第十章 異步電動機的功率轉(zhuǎn)矩與運行性能

1、1第十章第十章 三相異步電動機的功三相異步電動機的功率、轉(zhuǎn)矩與運行性能率、轉(zhuǎn)矩與運行性能2r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss 第一節(jié)三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系第一節(jié)三相異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系3r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss 1111cos3 IUP P1 pcu112113rIpcu mmFerIp23 411cuFeemppPP srIIEPem2222223cos3 r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss P1 pcu1522223rIPcu 21rss 22213rssI

2、Pm Pcu2Pmr1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss P1 pcu16 電動機運行時，還會產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩電動機運行時，還會產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，這部分功率擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，這部分功率叫叫機械損耗，用機械損耗，用p pm m表示表示。 另外，由于定、轉(zhuǎn)子開槽和定、轉(zhuǎn)子磁動勢另外，由于定、轉(zhuǎn)子開槽和定、轉(zhuǎn)子磁動勢中的諧波磁動勢等，還會產(chǎn)生一些中的諧波磁動勢等，還會產(chǎn)生一些附加損耗，用附加損耗，用p ps s表示表示，一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估算。，一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估算。 在大型異步電動機中，在大型異步電

3、動機中，p ps s約為輸出額定功率的約為輸出額定功率的0.50.5，小型異步電動機滿載時，小型異步電動機滿載時，p ps s可達輸出額定可達輸出額定功率的功率的1 13 3或更大?；蚋蟆?7smmppPP 2r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss pcu1pFepcu2PmPemP18r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss pcu1pFepcu2PmPemP12CuempsP(1)memPs P2:1:(1):emmCuPPpsssrIIEPem2222223cos3 22223rIPcu 22213rssIPm 9表明：表明：

4、當(dāng)電磁功率一定時，轉(zhuǎn)子銅耗與轉(zhuǎn)差率當(dāng)電磁功率一定時，轉(zhuǎn)子銅耗與轉(zhuǎn)差率s s有關(guān)，有關(guān)，轉(zhuǎn)差率越大轉(zhuǎn)差率越大（轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速n n越低），越低），轉(zhuǎn)子銅耗越大轉(zhuǎn)子銅耗越大，所以，所以p pcucu2 2又叫轉(zhuǎn)差功率。又叫轉(zhuǎn)差功率。 當(dāng)電動機當(dāng)電動機負載增加很大負載增加很大時，轉(zhuǎn)差率時，轉(zhuǎn)差率s s增加，即增加，即轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子銅耗增加，機械功率降低，電動機轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子銅耗增加，機械功率降低，電動機效率也降低。效率也降低。 所以，異步電動機的效率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。所以，異步電動機的效率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān)。一一. .功率平衡方程功率平衡方程2:1:(1):emmCuPPpss10功率流程圖功率流程圖P1Pe

5、mPmP2pcu1pFepcu2pm+psr1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss pcu1pFepcu2PmPemP11160211n 260n 轉(zhuǎn)子機械角速度轉(zhuǎn)子機械角速度 22PT 輸出轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩 mPT 電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩 0msppT與負載無關(guān)的空載轉(zhuǎn)矩與負載無關(guān)的空載轉(zhuǎn)矩 2mmsPppP20TTTsmmppPP 2電磁轉(zhuǎn)矩的第一種求法1211602)1(602)1( ememememmPnPsnPsPPT 11111260226060nffPPP 電磁轉(zhuǎn)矩的第二種求法1322xI j 2I2srI22 2E2221cos IEmPem 第二節(jié)第二節(jié) 三

6、相異步電動機的三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩及及機械特性機械特性1422221112211111222111coscos2cos22cos IKIkNpmIkNffpmIEpmPTmTmwmwem K KT T: :轉(zhuǎn)矩常數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)22xI j 2I2SrI22 2E2221cos IEmPem 1522cos IKTmT N1n1nnS16)()(21121112xCxjsrCrUI 2211221112)()(xCxsrCrUI r1 x 1I 1UC1xm mIC1rm 2I21xC21rC211rssC 17221 2112121221112112()()emPrpTm Ispmr

7、sUrC r sxC x忽略不計忽略不計，令令12111rsrrC 22222111)(kxsrsrUpmT 2211221112)()(xCxsrCrUI 18由此可知由此可知電磁轉(zhuǎn)矩公式電磁轉(zhuǎn)矩公式1.1. T T 與定子每相繞組電壓與定子每相繞組電壓 成正比。成正比。U U 1 1 T T 21U3. 3. 當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓 U U1 1 一定時，一定時，T T 是是 s s 的函數(shù)。的函數(shù)。4. 4. r r2 2 的大小對的大小對 T T 有影響。繞線式異步電動機可外有影響。繞線式異步電動機可外 接電阻來改變轉(zhuǎn)子電阻接電阻來改變轉(zhuǎn)子電阻r r2 2 ，從而改變轉(zhuǎn)距。，從而改變轉(zhuǎn)距

