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2014-2-13 22:26:28点击: 编辑:湘潭电机厂

机械特性是异步电动机的主要特性,它是指电动机的转速n2与电磁转矩Tem之间的关系,即n2=f(Tem)。用s坐标替换成转速n2的坐标就成如图3—22所示的三相异步电动机的机械特性曲线。

一、机械特性分析

机械特性的曲线被Tm分成两个性质不同的区域,即AB段和BC段。

当电动机起动时,只要起动转矩TQ大于反抗力矩TL,电动机便转动起来。电磁转矩Tem的变化

沿曲线BC段运行。随着转速的上升,BC段中的Tem一直增大,所以转子一直被加速使电动机很快越

过CB段而进入AB 段,在AB段随着转速上升,电磁转速下降。当转速上升某一定值时,电磁转矩

Tem与反抗转矩TL相等,此时,转速不再上升,电动机就稳定运行在AB段,所以BC段称为不稳定区,AB段称为稳定区。

图3—22   三相异步电动机的机械特性曲线

电动机一般都工作在稳定区域AB段上,在这区域里,负载转矩变化时,异步电动机的转速变化不大,电动机转速随转矩的增加而略有下降,这种机械特性称为硬特性。三相异步电动机的这种硬特性很适用于一般金属切削机床。

下面分析反映异步电动机机械的三个特殊转矩。

(一)额定转矩TN

电动机在额定负载下稳定运行时的输出转矩称为额定转矩TN,对应的转速称为额定转速nN,转差率为额定转差率sN。由于在等速转动时,Tem=TL =T2+T0,空载转矩T0一般很小,常可忽略不计,所以电动机的额定转速可以根据铭牌上的额定转速和额定功率(输出机械功率)按下式求出

             TL =T2=PN/ω=(PN×10³)/((2πnN)/60)=9550(PN/nN)                      (3—33)

式中,PN的单位为kW;nN的单位为r/min。

(二)最大转矩Tm

电动机转矩的最大值,称为最大转矩Tm (或称为临界转矩,对应于特性曲线上的B点)。此时转差率sm称为临界转差率。

                                (dT)/(ds)=0       

可求得临界转差率           sm=(R2)/X20                                     (3—34)

与之对应的为              Tm=C/(2X20)                                  (3—35)

由式(3—34)和式(3—35)可看出:

1.当电源电压为定值时,转差率sm与转子电阻R2成正比,R2愈大sm就愈小。但Tm不变,在转子电路中串入不同的附加电阻,便可使sm向s=1的方向移动,在相同的负载转矩TN下,电动机的工作点就沿a,b,c移动,转差率s就逐渐变大,转速n2变小,故异步电动机可以通过在转子电路中串接不同的电阻来实现调速,如图3—23所示。

2.最大转矩Tm 与电源电压成正比,与转子电阻R2的大小无关。显然,当电源电压有波动时,电动机最大转矩也随之变化。图3—24所示是Tm与U1之间的变化关系曲线。

图3—23  不同R2时的s=f(Tem)曲线       图3—24  不同电源电压U1的n=f(Tem) 曲线(R2=常数)

当负载转矩超过最大转矩时,电动机将因带不动负载而发生停车,俗称“闷车”。此时电动机的电流立即增大到额定值的6~7倍,将引起电动机严重过热,甚至烧毁。如果负载转矩只是短时间接近最大转矩而使电动机过载,这是允许的,因为时间很短,电动机不会立即过热。

为了保证电动机在电源电压的波动时能正常工作,规定电动机的最大转矩Tm要比额定转矩TN大得多,通常用过载系数λ=Tm/TN来衡量电动机的过载能力。一般λ=1.8~2.5。λ的数值可在电动机产品目录中查到。

3.起动转矩TQ

由上式可见,TQ与电源电压的平方成正比,与转子电阻R2亦成正比,这种关系仍可从图3—23和图3—24中看到。当增加转子电阻(对绕线转子异步电动机而言),起动转矩会增大,当降低电源电压时,起动转矩将减小。

起动转矩和额定转矩的比值λQ=TQ/TN反映了异步电动机的起动能力。一般λQ=0.9~1.8。笼型异步电动机取值较小,绕线转子异步电动机取值较大。

4.实用表达式

虽然参数表达式在分析电磁转矩与电机参数间的关系,进行某些理论分析时是非常有用的。但定、转子的参数,在产品目录中找不到,因此用参数表达式来绘制机械或进行分析计算有时仍不方便。为此,可导出如下实用表达式:

