舉例說(shuō)明異步電機(jī)的機(jī)械特征有哪些？
同步電機(jī)的工作是靠“磁場(chǎng)總是沿著磁路最短的方向上走”，以轉(zhuǎn)場(chǎng)失電機(jī)為例。在轉(zhuǎn)子上有了勵(lì)磁后，出現(xiàn)了N和S極；然后定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，其N(xiāo)，S極的相互變化，總是與轉(zhuǎn)子上的磁極一一對(duì)應(yīng)。所以形成了同步。更重要的是，定、轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)必須相同，否則電機(jī)是不能運(yùn)轉(zhuǎn)的。
而異步電動(dòng)機(jī)是靠感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。原理是，在定子繞組加三相電壓后，會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)條因切割磁力線，所以產(chǎn)生了電勢(shì)；又由于導(dǎo)條是連通的，所以就產(chǎn)生了電流。此時(shí)，我們就想到了初中時(shí)學(xué)的---“帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)”。所以，這樣的電動(dòng)機(jī)才叫“感應(yīng)電機(jī)”。對(duì)于異步或感應(yīng)電機(jī)來(lái)講，其轉(zhuǎn)子的極數(shù)是自動(dòng)感應(yīng)定子極數(shù)的。也可以講，轉(zhuǎn)子是沒(méi)有極數(shù)的。（以上是以電樞繞組在定子上做例的）。異步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)樞/轉(zhuǎn)場(chǎng)之說(shuō)。
另外，對(duì)于轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，無(wú)永磁體，也無(wú)槽，而定子上有分布繞組的電機(jī)，應(yīng)該屬于感應(yīng)電機(jī)的一種。這種電機(jī)在小型或微型或特殊的大型電機(jī)上也常使用。
例 有一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速 n=975r/min，電源頻率f=50Hz，求電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率S。
解：由于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速接近而略小于同步轉(zhuǎn)速，而同步轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)于不同的極對(duì)數(shù)有一系列固定的數(shù)值。顯然，與975r/min最相近的同步轉(zhuǎn)速n0=1000r/min，與此相應(yīng)的磁極對(duì)數(shù)p=3。因此，額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率為：
三相異步電動(dòng)機(jī)中的電磁關(guān)系同變壓器類(lèi)似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的原繞組，轉(zhuǎn)子繞組（一般是短接的）相當(dāng)于副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓，則定子中就有三相電流通過(guò)，此三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其磁力線通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子鐵心而閉合，這個(gè)磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子和定子的每相繞組中都要感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。
一、機(jī)械特性分析
機(jī)械特性的曲線被Tm分成兩個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域，即AB段和BC段。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，只要起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ大于反抗力矩TL，電動(dòng)機(jī)便轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電磁轉(zhuǎn)矩Tem的變化
沿曲線BC段運(yùn)行。隨著轉(zhuǎn)速的上升，BC段中的Tem一直增大，所以轉(zhuǎn)子一直被加速使電動(dòng)機(jī)很快越
過(guò)CB段而進(jìn)入AB 段，在AB段隨著轉(zhuǎn)速上升，電磁轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升某一定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩
Tem與反抗轉(zhuǎn)矩TL相等，此時(shí)，轉(zhuǎn)速不再上升，電動(dòng)機(jī)就穩(wěn)定運(yùn)行在AB段，所以BC段稱為不穩(wěn)定區(qū)，AB段稱為穩(wěn)定區(qū)。
電動(dòng)機(jī)一般都工作在穩(wěn)定區(qū)域AB段上，在這區(qū)域里，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而略有下降，這種機(jī)械特性稱為硬特性。三相異步電動(dòng)機(jī)的這種硬特性很適用于一般金屬切削機(jī)床。
下面分析反映異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械的三個(gè)特殊轉(zhuǎn)矩。
（一）額定轉(zhuǎn)矩TN
電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩TN，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速nN，轉(zhuǎn)差率為額定轉(zhuǎn)差率sN。由于在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Tem=TL =T2+T0，空載轉(zhuǎn)矩T0一般很小，常可忽略不計(jì)，所以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速可以根據(jù)銘牌上的額定轉(zhuǎn)速和額定功率（輸出機(jī)械功率）按下式求出
TL =T2=PN/ω=（PN×103）/((2πnN）/60)=9550(PN/nN) (3—33)
式中，PN的單位為kW；nN的單位為r/min。
（二）最大轉(zhuǎn)矩Tm
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩Tm (或稱為臨界轉(zhuǎn)矩，對(duì)應(yīng)于特性曲線上的B點(diǎn))。此時(shí)轉(zhuǎn)差率sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率。
(dT)/(ds)=0
可求得臨界轉(zhuǎn)差率 sm=(R2)/X20 （3—34）
與之對(duì)應(yīng)的為 Tm=C/(2X20) （3—35）
1．當(dāng)電源電壓為定值時(shí)，轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子電阻R2成正比，R2愈大sm就愈小。但Tm不變，在轉(zhuǎn)子電路中串入不同的附加電阻，便可使sm向s=1的方向移動(dòng)，在相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TN下，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)就沿a，b，c移動(dòng)，轉(zhuǎn)差率s就逐漸變大，轉(zhuǎn)速n2變小，故異步電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)在轉(zhuǎn)子電路中串接不同的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速
2．最大轉(zhuǎn)矩Tm 與電源電壓成正比，與轉(zhuǎn)子電阻R2的大小無(wú)關(guān)。顯然，當(dāng)電源電壓有波動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩也隨之變化。