8、。22222111)(kxsrsrUpmT 1922222111)(kxsrsrUpmT 20根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式得機械特性曲線：得機械特性曲線：22222111)(kxsrsrUpmT Tmax0T+s-sTstTNs=1sKsNs=-1發(fā) 電 機發(fā) 電 機狀態(tài)狀態(tài)電磁制電磁制動狀態(tài)動狀態(tài)電動機電動機狀態(tài)狀態(tài)21曲線曲線)(sfT maxTKsOTsstT1NT0, 0, 1 TsnnNNTTss ,max,TTssk stTTsn , 1, 0Ns221.1.額定電磁轉(zhuǎn)矩額定電磁轉(zhuǎn)矩 T TN N三三. .最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩NNTTss ,

9、NNNNNNNnPnkWPkWPT22229550602)()( maxTKsNsOTsstT1NT23maximum torque Tmaximum torque Tmaxmax0dTdS三三. .最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩)()(211221122111xCxsrCrsrUpmT maxTKsNsOTsstT1NT24Kkxrxxrs2212 臨界轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)子電阻maximum torque Tmaximum torque Tmaxmax1 2221112()kC rsrxC x211max22111112122() )m pUTfC

10、rrxx211max14km pUTf x25Kkxrxxrs2212 211max14km pUTf x21maxUT 21max1fT KxT1max 性質(zhì)性質(zhì)：T Tmaxmax與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān) S Sk k與轉(zhuǎn)子電阻近似成正比。與轉(zhuǎn)子電阻近似成正比。r2 sK n 。TST232221rrr 0 0.5 1 sTmaxsksk26三三. .最大電磁轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩TST232221rrr 0 0.5 1 sTmaxskskKkxrxxrs2212 211max14km pUTf x273.3.起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩 三三. .最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)矩最大電磁轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩

11、、額定轉(zhuǎn)矩 起動轉(zhuǎn)矩（又叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）的大小決定了電動起動轉(zhuǎn)矩（又叫堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）的大小決定了電動機的起動性能，將機的起動性能，將s s=1=1代入電磁轉(zhuǎn)矩計算公式，可代入電磁轉(zhuǎn)矩計算公式，可求出起動轉(zhuǎn)矩為：求出起動轉(zhuǎn)矩為： )()(211221122111xCxsrCrsrUpmT 221221221112xxrrrUfpmTst 283.3.起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩T Tstst 起動時起動時n n= 0 = 0 時時，s s = =1 1 221221221112xxrrrUfpmTst st121st, )1(TUUT T Tstst體現(xiàn)了電動機帶載起動體現(xiàn)了電動機帶載起動的能力。的能力。 若若 T

12、 Tstst T T2 2電機能起動，電機能起動，否則不能起動。否則不能起動。maxTKsNSOTsstT1NT29TST232221rrr 0 0.5 1 sTmaxsksk(2) (2) T Tstst與與 r r2 2 有關(guān)，有關(guān)， 適當(dāng)使適當(dāng)使 r r2 2 T Tstst 。對繞線式。對繞線式 電機改變轉(zhuǎn)子附加電阻電機改變轉(zhuǎn)子附加電阻 r r 2 2 , , 可使可使T Tstst = =T Tmaxmax 。30討論：討論：l 起動轉(zhuǎn)矩與外加電壓的平方成正比，電壓減小，起動轉(zhuǎn)矩與外加電壓的平方成正比，電壓減小，起動轉(zhuǎn)矩成平方倍減小。起動轉(zhuǎn)矩成平方倍減小。l 要要增大起動轉(zhuǎn)矩增大起動

13、轉(zhuǎn)矩，可在轉(zhuǎn)子回路串電阻，隨著所，可在轉(zhuǎn)子回路串電阻，隨著所串電阻的增大，串電阻的增大，起動轉(zhuǎn)矩也增加起動轉(zhuǎn)矩也增加。但是，。但是，隨著轉(zhuǎn)子隨著轉(zhuǎn)子電阻增加，轉(zhuǎn)子銅耗也將增大電阻增加，轉(zhuǎn)子銅耗也將增大。3.3.起動轉(zhuǎn)矩起動轉(zhuǎn)矩T Tstst 221221221112xxrrrUfpmTst 31要使要使電動機起動時有最大轉(zhuǎn)矩，可令電動機起動時有最大轉(zhuǎn)矩，可令 則起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)子回路所串的電阻應(yīng)為：則起動轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩時轉(zhuǎn)子回路所串的電阻應(yīng)為：2skrxrTST232221rrr 0 0.5 1 sTmaxsksk22121kKrrsxxx32maxmNTKT四四. .過載能力和起動轉(zhuǎn)矩

