下放速度越高；定子电流I－越大，下放速度越慢。 （2）反接制动

实现反接制动的方法有两种：转速反向的反接制动和定子两相反接的反接制动。 a．转速方向的反接制动

R0.20.4E2NR2，R2sNE2NnM3TnG（a） （b）

图6.26 异步电动机转速反向时的反接制动

（a）电路图 （b）机械特性

如图6.26所示，绕线型异步电动机带位能性负载时，若要下放重物，可在转子回路串接较大电阻，使电动机的Tst设制动前电动机运行于电动机运行状态，工作在图6.27（b）中的A，若将定子两相反接，工作点移至新的特性上的B点，转矩为负，进入制动状态，快速减速，转速降至零以前，及时断开电源，否则可能出现反转现象。调节制动电阻Rf的大小，可以调速快速停车的速度。Rf较小，制动转矩调大，制动较快。

TM3nRc（a） （b） 图6.27 异步电动机两相反接的反接制动

（a）电路图；（b）机械特性。

（3）回馈制动

当电动机由于某种外因，例如在位能负载作用下，使电动机的转速高于同步转速n0，电动机处于发电机状态，将系统的动能转换成电能送回电网，三相异步电动机处于回馈制动状态。

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【实验目的】

了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。

【实验内容】

1． 测定三相绕线式异步电动机在电动运行状态和再生发电制功状态下机械特性。 2． 测定三相绕线式异步电动机在反接制动运行状态下的机械特性。

【实验设备】

1． 三相交流可调电源

2． 220V直流电机励磁电源 3． 直流可调稳压电源 4． 电机导轨 5． 测速表

6． 直流电压表、直流电流表 7． 900Ω三相可调电阻器 8． 90Ω三相可调电阻器 9． 三刀双置开关

【实验步骤】

直直直直直UVV1A1**W1M3RSWIa*A2W2*IfV2直直直直直直直直mASMRfR1直直直直直直直直

图6.28 绕线式异步电动机机械特性实验接线图

实验线路如图6.28。

M为三相绕线式异步电动机M09，额定电压UN=220伏，Y接法； G为直流并励电动机M03（作他励接法），其UN=220伏，PN=185W RS选用三组90Ω电阻（每组为MEL-04，90Ω电阻）

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R1选用675Ω电阻（MEL-03中，450Ω

电阻和225Ω电阻相串联），如图6.29。

Rf选用3000Ω电阻（电机起动箱中，磁场调节电阻）

V2、A2、mA分别为直流电压、电流、毫安表，采用MEL-06或直流在主控制屏上 V1、A1、W1、W2为交流、电压、电流、功率表，含在主控制屏上 S1选用MEL-05中的双刀双掷开关

1． 测定三相绕线式异步电机电动及再发电制动机械特性

仪表量程及开关、电阻的选择：

（1）V2的量程为300V档，mA的量程为200mA档，A2的量程为2A档。 （2）RS阻值调至零，R1、Rf阻值调至最大。 （3）开关S1合向“2”端。 （4）三相调压旋钮逆时针到底，直流电机励磁电源船形开关和220V直流稳压电源船形开关在断开位置。并且直流稳压电源调节旋扭逆时针到底，使电压输出最小。

实验步骤：

（1）接下绿色“闭合”按钮开关，接通三相交流电源，调节三相交流电压输出为180V（注意观察电机转向是否符合要求），并在以后的实验中保持不变。

（2）接通直流电机励磁电源，调节Rf阻值使If=95mA并保持不变。接通可调直流稳压电源的船形开关和复位开关，在开关S1的“2”端测量电机G的输出电压极性，先使其极性与S1开关“1”端的电枢电源相反。在R1为最大值的条件下，将S1合向“1”端。

（3）调节直流稳压电源和R1的阻值（先调节R1中的450Ω电阻，当减到0时，用导线短接，再调节225Ω电阻，同时调节直流稳压电源），使电动机从堵转（约200转左右）到接近于空载状态，其间测取电机G的Ua、Ia、n及电动机M的交流电流表A、功率表PI、PII的读数。共取8～9组数据记录于表6.20中。

