第20章异步电动机功率转矩与运行性能09PPT课件

1、111 11cosPmU I211 11Cupm I R21 0Fempm I R11MFeCuPPpp说明：说明： 称为电磁功率，是通过定转子之间的电磁耦合关系从定子绕组传递到转子绕组称为电磁功率，是通过定转子之间的电磁耦合关系从定子绕组传递到转子绕组的功率。的功率。MP功率关系功率关系第1页/共41页221 22CuMpm I RsP2212221 2cosMRPm E Im Is21 22(1)msPm IRs2()mmadPPpp2:1: :(1)MCumPpPss2MCumPpP第2页/共41页根据机械功率关系根据机械功率关系 ，在等号两侧同除于机械角速度，在等号两侧同除于机械角速度

2、 ，得转矩平衡，得转矩平衡关系：关系：2()mmadPPpp20TTT1122(1)6060mmmMPPPPTnns 其中其中 称为电磁转矩；称为电磁转矩；0madTTT2T 称为空载转矩；称为空载转矩； 称为电动机输出转矩。称为电动机输出转矩。 2、转矩关系转矩关系第3页/共41页22cosTmCI2222TdpmCpN k其中其中 称为转矩因数。称为转矩因数。电磁转矩的物理表达式电磁转矩的物理表达式222211cos260MPm E ITn2122221(4.44)cos260dpmmf N kIn第4页/共41页 从异步电动机的电磁转矩物理表达式从异步电动机的电磁转矩物理表达式可以看出：

3、电磁转矩可以看出：电磁转矩 的大小与气隙每的大小与气隙每极磁通量极磁通量 、转子每相电流、转子每相电流 以及以及转子功率因数转子功率因数 三者的乘积有关。三者的乘积有关。Tm2I2cos22cosTmCIT第5页/共41页第二节第二节 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性( )( )Tf nTf s或22cosTmTCI1、机械特性的参数表达式、机械特性的参数表达式m当当s较小时，较小时， 变化不大，变化不大， ，电磁转矩几乎与转子电流，电磁转矩几乎与转子电流 成正比变化。成正比变化。当当 s 很大，例如很大，例如 时，时， 减小，减小， 数值很小，尽管转子电流很大，数值很小，尽管

4、转子电流很大，其有功电流其有功电流 不大，使电磁转矩反而减小。不大，使电磁转矩反而减小。2cos1m2cos2I1s 22cosI第6页/共41页12222112()()UIRRXXs 根据简化等效电路：根据简化等效电路：221122211122()() Rm pUsTRfRXXs 2212112MRmIPsTfp机械特性表达式：机械特性表达式：第7页/共41页如果给出如果给出 、 及阻抗参数，根据及阻抗参数，根据上式机械特性的参上式机械特性的参数表达式画出曲线数表达式画出曲线便为便为 “ ”曲线。曲线。1U1fTs“T Ts s ”曲线2、固有机械特性、固有机械特性第8页/共41页 三相异步

5、电动机在电压、三相异步电动机在电压、频率为额定不变，定转子回路频率为额定不变，定转子回路不串任何电路元件条件下的机不串任何电路元件条件下的机械特性，称为固有机械（自然）械特性，称为固有机械（自然）特性。特性。曲线曲线1 1为电源正序时的；曲线为电源正序时的；曲线2 2为电源负序时的曲线。为电源负序时的曲线。 我们只研究电源正序时的情况。我们只研究电源正序时的情况。固有机械特性：固有机械特性：第9页/共41页 机械特性曲线位于坐标的三个象限机械特性曲线位于坐标的三个象限, ,第第象限：象限： 电动状态；电动状态； 第第象限：象限： 发电状态；发电状态；第第象限：象限： 电动机工作在一种电磁制动状

