三相異步電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行特性

1、1,第十章 三相異步電動機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行性能,2,本章主要內(nèi)容,第一節(jié) 三相異步電動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 第二節(jié) 三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性 第三節(jié) 三相異步電動機(jī)的工作特性 第四節(jié) 三相異步電動機(jī)的參數(shù)測定,3,第一節(jié) 三相異步電動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系,1.功率平衡方程,電源輸入的電功率,定子繞組銅耗,4,1.功率平衡方程,鐵心損耗,鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗，電動機(jī)正常運(yùn)行時轉(zhuǎn)子電勢頻率很低，2-3周/秒，所以鐵耗主要集中在定子中，轉(zhuǎn)子鐵耗可忽略。,為什么電機(jī)鐵耗只考慮定子側(cè)鐵耗，而不考慮轉(zhuǎn)子鐵耗？,5,輸入電功率 P1 減去 pCu1 和 pFe 后，余下的功率即為電磁功

2、率。,也可表示為：,1.功率平衡方程,電磁功率：通過電磁感應(yīng)從定子側(cè)傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的功率。,6,附加電阻上的損耗,1.功率平衡方程,電磁功率,轉(zhuǎn)子銅耗,注意：附加電阻上的損耗即為電機(jī)輸出的總機(jī)械功率。,7,1.功率平衡方程,電磁功率Pem扣除轉(zhuǎn)子銅耗pcu2后，即為消耗在附加電阻 上的功率（總機(jī)械功率）：,總機(jī)械功率,8,1.功率平衡方程,轉(zhuǎn)子銅耗與電磁功率的關(guān)系,電磁功率也可表示為：,結(jié)論：電磁功率等于轉(zhuǎn)子銅耗和電機(jī)輸出的總機(jī)械功率之和。,9,幾個重要功率關(guān)系,轉(zhuǎn)差功率轉(zhuǎn)子銅耗,轉(zhuǎn)子銅耗與轉(zhuǎn)差有關(guān)，轉(zhuǎn)差越大，銅耗越大。電機(jī)正常運(yùn)行時，s不大，所以銅耗也小。,1.功率平衡方程,10,幾個重要功率

3、關(guān)系,電磁功率與總機(jī)械功率的關(guān)系,1.功率平衡方程,11,轉(zhuǎn)子銅耗與電磁功率的關(guān)系：,總機(jī)械功率與電磁功率的關(guān)系：,1.功率平衡方程,電磁功率、總機(jī)械功率與轉(zhuǎn)子銅耗的關(guān)系：,12,結(jié)論：從氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率分為兩部分，一小部分為轉(zhuǎn)子銅損耗，絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)榭倷C(jī)械功率。轉(zhuǎn)差率越大，轉(zhuǎn)子銅損耗就越多，電機(jī)效率越低。因此正常運(yùn)行時電機(jī)的轉(zhuǎn)差率均很小。,幾個重要關(guān)系,1.功率平衡方程,13,在大型異步電動機(jī)中， 約為輸出額定功率的0.5，小型異步電動機(jī)滿載時， 可達(dá)輸出額定功率的13或更大。,附加損耗：定、轉(zhuǎn)子開槽和定、轉(zhuǎn)子磁動勢中的諧波磁動勢等產(chǎn)生的損耗，用 表示， 一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估

4、算。,機(jī)械損耗：軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，用 表示。,1.功率平衡方程,14,總機(jī)械功率減去機(jī)械損耗和附加損耗，才是轉(zhuǎn)軸上真正輸出的機(jī)械功率，用 表示：,1.功率平衡方程,電機(jī)轉(zhuǎn)軸輸出的機(jī)械功率,電機(jī)功率平衡方程,15,圖10-1 異步電動機(jī)功率流程圖,1.功率平衡方程,16,2.轉(zhuǎn)矩平衡方程,轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度,輸出轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩,與負(fù)載無關(guān)的空載轉(zhuǎn)矩,功率平衡方程式,轉(zhuǎn)矩平衡方程式,17,同步角速度,電磁轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩既可通過機(jī)械功率求出，也可通過電磁功率求出。 機(jī)械功率求電磁轉(zhuǎn)矩-機(jī)械角速度 電磁功率求電磁轉(zhuǎn)矩-同步角速度,2.轉(zhuǎn)矩平衡方程,18,1、為什么異步電動機(jī)正

