异步电机(3)功率转矩和运行特性

1、 5.3 异步电动机的功率、转矩和运行特性异步电动机的功率、转矩和运行特性第三篇第三篇 异步电机异步电机1. 掌握异步电动机的功率传递关系及功率平衡方程2. 掌握电磁功率、总机械功率和转子铜耗之间的关系3. 掌握转距平衡方程以及电磁转距与电磁功率和总机械功率之间的关系 4. 掌握异步电动机电磁转距的三种表达式和机械特性 5. 熟悉异步电动机的运行特性及其特点 基本要求异步电动机的功率、转矩和运行特性异步电动机的功率关系异步电动机的转矩关系三相异步电动机的工作特性主要内容异步电动机的功率、转矩和运行特性异步电动机的功率、转矩和运行特性主磁场主磁场:能量传递的媒介能量传递的媒介无功无功漏磁场：电抗

2、压降漏磁场：电抗压降不参与不参与机电能机电能量转换量转换内部损耗内部损耗有功有功机械能机械能实现机电实现机电能量转换能量转换热能热能 一 异步电动机的功率关系异步电动机的功率、转矩和运行特性1r1jx2r2jx21rss1U1ImI2Imrmjx11cupm1Fepm21cupm1Pm1MPm11P ml T型等效电路表示的功率平衡关系 异步电动机的功率关系异步电动机的功率、转矩和运行特性l功率表达式名称符号计算公式输入电功率P1 定子绕组铜耗pCu1 pCu1 =m1I12r1 铁耗pFe pFe=m1Im2rm，在正常运行时，异步电动机的转速接近同步转速，转子电流频率很低(0.52)Hz，

3、转子铁耗可以忽略，因此异步电动机的铁耗可近似认为等于定子铁耗。电磁功率PM PM=P1-pCu1-pFe =pCu2+P =m2I22r2s =m1I22r2s借助于气隙中旋转磁场由定子传递给转子的功率转子绕组铜耗pCu2 pCu2=m2I22r2 =m1I22r2 = sPM111 11cosPm U I 异步电动机的功率关系异步电动机的功率、转矩和运行特性l功率表达式名称符号计算公式总机械损耗P P=m2I22r2(1-s)s =m1I22r2(1-s)s= (1-s)PM机械损耗pm包括轴承摩擦损耗和通风损耗，主要与转速有关附加损耗pad 定、转子开槽和谐波磁动势产生。难以准确计算，通常

4、估算约为电机额定功率的0.5%3%。输出机械功率P2 P2=P -(pm+pad )= P1 -pCu1 -pFe-pCu2-pm-pad 转子轴上输出的机械功率 异步电动机的功率关系异步电动机的功率、转矩和运行特性l功率流程图几个重要的关系式2Cu22122212Cu2;(1)(1)(1)MMprPm Isss rsPm Is PpssP1(电)PMP2 (机)pcu1pFepcu2pm+ pad P PM： pcu2 ：P=1：s：(1-s) 异步电动机的功率关系异步电动机的功率、转矩和运行特性l小结从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分（s）变为转子铜损耗，绝大部分（1s）转变为

5、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。起动瞬间，pCu2=PM，电磁功率全部转为转子铜耗。l效率 =(P2P1)100 二 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性一、转矩关系l异步电机作为电动机运行时，从电网吸取电能转换为轴上的机械能，能量的转换是通过气隙磁场与转子电流相互作用产生电磁转矩而实现的。l旋转体的转矩等于旋转体的机械功率除以它的机械角速度。 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性一、转矩关系 在式 的两边同时除以机械角速度 得：2mad()PPpp602 nmad2ppPP即即：2M0TTTM20TTT

6、或或T2负载转矩，电动机轴上的输出机械转矩TM电磁转矩Tm机械损耗转矩；Tad附加损耗转矩；T0=Tm+Tad空载制动转矩 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性一、转矩关系MMM11(1)(1)Ps PPTs电磁转矩电磁转矩1112222606060 160MMMMs PPPPPPnnnns机械运动角速度旋转磁场运动角速度 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性一、转矩关系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定子旋转磁场的同步机械角速度。 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性二、电磁转矩的基本