14、倍數(shù)過載能力和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)331.1.過載能力過載能力NmTTkmax注意注意： 工作時，一定令負載轉(zhuǎn)矩工作時，一定令負載轉(zhuǎn)矩 ，否則電機將停轉(zhuǎn)（悶車）。致使，否則電機將停轉(zhuǎn)（悶車）。致使 （1 1）三相異步機的）三相異步機的 和電壓的平方成正比，所和電壓的平方成正比，所以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。以對電壓的波動很敏感，使用時要注意電壓的變化。maxTmax2TT （2 2）電機嚴重過熱電機嚴重過熱0n121)(s II342.2.起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)起動轉(zhuǎn)矩越大，電動機起動越容易。如果起動轉(zhuǎn)起動轉(zhuǎn)矩越大，電動機起動越容易。如果起動轉(zhuǎn)矩太小，在一定負載下電動機可能無法起動

15、。通矩太小，在一定負載下電動機可能無法起動。通常用常用 T Tst st 和和 T TN N 的比值來表示電動機起動轉(zhuǎn)矩的倍的比值來表示電動機起動轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)，為：數(shù)，為：ststNTKT 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是電動機的又一個重要性能指起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)是電動機的又一個重要性能指標，我國生產(chǎn)的標，我國生產(chǎn)的Y Y系列三相籠型異步電動機，系列三相籠型異步電動機，K Kst st 為為1.2-2.41.2-2.4（中小型）和（中小型）和0.50.50.80.8（大中型）。（大中型）。四四. .過載能力和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)過載能力和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)35五五. .穩(wěn)定運行問題穩(wěn)定運行問題2 2離心式負載離心式負載1 1恒轉(zhuǎn)矩負

16、載恒轉(zhuǎn)矩負載TLn036穩(wěn)態(tài)運行穩(wěn)態(tài)運行dtdJTTTJL轉(zhuǎn)矩與運行的關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動性質(zhì)負載轉(zhuǎn)矩，制動性質(zhì)37穩(wěn)定的概念穩(wěn)定的概念TS0TLTTTaaabsN sNsNTL TL恒轉(zhuǎn)矩負載：恒轉(zhuǎn)矩負載： T TL L= =C C干擾消失，負載轉(zhuǎn)矩干擾消失，負載轉(zhuǎn)矩TL TL (TT L nT T到到T=TT=TL La點點：T = T La a點點: : T T= = T TL L39TS0TLTTTaaabsN sNsNTL TLTL n sN T (T )；a點點：T = T L干擾消失，負載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為干擾消失，負載轉(zhuǎn)矩恢復(fù)為T TL LT T L nT T到到T=TT=TL La a

17、點遇到干擾時，偏離原來的工作點。干擾消失后，點遇到干擾時，偏離原來的工作點。干擾消失后，能回到原來的工作點：能回到原來的工作點：a a點為穩(wěn)定運行點。點為穩(wěn)定運行點。Ts0TLTTbbbsNsNTL TLb b點點: : T T= = T TL L1) TL n s T ； T T L穩(wěn)定運行的條件穩(wěn)定運行的條件sk停停 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)T T L Ts0TLTTTbbsN sNsNTL TLsks ss sK K不穩(wěn)定不穩(wěn)定一直到一直到T=TT=TL L( (工作在工作在a） 。當(dāng)干擾消失后，回到當(dāng)干擾消失后，回到a a點點工作，回不到工作，回不到b b點。點。b b點不穩(wěn)定點點不穩(wěn)定點a42z不能回到

18、不能回到b b點。點。z可見，恒轉(zhuǎn)矩負載穩(wěn)定運行區(qū)域：可見，恒轉(zhuǎn)矩負載穩(wěn)定運行區(qū)域：s s （0 0，s sk k）z必要條件：必要條件：穩(wěn)定運行的條件穩(wěn)定運行的條件dSdTdSdTL Ts0TLTTTbbsN sNsNTL TLska43 三相異步電動機正常運行時，當(dāng)其拖動的機三相異步電動機正常運行時，當(dāng)其拖動的機械負載發(fā)生變化，電動機的轉(zhuǎn)速、電流、功率因械負載發(fā)生變化，電動機的轉(zhuǎn)速、電流、功率因數(shù)、效率、電磁轉(zhuǎn)矩等均隨之變化。數(shù)、效率、電磁轉(zhuǎn)矩等均隨之變化。 三相異步電動機的三相異步電動機的工作特性工作特性是指在是指在額定電壓額定電壓和額定頻率和額定頻率下，下，轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定