當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過(guò)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)將因帶不動(dòng)負(fù)載而發(fā)生停車(chē)，俗稱“悶車(chē)”。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流立即增大到額定值的6～7倍，將引起電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)熱，甚至燒毀。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩只是短時(shí)間接近最大轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)過(guò)載，這是允許的，因?yàn)闀r(shí)間很短，電動(dòng)機(jī)不會(huì)立即過(guò)熱。
為了保證電動(dòng)機(jī)在電源電壓的波動(dòng)時(shí)能正常工作，規(guī)定電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tm要比額定轉(zhuǎn)矩TN大得多，通常用過(guò)載系數(shù)λ=Tm/TN來(lái)衡量電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力。一般λ=1.8～2.5。λ的數(shù)值可在電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄中查到。
3．起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TQ
由上式可見(jiàn)，TQ與電源電壓的平方成正比，與轉(zhuǎn)子電阻R2亦成正比，這種關(guān)系仍可從圖3—23和圖3—24中看到。當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電阻（對(duì)繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)而言），起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)增大，當(dāng)降低電源電壓時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將減小。
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的比值λQ=TQ/TN反映了異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力。一般λQ=0.9～1.8。籠型異步電動(dòng)機(jī)取值較小，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)取值較大
異步電機(jī)的固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性
（一） 固有機(jī)械特性
異步電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓及額定頻率下，電動(dòng)機(jī)按規(guī)定的接線方法接線，定子及轉(zhuǎn)子電路中不外接電阻(電抗或電容)時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性，如圖3—25所示。下面對(duì)固有機(jī)械特性上的幾個(gè)特殊點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。
1．起動(dòng)點(diǎn)A
電動(dòng)機(jī)接通電源開(kāi)始起動(dòng)瞬間，其工作點(diǎn)位于A點(diǎn)，此時(shí)：n=0，s=1，Tem=Tst，定子電流I1=Ist=（4~7）IN（IN為額定電流）。
2．最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)P
B點(diǎn)是機(jī)械特性曲線中線性段（H—P）與非線性段（P—A）的分界點(diǎn)，此時(shí)：s=sm，Tem=Tm。通常情況下，電動(dòng)機(jī)在線性段上工作是穩(wěn)定的，而在非線性段上工作是不穩(wěn)定的，所以P點(diǎn)也是電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的臨界點(diǎn)。
3．額定運(yùn)行點(diǎn)B
電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)位于B點(diǎn)，此時(shí)：n=nN，s=sN，Tem=TN，I1= IN。電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率很小，一般sN=0.01~0.06，nN略小于n1，故固有特性的線性段為硬特性。
4．同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)H
H點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到了同步轉(zhuǎn)速。此時(shí)：n=n1，s=0，Tem=0，轉(zhuǎn)子電流I2=0，顯然如果沒(méi)有外界轉(zhuǎn)矩的作用，異步電動(dòng)機(jī)本身不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。
若改變U1和f1或定子和轉(zhuǎn)子回路串附加電阻和電抗某一參數(shù)(或物理量)時(shí)，所得Tem=f（n）或Tem=f（s）的關(guān)系曲線，稱為人為機(jī)械特性。
1．降低U1時(shí)的人為機(jī)械特性
由于設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，在額定電壓下磁路已經(jīng)飽和，如升高電壓會(huì)使勵(lì)磁電流猛增，使電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，甚至燒壞。故一般只能得到降壓時(shí)的人為機(jī)械特性。最大轉(zhuǎn)矩Tm及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst均與成正比，sm和n1與U1無(wú)關(guān)(即保持不變)。降低U1的人為機(jī)械特性的繪制，先繪出固有機(jī)械特性，在不同的轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)差率)處，固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)矩值乘以電壓變化后與變化前比值的平方，即得人為機(jī)械特性上對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩值，如圖3—26所示。
應(yīng)當(dāng)指出，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩接近額定，降低電源電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行是極為不利的。因?yàn)楫?dāng)負(fù)載為額定值不變時(shí)如果電源電壓因故降低，氣隙主磁通減小，但轉(zhuǎn)速變化不多，其功率因數(shù)cos變化不大，則從公式Tem=C/T0I/2cos可知，轉(zhuǎn)子電流I/2要增大，使定子電流I1相應(yīng)增大。從電機(jī)的損耗看，雖然的減小能降低點(diǎn)鐵耗，但銅耗與電流的平方成正比，若電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期低壓運(yùn)行，會(huì)使電機(jī)過(guò)熱甚至燒壞。
2．定子回路串接三相對(duì)稱阻抗時(shí)的人為機(jī)械特性
當(dāng)其他量不變，僅在異步電動(dòng)機(jī)定子回路串入三相對(duì)稱電阻Rf時(shí)的人為機(jī)械特性如圖3—27所示。sm、Tm及Tst都隨Rf的增大而減小。定子串入對(duì)稱阻抗，一般用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的降壓起動(dòng)，以限制起動(dòng)電流。
異步電機(jī)定子回路串電阻的人為機(jī)械特性
3．轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱電阻的人為機(jī)械特性
在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入同樣大小的電阻RΩ，使轉(zhuǎn)子回路電阻由r2上升為r2+RΩ，n1及Tm都不變；sm隨著RΩ的增大而增大，Tst值將改變，開(kāi)始隨RΩ的增大而增大，一直增大到時(shí)，Tst=Tm，如RΩ繼續(xù)增大，Tst將開(kāi)始減小，人為機(jī)械特性如圖3—28所示。轉(zhuǎn)子回路串接對(duì)稱電阻適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速。
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