第十章三相异步电动机的功率与转矩n

1、 第3篇 异步电机第第1010章章 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩第第1010章章 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩z10.1 三相异步电动机的功率与转矩z10.2 三相异步电动机的机械特性z10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法z10.4 三相异步电动机参数的测定10.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系zP1：从电源输入的功率输入的功率z定子铜损耗定子铜损耗：z铁损耗铁损耗1111cos3IUP 12113rIpCumFeFerIpp201310.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三

2、相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系z电磁功率电磁功率：传输给转子回路的功率；转子 回路全部电阻上的损耗。z转子绕组中的铜损耗铜损耗srIppPPFeCuM2221132222222coscos3IEmIEPMMCusPrIp2222310.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系z电机转轴上总的机械功率机械功率Pm： 电磁功率减去转子绕组中的铜损耗z机械损耗机械损耗pm ： 电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率z附加损耗附加损耗pad: 由于定、转子开了槽和定、转子磁通势中含有谐波磁通势，而产生。根据经

3、验估算，约为输出额定功率的0.5%；而在小型异步电动机中，满载时，可达输出额定功率的（13）%或更大些。MCuMmPsrssIpPP)1 (13222210.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系z转轴上真正输出的功率输出的功率P P2 2。z (10.1)z图10-1 异步电动机的功率流程admmppPP210.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.1 功率关系z异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系z若电磁功率一定，转差率S越小，转子回路铜损耗越小，机械功率越大。电机运行时

4、，若s大，效率一定不高)1 ( :1:2ssPpPmCuMadmFeCuppppPP!1210.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.2 转矩关系z电磁转矩：机械功率除以轴的角速度z电磁转矩与电磁功率的关系z式中1为同步角速度（用机械角表示）mPT11602)1 (602MmmmPnsPnPPT10.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.2 转矩关系z式（10-1）两边除以角速度，得出 z式中 为空载转矩， z 为输出转矩。02TTT0T00pppTadm2T10.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机

5、的功率与转矩10.1.3 电磁转矩物理表达关系z电磁功率除以同步机械角速度 得电磁转电磁转矩矩602312221nrIPTM602cos31222nIE602cos231222112nnIkNfN22122cos23IkpNN221cosICjM10.1 10.1 三相异步电动机的功率与转矩三相异步电动机的功率与转矩10.1.3 电磁转矩物理表达关系z式中z是一常数，叫转矩系数。z 当磁通单位为Wb，电流单位为A，上式转矩的单位为z从上看出，异步电动机的电磁转矩T与气隙每极磁通、转子电流以及转子功率因数成正比。或者说与气隙每极磁通和转子电流的有功分量乘积成正比。2223NMjkpNCmN 10

6、.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性10.2.1 机械特性的参数表达式z三相异步电动机的机械特性机械特性是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n（或转差率）S之间的函数关系z电磁转矩与转子电流的关系pfsrInsrIT236023222122210.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性10.2.1 机械特性的参数表达式zT型等值电中励磁阻抗这一段电路前移来计算z得到电磁转矩公式:22122112)(xxsrrUI2212211221)(6023xxsrrfsrUT2212211221)(23xxsrrfsrpU10.2 三相异步电动机的机械特

7、性三相异步电动机的机械特性10.2.1 机械特性的参数表达式zTs曲线：固定U1、f1、及阻抗等参数，画成曲线z三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元件时的机械特性称为固有机械特性固有机械特性。10.2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性10.2.2 固有机械特性z1固有机械特性曲线：10.2.2 固有机械特性1固有机械特性曲线：z1）电动状态：在0S1，即n0的范围内，特性在第象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向。z2）发电状态：在s0范围内，nn1，特性在第象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值。机械特性

8、在S0和s0两个范围内近似对称。z3）制动状态：在s1范围内，nO，特性在第象限，T0。10.2.2 固有机械特性2最大电磁转矩zA点，T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为TS，是起动点。z求最大电磁转矩最大电磁转矩：z正、负最大电磁转矩可以从参数表达式求得z令 得到最大电磁转矩。z最大转矩对应的转差率称为临界转差率临界转差率0dsdT221211121)(2321xxrrfpUTm221212xxrrsm10.2.2 固有机械特性2最大电磁转矩z 上式 十号适用于电动机状态；一号适用于发电机状态。z一般情况下， 值不超过 的5%，可以忽略。这样一来，有z z异步