表6.20 电动运行机械特性数据表

U=180V RS=0Ω If= mA Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) PII(W) n(r/min) （4）当电动机M接近空载而转速不能调高时，将S1含向“2”位置，调换发电机G的电枢极性使其与“直流稳压电源”同极性。调节直流电源使其G的电压值接近相等，将S1

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合至“1”端，减小R1阻值直至为零（用导线短接900Ω相串联的电阻）。

（5）升高直流电源电压，使电动机M的转速上升，当电机转速为同步转速时，异步电机功率接近于0，继续调高电枢电压，则异步电机从第一象限进入第二象限再生发电制动状态，直至异步电机M的电流接近额定值，测取电动机M的定子电流I1、功率PI、PII，转速r和发电机G的电枢电流Ia，电压Ua，填入表6.21中。

表6.21 再生发电机械特性数据表

U=180V If= A Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) PII(W) n(r/min) 2． 电动及反接制功运行状态下的机械特性

在断电的条件下，把RS的三只可调电阻调至90Ω，折除R1的短接导线，并调至最大2250欧，直流发电机G接到S1上的两个接线端对调，使直流发电机输出电压极性和“直流稳压电源”极性相反，开关S1合向左边，逆时针调节可调直流稳压电源调节旋钮到底。

（1）按下绿色“闭合”按钮开关，调节交流电源输出为200伏，合上励磁电源船形开关，调节Rf的阻值，使If=95mA。

（2）按下直流稳压电源的船形开关和复位按钮，起动直流电源，开关S1合向右边，让异步电机M带上负载运行，减小R1阻值（先减小1800欧0.41A，当减至最小时，用导线短接，再接小450欧0.82A），使异步发电机转速下降，直至为零。

（3）继续减小R1阻值或调离电枢电压值，异步电机即进入反向运转状态，直至其电流接近额定值，测取发电机G的电枢电流Ia、电压、Ua值和异步电动机M的定子电流I1、P1、PII、转速n，共取8～9组数据填入表6.22中。

表6.22 反接制动机械特性数据表

U=200V Uf=95mA Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) PII(W) n(r/min) 【注意事项】

调节串并联电阻时,要按电流的大小而相应调节串联或并联电阻,防止电阻器过流引起烧坏。

【实验报告】

根据实验数据绘出三相绕线转子异步电机运行在三种状态下的机械特性。

【实验思考】

1. 再生发电制动实验中,如何判别电机运行在同步转速点？

2. 在实验过程中,为什么电机电压降到200V？在此电压下所得的数据,要计算出

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全压下的机械特性应作如何处理？

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三相异步电动机在各种运行状态下的机械特性实验报告

一、实验目的

了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。

二、实验设备

10． 三相交流可调电源 11． 220V直流电机励磁电源 12． 直流可调稳压电源 13． 电机导轨 14． 测速表 15． 直流电压表、直流电流表 16． 900Ω三相可调电阻器 17． 90Ω三相可调电阻器 18． 三刀双置开关

三、实验原理图

直直直直直UVV1A1**W1M3RSWIa*A2W2*IfV2直直直直直直直直mASMRfR1直直直直直直直直

图1 绕线式异步电动机机械特性实验接线图

四、实验内容

3． 测定三相绕线式异步电机电动及再发电制动机械特性

表1 电动运行机械特性数据表

U=180V RS=0Ω If=mA Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) n(r/min) 11

PII(W) 表2 再生发电机械特性数据表

U=180V If=A Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) PII(W) n(r/min) 4． 电动及反接制功运行状态下的机械特性

表3 反接制动机械特性数据表

U=200V Uf=95mA Ua(A) Ia(A) I1(A) PI(W) PII(W) n(r/min) 五、实验结果与分析

1. 根据实验数据绘出三相绕线转子异步电机运行在三种状态下的机械特性。

2. 再生发电制动实验中,如何判别电机运行在同步转速点？

3. 在实验过程中,为什么电机电压降到200V？在此电压下所得的数据,要计算出

全压下的机械特性应作如何处理？

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