异步电动机功率

1、第八章第八章异步电动机功率、异步电动机功率、转矩和运行分析转矩和运行分析主要内容主要内容1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程2 异步电动机转矩异步电动机转矩转差率曲线转差率曲线3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性4 异步电机启动方法异步电机启动方法8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程在等效电路上表示功率和损耗：在等效电路上表示功率和损耗：1R1X2R2X21Rss1U1I0I2ImRmX1cupFep2cupMP1P三相功率及损耗需三相功率及损耗需38.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡

2、方程一、损耗及功率平衡方程P1PP2pcu_1pFepcu_2p+ pad P M8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程异步电动机的功率和损耗有：异步电动机的功率和损耗有：输入功率输入功率11111cosIUmP 定子铁损定子铁损2Fe10mpm I r电磁功率电磁功率221cu1Fe1 2rPPppm Is机械功率机械功率22M2 221 221s1sPm Irm Irss输出功率输出功率2MadPPpp定子铜损定子铜损2cu 1111pm I r转子铜损转子铜损2 2cu 2222122pm I rm Ir1R1X2R2X21Rss

3、1U1I0I2ImRmX1P1cupFep2cupMP8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程两个重要关系式两个重要关系式cu2psPMP1sP 可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，部分变为转子铜损耗，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。率均很小。 异步电动机的功率平衡方程式：异步电动机的功率平衡方程

4、式：pPpppppPPadcuFecu121128.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程 异步电动机的功率平衡方程式：异步电动机的功率平衡方程式：pPpppppPPadcuFecu12112效率为效率为8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程二、转矩平衡方程二、转矩平衡方程02MpPP 在式在式 的两边同时除以机械角速度的两边同时除以机械角速度 得得2M0PPp602 n0adppp令令 为空载损耗为空载损耗20MMM其中其中为机械角速度，单位为机械角速度，单位rad/s M2 为输出转矩，单位为输出转矩，单位Nm M为电磁转

5、矩，单位为电磁转矩，单位Nm M0 为空载转矩，单位为空载转矩，单位Nm转矩由机械功率产生，机械功率除以轴的机械转矩由机械功率产生，机械功率除以轴的机械角速度就是电角速度就是电 磁转矩。磁转矩。PS：转矩的另一个符号：转矩的另一个符号T8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程二、转矩平衡方程二、转矩平衡方程1111M(s)PPPM(s)电磁转矩电磁转矩电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。同步机械角速度。式中式中1为同步机

6、械角速度。为同步机械角速度。8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念M：其实质就是转子载流导体在气隙旋其实质就是转子载流导体在气隙旋转磁场中受力形成的转矩。转磁场中受力形成的转矩。= =1p1为电角速度为电角速度 为转子电路的功率因数角为转子电路的功率因数角 8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概

7、念的物理概念力矩常数力矩常数8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与与 转子电流的有功分量转子电流的有功分量 相互作用相互作用产生的。产生的。8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念已知一台三相四极异步已知一台三相四极异步(感应感应)电动机，额定功率电动机，额定功率PN l0kW、额定电压、额定电压UN 380V、sN =0.03、定、定子绕组接法，定子每相电阻子绕组接法，定子每相电阻r1 =1.

8、375、漏抗、漏抗x1 2.43、转子电阻的折算值、转子电阻的折算值r 2 =1.047、漏、漏抗归算值抗归算值x 2 =4.4、激磁阻抗、激磁阻抗 rm 8.34、激磁、激磁电抗电抗xm 82.6，电动机的机械损耗，电动机的机械损耗p =100W，额定负载额定负载 时的杂散损耗时的杂散损耗pad =50W。 (1)额定负载时定子电流，定子功率因数和电动机的效率额定负载时定子电流，定子功率因数和电动机的效率; (2)电机额定运行时的电磁转矩电机额定运行时的电磁转矩 8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念8.2 异步电机转矩异步电机转矩

9、转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线M-s曲线：是指在曲线：是指在电源电压电源电压U1 、频率、频率f1 确确 定定的的情况下，利用等效电路参数表述的情况下，利用等效电路参数表述的电磁电磁 转矩与转矩与转差率转差率间的关系曲线。间的关系曲线。8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线在电源电压在电源电压U1、频率、频率f1确确定的情况下，对于一台定的情况下，对于一台电机，转矩电机，转矩 M与转差率与转差率s有关，其关系曲线即为有关，其关系曲线即为M-s曲线。曲线