7、（物理）表达式l电流表示的电磁转矩111w1m221222M1111w1m22Mm22( 2)coscos2 =coscos2mf wkIm E ITfpm pwkICI 11w1M=2m pwkCCM是与电机结构有关的常数 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性二、电磁转矩的基本（物理）表达式l电流表示的电磁转矩212w1m222222M1122w1m22Mm22( 2)coscos2 =coscos2mf w kIm E ITfpm pw kICI22w1M=2m pw kCCM是与电机结构有关的常数 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性二、电磁转矩的基本（物

8、理）表达式l小结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。其大小与主磁通和转子电流的有功分量成正比。常用于分析和解释问题。m22cosI 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性 【例题例题】 一台三相感应电机，一台三相感应电机，UN = 380 V，Y 形联结。在拖动形联结。在拖动 TL = 140 Nm 的负载运行时，定子的负载运行时，定子电流电流 I1 = 42 A，转速，转速 n = 1 440 r/min。铁损耗。铁损耗 pFe = 800 W，铜铜损耗损耗 pCu = 1 200 W，空载损耗空载损耗 p0 = 750 W。求：。求：(1

9、) 转矩转矩T2、T0 和和 TM ；(2) 功率功率 P2、PM、P 和和 P1 ； (3) 效率效率 和功和功率因数率因数 。解：解： (1) 求转矩求转矩 T2 = TL = 140 NmT0 = 60 P02 n= Nm = 5 Nm 60 7502 1 440 TM = T0T2 = 145 Nm 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性(2) 求功率求功率 由由 n = 1 440 r/min 可知可知 ns = 1 500 r/min因此因此 s = nsn ns= 1 5001 440 1 500= 0.04 P2 = T2 n2 60= 1401 440 kW =

10、 21.1 kW 2 60PM = T n02 60= 1451 500 kW = 22.77 kW 2 60P = (1s ) PM = (10.04 )22.77 kW = 21.85 kW 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性 P1 = P2pFepCup0 = (21.10.81.20.75) kW = 23.85 kW(3) 求效率和功率因数求效率和功率因数 = 100% P2 P1 = 100% = 88.47% 21.1 23.85 = cos 1 =P13 U1 I1 = = 0.86 23.85 1.73238042 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩

11、和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线电磁转矩的物理表达式表明了转矩产生的条件和根本原因；其具有明显的物理意义。但不能反映外加电压、转差率和电机参数对转矩的影响。电磁转矩的参数表达式可以实现上述目的。2M12M2112PpmrTIfs122222112()()UICIrrCxCxs1m1 xCCx2211M22211122()() rm pUsTrfrCxCxsl电磁转矩的参数表达式 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线1C2211M22211122()() rm pUsTrfrxxs电磁转矩与电源参数（1、f1）、结构参数（r、x、

12、m1、p）和运行参数（s）有关。当电源参数和结构参数不变时，电磁转矩仅与运行参数转差率（s）有关。1. TM与U12成正比。 2. f1 TM 3. 漏电抗xk TM l电磁转矩的参数表达式 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线电磁转矩（ TM）与转差率（s）的关系曲线称为转矩转差率曲线，简称TMs曲线。转差率用转速n表示，则称为异步电动机的机械特性。lTMs曲线 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线p电动机状态：0 S1，即0 n n1；第象限，TM 0 。p发电机状态： S 0 ，即n

13、n1；第象限，形状与电动机相同， TM 0 。p电磁制动状态： S 1，即 n 0 ；第象限，为电动机转矩曲线的延长线。u三种运行状态的TMs曲线 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线p起动点：s=1，即 n =0，Tst为最初起动转矩。p上升段：近似双曲线。n s 。 s较大 (1sm) r2/s较小,(x1+Cx2) (r1+Cr2/s), 忽略(r1+Cr2/s), TM 1/sp最大值点：s=sm， TM= Tmaxp下降段：近似直线。 s较小 (0sm) r2/s较大, r1和(x1+Cx2)可 忽略, 分母只有(Cr2/s)2，