9、发电机状态和电动机状态的最大电磁转矩绝对值可近似认为相等，临界转差率也近似认为相等，机械特性具有对称性。21r221xx)()(232121221121xxrsxxfpUTmm10.2.2 固有机械特性2最大电磁转矩z最大电磁转矩与电压平方成正比，与漏电抗成反比；临界转差率与电阻 成正比，与漏电抗成反比，与电压大小无关。z最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值即最大转矩倍数，又称过载能力过载能力，用表示为z一般三相异步电动机=1.62.2,起重、冶金用的异步电动机=2.22.8。应用于不同场合的三相异步电动机都有足够大的过载能力，这样当电压突然降低或负载转矩突然增大时，电动机转速变化不大。待干扰消失

10、后又恢复正常送行。NmTT10.2.2 固有机械特性3.起动转矩z起动转矩起动转矩：电动机起动时n=0，s=1的电磁转矩。将s1代入式（7-14）中，得到起动转矩为z看出，TS与电压平方成正比，而且转子电阻越大，起动转矩越大，漏电抗越大，起动转矩越小z起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数起动转矩倍数，用 表示2212211221)()(23xxrrfrpUTsNsTTTKTK10.2.2 固有机械特性4.稳定运行问题z当0s ，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。z当 s1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。z拖动泵类负载时，满足 处 的条件，即可以稳定运行。

11、但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行z三相异步电动机稳定运行在三相异步电动机稳定运行在0s 范围内，长范围内，长期稳定运行在期稳定运行在0s 范围内。范围内。msmsLTT dndTdndTLmsNs10.2.3 人为机械特性人为机械特性1、降低定子端电压的人为机械特性z转矩式里除了自变量与因变量外，保持其它量都不变，只改变定子电压的大小，研究这种情况下的机械特性。z不宜再升高电压。下面只讨论降低定子端电压时的人为机械特性。z不同电压的人为机械特性，都得通过n1点z电磁转矩T与U12成正比，为此最大转矩Tm以及起动转矩TS都要

12、随U1的降低而按U1的平方减小。而最大转矩对应的转差率Sm不变。10.2.3 人为机械特性人为机械特性1、降低定子端电压的人为机械特性10.2.3 人为机械特性人为机械特性2转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性z绕线式三相异步电动机通过滑环，可以把三相对称电阻串入转子回路而后三相再短路。z最大电磁转矩与转子每相电阻值无关，即转子串入电阻后，Tm不变，临界转差率为z （ +R）z转子回路串三相对称电阻后的人为机械特性图所示z转子回路稍串入一些电阻，可以增大起动转矩串的电阻合适时，可使z即起动转矩为最大电磁转矩即起动转矩为最大电磁转矩ms2rmsmTTxxRrs121210.2.3 人为机械特性

13、人为机械特性2转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性z串入转子回路的电阻再增加，则 1，了。因此转子回路串电阻增大起动转矩并非是电阻越大越好，而是有一个限度。msTT 10.2.4 机械特性的实用公式机械特性的实用公式1实用公式z用式（10-5）去除式（10-4）得z因z有2212212212112)()(2xxsrrsxxrrrTTmmsrxxr222121)(qssssqsrrsssssrrrrsrsrssrrrTTmmmmmmmm22)1 (22)()()(22121212222221210.2.4 机械特性的实用公式机械特性的实用公式1实用公式z式中z其中 大约在0.10.2范围内，上

14、式中，显然在任何s值时，都有 2，而q 2可忽略，这样上式可简化为三相异步电动机机械特性的实用公式z = （10-8）mmssrrq2221msssssmmmTTssmmss210.2.4 机械特性的实用公式机械特性的实用公式2实用公式的使用 z先知道最大转矩及临界转差率才能计算z在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为z过载能力可从产品目录中查到，故z临界转差率的计算公式z若用额定工作点的 和 代人式（10-8）z得到z解上式得NNTT2NmTTNsNTNmmNssss21)1(2Nmss10.2.4 机械特性的实用公式机械特性的实用公式2实用公式的使用z若使用实用公式时，不知道额定工作点数据，

15、更多的情况是在人为机械特性上运行（机械特性照样可以用实用公式计算），但该特性上没有额定运行点，这时可用如下公式：这时可用如下公式：z =z当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（ 0.010.05）。这就是说z忽略s/ 式（10-8）变成为 。z （用于转差率在 s0的范围内）ms1)(22TTTTsNNssmmssNsmsssTTmm2Ns10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.1 工作特性的分析工作特性的分析z异步电动机的工作特性是指，在电动机的定子绕组加额定电压，电压的频率又为额定值，这时电动机的转速n、定子电流、功率因数、电磁转矩T、效率等与输