10、。8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线(1)s=1(n=0)时的转矩，为时的转矩，为起动起动 转矩转矩Mst ，如图，如图A点所示；点所示；(2) 当当s=sm 时电机可产生时电机可产生最大最大 转转矩矩Mm ，如图，如图B点所示；点所示；(3)当电动机运行于额定状态当电动机运行于额定状态 时时s=sN 时，对应产生的转矩为时，对应产生的转矩为额额 定转矩定转矩MN ，如图，如图C点所示；点所示；(4) 当当s=0(n=n1 )时，转矩为时，转矩为0， 如图如图D点所示。点所示。 8.2 异步电机转矩异步电机

11、转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线电磁转矩与转速（转差率）之间的关系曲线，称为电电磁转矩与转速（转差率）之间的关系曲线，称为电机机 的机械特性。的机械特性。 8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩1.最大转矩：可以根据高等数学中求极值的方法求得。最大转矩：可以根据高等数学中求极值的方法求得。 r1很小可以忽略很小可以忽略8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩最大转矩最大转矩Mm(1)当电机参数确定，当电机参数确定，f1

12、不变不变时，最大转时，最大转 矩正比于电压的矩正比于电压的平方，但临界转差率与电平方，但临界转差率与电 源源电压无关；电压无关； (2)当当U1 、f1 不变时，最大转不变时，最大转矩与电抗成反比；矩与电抗成反比；(3)当电机参数确定，当电机参数确定，U1 不变时，最大转矩随不变时，最大转矩随f1 的升高而变小；的升高而变小； (4)最大转矩与转子电阻无关，但是转差率与转子电阻成正比；最大转矩与转子电阻无关，但是转差率与转子电阻成正比； (5)过载能力：过载能力：一般为一般为1.62.5，越大，越大 表示过载能力越强表示过载能力越强 8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、

13、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩结论：结论：最大转矩近似最大转矩近似与漏电抗成反比与漏电抗成反比；最大转矩的最大转矩的位置位置可以可以由转子电阻的大小来调整由转子电阻的大小来调整；最大转矩的最大转矩的值与转子电阻值没有关系值与转子电阻值没有关系；异步电动机调节转子电阻时机械特性会发生变化。异步电动机调节转子电阻时机械特性会发生变化。 最大转矩最大转矩与电网电压的平方成正比与电网电压的平方成正比；8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩2.启

14、动转矩启动转矩Mst ：电机启动时：电机启动时n=0、s=1，代入转矩公式，代入转矩公式可见：可见： 8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩(1)当电机参数确定、当电机参数确定、f1 不变时，不变时，启动转矩正比于电压的平方；启动转矩正比于电压的平方；(2)当电机参数确定、当电机参数确定、U1 不变时，不变时，启动转矩随启动转矩随f1 的升高而变小；的升高而变小；(3)当当U1 、f1 不变时，漏抗越大启动转矩越小；不变时，漏抗越大启动转矩越小； 8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启

15、动转矩（4）当转子回路电阻为）当转子回路电阻为 时时sm 1，起，起动转矩达到最大电磁转矩。动转矩达到最大电磁转矩。(5)起动转矩倍数：起动转矩倍数： ，是衡量电动机启动性能，是衡量电动机启动性能的重要指标，一的重要指标，一 般为般为1.02.0，特殊场合要求，特殊场合要求4.0以上。以上。 8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性1. 固有机械特性固有机械特性 2.人为机械特性人为机械特性三相异步电动机的机械特性是三相异步电动机的机械特性是 指在一定条件下，指在一定条件下，电动机的转速电动机的转速n与与 转矩转矩M之间的关系之间的关系n

16、=f（M）。由于转速由于转速n与转差率与转差率s的关的关 系：系： ，所以三相异步电，所以三相异步电动机动机 的机械特性也往往用的机械特性也往往用M=f（s）的形）的形 式表示。式表示。机械特性的机械特性的“软软”和和“硬硬”8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性1. 固有机械特性固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性是指定子在三相异步电动机的固有机械特性是指定子在额额定电压、定电压、 额定频率额定频率下、按规定的接线方式接线，下、按规定的接线方式接线，定子、转子回路定子、转子回路不不 外接外接电阻（电容或电感）时，电阻（电容或电感