5、常運(yùn)行時轉(zhuǎn)差率很??？異步電動機(jī)的運(yùn)行效率與轉(zhuǎn)速有無關(guān)系？ 轉(zhuǎn)速高，效率高， 銅耗隨轉(zhuǎn)差率增大而增大。 2、電磁轉(zhuǎn)矩與電磁功率有什么關(guān)系？電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械功率有什么關(guān)系？ 同步角速度，機(jī)械角速度,19,1.電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 （1）物理表達(dá)式 電磁功率：,電磁轉(zhuǎn)矩為：,第二節(jié) 三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性,20,表明：三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由主磁通 與轉(zhuǎn)子電流的有功分量 相互作用產(chǎn)生的。,結(jié)論：T為m、I2及cos2的函數(shù)，當(dāng)異步電動機(jī)起動時，轉(zhuǎn)子邊電路cos2很低，盡管此時I2很大，電磁轉(zhuǎn)矩T卻不大。,電磁轉(zhuǎn)矩物理表達(dá)式,1.電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,21,（2）參數(shù)表達(dá)式 物理表達(dá)式-定性分析參數(shù)

6、表達(dá)式-定量分析(推導(dǎo)從略),，為異步電動機(jī)的短路電抗。,1.電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,22,（2）參數(shù)表達(dá)式,1.電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式,討論：電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)（U、f）、結(jié)構(gòu)參數(shù)（r、x、m、p）和運(yùn)行參數(shù)（s）有關(guān)。,23,1、異步電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，電源電壓下降，當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩如何變化？ 不變,24,定義：異步電動機(jī)電源電壓恒定，電機(jī)參數(shù)已知時，轉(zhuǎn)差率s與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線，即 曲線，稱為異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。,2.機(jī)械特性,25,圖10-2 異步電機(jī)的機(jī)械特性,2.機(jī)械特性,26,理想空載運(yùn)行點： （實際 ）,機(jī)械特性的幾個特殊點：,額定運(yùn)行點：,最大轉(zhuǎn)矩點：,起動點：

7、,2.機(jī)械特性,27,（1）額定電磁轉(zhuǎn)矩 TN,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,28,最大轉(zhuǎn)矩:電機(jī)帶動最大負(fù)載的能力。,令 ，求出當(dāng)T最大時的轉(zhuǎn)差率sK。,，電機(jī)因帶不動負(fù)載而停轉(zhuǎn)。,電磁轉(zhuǎn)矩,（2）最大電磁轉(zhuǎn)矩 Tmax,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,29,（2）最大電磁轉(zhuǎn)矩 Tmax,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,最大轉(zhuǎn)矩又叫停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，如果超過這個轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)將停止運(yùn)行，對應(yīng)轉(zhuǎn)差率sK為穩(wěn)定運(yùn)行最大轉(zhuǎn)差率，稱為臨界轉(zhuǎn)差率。,30,分析,電源頻率不變及電機(jī)參數(shù)固定時，Tmax與U12成正比，但產(chǎn)生Tmax時的臨界轉(zhuǎn)差率不變，與電源電壓無關(guān)。,最大電磁轉(zhuǎn)矩Tmax的大小

8、與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，但轉(zhuǎn)子電阻大小變化會影響sK的變化， r2增大， sK增大。,電源電壓和頻率一定，最大轉(zhuǎn)矩與短路阻抗成反比。,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,31,最大轉(zhuǎn)矩,繞線式異步電機(jī)可在轉(zhuǎn)子回路串電阻，使起動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子電阻的增大而增加，直到sK=1，起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩。此時，起動轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)差也大，轉(zhuǎn)子銅耗增加。,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,32,當(dāng)其它參數(shù)一定時：,最大電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓平方成正比；臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓無關(guān)。,頻率越高，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越??；漏抗越大，最大電磁轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率越小。,轉(zhuǎn)子回路電阻越大，臨界轉(zhuǎn)差率越大；最大電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)。,

9、3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,33,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,34,（3）起動轉(zhuǎn)矩,起動轉(zhuǎn)矩（又叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）的大小決定電動機(jī)的起動性能。,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,35,，電壓減小，起動轉(zhuǎn)矩成平方倍減小。 要增大起動轉(zhuǎn)矩，可在轉(zhuǎn)子回路串電阻，隨所串電阻的增大，起動轉(zhuǎn)矩也增加。但是，轉(zhuǎn)子電阻增加，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)子銅耗也增大。,電動機(jī)起動時有最大轉(zhuǎn)矩，可令sk=1 ，則起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)子回路所串的電阻應(yīng)為：,3.最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩,36,1、三相繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻后，下列參數(shù)將如何變化？ （1）起動電流 （2）起動轉(zhuǎn)矩 （3）最大轉(zhuǎn)矩

