电动机运行和负载
电动机的负载特性与运行优化
电动机的负载特性与运行优化电动机是现代工业生产中最为常见和重要的设备之一。
了解电动机的负载特性，并对其进行运行优化，能够提高电动机的效率和稳定性，减少能源消耗和负载损耗。
本文将探讨电动机的负载特性与运行优化的相关知识。
一、电动机的负载特性电动机的负载特性是指在不同负载情况下，电动机的输出转矩和转速之间的关系。
通常用负载曲线来表示，负载曲线的特点与电动机的负载特性密切相关。
1. 非恒转矩负载特性非恒转矩负载特性是指电动机在负载变化时，输出转矩不随转速变化而变化。
此类负载特性通常可以分为两大类：恒转矩负载和变转矩负载。
恒转矩负载是指在负载变化时，电动机输出的转矩保持恒定不变。
典型的恒转矩负载为离心压缩机、离心风机等。
在这种情况下，电动机的转速会随着负载的变化而改变，但输出的转矩保持不变。
变转矩负载是指在负载变化时，电动机输出的转矩也会相应地变化。
典型的变转矩负载为往复式压缩机、开煤机等。
在这种情况下，电动机的转速和输出转矩都会随着负载的变化而改变。
2. 恒转速负载特性恒转速负载特性是指电动机在负载变化时，输出转速保持恒定不变。
典型的恒转速负载为离心泵、工具机床等。
在这种情况下，电动机的输出转矩会随着负载的变化而改变，但转速保持不变。
二、电动机的运行优化电动机的运行优化是指通过对电动机的控制和调节，使其在工作过程中达到最佳的工作状态，提高效率和稳定性，减少能量损耗。
1. 负载匹配优化负载匹配优化是指在选用电动机时，根据实际负载情况选择适合的电动机型号和规格。
过大或过小的电动机均会降低效率和稳定性，增加能源消耗和维护成本。
2. 控制技术优化控制技术优化是指通过合理的控制策略和算法，实现对电动机运行状态的精确控制和调节。
例如，采用变频调速技术可以使电动机在负载变化时保持恒定的转速和转矩，提高效率和稳定性。
3. 维护保养优化维护保养优化是指定期对电动机进行检查、清洁和润滑，及时检修和更换老化或损坏的部件，确保电动机的正常运行和延长使用寿命。
电气自动化技术《任务3.2三相异步电动机的等效电路7》
任务3.2三相异步电动机的等效电路一、学习目的与要求1．分析三相异步电动机空载运行特征、空载运行参数和空载等效电路。
2.三相异步电动机负载运行参数、负载运行T型等效电路和平衡方程式。
二、学习方法1．学习本课程，首先要精读教材和讲义，了解三相异步电动机空载和负载运行的特征。
2. 充分利用学习资源，对三相异步电动机空载和负载的电路进行分析，进而掌握两个运行方式的特征。
三、授课内容1、三相异步电动机空载运行三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子。
这一点和变压器完全相似。
三相异步电动机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组那么相当于变压器的二次绕组。
因此，分析变压器内部电磁关系的根本方法也同样适用于异步电动机。
三相异步电动机定子绕组接在对称的三相电源上，转子轴上不带机械负载的运行称空载运行。
空载运行的特点：异步电动机空载运行时，由于轴上不带机械负载，其转速很高，接近同步转速，即n≈n1，s很小。
此时定子旋转磁场与转子之间的相对切割速度几乎为0，于是转子的感应电动势E2≈0，转子的电流I2≈0，转子磁动势F2≈0。