6、态。电动机工作在一种电磁制动状态。重点研究第重点研究第象限电动机运行状态。象限电动机运行状态。101(0)snn10()snn1(0)sn固有机械特性：固有机械特性：第10页/共41页D D点（点（ ， ）为堵转点，或者称为起为堵转点，或者称为起动点。动点。0n sTTC C点（点（ 、 ）为电磁转矩最大点；）为电磁转矩最大点；mTmnB B点为额定运行；点为额定运行；A A点（点（ ， ）为理想空载运行点；为理想空载运行点；1nn0T 第11页/共41页 在实际额定电磁转矩求解中，通常通过额定输出功率在实际额定电磁转矩求解中，通常通过额定输出功率 和额定转速和额定转速 ，用下面式子来计算：用

7、下面式子来计算：NPNn2()()9550()2( /min)60NNNNNNP kWP kWTTN mnnr1 1）机械特性）机械特性额定电磁转矩点（额定电磁转矩点（B B点，点，,)NNTn第12页/共41页 从机械特性参数表达式求得，令从机械特性参数表达式求得，令 ， 得到最大电磁转矩得到最大电磁转矩: :/0dTds 2122111123122() mpUTfRRXX 产生最大电磁转矩的转差率称为临界转差率，产生最大电磁转矩的转差率称为临界转差率，用用 表示表示: :ms222112()mRsRXX 2）机械特性最大电磁转矩点）机械特性最大电磁转矩点 （C点）点）第13页/共41页式中

8、：式中：“”号适用于电动机状态；号适用于电动机状态；“”适用于发电机状态。适用于发电机状态。 一般情况下，一般情况下， 数值远小于数值远小于 的数值，可以忽略的数值，可以忽略 的影响，这样上面的影响，这样上面两式可简化为两式可简化为21R212()XX1R2111234()mpUTf XX 212()mRsXX 第14页/共41页1 1） 与电压的平方与电压的平方 成正比，而成正比，而 和和 无关；无关；mT21Ums1NU2 2） 与转子回路总电阻大小与转子回路总电阻大小 无关，而无关，而 和转子回路总电阻的大小和转子回路总电阻的大小 成正比；成正比；2()jRRms3 3）过载能力）过载能

9、力 最大电磁转矩最大电磁转矩与额定电磁转与额定电磁转矩的比值：矩的比值： mkmmNTkTmT2()jRR第15页/共41页 电动机堵转时电动机堵转时 的电磁转矩称为堵转的电磁转矩称为堵转转矩，也称起动转矩：转矩，也称起动转矩：(0,1)ns212221121232()() spU RTfRRXX 与电压的平方与电压的平方 成正比；漏电抗成正比；漏电抗 越大，越大，堵转转矩越小；堵转转矩越小； sT21U12()XXstksstNTkT 堵转转矩倍数堵转转矩倍数 定义：堵转转矩与与额定电磁转矩的定义：堵转转矩与与额定电磁转矩的比值，即：比值，即：3 3）机械特性）机械特性堵转转矩点（堵转转矩点

10、（D D点）点）第16页/共41页 TLT 当电动机拖动负载稳态当电动机拖动负载稳态运行时，电磁转矩运行时，电磁转矩 和负载和负载转矩转矩 总是大小相等方向相总是大小相等方向相反。如图所示，这时电机运行反。如图所示，这时电机运行在在“a a”或者或者“b b”点都没有什么问点都没有什么问题。现在由于某种原因引起波题。现在由于某种原因引起波动，当波动消失后，理论分析动，当波动消失后，理论分析和实践都发现电机在和实践都发现电机在“a a”点继点继续保持稳定运行，但是不能在续保持稳定运行，但是不能在“b b”点保持稳定运行。点保持稳定运行。4）稳定运行问题）稳定运行问题第17页/共41页 理论分析很