16、出功率P2的关系z即 、 时NUU 1Nff 1n、1I、1cos、T、)(2Pf。 10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.1 工作特性的分析工作特性的分析z转速特性转速特性z三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步速。随着负载的增加，转速n要略微降低，这时转子电动势增大，转子电流增大，以产生大的电磁转矩来平衡负载转矩z随着P2的增加，转子转速n下降，转差率s增大。)(2Pfn10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.1 工作特性的分析工作特性的分析z2定子电流特性定子电流特性z当电动机空载时，转子电流差不多为零；定子电流等于励磁电流。随着负载的增加，转速下

17、降，转子电流增大，定子电流也增大z3定于边功率因数特性功率因数特性 = ）z三相异步电动机运行时必须从电网中吸取无功功率，它的功率因数永远小于1z当负载增大时，定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高了z接近额定负载时最高。如果负载进一步增大，由于转差率S的增大，使 角增大，结果又开始减小。)(21PfI 1cos2(Pf110.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.1 工作特性的分析工作特性的分析z4电磁转矩特性电磁转矩特性z稳定运行时异步电动机的转矩方程为 z输出功率 ，所以z当电动机空载时，电磁转矩 。随着负载增加， 增大，由于机械角速度变化不大，电磁转矩T随的变化近似地为一

18、条直线。z5效率特性效率特性z根据z电机空载时， = 0，0，随着输出功率 的增加，效率也在增加)(2PfT 20TTT22TP20PTT0TT 2P)(2PfpPpPP21212P2P10.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.1 工作特性的分析工作特性的分析z在正常运行范围内因主磁通变化很小，所以铁损铁损耗耗变化不大，机械损耗机械损耗变化也很小，合起来叫合起来叫不不变损耗变损耗。z定、转子铜损耗定、转子铜损耗与电流平方成正比，变化很大，叫叫可变损耗可变损耗。z当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。z对中、小型异步电动机，大约 时，效率最高。如果负载继续增大，效率反而要降

19、低。z一般来说，电动机的容量越大，效率越高。NPP75. 0210.3 三相异步电动机的工作特性及其测试方法10.3.2 用试验法测三相异步电动机的工作特性z直接负载法求异步电动机的工作特性：直接负载法求异步电动机的工作特性：z是在电源电压为额定电压、额定频率的条件下，给电动机的轴上带上不同的机械负载，测量不同负载下的输入功率、定子电流、转速n，即可算出各种工作特性，并画成曲线。z注意：此方法应先测出电动机的定子电阻、铁损耗和机械损耗。这些参数都能从电动机的空载试验中得到。z间接地计算出电动机的工作特性：间接地计算出电动机的工作特性：z用试验法能测出异步电动机的参数以及测出机械损耗和附加损耗(

20、附加损耗也可以估算)，利用异步电动机的等值电路，能够间接地计算。10.4 三相异步电动机参数的测定10.4.1 短路（堵转）试验z短路试验（堵转试验）：短路试验（堵转试验）：把绕线式异步电机的转于绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。z为了在做短路试验时不出现过电流，可把加在异步电动机定子上的电压降低，一般从 开始，然后逐渐降低电压z记录定子绕组加的端电压、定子电流和定子输入功率。z量测定子绕组每相电阻的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性NUU4 . 01)(11UfIK)(11UfPK、10.4 三相异步电动机参数的测定10.4.1 短路（堵转）试验z异步

21、电动机堵转时的等值电路、特性10.4 三相异步电动机参数的测定10.4.1 短路（堵转）试验z可认为, 即等值电路的励磁支路开路z由于试验时，转速n0，机械损耗、定子全部的输入功率都损耗在定、转子的电阻上。z由于z所以z算出短路参数z从 减去走子电阻 ，即得z在大、中型异步电动机中，可认为2221211)(33rIrIPK00IKIII112)(321211rrIPKK2zzm00I22211113,kkkkkkKkrzxIPrIUz2121,xxxrrrkk221kxxxkr1r2r10.4 三相异步电动机参数的测定10.4.2 空载试验空载试验z目的：为了测励磁阻抗 、 ,机械损耗 和铁损耗z电动机处于空载运行，把定子绕组接到频率为额定的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间，使其机械损耗达到稳定值。z用调压器改变加在电动机定于绕组上的电压，使其从（1.11.3） 开始，逐渐降低电压，直到电动机的转速发生明显的变化为止。z记录电动机的端电压、空载电流、空载功率 P。和转速 n，并画成曲线。mrmxmpFepNU10.4 三相异步电动机参数的测定10.4.2 空载试验空载试验z异步电动机处于空载状态，转子电流很小，转子里的铜损