17、）时，所获得的机械特性曲线。所获得的机械特性曲线。8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性2.人为机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为地改变三相异步电动机的人为机械特性是指人为地改变三相异步电动机的某些参某些参 数或电源参数数或电源参数所得到的机械特性。所得到的机械特性。 (1)降低定子回路端电压的人为特性降低定子回路端电压的人为特性8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性(1)降低定子回路端电压的人为特性降低定子回路端电压的人为特性降压时，转矩按电压的降压时，转矩按电压的 平方

18、降低，而临界转差率不平方降低，而临界转差率不 变，曲线如变，曲线如图所示。图所示。降压后降压后 特性变特性变“软软”，启动能力和过，启动能力和过 载能力都下降，载能力都下降，负载过大将负载过大将 停转；若能运转，转速略有停转；若能运转，转速略有 下降，下降，s增大，转子电动增大，转子电动势及势及 电流增大，使电动机过载。电流增大，使电动机过载。8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性(2)转子回路串联电阻的人为特性（绕线式异步）转子回路串联电阻的人为特性（绕线式异步）转子串电阻，转子串电阻，Mst、sm变化，而变化，而Mm不变，曲线如图所

19、示。不变，曲线如图所示。 适当适当增加转子电阻，可增加启动转矩。增加转子电阻，可增加启动转矩。8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线四、异步电动机运行的稳定性问题四、异步电动机运行的稳定性问题（1）sm s0范围内。向下范围内。向下倾斜，为稳定运行工作部倾斜，为稳定运行工作部分，工作于这一范围内。分，工作于这一范围内。近似为一条直线。近似为一条直线。（2）1ssm 范围内。向上倾斜，范围内。向上倾斜，一般不能稳定地工作于这一范一般不能稳定地工作于这一范围，是启动的过围，是启动的过 渡段。渡段。8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性异步电动机工作特性是指：异步电动机工作特性是

20、指：定子电压及频率定子电压及频率为额定时为额定时，转速，转速n、定子电流、定子电流I1、功率因数、功率因数cos1 、电磁转矩、电磁转矩M、效率、效率等与等与输出功率输出功率P2 的关系曲线。的关系曲线。工作特性曲线的求取方法：工作特性曲线的求取方法：(1)工作特性可通过直接负载法测得；工作特性可通过直接负载法测得； (2)也可用等效电路计算得出。也可用等效电路计算得出。 8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性1. 转速特性转速特性n=f (P2 )空载时，转速空载时，转速n接近于接近于n1 。随负载增加，随负载增加，n略微降低，略微降低，此时转子电动势此时转子电动势增大，使转子电流增大

21、，使转子电流I2s 增大，增大，以产生较大的电磁转矩来以产生较大的电磁转矩来平衡负载转矩。即平衡负载转矩。即P2 增加，增加， n下降，下降，s增大。转速特性增大。转速特性是一条平缓下降的特性曲是一条平缓下降的特性曲线，如图所示。线，如图所示。 8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性2. 定子电流特性定子电流特性I1 =f (P2 )空载时，转子电流空载时，转子电流I2 近似近似为零，定子电流等于励磁为零，定子电流等于励磁电流电流I0 。随着负载的增。随着负载的增 加，加，转速下降（转速下降（s增大），转子增大），转子电流增大，由于电流增大，由于 ，所以，所以定子电流也增大。定子电流也增

22、大。 8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性3. 转矩特性转矩特性M=f (P2 )空载时空载时P2 =0，电磁转矩，电磁转矩M等于空载转矩等于空载转矩M0 。随。随着着P2 的增加，考虑到的增加，考虑到P2 增加时，增加时，n稍有降低，稍有降低，故故M2 =f (P2 )随着随着P2增加增加略向上偏离直线，是一略向上偏离直线，是一条稍向上翘条稍向上翘 的曲线。的曲线。 8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性4. 定子功率因数特性定子功率因数特性cos?1=f (P2 )电机属电感性负载电机属电感性负载，功率因数总是滞后的功率因数总是滞后的。空载。空载时，只有励磁电流，功时，只有励

23、磁电流，功 率率因数很低。负载电流（有功）因数很低。负载电流（有功）增加时，功率因数提高。接增加时，功率因数提高。接近额定负载时，近额定负载时， 功率因数功率因数达到最高。过载时，达到最高。过载时，n迅速迅速降低，降低，s增大，使增大，使?2 增大，增大，cos ?2 迅速下降，迅速下降， 引起引起cos ?1 下降，如图所示。下降，如图所示。 8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性5. 效率特性效率特性=f (P2 )空载时损耗占比例大，效率空载时损耗占比例大，效率低；随低；随P2 增增 加，加，增加，当增加，当负载过大，铜损增加快，使负载过大，铜损增加快，使效率下降，如图所示。效率下