11、容易得到，当电机的机械特性和负载特性配合，满足：理论分析很容易得到，当电机的机械特性和负载特性配合，满足： 那么电机就能稳定运；反之，电机不能运定运那么电机就能稳定运；反之，电机不能运定运行。行。 LdTdTdsds第18页/共41页 所谓三相异步电动机的所谓三相异步电动机的人为机械特人为机械特性性，是指认为降低电机的定子电源电压、，是指认为降低电机的定子电源电压、频率或者在绕线式转子回路中串附加电频率或者在绕线式转子回路中串附加电阻后获得的异步电动机机械特性。阻后获得的异步电动机机械特性。 3 3、人为机械特性、人为机械特性第19页/共41页 最常见的是“降低定子电压降低定子电压” 、“转转

12、子回路串入三相对称电阻子回路串入三相对称电阻”和“改变电源改变电源频率频率”等的人为机械特性。下面我们调用小程序“三相异步电动机机械特性三相异步电动机机械特性”来分析各种人为机械特性的各自特性。 这些人为机械特性很重要，因为在改善电机的起动性能和调速场合经常用到。第20页/共41页 但实际使用中，某些参数不易知道，我们可以但实际使用中，某些参数不易知道，我们可以根据电动机铭牌上的一些数据推导机械特性实用简根据电动机铭牌上的一些数据推导机械特性实用简化公式（忽略定子电阻）。化公式（忽略定子电阻）。 221122212()kRm pUsTRfXs21122122km pUsXRfsR2112122

13、kkkm pUsXRf Xs XR4、机械特性的实用公式、机械特性的实用公式12kXXX其中令其中令 第21页/共41页2mmmTssTss2mkRsX最后可得实用公式：最后可得实用公式： 由于由于 211max14km pUTf X其中其中第22页/共41页 根据铭牌上给出根据铭牌上给出 、额定转速、额定转速 和过载能力和过载能力 ，用转矩实用表达式可，用转矩实用表达式可以作出以作出 曲线，或进行任意转速下曲线，或进行任意转速下转矩的计算。转矩的计算。 具体使用过程如下：具体使用过程如下：NPNnmk()Ts实用的公式的实际应用实用的公式的实际应用第23页/共41页 2) 2) 利用利用 求

14、出最大电磁转矩求出最大电磁转矩 ； mkmmNTk T29550NNNNPTTn1 1）利用）利用 和和 求出额定电磁转矩求出额定电磁转矩 ：NnNPNT3 3）根据）根据 ，求出：，求出： 21NNmmmmNTssTkss2(1)mNmmsskk第24页/共41页其中其中 。这样就可利用实用式来计算，实际问题了。这样就可利用实用式来计算，实际问题了。11NNnnsn通过推导，还可以得到通过推导，还可以得到在转差率在转差率 较小情况下较小情况下更简化的实用公式：更简化的实用公式：s2mmTTsS第25页/共41页三相异步电动机的性能指标三相异步电动机的性能指标1 1）效率）效率为电动机输出功率

15、和输入功率之比，即 2 2）功率因数）功率因数异步电动机的功率因数永远小于异步电动机的功率因数永远小于1 1；21100%PP1cos第三节第三节 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性第26页/共41页3 3）堵转转矩）堵转转矩电动机应该有足够大的堵转转矩，否则可能出现无法拖动机械负载起动的情况。4 4）堵转电流）堵转电流三相异步电动机在加额定电压起动瞬间，由于转子感应很高的电动势，产生很大的电流，因此定子电流也很大，这个电流称为堵转电流。5 5）过载能力）过载能力电动机额定运行时，它的过载能力不应小于技术标准规定数据。sTsImk第27页/共41页 三相异步电动机的工作特性是指，

