第20章异步电动机的功率、转矩与运行性能

1、20-1 三相异步电动机的功率与转矩关系三相异步电动机的功率与转矩关系20-2 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性20-3 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性20-4 三相异步电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定第二十章 异步电动机的功率、转矩与运行性能 基本要求：基本要求：1.掌握三相异步电动机的功率转换流程和功率平衡方程式掌握三相异步电动机的功率转换流程和功率平衡方程式2.掌握电磁功率、总机械功率和转子铜耗之间的关系掌握电磁功率、总机械功率和转子铜耗之间的关系3.掌握三相异步电动机的转矩平衡方程式，电磁转距与电磁掌握三相异步电动机的转矩平衡方程式，电磁转距与

2、电磁功率、总机械功率之间的关系功率、总机械功率之间的关系3.掌握三相异步电动机电磁转距的三种表达式和掌握三相异步电动机电磁转距的三种表达式和T-s曲线曲线4.了解三相异步电动机各工作特性的特点了解三相异步电动机各工作特性的特点第二十章 异步电动机的功率、转矩与运行性能1R1jX1U1I2I2R2jX21sRsmRmjX0I21EE1.功率关系1P1Cup2CupFep11 113cosPU I定子铜耗：定子铜耗：21113CupI R定子铁耗：定子铁耗：203FempI R20-1 三相异步电动机的功率与转矩关系mPMP电源输入的有功功率：电源输入的有功功率：电磁功率：电磁功率：11MCuFe

3、PPpp2223RIs转子铜耗：转子铜耗：总机械功率：总机械功率：2mMCuPPp22223CupI RMsP22213sIRs(1)Ms P也可表示为也可表示为 2223cosMPE I 2222cosIEm1R1jX1U1I2I2R2jX21sRsmRmjX0I21EE1P1Cup2CupFepmPMP输出的机械功率：输出的机械功率：2mmaPPpp三相异步电动机的功率平衡方程式：三相异步电动机的功率平衡方程式：21121CuFeCumaPPpppppPp12CuFeCumapppppp式中，式中， 为异步电动机的为异步电动机的总损耗。总损耗。MP1P1CupFepampp 2P三相异步电

4、动机的功率流程图三相异步电动机的功率流程图mP2Cup电磁功率、转子铜耗和总机械功率三者之间的关系：电磁功率、转子铜耗和总机械功率三者之间的关系：2:1: 1MCumPpPss22222121221221:MCumRsPpPm Im IRm IRss2.转矩关系2mmaPPpp三相异步电动机的转矩平衡方程式：三相异步电动机的转矩平衡方程式：20TTT2mmaPppP式中，式中，T为电磁转矩；为电磁转矩；T2为负载制动转矩；为负载制动转矩； T0为空载制动转矩。为空载制动转矩。3.电磁转矩电磁转矩既可以用总机械功率除以转子机械角速度计算，电磁转矩既可以用总机械功率除以转子机械角速度计算，也可以用

5、电磁功率除以同步角速度计算。也可以用电磁功率除以同步角速度计算。 mPT 1MP式中，式中， 为同步角速度。为同步角速度。s11260mmPPn112 160Ms Ps n1260MPn1MP4.电磁转矩的物理表达式1MPT22222221coscosIEmIEmPM22222cos2IkpNmmdp1MPT 22221cos2m E Ifp21222214.44cos2dpmmf N kIfpmdpkNfE221244. 422cosTmCI电磁转矩的物理表达式表明三相异步电动机的电磁转矩是由电磁转矩的物理表达式表明三相异步电动机的电磁转矩是由气隙基波磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。

6、气隙基波磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的。2222222ccos2osdTmpmm pN kCITI式中，式中， 为转矩因数；为转矩因数；2222dpTm pN kC 为转子电流的有功分量为转子电流的有功分量。22cosI20-2 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的机械特性：三相异步电动机的机械特性：定子电压、频率和电动机参定子电压、频率和电动机参数固定的条件下，电磁转矩数固定的条件下，电磁转矩T与转速与转速n（或转差率（或转差率s）之间的）之间的函数关系。函数关系。1. 机械特性的参数表达式1MPT221212Rm IsfpsRImPM222111260n 12fp1MPT由三

7、相异步电动机的简化等效由三相异步电动机的简化等效电路，可求得：电路，可求得：22122112XXsRRUI212122211212URmsRRXXsTfp221122211122Rm pUsRfRXXs1R1jX1U1I2I2R2jX21sRsmRmjX0I1R1jXn1nToNnmTmTsTNTs00 . 1msmsNs1）固有机械特性曲线固有机械特性曲线 固有机械特性：固有机械特性：三相异步电动机三相异步电动机电压、频率均为额定值，定、转电压、频率均为额定值，定、转子回路中不串入任何电路元件时子回路中不串入任何电路元件时的机械特性。的机械特性。2.固有机械特性电动机状态电动机状态电动状态电