〔1〕主漏磁通的分布当三相异步电动机定子绕组通入三相对称交流电时，将产生旋转磁动势，该磁动势产生的磁通绝大局部穿过气隙，并同时交链于定转子绕组，这局部磁通称为主磁通。
主磁通的路径为：定子铁心→气隙→转子铁心→气隙→定子铁心，构成闭合回路。
主磁通同时交链定转子绕组并在其中分别产生感应电动势。
由于异步电动机的转子绕组为三相或多相短路绕组，在转子的感应电动势的作用下，转子绕组中有电流产生，转子电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，实现异步电动机的机电能量转换。
除主磁通外的磁通称为漏磁通，包括定子绕组的槽部漏磁通和端部漏磁通等，漏磁通沿磁阻很大的空气隙形成闭合回路，因此它比主磁通小很多。
漏磁通仅在定子绕组中产生漏磁感应电动势，不起能量转换的媒介作用，只起电抗压降的作用。
电机与电气控制技术三相异步电动机的空载负载运行及工作特性
5）由损耗分析法求额定负载时的效率
任务小结
1.总结本次课程的重难点和学生实际掌握的情况
2.鼓励学生自主解决问题的意识，养成主动思考独立思考，培养理论联系实际的学习方法。学会电动机的拆装下线。
考核评价
考核方法与工具
采用过程考核和绩效考核两种方法。
教法学法设计
课程的学习方法，理论联系实际，在实训中加深对理论的理解，提升学生课堂参与度，在实践中促进学生主动思考。因此，本课程教学本着以学生为中心，少讲多练多问的原则，以问题为导向，以促使学生自主学习为目的，布置任务。包括学习引入、指导看书、回答问题、分析问题、动手实操5个部分。
学习引入：三相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子。
能力目标：
1.三相异步电动机的空载、短路（堵转）及负载试验的方法
素质目标：促使学生养成自主的学习习惯；学会电动机实验方法和数据分析的方法
主要教学内容
1.三相异步电动机的空载运行
2.三相异步电动机的负载运行及等效电路
3.三相异步电动机的功率、转矩平衡方程式及工作特性
4.实训：三相异步电动机的空载、短路（堵转）及负载试验
讲解并指导学生看书：三相异步电动机的空载、负载运行的磁通分布及等效电路，总结笔记；教师指导学习方法和答疑；
实操：三相异步电动机的空载、短路（堵转）及负载试验，参数分析
教学实施
1.提出问题，相异步电动机的定子和转子之间只有磁的耦合，没有电的直接联系，它是靠电磁感应作用，将能量从定子传递到转子。磁场是怎么分布的？
重点与难点
重点：
1.三相异步电动负载运行及等效电路
电机及电力拖动-三相异步电动机的空载运行;负载运行
n1 - n n1
pn1 60
= sf1
转子不转时,n 0, s 1, f2 f1 . 理想空载时, n n1 , s 0, f2 0.
2. 转子绕组的感应电势 转子旋转时的感应电动势: 转子不转时的感应电动势:
E2s 4.44 f2 N2kw2 E2 4.44 f1N2kw2
二者关系为:
二是转子回路的功率不变。
I2
=
E2 s Z2s
=
E2 s R2 + jX 2s
=
sE2 R2 + jsX 2
=
R2 +
E2
jX
2
+
1
s
s
R2
结论：用一个不转的转子并且在转子绕组中串联一个电阻1
s
s
r2
,
就可以将转子频率折算为定子频率
4.6三相异步电动机的负载运行
2. 绕组折算
绕组折算就是用一个和定子
功分量I0 p.
I0 Iop Ioq.
由于 I 0 q
I
0
p
,
所以I
基本为一无功性质电流
0
, 即I 0
I0q.