16、在电动机定子绕三相异步电动机的工作特性是指，在电动机定子绕组加额定电压，额定频率时，电动机的转速组加额定电压，额定频率时，电动机的转速 、定子电、定子电流流 、功率因数、功率因数 、电磁转矩、电磁转矩 、效率、效率 等与输等与输出功率出功率 的关系，即：的关系，即： 0n1cos1I2PTn1I1cosT2P1NUU2()f P1Nff 、 、 、 、n1I1cosT、 时时 ，工作特性及其分析工作特性及其分析T1IT1cosnT第28页/共41页2()nf P2I 2P s n 1 1）转速特性）转速特性 第29页/共41页2 2）定子电流特性）定子电流特性 1I2()f P101LIII0

17、s 10LI，空载时，空载时，101(0.3 0.4)NIII 随着输出负载随着输出负载 定子电流特性为一上升曲线。定子电流特性为一上升曲线。s 1LI1I2P第30页/共41页3 3）功率因数特性）功率因数特性 12cos()f P空载时：异步电动机的空载时：异步电动机的 ，因此功率因数很低；随着负载增，因此功率因数很低；随着负载增加：加： ，在额定负载附近，异步电动机的功率因数达到最大。，在额定负载附近，异步电动机的功率因数达到最大。10II22(cos)I1cos如果负载继续增加：转速如果负载继续增加：转速 下降明显，下降明显， 明显增大，转子功率因数角明显增大，转子功率因数角 增加，增

18、加， 减小，引起定子的功率因数减小，引起定子的功率因数 减小。减小。ns222arctan()sXR2cos1cos第31页/共41页4 4）电磁转矩特性）电磁转矩特性 2()Tf P电机从空载到额定负载之间，转速 变化很小，所以:因此电磁转矩特性近似为直线。 n222PPTCn第32页/共41页5 5）效率特性）效率特性 2()f P异步电动机的效率为异步电动机的效率为2121PpPPp 12CuFeCumadpppppp其中其中 为不变损耗，为不变损耗， 为可变为可变损耗，当不变损耗等于可变损耗时，异步电动机的效损耗，当不变损耗等于可变损耗时，异步电动机的效率达到最大。率达到最大。 ()F

19、empp12()CuCupp对于中小型电动机，大约对于中小型电动机，大约 时效率最高；时效率最高；如继续增加负载，效率反而降低。一般来说电动机容如继续增加负载，效率反而降低。一般来说电动机容量越大，量越大， 越高。越高。20.75NPP第33页/共41页第四节第四节 三相异步电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定1 1）试验目的）试验目的：测取：测取 。2 2）试验方法）试验方法： ， ，加电压，加电压 ，下，下图为异步电动机堵转时等效电路图；逐渐降低电压图为异步电动机堵转时等效电路图；逐渐降低电压 ， 测量测量 、 ，画出异步电动机的堵转特性曲线如下页。，画出异步电动机的堵转特性曲线如下页

20、。kkkZRjX1s 10.4NUU1U1kI1kP1、堵转试验、堵转试验1R1jX2R2jXmRmjX1U1I1U第34页/共41页 是测得的三相输入功率是测得的三相输入功率 ； 、 分别为相电流和相电分别为相电流和相电压，并有：压，并有：1U1kI1kP1kI1kP 3 3）短路阻抗参数的计算）短路阻抗参数的计算 在作堵转试验时，异步电动机的等效电路中的在作堵转试验时，异步电动机的等效电路中的励励磁支路可以忽略，这样计算如下：磁支路可以忽略，这样计算如下： 11kkUZI1213kkkPRI22kkkXZR1kP1kI1U12kRRR12kXXX第35页/共41页 2 2、空载试验、空载试验1 1）试验目的：测取）试验目的：测取 、 、 。mmmZRjXmpFep空载时从电源吸收的功率：空载时从电源吸收的功率：01CuFemaPpppp1U0I1R1jXmRmjX2 2）试验方法：异步电动）试验方法：异步电动机空载，转子转速接近同机空载，转子转速接近同步速，转子相当于开路。步速，转子相当于开路。第36页/共41页画出空载特性曲线。画出空载特性曲线。001CuFemaPPpppp从上式中减去定子从上式中减去定子铜耗