根据产品目录求出Tm及sm后,在实用表达式中只剩下Tem与s两个未知数了。给定一系列的s值,算出一系列对应的Tem值,就可绘出机械特性n=f(Tem)曲线,同时还可利用它进行机械特性的其他计算。

                     参数表达式可用以分析参数变化时对电动机机械特性的影响;实用表达式适用于进行机械特性的工程计算。

二、固有机械特性和人为机械特性

(一) 固有机械特性

异步电动机工作在额定电压及额定频率下,电动机按规定的接线方法接线,定子及转子电路中不外接电阻(电抗或电容)时的机械特性称为固有机械特性,如图3—25所示。下面对固有机械特性上的几个特殊点进行说明。

1.起动点A

电动机接通电源开始起动瞬间,其工作点位于A点,此时:n=0,s=1,Tem=Tst,定子电流I1=Ist=(4~7)IN(IN为额定电流)。

2.最大转矩点P

B点是机械特性曲线中线性段(H—P)与非线性段(P—A)的分界点,此时:s=sm,Tem=Tm。通常情况下,电动机在线性段上工作是稳定的,而在非线性段上工作是不稳定的,所以P点也是电动机稳定运行的临界点。

3.额定运行点B

电动机额定运行时,工作点位于B点,此时:n=nN,s=sN,Tem=TN,I1= IN。电动机额定运行时转差率很小,一般sN=0.01~0.06,nN略小于n1,故固有特性的线性段为硬特性。

4.同步转速点H

H点是电动机的理想空载点,即转子转速达到了同步转速。此时:n=n1,s=0,Tem=0,转子电流I2=0,显然如果没有外界转矩的作用,异步电动机本身不可能达到同步转速点。

图3—25   固有机械特性

(二)人为机械特性

若改变U1和f1或定子和转子回路串附加电阻和电抗某一参数(或物理量)时,所得Tem=f(n)或Tem=f(s)的关系曲线,称为人为机械特性。

1.降低U1时的人为机械特性

由于设计电机时,在额定电压下磁路已经饱和,如升高电压会使励磁电流猛增,使电机严重发热,甚至烧坏。故一般只能得到降压时的人为机械特性。最大转矩Tm及起动转矩Tst均与成正比,sm和n1与U1无关(即保持不变)。降低U1的人为机械特性的绘制,先绘出固有机械特性,在不同的转速(或转差率)处,固有机械特性上的转矩值乘以电压变化后与变化前比值的平方,即得人为机械特性上对应的转矩值,如图3—26所示。

图3—26   减压时的人为机械特性

应当指出,如果负载转矩接近额定,降低电源电压对电动机的运行是极为不利的。因为当负载为额定值不变时如果电源电压因故降低,气隙主磁通减小,但转速变化不多,其功率因数cos变化不大,则从公式Tem=C/T0I/2cos可知,转子电流I/2要增大,使定子电流I1相应增大。从电机的损耗看,虽然的减小能降低点铁耗,但铜耗与电流的平方成正比,若电动机长期低压运行,会使电机过热甚至烧坏。

2.定子回路串接三相对称阻抗时的人为机械特性

当其他量不变,仅在异步电动机定子回路串入三相对称电阻Rf时的人为机械特性如图3—27所示。sm、Tm及Tst都随Rf的增大而减小。定子串入对称阻抗,一般用于鼠笼式异步电动机的降压起动,以限制起动电流。

图3—27   异步电机定子回路串电阻的人为机械特性

3.转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性

在绕线式异步电动机的转子回路串入同样大小的电阻RΩ,使转子回路电阻由r2上升为r2+RΩ,n1及Tm都不变;sm随着RΩ的增大而增大,Tst值将改变,开始随RΩ的增大而增大,一直增大到时,Tst=Tm,如RΩ继续增大,Tst将开始减小,人为机械特性如图3—28所示。转子回路串接对称电阻适用于绕线式异步电动机的起动和调速。

图3—28   转子串接对称电阻时的人为机械特性

4.改变电源频率的人为机械特性