第15章__三相异步电动机的功率、转矩和运行特性

1,第十章三相异步电动机的功率、转矩与运行性能,2,本章主要内容,第一节三相异步电动机的功率与转矩平衡关系第二节三相异步电动机的电磁转矩及机械特性第三节三相异步电动机的工作特性第四节三相异步电动机的参数测定,3,第一节三相异步电动机的功率与转矩平衡关系,1.功率平衡方程,电源输入的电功率,定子绕组铜耗,4,1.功率平衡方程,铁心损耗,铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，电动机正常运行时转子电势频率很低，2-3周/秒，所以铁耗主要集中在定子中，转子铁耗可忽略。,为什么电机铁耗只考虑定子侧铁耗，而不考虑转子铁耗？,5,输入电功率P1减去pCu1和pFe后，余下的功率即为电磁功率。,也可表示为：,1.功率平衡方程,电磁功率：通过电磁感应从定子侧传递到转子侧的功率。,6,附加电阻上的损耗,1.功率平衡方程,电磁功率,转子铜耗,注意：附加电阻上的损耗即为电机输出的总机械功率。,7,1.功率平衡方程,电磁功率Pem扣除转子铜耗pcu2后，即为消耗在附加电阻上的功率（总机械功率）：,总机械功率,8,1.功率平衡方程,转子铜耗与电磁功率的关系,电磁功率也可表示为：,结论：电磁功率等于转子铜耗和电机输出的总机械功率之和。,9,几个重要功率关系,转差功率转子铜耗,转子铜耗与转差有关，转差越大，铜耗越大。电机正常运行时，s不大，所以铜耗也小。,1.功率平衡方程,10,几个重要功率关系,电磁功率与总机械功率的关系,1.功率平衡方程,11,转子铜耗与电磁功率的关系：,总机械功率与电磁功率的关系：,1.功率平衡方程,电磁功率、总机械功率与转子铜耗的关系：,12,结论：从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。,几个重要关系,1.功率平衡方程,13,在大型异步电动机中，约为输出额定功率的0.5，小型异步电动机满载时，可达输出额定功率的13或更大。,附加损耗：定、转子开槽和定、转子磁动势中的谐波磁动势等产生的损耗，用表示，一般不易计算，往往根据经验估算。,机械损耗：轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，用表示。,1.功率平衡方程,14,总机械功率减去机械损耗和附加损耗，才是转轴上真正输出的机械功率，用表示：,1.功率平衡方程,电机转轴输出的机械功率,电机功率平衡方程,15,图10-1异步电动机功率流程图,1.功率平衡方程,16,2.转矩平衡方程,转子机械角速度,输出转矩,电磁转矩,与负载无关的空载转矩,功率平衡方程式,转矩平衡方程式,17,同步角速度,电磁转矩,电磁转矩既可通过机械功率求出，也可通过电磁功率求出。机械功率求电磁转矩-机械角速度电磁功率求电磁转矩-同步角速度,2.转矩平衡方程,18,1、为什么异步电动机正常运行时转差率很小？异步电动机的运行效率与转速有无关系？转速高，效率高，铜耗随转差率增大而增大。2、电磁转矩与电磁功率有什么关系？电磁转矩与机械功率有什么关系？同步角速度，机械角速度,19,1.电磁转矩表达式（1）物理表达式电磁功率：,电磁转矩为：,第二节三相异步电动机的电磁转矩及机械特性,20,表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。,结论：T为m、I2及cos2的函数，当异步电动机起动时，转子边电路cos2很低，尽管此时I2很大，电磁转矩T却不大。,电磁转矩物理表达式,1.电磁转矩表达式,21,（2）参数表达式物理表达式-定性分析参数表达式-定量分析(推导从略),，为异步电动机的短路电抗。,1.电磁转矩表达式,22,（2）参数表达式,1.电磁转矩表达式,讨论：电磁转矩与电源参数（U、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。,23,1、异步电动机带恒转矩负载运行，电源电压下降，当电动机稳定运行后，电动机电磁转矩如何变化？