8、动状态发电状态发电状态 第第象限：电动状态象限：电动状态)0(1nn 10 s0T机械特性曲线位于三个象限机械特性曲线位于三个象限, 第第象限：发电状态象限：发电状态)(1nn 0s0T221 20MRPm Is221 20MRPm Isn1nToNnmTmTsTNTs00 . 1msmsNs电动机状态电动机状态电动机状态电动机状态发电机状态发电机状态 第第象限：电磁制动状态象限：电磁制动状态1(0)sn0T221 20MRPm Is电磁制动状态电磁制动状态ABCD第第象限电动状态特性分析：象限电动状态特性分析：（1）额定）额定电磁转矩电磁转矩NTT )(Nnn Nss 02TTTNNNNnP

9、9550NT2（2）最大电磁转矩最大电磁转矩221212XXRRsm0dsdT222112mRsRXX 212XXRsm2111124mm pUTfXX 21122111124mm pUTfRRXX 最大电磁转矩的特点：最大电磁转矩的特点：当电源电压和频率一定时，近似有当电源电压和频率一定时，近似有121mTXX，121msXXTm与转子回路的电阻与转子回路的电阻 无关，而无关，而2R2msR式中，式中，“+”+”号对应电动机状态；号对应电动机状态；“-”-”号对应发电机状态。号对应发电机状态。当电源频率和电机参数一定时，当电源频率和电机参数一定时，1msU而与无关21,mTU 过载能力：过载

10、能力：异步电动机的最大电磁转矩异步电动机的最大电磁转矩Tm与额定转矩与额定转矩TN之比，用之比，用km表示，即表示，即NmmTTk（3）堵转转矩堵转转矩211222112122 ()() sm pU RTfRRXXn1nToNnmTsTNTs00 . 1msNsCD 堵转转矩的特点：堵转转矩的特点：当电源频率和电机参数一定时，当电源频率和电机参数一定时，21sTU当电源电压和频率一定时，当电源电压和频率一定时， 越大，越大， 越小越小12XXsT 当当转子电阻转子电阻 增大时，增大时， 先增大后减小先增大后减小2RsTn1nToNnmTsTNTs00 . 1msNssstNTkT 堵转转矩倍数

11、：堵转转矩倍数：堵转转矩堵转转矩Ts与额定转矩与额定转矩TN之比，用之比，用kst表示，表示，2）稳定运行问题）稳定运行问题LTAC电力拖动机组稳定运行的条件：在电力拖动机组稳定运行的条件：在电动机的机械特性与负载特性的交电动机的机械特性与负载特性的交点处，满足点处，满足LdTdTdndn 异步异步电动机稳定运行的条件：电动机稳定运行的条件：LdTdTdsds在在T=TL处，满足处，满足工作段工作段3.人为机械特性 人为机械特性：人为机械特性：人为地改变异步电动机的定子电压人为地改变异步电动机的定子电压U1、电、电源频率源频率f1、电机极对数、电机极对数p或在定、转子回路中串入电阻或电或在定、

12、转子回路中串入电阻或电抗时所得到的机械特性。抗时所得到的机械特性。1）降低定子端电压的人为机械特性）降低定子端电压的人为机械特性1U21mTU21sTUmT64. 0n1nT0mTs00 . 1msNUNU8 . 0NU5 . 0mT25. 0LT1160 fnp不变sm与U1无关不变2）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性2mssRRsR2Rn1nTomTs00 . 1ms12SRR 1ms32SRR 42SRR 2ms222121RXXRRsTm与Rs无关不变Ts先增大后减小1160 fnp不变211222112122 ()() sm pU RTf

13、RRXX2221121smRRsRXXsmTT此时，此时，Rs再增大，再增大，Ts反而减小。反而减小。4. 机械特性的实用公式实际应用时，某些参数不易得到，可以根据电动机产品样本实际应用时，某些参数不易得到，可以根据电动机产品样本中的数据推导机械特性的实用公式。中的数据推导机械特性的实用公式。1）实用公式）实用公式22211122211211211212142mm pURRRXXTsTRRXXpUsfmf22122122121122XXsRRsXXRRR2221112222212112222RRRXXRR Rs RXXss221212XXRRsmmsRXXR222121221222212222

14、mmmRRRsTTRsRR Rss12122 12mmmmRsRRsssssRqssssqmm212222mmRqssR式中，式中， ，可以忽略，所以有可以忽略，所以有三相异步电动机机械三相异步电动机机械特性的实用公式特性的实用公式2mmmTssTss2）如何使用实用公式）如何使用实用公式（1）确定确定Tm29550NNNNPTTnNmmTkT （2）确定）确定smNmmNmmNsssskTT2121mNmmsskk利用利用km和和sN求求sm：（3）电动机拖动恒转矩负载）电动机拖动恒转矩负载TL时的转速时的转速2LLmmmNmTTssTk Tss21NNmmmLLTTss kkTT21NNm

