电机第二十章 异步电动机的功率、转矩和运行性能

1、第第二二十十章章 异异步步电电机机的的功功率率转转矩矩和和运运行行性性能能20 20 章章 异步电动机的功率、转矩和运行性能异步电动机的功率、转矩和运行性能20-1 三相异步电动机的功率和转矩方程式三相异步电动机的功率和转矩方程式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一、功率传递和损耗一、功率传递和损耗二、转矩平衡方程式二、转矩平衡方程式三、电磁转矩公式三、电磁转矩公式20-1 异步电动机的功率和转矩方程式异步电动机的功率和转矩方程式一、功率传递和损耗一、功率传递和损耗 铁芯损耗铁芯损耗pFe1 sRImpRImRI

2、mpcucu/:22212222222212注意mFeRImp20111. 各种损耗各种损耗电机在能量转化过程中，在电机内部产生各种损耗。12111RImpcu 定子绕组铜损耗定子绕组铜损耗 转子绕组铜损耗转子绕组铜损耗 铁芯损耗铁芯损耗pfe仅指定子铁芯损耗，仅指定子铁芯损耗，不含转子铁损耗。不含转子铁损耗。 由于正常运行时，转差由于正常运行时，转差n很小，很小，转子电流频率（涡流交变频率）转子电流频率（涡流交变频率）f2只只有有13Hz，故转子铁耗很小，可以忽，故转子铁耗很小，可以忽略不计。略不计。产生原因：. 定、转子齿槽的相对运动以及磁场中的高次谐波分量的影响。. 和机械损耗一样产生制

3、动性质的附加损耗转矩Ta，消耗电动机的机械功率。 机械损耗机械损耗pm 附加损耗附加损耗 pa 电机旋转时，由轴承摩檫和通风产生风阻而产生的损耗 。机械损耗 pm 对应制动性质的机械损耗转矩 Tm。pm与 n 成正比总损耗总损耗：p = pcu1+pcu2+pFe1+pm+pa P1-p = P2三相三相异步电机功率流程图及各功率计算异步电机功率流程图及各功率计算电磁功率电磁功率P1P2PMPmpcu1pFe1pcu2ampp 总机械功率总机械功率1I21EE0ISR21U2x1xmR1RmX2I2221RssRsR1I21EE0I2R 1U2x1xmR1RmX2I21Rss1RmRsR21c

4、upFep2cupMP2R21RSSmP定子铜耗定子铜耗定子铁耗定子铁耗电磁功率电磁功率转子铜耗转子铜耗机械功率机械功率各功率在等效电路中对应的参数各功率在等效电路中对应的参数11cupR 1FempR MPSR222cupR sRsI222)1 (31213RImRI203SRI22232223RImPsRs2)1 (异步电动机各功率计算输入功率输入功率 P1电磁功率电磁功率PM总机械功率总机械功率Pm输入功率输入功率P1的计算的计算U1为线电压，为线电压，I1为线电流为线电流1111cos3UIP 21PP sR21U1E2I2x1xmR1RmX 电磁功率电磁功率 2McusPp )(率定

5、子传到转子的有功功sRImPaM2221 .spcu2 2spPcuM2221cos .IEmPbM /sRIm2221222222222221/xsRsRIxsRIm cos2221出功率与电和磁的关系更能反映公式IEmPM 电磁功率电磁功率 PM 的计算的计算 22cumaMpppPP 2221sRImPM cos 2221IEmPM 2spPcuM 111 FecuMppPP 1 sPPmM 2cumMpPP 总机械功率总机械功率Pm注意注意: pm与Pm不同，一个是总机械功率，一个是 机 械功率损耗。 .2mamppPPa )1 ( .2221sRsImPbm )1 ( c.mMPsP

6、2R1U1E2I2x1xmR1RmX21Rss )1 ( m22MMcucuMPsPsPpspP例题例题: 试分析当负载不变，绕线式电动机绕试分析当负载不变，绕线式电动机绕组内串组内串 入电阻入电阻 Rst，P1，PM，pcu2，Pm，s，n 怎样怎样 变化变化?答答 : 负载不变，负载不变，I2不变，不变，I1不变，一般电压固定，不变，一般电压固定， U1不变。不变。不变11111cosUImP 总之总之: P1 不变不变 pcu2 P2 ）（stcuRRImp22212mamppPP2MmPsP）（ 1)(2cuMmpPP或McusPp2 ns 11FecuMppPP）不变（mmFeRIm

7、p21 二、转矩方程式 :22TP从动力学可知60/2 ; n机械角速度 1TPM1)1 ( s )1 ( 1nsn60/2 ; 111n旋转磁场同步角速度p/ 11 2mamppPP 2amTTTT 2mamppPP 02cTTTT 主磁通与转子电流有功分量相互作用产主磁通与转子电流有功分量相互作用产生的电磁转矩；生的电磁转矩；Tm机械损耗转矩；机械损耗转矩；Ta 附加损耗转矩；附加损耗转矩；T0=Tm+Ta 空载时电机转轴上总的制动转空载时电机转轴上总的制动转矩；矩；T2 电动机负载转矩，它是由电动机所驱电动机负载转矩，它是由电动机所驱动的生产机械施加在电动机转轴上的制动动的生产机械施加在