不变,24,定义：异步电动机电源电压恒定，电机参数已知时，转差率s与电磁转矩T的关系曲线，即曲线，称为异步电动机的机械特性曲线。,2.机械特性,25,图10-2异步电机的机械特性,2.机械特性,26,理想空载运行点：（实际）,机械特性的几个特殊点：,额定运行点：,最大转矩点：,起动点：,2.机械特性,27,（1）额定电磁转矩TN,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,28,最大转矩:电机带动最大负载的能力。,令，求出当T最大时的转差率sK。,，电机因带不动负载而停转。,电磁转矩,（2）最大电磁转矩Tmax,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,29,（2）最大电磁转矩Tmax,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,最大转矩又叫停转转矩，如果超过这个转矩，电动机将停止运行，对应转差率sK为稳定运行最大转差率，称为临界转差率。,30,分析,电源频率不变及电机参数固定时，Tmax与U12成正比，但产生Tmax时的临界转差率不变，与电源电压无关。,最大电磁转矩Tmax的大小与转子电阻无关，但转子电阻大小变化会影响sK的变化，r2增大，sK增大。,电源电压和频率一定，最大转矩与短路阻抗成反比。,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,31,最大转矩,绕线式异步电机可在转子回路串电阻，使起动转矩随转子电阻的增大而增加，直到sK=1，起动转矩为最大转矩。此时，起动转矩最大，转差也大，转子铜耗增加。,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,32,当其它参数一定时：,最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。,频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。,转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,33,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,34,（3）起动转矩,起动转矩（又叫堵转转矩）的大小决定电动机的起动性能。,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,35,，电压减小，起动转矩成平方倍减小。要增大起动转矩，可在转子回路串电阻，随所串电阻的增大，起动转矩也增加。但是，转子电阻增加，转差率增大，转子铜耗也增大。,电动机起动时有最大转矩，可令sk=1，则起动转矩为最大转矩时转子回路所串的电阻应为：,3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩,36,1、三相绕线式异步电动机转子回路串电阻后，下列参数将如何变化？（1）起动电流（2）起动转矩（3）最大转矩（4）临界转差率减小，增大，不变，增大,37,2、若频率为50HZ的三相异步电动机接在频率为60Hz的电网上运行，电动机下列参数将如何变化？（1）起动转矩；（2）最大转矩；（3）起动电流。减小，减小，减小,38,3、异步电动机电源电压升高对最大转矩和起动转矩有何影响？若负载转矩保持不变，转速及转差率如何变化？最大转矩和起动转矩增大，转速升高，转差率减小。,39,（1）过载能力,电机负载转矩大于最大转矩，电机将停转。为保证电机不因短时过载而停转，要求电机具有一定的过载能力。一般异步电动机的Km=1.62.5，特殊要求时Km=2.83.0。,4.过载能力和起动转矩倍数,过载能力：最大电磁转矩与额定电磁转矩之比。用Km表示，Km为：,40,（2）起动转矩倍数起动转矩太小，一定负载下电动机可能无法起动。起动转矩越大，电动机起动越容易。