14、约去分子中的 r2/s， TM s。p同步点： s=0，即 n = n1, TM= 0 。u异步电动机TMs曲线形状分析 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线由于存在集肤效应和漏磁路饱和的影响，异步电机的参数不为常数，定、转子漏抗与定、转子电流有关，转子电阻与转子频率有关；而定、转子电流和转子频率都决定于转差率，所以转差率不同，电机的参数也不同。通常对正常运行、最大转矩和起动三种情况采用不同的参数值分别进行计算。l参数说明 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线l两个重要的转矩衡量异步电动机性

15、能的重要指标，对电机的运行具有特别重要的意义u最大转矩TmaxM0dTds222112()mCrsrxCx临界转差率 008ms . 0.20正号用于电动机；负号用于发电机 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线u最大转矩Tmax211max22111124() m pUTf CrrxCx 212mCrsxCx211max11124()m pUTf CrxCx 2221121()rxCxr一般，可忽略 得： 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线u最大转矩Tmax2m12rsxx211max11

16、24()m pUTf xx 1r忽略 ，并取C1得：MTmaxTsms0 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线u最大转矩Tmax1、 与 成正比； 与 无关。maxT21Ums1U2、 越大， 越大； 与 无关。2r2rmsmaxT8、最大转矩与额定转矩之比称为过载能力: （一般为1.82.5，起重，冶金电动机为2.73.7）maxmNTkT5、 和 都近似与漏抗成反比。maxTms6、对于恒转矩负载，临界转差率为稳定运行的分界点。稳定运行范围是m0 ss 7、稳定运行判据是MLdTdTdsds如图如图所示如图如图所示4、 近似与 成正比。m

17、axT211()Uf3、 越大， 与 就越小。1fmsmaxT如图如图所示 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性三、电磁转矩的参数表达式和TMs曲线u最初起动转矩Tst1s211222112122()()stm pU rTfrCrxCx结论：当其它参数一定时1、最初起动转矩与电源电压平方成正比；2、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，最初起动转矩越小；3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，最初起动转矩先增后减。NststTTK4、起动转矩倍数如图如图所示m1s stmaxTT2st22112()1()mC rRsrxCx22112st2()rxCxRrC如图如图所示（一般为1.02

18、.0，起重，冶金电动机为2.84.0） 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性四、电磁转矩的实用表达式采用电磁转矩参数表达式进行计算，必须通过实验求出参数。在工业企业中，希望不用参数，而用产品目录中的额定功率PN、额定转速nN和过载能力km来计算TMs曲线，这可用转矩的实用表达式来计算。1C2221111M2222k1k1kk22()2()rm pUm pUsTrrsxfxf xssxr10rk12xxxu实用表达式 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性四、电磁转矩的实用表达式211Mm1km2()m pUTssf xss2mkrsx211max1k4m pUTf

19、 xMmmaxm2TssTssu实用表达式 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性四、电磁转矩的实用表达式2NmNmmmmaxmm213(1)TsskkssTkss、 uTMs曲线的计算步骤已知电机的额定功率、额定转速、过载能力33101019550260NNNNNNNPPPTnn、maxm2NTk T、11nnnsNNmaxMmm24TTssss、 异步电动机的转矩关系异步电动机的功率、转矩和运行特性四、电磁转矩的实用表达式u额定负载附近的TMs曲线的计算(sNs0)在额定负载范围内运行时的转差率很小在额定负载范围内运行时的转差率很小 ssmmss故可将其忽略。故可将其忽略。M

20、max2mTsTsNNmaxm21mTsTskmN2msks三 三相异步电动机的工作特性异步电动机的功率、转矩和运行特性l三相异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率下，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数cos 、输出转矩T2 、效率与输出功率P2的关系曲线1l在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列的转差s，可以由计算得到工作特性。对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验求得。 三相异步电动机的工作特性异步电动机的功率、转矩和运行特性一、转速特性2()nf PCu211(1)(1)Mpns nnPP202Cu2222pm I r M2222cosPm E II20pCu2 0s0 nn1 P2I2pCu2 PM s n10.02 0.05 (0.98 0.95)NNsnn2()nfP是一条稍向下倾斜的曲线。且特性较硬。 如图如图所示 三相异步电动机的工作特性异步电动机的功率、转矩和运行特性二、定子电流特性12()If P1m2()III P20I20I1 Im I0=(0.20.5