三相异步电动机的功率、转矩和运行特性

1第十章三相异步电动机的功率、转矩与运行性能2本章主要内容第一节三相异步电动机的功率与转矩平衡关系第二节三相异步电动机的电磁转矩及机械特性第三节三相异步电动机的工作特性第四节三相异步电动机的参数测定3第一节三相异步电动机的功率与转矩平衡关系1.功率平衡方程11113cosPUI21113CupIr电源输入的电功率定子绕组铜耗41.功率平衡方程铁心损耗铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，电动机正常运行时转子电势频率很低，2-3周/秒，所以铁耗主要集中在定子中，转子铁耗可忽略。mFeFerIpp2013为什么电机铁耗只考虑定子侧铁耗，而不考虑转子铁耗？5输入电功率P1减去pCu1和pFe后，余下的功率即为电磁功率。11emCuFePPpp也可表示为：1.功率平衡方程2222223cos3emrPEIIS电磁功率：通过电磁感应从定子侧传递到转子侧的功率。6附加电阻上的损耗222222222223133()CuemprIrsPIIrrssss22223CupIr22213()msPIrs1.功率平衡方程电磁功率转子铜耗注意：附加电阻上的损耗即为电机输出的总机械功率。7222213()memCusPPpIrs1.功率平衡方程电磁功率Pem扣除转子铜耗pcu2后，即为消耗在附加电阻上的功率（总机械功率）：总机械功率81.功率平衡方程转子铜耗与电磁功率的关系2cuempsP电磁功率也可表示为：2emcumPpP结论：电磁功率等于转子铜耗和电机输出的总机械功率之和。922223cuemPrPIss几个重要功率关系转差功率—转子铜耗转子铜耗与转差有关，转差越大，铜耗越大。电机正常运行时，s不大，所以铜耗也小。2cuempsP1.功率平衡方程1022223cuemPrPIss2221(1)3memmsPsPPIrs几个重要功率关系电磁功率与总机械功率的关系22213msPIrs222222222133()CuememcumprsPIIrrPpPsss1.功率平衡方程11转子铜耗与电磁功率的关系：2CuempsP总机械功率与电磁功率的关系：(1)memPsP2::1:(1):emmCuPPpss1.功率平衡方程电磁功率、总机械功率与转子铜耗的关系：122cuempsP1memPsP结论：从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。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。几个重要关系1.功率平衡方程13在大型异步电动机中，约为输出额定功率的0.5％，小型异步电动机满载时，可达输出额定功率的1％－3％或更大。附加损耗：定、转子开槽和定、转子磁动势中的谐波磁动势等产生的损耗，用表示，一般不易计算，往往根据经验估算。机械损耗：轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要损耗一部分功率，用表示。mpspspsp1.功率平衡方程sp14总机械功率减去机械损耗和附加损耗，才是转轴上真正输出的机械功率，用表示：2P2mmsPPpp2112CuFeCumsPPppppp1.功率平衡方程电机转轴输出的机械功率电机功率平衡方程15图10-1异步电动机功率流程图1.功率平衡方程162.转矩平衡方程260n—转子机械角速度22PT—输出转矩mPT—电磁转矩0msppT—与负载无关的空载转矩20TTT功率平衡方程式转矩平衡方程式2mmsPPpp2mmsPppP17同步角速度11(1)(1)260260mememememPPPPPTssnn电磁转矩电磁转矩既可通过机械功率求出，也可通过电磁功率求出。机械功率求电磁转矩---机械角速度电磁功率求电磁转矩---同步角速度2.转矩平衡方程11111260226060nffppp181、为什么异步电动机正常运行时转差率很小？异步电动机的运行效率与转速有无关系？转速高，效率高，铜耗随转差率增大而增大。2、电磁转矩与电磁功率有什么关系？电磁转矩与机械功率有什么关系？同步角速度，机械角速度191.电磁转矩表达式（1）物理表达式电磁功率：电磁转矩为：第二节三相异步电动机的电磁转矩及机械特性22122212cosemrPmEImIs1222111122111122cos4.44cos/2=cosememwmTmPPppTmEImfNkIpfCI20'22cosTmTCI表明：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。2'2cosI结论：T为m、I2’及cos2的函数，当异步电动机起动时，转子边电路cos2很低，尽管此时I2’很大，电磁转矩T却不大。电磁转矩物理表达式1.电磁转矩表达式21（2）参数表达式物理表达式---定性分析参数表达式---定量分析(推导从略)，为异步电动机的短路电抗。221122212()krpmsTUrfxs12kxxx1.电磁转矩表达式22（2）参数表达式221122212()krpmsTUrfxs1.电磁转矩表达式讨论：电磁转矩与电源参数（U、f）、结构参数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。231、异步电动机带恒转矩负载运行，电源电压下降，当电动机稳定运行后，电动机电磁转矩如何变化？不变24定义：异步电动机电源电压恒定，电机参数已知时，转差率s与电磁转矩T的关系曲线，即曲线，称为异步电动机的机械特性曲线。()Tfs2.机械特性25图10-2异步电机的机械特性2.机械特性26理想空载运行点：（实际）1,0,0nnsT0TTNNTTSS,max,TTSSkstTTSn,1,0()TfSTmax0T+STstTNS=1SKSN机械特性的几个特殊点：额定运行点：最大转矩点：起动点：2.机械特性27（1）额定电磁转矩TN95502/60NNNNNNNPPPTnn3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩28最大转矩:电机带动最大负载的能力。