8、电动机转轴上的制动转矩。转矩。mPT602 nPm602)1 (1nsPm1MPmP 电磁转矩既可以用转子总的机械功率除以转子的机械角速度计算，又可以用电磁功率除以旋转磁场的同步角速度计算。T2P1 MP例题：分析负载分析负载 T2 改变时，改变时，I2，T，n 怎样改变？怎样改变？022TTTTT n s02TTT2222x jSREI电磁转矩公式电磁转矩公式加深电磁转矩物理意义的理解（T与m，I2的关系式） 1MPT 22111 cos2IkNpmmdp 2211111 cos222IkNfmfpmdp 22m cosC Im Cm 转矩常数 1p 2221cosIEm 公式说明：公式说明

9、： 异步电动机定子绕组接到异步电动机定子绕组接到电网后，气隙旋转磁场与转子感应电流的有电网后，气隙旋转磁场与转子感应电流的有功分量相互作用产生电磁转矩，电磁转矩驱功分量相互作用产生电磁转矩，电磁转矩驱动生产机械作功，实现电能转换为机械能。动生产机械作功，实现电能转换为机械能。T 是机电能量转换的关键。是机电能量转换的关键。电磁转矩公式：电磁转矩公式： 22m cosCT Im例题：例题：T R p I s 22求已知 sRIm P 2221M cos 112未知dpmkN解：解： 2 111pfp1MPT20-3 异步电动机的工作特性一、三相异步电动机的性能指标1）效率）效率效率高，在同样负载

10、条件下，就省电。效率高，在同样负载条件下，就省电。2）功率因数）功率因数 三相异步电动机从电源中吸收滞后性三相异步电动机从电源中吸收滞后性的无功功率（电感性质），永远小于的无功功率（电感性质），永远小于 1。3）堵转转矩）堵转转矩 电动机应有足够大的堵转转矩，否则电动机应有足够大的堵转转矩，否则拖动机械负载时，无法启动。拖动机械负载时，无法启动。 因此，电动机在额定电压下启动时，因此，电动机在额定电压下启动时，技术标准规定了它的堵转转矩倍数。技术标准规定了它的堵转转矩倍数。4）堵转电流）堵转电流2222x jSREI10sn2I 三相异步电动机，如果堵转电流太大，三相异步电动机，如果堵转电流太

11、大，使输电线路的阻抗压降增大，降低了电网使输电线路的阻抗压降增大，降低了电网电压，影响其他用电用户，同时，也会影电压，影响其他用电用户，同时，也会影响电动机本身的寿命和正常使用。因此，响电动机本身的寿命和正常使用。因此，电机在额定电压下启动时，不应超过标准电机在额定电压下启动时，不应超过标准规定的堵转电流倍数。规定的堵转电流倍数。5） 过载能力过载能力 三相异步电动机的最大电磁转矩反三相异步电动机的最大电磁转矩反应了，由于某种原因，短时间内负载突应了，由于某种原因，短时间内负载突然增大电动机仍然能维持运行。然增大电动机仍然能维持运行。20-3 异步电动机的工作特性 即即: : n = f (

12、P2 ) T2 = f ( P2 ) cos1= f ( P2 ) I1 = f ( P2 ) = f ( P2 ) 异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率下，异步动电机的转差率率下，异步动电机的转差率 s ,输出转矩输出转矩T2，功率因数，功率因数cos1，定子电流，定子电流I1 和和 与输出功率与输出功率P2 的关系。的关系。 1 1、转速特性、转速特性 n = f (Pn = f (P2 2) )nP20sP2022TP TT 2 n s2222x jSREI T2TT 由于由于pcu2 = s PM，为了保证电动机为了保证电动机具有较高的

13、效率，减小铜损耗，对于具有较高的效率，减小铜损耗，对于常用的异步电动机，额定负载时转差常用的异步电动机，额定负载时转差率率sN一般控制在一般控制在0.0150.05 2 2、电磁转矩特性、电磁转矩特性T=fT=f（P P2 2）T= f（P2）是一条接近直线略微上翘的曲线。）是一条接近直线略微上翘的曲线。02TTT22TP02TPT0T2P0T3 3、定子电流特性、定子电流特性 I I1 1 = f = f（ P P2 2 ） 22PT负载01I0I2P201III 0 , 0 , 0 222IPT空载01 IInTT2 2IS2TTT12II 4 4、功率因数特性、功率因数特性 cos1 =

14、 f（P2） P2T I2cos2 几乎不变2212/ Rxstg1122cosIP1. S 较小较小1I0I1I2I12m1U2I1122cossP2、 s 较大，较大， 1 角较大角较大0I1I1I2I2m2I 22I2I 1U222Rxstg3、 空载运行时空载运行时 对于Y系列2.290kW，2极 到 8极 的三相异步电动机，cos 1N （额定负载时）约在0.710.89。 级数越多，功率因数愈低。I0为无功的磁化电流， cos 1 0.2， I0 与 U1的夹角近似于9001II01cos10.72P空载空载轻载轻载1nn 02P011nnnS2212Rxstg2222x jSRE

