三相异步电动机的功率、转矩和运行特性

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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：

7、,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

8、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。,

9、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

10、 （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

11、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

12、= tl。 t tl：电机加速。 t tl：电机减速。,电机受到扰动，如突加和突减负载，电源电压急剧变化等，当外界扰动结束，电动机有可能恢复到原先的稳定运行状态，也可能失去稳定。,5.稳定运行问题,43,恒转矩负载： tl=c,tl,s,tl ,tl,a点: t= tl tl n sn (sn)t(t )；a点：t = t l tl n sn(sn)t(t )；a点：t = t l,a点为稳定运行点。,5.稳定运行问题,44,b点: tl n s b ； t t s sk,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

13、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= tl tl n s t- tl 0n tl n s t- tl 0n,风机水泵类离心式机械负载,负载特点：阻力转矩随转差率减小急剧增加。,tl,0,c,t,s,t,tl,n,5.稳定运行问题,47,稳定运行区域更宽：,或,风机水泵类离心式机械负载,5.稳定运行问题,48,5.稳定运行问题,图105 稳定运行分析,异步电动机稳定运行的条件为：,49,异步电动机负

14、载变化，电机转速、电流、功率因数、效率、电磁转矩等均变化。 工作特性：额定电压和额定频率下，转速、电磁转矩、定子电流、定子功率因数及效率等与输出功率之间的关系。,第三节 三相异步电动机的工作特性,50,1 转速调整特性,定义：异步电动机转速随负载变化而变化的关系曲线，称为转速调整特性曲线。,转速过低，即转差率过大，转子铜耗大，电机效率低，对电机运行性能不利。 额定转差率一般为0.020.05，即额定转速仅比同步转速低（25）。 转速调整特性的软硬：额定负载时转速变化较小，这样的特性称之为硬特性。,51,电动机的转差率和转速：,异步电机运行时，转差率不能太大，否则铜耗很大，效率降低，对电机运行不

15、利。,1 转速调整特性,52,图106 异步电动机工作特性曲线,53,电机从空载到额定负载时，转速变化很小， 近似与 成正比关系，而 可认为基本不变，所以电磁转矩特性 近似为一直线。,2. 电磁转矩特性,54,图106 异步电动机工作特性曲线,55,功率平衡关系 转差功率、总机械功率与电磁功率的关系 电磁转矩计算公式,复习,56,电磁转矩计算公式,复习,57,机械特性 最大转矩，起动转矩，额定转矩，过载能力 电机稳定性判定 转速调整特性，电磁转矩特性,复习,58,3. 功率因数特性,定子功率因数总是滞后。 空载：转子回路近似开路，只有励磁电流产生磁通，励磁电抗电阻，功率因数很低，一般不超过0.

16、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

17、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

18、 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)