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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?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。
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：
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?sNE2N nM3TnG（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。 【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。