用Tst和TN的比值来表示电动机起动转矩的倍数，为：,起动转矩倍数是电动机的又一个重要性能指标，我国生产的Y系列三相笼型异步电动机，Kst为1.2-2.4（中小型）和0.50.8（大中型）。,4.过载能力和起动转矩倍数,41,恒转矩负载：转矩与转速无关，TL=C。离心式负载：n,TL，如：风机、水泵。,机械负载类型,负载性质不同，电机稳定运行区域不一样。,5.稳定运行问题,42,电动机拖动机械负载：稳定运行：T=TL。TTL：电机加速。TSK,T,S,0,TL,T,T,T,a,a,a,b,b,b,SN,SN,SN,TL,TL,恒转矩负载：TL=C,b点为不稳定运行点。,5.稳定运行问题,45,TL,T,S,0,T,T,T,a,a,a,b,b,b,SN,SN,SN,TL,TL,恒转矩负载稳定运行区域：S（0，Sk）,稳定运行必要条件：,SK,5.稳定运行问题,46,稳定运行于c点:T=TLTLnST-TL0nTLnST-TL电阻，功率因数很低，一般不超过0.2。一般，额定负载时，功率因数达到最大。,59,3.功率因数特性,负载额定负载，s，转子回路等效电阻，转子回路呈感性，转子功率因数，定子侧功率因数。异步电动机额定工况下功率因数一般为0.8-0.9。,60,图106异步电动机工作特性曲线,61,4.定子电流特性,定子电流与转子电流有关系：,电机空载时，转子电流接近于零，定子电流等于励磁电流。负载增大，转速降低，转子电流增大，则定子电流也增大。,62,图106异步电动机工作特性曲线,63,5.效率特性曲线,异步电动机的效率为,为电动机的总损耗，,。,总损耗：不变损耗和可变损耗。其中，不变损耗包括铁耗和机械损耗，基本上不随负载的变化而改变；可变损耗（定、转子铜耗）随负载增大而增大。,64,空载：P2=0，=0。负载较小：不变损耗总存在，P1相对较大，效率低；负载增加，P2增大，P1也增大，效率迅速提高；负载过大，可变损耗增加很快，效率下降。,TL可变损耗增加较快，。,5.效率特性曲线,（最大效率发生在(0.71.1)PN),65,图106异步电动机工作特性曲线,66,第四节三相异步电动机的参数测定,异步电机基本试验方法：空载试验-求激磁参数，铁耗，机械损耗。短路试验-求短路参数。,67,1.异步电动机的空载试验,试验目的：测量励磁参数，包括励磁电阻、励磁电抗和励磁阻抗，以及铁耗和机械损耗。,图107异步电动机空载试验电路图,68,1.异步电动机的空载试验,试验方法：,转子空载，定子绕组加电源，nn1，测电压、电流、功率和转速；改变电压，重测，求空载特性I10、P10=f(U0)。,69,空载时输入功率=空载损耗空载损耗有：定、转子铜耗，铁耗，机械损耗和附加损耗。空载时转子绕组铜耗和附加损耗都很小，可忽略，有：,1.异步电动机的空载试验,空载损耗,定子铜耗：,铁耗：,70,U1=0，pFe=0，pFe与转速无关，,铁耗与机械损耗的分离,pFe与U12是一条直线关系,机械损耗与电压无关，而与转速有关，为平行于横轴的直线。,1.异步电动机的空载试验,71,1.异步电动机的空载试验,励磁参数的计算,72,测量短路阻抗、短路电阻、短路电抗，起动转矩与起动电流。,图1011异步电动机短路试验电路图,2.异步电动机的短路试验,试验目的：,73,2.异步电动机的短路试验,转子堵住不转，定子绕组加电源，调节试验电压，使U1k(00.4)U1N之间变化，测电压、电流、功率，得到短路特性I1k、P1k=f(U1)曲线。,试验方法：,74,2.异步电动机的短路试验,n=0，s=1，,短路运行时,短路参数的计算,75,中、大型异步电机通常认为：x1=x2=xk/2，常数。定子直流电阻r1用电桥测，r2=rk-r1。通常测三组数据进行计算：I1k=I1N，正常运行时用。I1k=(23)I1N，计算最大转矩时用。U1k=U1N，计算起动转矩时用。,2.异步电动机的短路试验,76,例题1,一台六极异步电动机，额定负载时，计算在额定时的。,解：磁极对数,取,同步转速：,77,例题1,一台六极异步电动机，额定负载时，计算在额定时的,额定转差率：,总机械功率：,转子铜损：,78,一台六