10、 （4）臨界轉(zhuǎn)差率 減小，增大，不變，增大,37,2、若頻率為50HZ的三相異步電動機(jī)接在頻率為60Hz的電網(wǎng)上運(yùn)行，電動機(jī)下列參數(shù)將如何變化？ （1）起動轉(zhuǎn)矩； （2）最大轉(zhuǎn)矩； （3）起動電流。 減小，減小，減小,38,3、異步電動機(jī)電源電壓升高對最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩有何影響？若負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持不變，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)差率如何變化？ 最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩增大，轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)差率減小。,39,（1）過載能力,電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將停轉(zhuǎn)。為保證電機(jī)不因短時過載而停轉(zhuǎn)，要求電機(jī)具有一定的過載能力。 一般異步電動機(jī)的 Km=1.62.5 ，特殊要求時 Km=2.83.0 。,4.過載能力和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),過載

11、能力：最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定電磁轉(zhuǎn)矩之比。用 Km 表示，Km 為：,40,（2）起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 起動轉(zhuǎn)矩太小，一定負(fù)載下電動機(jī)可能無法起動。起動轉(zhuǎn)矩越大，電動機(jī)起動越容易。用 Tst 和 TN 的比值來表示電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)，為：,起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是電動機(jī)的又一個重要性能指標(biāo)，我國生產(chǎn)的Y系列三相籠型異步電動機(jī)，Kst 為1.2-2.4（中小型）和0.50.8（大中型）。,4.過載能力和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),41,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載：轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，TL=C。 離心式負(fù)載：n, TL ，如：風(fēng)機(jī)、水泵。,機(jī)械負(fù)載類型,負(fù)載性質(zhì)不同，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域不一樣。,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,42,電動機(jī)拖動機(jī)械負(fù)載： 穩(wěn)定運(yùn)行：T

12、= TL。 T TL：電機(jī)加速。 T TL：電機(jī)減速。,電機(jī)受到擾動，如突加和突減負(fù)載，電源電壓急劇變化等，當(dāng)外界擾動結(jié)束，電動機(jī)有可能恢復(fù)到原先的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，也可能失去穩(wěn)定。,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,43,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載： TL=C,TL,S,TL ,TL,a點: T= TL TL n SN (SN)T(T )；a點：T = T L TL n SN(SN)T(T )；a點：T = T L,a點為穩(wěn)定運(yùn)行點。,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,44,b點: 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,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載： TL=C,b點為不穩(wěn)

13、定運(yùn)行點。,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,45,TL,T,S,0,T,T,T,a,a,a,b,b,b,SN ,SN,SN,TL ,TL,恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域：S（0，Sk）,穩(wěn)定運(yùn)行必要條件：,SK,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,46,穩(wěn)定運(yùn)行于c點: T= TL TL n S T- TL 0n TL n S T- TL 0n,風(fēng)機(jī)水泵類離心式機(jī)械負(fù)載,負(fù)載特點：阻力轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)差率減小急劇增加。,TL,0,C,T,S,T,TL,n,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,47,穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域更寬：,或,風(fēng)機(jī)水泵類離心式機(jī)械負(fù)載,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,48,5.穩(wěn)定運(yùn)行問題,圖105 穩(wěn)定運(yùn)行分析,異步電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的條件為：,49,異步電動機(jī)負(fù)

14、載變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、功率因數(shù)、效率、電磁轉(zhuǎn)矩等均變化。 工作特性：額定電壓和額定頻率下，轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子功率因數(shù)及效率等與輸出功率之間的關(guān)系。,第三節(jié) 三相異步電動機(jī)的工作特性,50,1 轉(zhuǎn)速調(diào)整特性,定義：異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化而變化的關(guān)系曲線，稱為轉(zhuǎn)速調(diào)整特性曲線。,轉(zhuǎn)速過低，即轉(zhuǎn)差率過大，轉(zhuǎn)子銅耗大，電機(jī)效率低，對電機(jī)運(yùn)行性能不利。 額定轉(zhuǎn)差率一般為0.020.05，即額定轉(zhuǎn)速僅比同步轉(zhuǎn)速低（25）。 轉(zhuǎn)速調(diào)整特性的軟硬：額定負(fù)載時轉(zhuǎn)速變化較小，這樣的特性稱之為硬特性。,51,電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速：,異步電機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)差率不能太大，否則銅耗很大，效率降低，對電機(jī)運(yùn)行不