24、降，如图所示。 效率、功率因数都是在效率、功率因数都是在额定负载额定负载附近达到附近达到最高最高，故合理选用电动机容量，故合理选用电动机容量，对电动机的寿对电动机的寿 命、功率命、功率因数和效率都有很实际因数和效率都有很实际的意义的意义 。8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性结论：结论：8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法（2）起动要求：）起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。起动设备简单，可靠。（1）起动定义：电动机接到电源上，从）起动定义：电动机接

25、到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程。静止状态到稳定运行状态的过程。8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、笼型异步电动机起动方法1.小容量电动机轻载起动直接启动小容量电动机轻载起动直接启动（又称全压启（又称全压启 动）：动）：三相异步电动机直接起动是指电动机加额定电三相异步电动机直接起动是指电动机加额定电压，定子、压，定子、 转子回路不串任何电器元件时的起动。转子回路不串任何电器元件时的起动。由于正常运行时转差率由于正常运行时转差率s很小（很小（1/s很大），所以很大），所以与正常运行相比启动电与正常运行相比启动电 流很大，近似等于流很大，近似等于57倍

26、倍额定电流。额定电流。启动电流启动电流22221szrrjxs11221212121()()stUUIzzrrxxs小小8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、笼型异步电动机起动方法1.小容量电动机轻载起动直接启动小容量电动机轻载起动直接启动启动时启动时2 很大，使很大，使cos 2 很小很小 启动时启动时I0 很小，主磁通很小，主磁通m 很小很小 异步电动机启动时电流很大，而启动转矩并不异步电动机启动时电流很大，而启动转矩并不大。大。 8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、笼型异步电动机起动方法1.小容量电动机轻载起动直接

27、启动小容量电动机轻载起动直接启动可见，异步电动机直接启动时启动转矩不大，而电流很可见，异步电动机直接启动时启动转矩不大，而电流很 大，可达额定电流的大，可达额定电流的47倍，将带来下述不良后果：倍，将带来下述不良后果：（1）使电压损失过大，启动转矩不够无法启动。）使电压损失过大，启动转矩不够无法启动。（2）绕组发热，绝缘老化，缩短使用寿命。）绕组发热，绝缘老化，缩短使用寿命。（3）造成过流保护装置误动作、跳闸。）造成过流保护装置误动作、跳闸。（4）影响其他设备的正常运行。）影响其他设备的正常运行。因此，除了小容量的电动机可采用直接启动因此，除了小容量的电动机可采用直接启动外，一般不外，一般不

28、宜采用直接启动方法。宜采用直接启动方法。启动时，应该在保证一定大小的启动转矩的前启动时，应该在保证一定大小的启动转矩的前提下，要提下，要 求限制启动电流在允许的范围内。求限制启动电流在允许的范围内。 8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、笼型异步电动机起动方法1.小容量电动机轻载起动直接启动小容量电动机轻载起动直接启动能否采用直接启动，不仅取决于电机本身功率的大小，能否采用直接启动，不仅取决于电机本身功率的大小， 还与供电电网容量和供电线路长短有关。还与供电电网容量和供电线路长短有关。 （要求母线电（要求母线电压降落不大于压降落不大于10）一般一般7.5KW

29、以下电机允许直接起动。以下电机允许直接起动。8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、笼型异步电动机起动方法2. 中、大容量电动机轻载起动降压起动中、大容量电动机轻载起动降压起动由于启动时的主要矛盾为电流很大，而降低电流的方法由于启动时的主要矛盾为电流很大，而降低电流的方法 主要靠降低电压。主要靠降低电压。因此降压启动是指启动过程中降低电因此降压启动是指启动过程中降低电压，启动结束后，恢复到额定值。压，启动结束后，恢复到额定值。该法能降低启动电流，但启动转矩也减小很多，一般只该法能降低启动电流，但启动转矩也减小很多，一般只 适用于空载或轻载启动。适用于空载或轻载启动。（1）定子串电抗器降压启动）定子串电抗器降压启动（2）自耦变压器降压启动）自耦变压器降压启动（3）星形三角形（）星形三角形（Y-）换接启动）换接启动 8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动