19、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、定子功率因數(shù)及效率等與子功率因數(shù)及效率等與輸出功率輸出功率之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 第三節(jié)第三節(jié) 三相異步電動機的工作特性三相異步電動機的工作特性44)(00012222nnSPIPemcuPPScuT 小小制制時時)(2222222 nsPPIPPemcuPsemcuIcuP轉(zhuǎn)速變化較小，稱特轉(zhuǎn)速變化較小，稱特性較硬性較硬00.20.40.60.81.01.20.20.40.60.81.01.2nP2n452()nf P2()sf P1. 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)整特性轉(zhuǎn)速調(diào)整特性 異步電動機運行時，異步電動機運行時，若電機轉(zhuǎn)速過低若電機轉(zhuǎn)速過低，即轉(zhuǎn)差率，即轉(zhuǎn)差率過大，過大，

20、 轉(zhuǎn)子銅耗將增大，轉(zhuǎn)子銅耗將增大，電機效率電機效率降低降低，對電機運行性能不利。，對電機運行性能不利。 所以，異步電機的額定轉(zhuǎn)差率一般為所以，異步電機的額定轉(zhuǎn)差率一般為0.020.020.050.05，即額定轉(zhuǎn)速僅比同步轉(zhuǎn)速低（即額定轉(zhuǎn)速僅比同步轉(zhuǎn)速低（2 25 5），），即額定負載時轉(zhuǎn)速變化較小，這樣的特性稱之為即額定負載時轉(zhuǎn)速變化較小，這樣的特性稱之為硬硬特性。特性。22/,rsI462()Tf P2. 2. 電磁轉(zhuǎn)矩特性電磁轉(zhuǎn)矩特性22222260.PPTnnTP認為不變，00.20.40.60.81.01.20.20.40.60.81.01.2TP2T220TTT2TP473. 3.

21、功率因數(shù)特性功率因數(shù)特性12cos()f Pr1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss 112211cosmmmrrrrxxcoscos 1 1很低，（很低，（0.20.2 0.30.3）mmxr482I 222222cos xsrIZsP異步電動機額定工況下功率因數(shù)一般為異步電動機額定工況下功率因數(shù)一般為0.8-0.90.8-0.9。 2I1ImI1U11I1根據(jù)相量圖，根據(jù)相量圖， coscos 1 1迅速提高迅速提高r1 x 1I 1Uxm mIrm 2I2x2r 21EE21rss 輕載負載增加負載增加1I超過額定后：超過額定后： 12222coscos Sr

22、xsrsn1.01.200.20.40.60.80.20.40.60.81.01.2cos 1P2cos 12I1ImI1U115012()If P4. 4. 定子電流特性定子電流特性102()III 5100.20.40.60.81.01.20.20.40.60.81.01.2I1P2I112()If P4. 4. 定子電流特性定子電流特性52不不變變可可變變?yōu)闉殡婋妱觿訖C機的的總總損損耗耗ppppPpPP1121 P P2 2=0=0， =0=0負載較小時，可變損耗負載較小時，可變損耗銅耗低銅耗低，但存在，但存在p p不變不變，相對，相對P P1 1較大，效率低；較大，效率低；（最大效率發(fā)

23、生在（最大效率發(fā)生在(0.7(0.7 1.1)P1.1)PN N) )。5. 5. 效率特性曲線效率特性曲線2( )f P負載繼續(xù)增加，可變損耗不變，銅耗增加負載繼續(xù)增加，可變損耗不變，銅耗增加,但是增加速度但是增加速度比比P2慢，效率增加。慢，效率增加。21FecuFecuppPpp 5300.20.40.60.81.00.20.40.60.81.01.2 P2 5. 5. 效率特性曲線效率特性曲線2( )f P21FecuFecuppPpp 5400.20.40.60.81.01.20.20.40.60.81.01.2nI1cos 1 T2P2nI1cos 1 T2 三相異步電動機的工作特

24、性三相異步電動機的工作特性55第四節(jié)第四節(jié) 三相異步電動機的參數(shù)測定三相異步電動機的參數(shù)測定z利用異步電動機等效電路計算時，需要知利用異步電動機等效電路計算時，需要知道電動機的參數(shù)。道電動機的參數(shù)。z與變壓器類似，異步電動機的參數(shù)也可以與變壓器類似，異步電動機的參數(shù)也可以通過通過空載試驗和短路試驗空載試驗和短路試驗得到。得到。5657VAAAWW調(diào)調(diào)壓壓器器D異步電動機的空載試驗接線圖異步電動機的空載試驗接線圖（1 1）接線圖）接線圖5859（3 3）實驗原理）實驗原理2E1Er1x11I1U=rmxm空載時，空載時，s s 0 0，轉(zhuǎn)子相轉(zhuǎn)子相當(dāng)于開路，有當(dāng)于開路，有 011100ZxxjrrZZIUmmm mFecumFecupppppppp 1010由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，有機械損耗由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，有機械損耗p pm m，僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)。60（3 3）實驗原理）實驗原理pFe+pmpFepm0U12212UpmFe mmpUlossrotationalp，則則只只有有