15、利。,1 轉(zhuǎn)速調(diào)整特性,52,圖106 異步電動機(jī)工作特性曲線,53,電機(jī)從空載到額定負(fù)載時，轉(zhuǎn)速變化很小， 近似與 成正比關(guān)系，而 可認(rèn)為基本不變，所以電磁轉(zhuǎn)矩特性 近似為一直線。,2. 電磁轉(zhuǎn)矩特性,54,圖106 異步電動機(jī)工作特性曲線,55,功率平衡關(guān)系 轉(zhuǎn)差功率、總機(jī)械功率與電磁功率的關(guān)系 電磁轉(zhuǎn)矩計算公式,復(fù)習(xí),56,電磁轉(zhuǎn)矩計算公式,復(fù)習(xí),57,機(jī)械特性 最大轉(zhuǎn)矩，起動轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)矩，過載能力 電機(jī)穩(wěn)定性判定 轉(zhuǎn)速調(diào)整特性，電磁轉(zhuǎn)矩特性,復(fù)習(xí),58,3. 功率因數(shù)特性,定子功率因數(shù)總是滯后。 空載：轉(zhuǎn)子回路近似開路，只有勵磁電流產(chǎn)生磁通，勵磁電抗電阻，功率因數(shù)很低，一般不超過0.

16、2。 一般，額定負(fù)載時，功率因數(shù)達(dá)到最大。,59,3. 功率因數(shù)特性,負(fù)載額定負(fù)載，s，轉(zhuǎn)子回路等效電阻，轉(zhuǎn)子回路呈感性，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)，定子側(cè)功率因數(shù)。 異步電動機(jī)額定工況下功率因數(shù)一般為0.8-0.9。,60,圖106 異步電動機(jī)工作特性曲線,61,4. 定子電流特性,定子電流與轉(zhuǎn)子電流有關(guān)系：,電機(jī)空載時，轉(zhuǎn)子電流接近于零，定子電流等于勵磁電流。 負(fù)載增大，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子電流增大，則定子電流也增大。,62,圖106 異步電動機(jī)工作特性曲線,63,5. 效率特性曲線,異步電動機(jī)的效率為,為電動機(jī)的總損耗，,。,總損耗：不變損耗和可變損耗。 其中，不變損耗包括鐵耗和機(jī)械損耗，基本上不隨負(fù)載的變

17、化而改變；可變損耗（定、轉(zhuǎn)子銅耗）隨負(fù)載增大而增大。,64,空載：P2=0，=0。 負(fù)載較?。翰蛔儞p耗總存在， P1相對較大，效率低； 負(fù)載增加，P2增大，P1也增大，效率迅速提高； 負(fù)載過大，可變損耗增加很快，效率下降。,TL可變損耗增加較快，。,5. 效率特性曲線,（最大效率發(fā)生在(0.71.1)PN),65,圖106 異步電動機(jī)工作特性曲線,66,第四節(jié) 三相異步電動機(jī)的參數(shù)測定,異步電機(jī)基本試驗方法： 空載試驗-求激磁參數(shù)，鐵耗，機(jī)械損耗。 短路試驗-求短路參數(shù)。,67,1. 異步電動機(jī)的空載試驗,試驗?zāi)康模簻y量勵磁參數(shù)，包括勵磁電阻、勵磁電抗和勵磁阻抗，以及鐵耗和機(jī)械損耗。,圖107

18、 異步電動機(jī)空載試驗電路圖,68,1. 異步電動機(jī)的空載試驗,試驗方法：,轉(zhuǎn)子空載，定子繞組加電源，nn1，測電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速；改變電壓，重測，求空載特性I10、P10=f(U0)。,69,空載時輸入功率=空載損耗 空載損耗有：定、轉(zhuǎn)子銅耗，鐵耗，機(jī)械損耗和附加損耗。 空載時轉(zhuǎn)子繞組銅耗和附加損耗都很小，可忽略，有：,1. 異步電動機(jī)的空載試驗,空載損耗,定子銅耗：,鐵耗：,70,U1=0， pFe=0， pFe與轉(zhuǎn)速無關(guān)，,鐵耗與機(jī)械損耗的分離,pFe與U12是一條直線關(guān)系,機(jī)械損耗與電壓無關(guān)，而與轉(zhuǎn) 速有關(guān)，為平行于橫軸的直線。,1. 異步電動機(jī)的空載試驗,71,1. 異步電動機(jī)的空載試驗,勵磁參數(shù)的計算,72,測量短路阻抗、短路電阻、短路電抗，起動轉(zhuǎn)矩與起動電流。,圖1011 異步電動機(jī)短路試驗電路圖,2. 異步電動機(jī)的短路試驗,試驗?zāi)康模?73,2. 異步電動機(jī)的短路試驗,轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，定子繞組加電源，調(diào)節(jié)試驗電壓，使U1k(00.4)