15、I1cos重载重载过载过载堵转堵转起动起动02 nP1 s2212Rxstg0I1I1I2I2m2I 22I2I 1U2212Rxstg1cos S 偏大或偏小都使定子功率因数减小。偏大或偏小都使定子功率因数减小。 当满载时，或转差率适当时，定当满载时，或转差率适当时，定子功率因数较大。子功率因数较大。01cos10.72P5 5、 效率特性效率特性=f=f（P P2 2） PP 2212pPPiacucumFeppppppp021p 可变损耗不变损耗 p PP pp 1 12i0几乎不变、增加快时，增加比当正比于电流平方铜耗增加很快，因为它、112i0Pp Pp P pp 2 010.75*

16、2Pmax 常用的中、小型异步电动机，最高常用的中、小型异步电动机，最高效率一般设计在效率一般设计在 0.71.1PN 范围内。范围内。 对于对于Y 系列系列 2.290kW 的三相异步的三相异步电动机对应电动机对应 PN 效率效率 N 在在8193.5%。 由于异步电动机的功率因数都在额定由于异步电动机的功率因数都在额定负载附近达到最大值，因此选用电动机时，负载附近达到最大值，因此选用电动机时，电机的容量不要选得过大或过小，应尽量电机的容量不要选得过大或过小，应尽量使得电动机在额定负载附近运行，以提高使得电动机在额定负载附近运行，以提高经济效益。经济效益。20-4 异步电机参数测定异步电机参

17、数测定异步电动机参数可以通过空载和短路（堵转）异步电动机参数可以通过空载和短路（堵转）两个试验来测定。两个试验来测定。一、空载试验一、空载试验（一）空载试验的目的是：（一）空载试验的目的是：1、测、测 Zm2、测、测 铁耗铁耗pFe和机械损耗和机械损耗1U1E1xmR1RmX1I0I1I21EE0I2R 1U2x1xmR1RmX2I21Rss当转子空转时：当转子空转时：1nn 接近011nnns21Rss 试验是在额定频率、转子轴端不带负载情况下试验是在额定频率、转子轴端不带负载情况下进行的。进行的。 用调压器调节电源电压，使定子端电压由用调压器调节电源电压，使定子端电压由1.2U1N逐渐降低

18、，直到转差率明显增大，电流开始逐渐降低，直到转差率明显增大，电流开始回升为止。每次测出定子相电压回升为止。每次测出定子相电压U1、空载相电流、空载相电流I0 和空载输入中总功率和空载输入中总功率P0 。然后由试验数据，画出电然后由试验数据，画出电动机的空载特性曲线。动机的空载特性曲线。)(10UfI)(10UfP 空载试验只做到电流回升为止，这空载试验只做到电流回升为止，这是因为当定子施加较高电压时，由于空是因为当定子施加较高电压时，由于空载转矩较小，电机转速接近同步速，载转矩较小，电机转速接近同步速，S很小、转子回路的阻抗很小、转子回路的阻抗Z2很大，故转子很大，故转子电流很小可忽略不计，定

19、子电流电流很小可忽略不计，定子电流01II 随着定子电压随着定子电压U1的降低过程中，起初由于的降低过程中，起初由于异步电动机的机械特性较硬以及空载转矩较小，异步电动机的机械特性较硬以及空载转矩较小，S 变化很小，仍可以看成：变化很小，仍可以看成： 01II 而激磁阻抗而激磁阻抗 Zm 将随将随U1的降低引起磁路饱的降低引起磁路饱和程度下降而有所增大，因此空载电流和程度下降而有所增大，因此空载电流 I0将将比端电压比端电压U1的降低更多，机械特性变软将会的降低更多，机械特性变软将会引起引起S明显增大，转子电流明显增大，此时定明显增大，转子电流明显增大，此时定子电流回升。子电流回升。 0P0I0

20、U1P0I0U1N 空载输入总功率为：空载输入总功率为：mFeppRImP12010从从 P0 中扣除定子铜耗后得：中扣除定子铜耗后得：mFeppRImPP120100 采用电压平方法，从采用电压平方法，从 中分离出中分离出pFe 的大小近似地与外施电压的平方成正的大小近似地与外施电压的平方成正比。比。0P21UpFe 而而 pm 大小与外施电压的高低无关，大小与外施电压的高低无关，仅与转速有关，试验中转差率无明显变仅与转速有关，试验中转差率无明显变化时，则化时，则 pm 近似为常值。近似为常值。021NU21U0PFepmp 可用辅助电动机将异步电动机拖到同可用辅助电动机将异步电动机拖到同步转速，使步转速，使 s = 0， pm= 0，则异步电机处于，则异步电机处于理想空载下运行，输入总功率：理想空载下运行，输入总功率：FepRImPP 120100 从从 减去定子铜耗后，即可得到铁减去