令，求出当T最大时的转差率sK。0dTdS，电机因带不动负载而停转。maxTTL电磁转矩（2）最大电磁转矩Tmax3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩221122212()krpmsTUrfxs29（2）最大电磁转矩Tmax12221112()kCrsrxCx211max22111112122(())mpUTfCrrxx2kkrsx211max14kmpUTfx3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩最大转矩又叫停转转矩，如果超过这个转矩，电动机将停止运行，对应转差率sK为稳定运行最大转差率，称为临界转差率。11C30分析电源频率不变及电机参数固定时，Tmax与U12成正比，但产生Tmax时的临界转差率不变，与电源电压无关。最大电磁转矩Tmax的大小与转子电阻无关，但转子电阻大小变化会影响sK的变化，r2’增大，sK增大。21max1112kpmTUx电源电压和频率一定，最大转矩与短路阻抗成反比。3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩2kkrsx31最大转矩绕线式异步电机可在转子回路串电阻，使起动转矩随转子电阻的增大而增加，直到sK=1，起动转矩为最大转矩。此时，起动转矩最大，转差也大，转子铜耗增加。2cuempsP21max1112kpmTUx3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩2kkrsx32当其它参数一定时：最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差率与电源电压无关。频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁转矩与转子电阻无关。2212kKrrSxxx3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩21max1112kpmTUx33工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使注意：（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。maxTmaxTTL（2）电机严重过热0n121)(sII2212kKrrSxxx3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩21max1112kpmTUx34（3）起动转矩起动转矩（又叫堵转转矩）的大小决定电动机的起动性能。1s211222122()stkpmUrTfrx3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩221122212()krpmsTUrfxs35，电压减小，起动转矩成平方倍减小。要增大起动转矩，可在转子回路串电阻，随所串电阻的增大，起动转矩也增加。但是，转子电阻增加，转差率增大，转子铜耗也增大。电动机起动时有最大转矩，可令sk=1，则起动转矩为最大转矩时转子回路所串的电阻应为：2skrxr3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩211222122()stkpmUrTfrx21stTU361、三相绕线式异步电动机转子回路串电阻后，下列参数将如何变化？（1）起动电流（2）起动转矩（3）最大转矩（4）临界转差率减小，增大，不变，增大372、若频率为50HZ的三相异步电动机接在频率为60Hz的电网上运行，电动机下列参数将如何变化？（1）起动转矩；（2）最大转矩；（3）起动电流。减小，减小，减小383、异步电动机电源电压升高对最大转矩和起动转矩有何影响？若负载转矩保持不变，转速及转差率如何变化？最大转矩和起动转矩增大，转速升高，转差率减小。39（1）过载能力maxmNTKT电机负载转矩大于最大转矩，电机将停转。为保证电机不因短时过载而停转，要求电机具有一定的过载能力。一般异步电动机的Km=1.6－2.5，特殊要求时Km=2.8～3.0。4.过载能力和起动转矩倍数过载能力：最大电磁转矩与额定电磁转矩之比。用Km表示，Km为：40（2）起动转矩倍数起动转矩太小，一定负载下电动机可能无法起动。起动转矩越大，电动机起动越容易。用Tst和TN的比值来表示电动机起动转矩的倍数，为：ststNTKT起动转矩倍数是电动机的又一个重要性能指标，我国生产的Y系列三相笼型异步电动机，Kst为1.2-2.4（中小型）和0.5－0.8（大中型）。4.过载能力和起动转矩倍数41恒转矩负载：转矩与转速无关，TL=C。离心式负载：n,TL，如：风机、水泵。1恒转矩负载2离心式负载TLn0机械负载类型负载性质不同，电机稳定运行区域不一样。5.稳定运行问题42电动机拖动机械负载：稳定运行：T=TL。TTL：电机加速。TTL：电机减速。电机受到扰动，如突加和突减负载，电源电压急剧变化等，当外界扰动结束，电动机有可能恢复到原先的稳定运行状态，也可能失去稳定。5.稳定运行问题43•恒转矩负载：TL=CTLST0TTT'aa'abb'bSNSN'SNTLTL'a点:T=TLTLnSN(SN)T(T)；a点：T=TLTLnSN(SN)T(T)；a点：T=TLa点为稳定运行点。5.稳定运行问题44•b点:TLnSb；TTLb点:TLnSb；TLTSSKTS0TLTTT'aa'abb'bSNSN'SNTLTL'•恒转矩负载：TL=Cb点为不稳定运行点。5.稳定运行问题450dSdTTLTS0TTT'aa'abb'bSNSN'SNTLTL'恒转矩负载稳定运行区域：S（0，Sk）稳定运行必要条件：SK5.稳定运行问题46稳定运行于c点:T=TLTLnST-TL0nTLnST-TL0n风机水泵类离心式机械负载负载特点：阻力转矩随转差率减小急剧增加。TL0CTSTTLn5.稳定运行问题47稳定运行区域更宽：dSdTdS