15、mmLLTTsskkTT20-3 三相异步电动机的工作特性1.性能指标1）效率）效率电动机输出功率和输入功率之比，即电动机输出功率和输入功率之比，即21100%PP2）功率因数）功率因数三相异步电动机的功率因数三相异步电动机的功率因数cos 1永远小于永远小于1 1。3）堵转转矩）堵转转矩电动机应该有足够大的堵转转矩，否则拖动机械负载时，无电动机应该有足够大的堵转转矩，否则拖动机械负载时，无法起动。法起动。4）堵转电流）堵转电流三相异步电动机在加额定电压起动瞬间，由于转子感应很高三相异步电动机在加额定电压起动瞬间，由于转子感应很高的电动势，产生很大的电流，因此定子电流也很大，称为堵的电动势，产

16、生很大的电流，因此定子电流也很大，称为堵转电流。堵转电流太大会影响其他用户用电和电动机本身的转电流。堵转电流太大会影响其他用户用电和电动机本身的寿命及正常使用。寿命及正常使用。电动机在额定电压下起动时，其堵转电流倍数不应超过技术电动机在额定电压下起动时，其堵转电流倍数不应超过技术标准规定的数值。标准规定的数值。5）过载能力）过载能力电动机在额定电压下运行时，其过载能力不应小于技术标准电动机在额定电压下运行时，其过载能力不应小于技术标准规定的数值。规定的数值。2.工作特性的分析 三相异步电动机的工作特性：三相异步电动机的工作特性：当当U1=UN且且f1=fN时，时，n, I1, T, =f(P2

17、 ) 。1）转速特性）转速特性n=f(P2)转速特性是一条稍向下倾斜的曲线。转速特性是一条稍向下倾斜的曲线。2Psn221 221222coscuMpm I RsPm E I 2I 2CupMP1(1)ns n2P0n2）定子电流特性）定子电流特性I1= f(P2)2P)(201III20I 2I1ILII10LI1定子电流特性为一上升并上翘定子电流特性为一上升并上翘的曲线。的曲线。 I1P2=0时，时，10II3）定子功率因数特性）定子功率因数特性cos 1=f(P2 )1cos很低20I P2=0时，时，01II2P01I4）电磁转矩特性）电磁转矩特性T=f(P2)P21coss222ar

18、ctansXR1cosP2进一步进一步I2cos2 I1cos1定子功率因数特性为在额定负载定子功率因数特性为在额定负载附近有一极值点的曲线。附近有一极值点的曲线。20TTT20PTT22PT 电磁转矩特性近似为一条斜率为电磁转矩特性近似为一条斜率为 的直线。的直线。1Tcos 12P01cosT5）效率特性）效率特性 =f(P2) 2212PPPPp从空载到满载运行，从空载到满载运行， 和和 变变化很小，化很小， 基本不变，称基本不变，称为为不变损耗不变损耗。mnmFepp 、12CuCupp、 随负载变化而变化，随负载变化而变化，称为称为可变损耗可变损耗。 当不变损耗当不变损耗=可变损耗时

19、，可变损耗时，效率达到最大值。效率达到最大值。 2P012cuFecumapppppp式中，。20-4 三相异步电动机参数的测定1.堵转试验1）试验目的：）试验目的：测定短路阻抗测定短路阻抗Zk，转子电阻和定、转子漏电抗。转子电阻和定、转子漏电抗。三相异步电动机的参数：三相异步电动机的参数：1122mmRXRXRX、2）试验方法：）试验方法：转子堵转，调节转子堵转，调节定子外施电压定子外施电压U1从从0.4UN开始逐渐开始逐渐降低，记录定子相电压降低，记录定子相电压U1、相电流、相电流I1k和定子三相输入功率和定子三相输入功率P1k，绘制短，绘制短路特性路特性I1k =f(U1)、P1k=f(

20、U1) 。1UokkIP11kI1kP1三相异步电动机的堵转特性三相异步电动机的堵转特性3）运行情况分析）运行情况分析U1很低很低大中型异步电动机，大中型异步电动机， m很低很低pFe很低很低2ZZm00I112kCuFeCuPppp12CuCupp2211213()3kkkIRRI R1R1jX1U1kI2R2jXmRmjX21EE2I0I转子堵转时的等效电路转子堵转时的等效电路1R1jX1U1kI2R2jX转子堵转时的简化等效电路转子堵转时的简化等效电路12kRRR12kXXX12kZZZ4）短路参数的测定）短路参数的测定根据额定电流下的堵转试验数据可求得根据额定电流下的堵转试验数据可求得kkIUZ111213kkkPRI22kkkRZXkXXX212112RRRk1R1jX1U1kI2