2.空载电流的大小--------约为额定电流的20%~50%
与变压器相比较, 异步电动机的主磁路中有气隙存在
3.空载磁势----励磁磁势 空载运行时,转子转速很高,接近同步转速,定、 转子之间相对速度几 乎为零， 于是E2 0， I2 0， F2 0.磁场完全由空载磁势产生，空
E2s = sE2
4.6三相异步电动机的负载运行
3. 转子绕组的漏抗
转子旋时转子漏电抗:
X 2s 2 πf 2 L2
电动机工作制
什么是电机工作制？S1，S2,S4什么意思？来源：恒富电动机电机工作制是对电机承受负载情况的说明，包括启动、电制动、负载、空载、断能停转以及这些阶段的持续时间和先后顺序。
工作制分为S1~S10共10类：1)、连续工作制---S1：在恒定负载下的运动时间足以使电机达到热稳定。
2)、短时工作制---S2：在恒定负载下按给定的时间运行。
该时间不足以使电机达到热稳定，随之即断能停转足够时间，使电机再度冷却到与冷却介质温度之差在2K以内。
3)、断续周期工作制---S3：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间。
这种工作制中每一周期的启动电流不致对温升产生显著影响。
4)、包括启动的断续同期工作制---S4：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段对温升有显著影响的启动时间、一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间。
5)、包括电制动的断续周期工作制---S5：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段启动时间、一段恒定负载运行时间、一段快速电制动时间和一段断能停转时间。
6)、连续周期工作制---S6：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间，无断能停转时间。
7)、包括电制动的连续周期工作制---S7：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段启动时间、一段恒定负载运行时间和一段电制动时间，无断能停转时间。
8)、包括负载一转速相应变化的连续周期工作制---S8：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段在预定转速下恒定负载运行时间，和一段或几段在不同转速下恒定负载运行时间（例如变极多速感应电动机），无断能停转时间。
9)、负载和转速作非周期变化工作制---S9：负载和转速在允许的范围内作非周期变化。
这种工作制包括经常性过载，其值可远远超过基准负载。
10）、离散恒定负载工作制---S10：包括不少于4种离散负载值（或等效负载）的工作制，每一种负载的运行时间应足以使电机达到热稳定，在一个工作周期中的最小负载值可为零。
电动机的载荷系数
电动机的载荷系数【原创版】目录1.电动机载荷系数的概念2.电动机载荷系数的计算方法3.电动机载荷系数的影响因素4.电动机载荷系数在选型和安装中的作用5.结论正文电动机的载荷系数是指电动机在运行过程中所承受的负荷或重量与电机额定功率之间的比值。
载荷系数是衡量电动机负载能力的重要参数，它直接影响到电机的使用寿命、性能以及选型和安装。
一、电动机载荷系数的计算方法电动机载荷系数的计算公式为：载荷系数 = 电机的输出功率 / 电机的额定功率。
其中，电机的输出功率是指电机在实际工作中产生的功率，单位为瓦特（W）；电机的额定功率是指电机在设计时规定的功率，单位为瓦特（W）。
二、电动机载荷系数的影响因素电动机载荷系数的大小受到以下因素的影响：1.负载特性：不同的负载特性会影响电动机的载荷系数。
例如，恒定负载时，电动机的载荷系数较小；而在周期性波动负载时，电动机的载荷系数较大。
2.工作环境：工作环境的温度、湿度、海拔等因素会影响电动机的载荷系数。
环境温度较高时，电动机的载荷系数会增大。
3.电机本身的性能：电机的效率、功率因数、转子惯量等参数也会影响电动机的载荷系数。
三、电动机载荷系数在选型和安装中的作用电动机载荷系数在选型和安装过程中具有重要作用。
根据工程应用场景和负载特性，可以通过计算电动机的载荷系数来选择合适的电机型号，以确保电机在实际工作中能够稳定运行，避免因负载过大而导致电机过热、损坏等问题。
在安装过程中，根据电动机的载荷系数，可以合理设置电机的负载范围，以保证电机在正常运行时能够承受相应的负荷，同时避免负载过重而导致的故障。
四、结论电动机载荷系数是衡量电动机负载能力的重要参数，它受到多种因素的影响。
电机负载的计算方法
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步进电机
适用于需要高精度定位和快速 响应的应用场景，如数控机床 、打印机等。
伺服电机
适用于需要高精度、高动态响 应和高转矩密度的应用场景， 如机器人、自动化生产线等。
电机容量的选择
根据负载转矩和转速计算电机容量
01
根据实际负载转矩和转速，选择合适的电机容量，以
满足系统的动力需求。
根据系统要求选择电机根据 电机温度和散热情况可以推算出电机 的负载。这种方法需要安装温度传感 器和散热监测设备，对监测设备的精 度和稳定性要求较高。
03
电机负载的优化设计
电机类型的选择
直流电机
适用于需要平滑调速和高精度 的应用场景，如数控机床、机
器人等。
交流电机
适用于需要高转矩和低转速的 应用场景，如风机、水泵等。
VS
详细描述
三相异步电动机的负载计算通常需要考虑 电机的额定功率和额定电流，根据实际工 作情况选择合适的电机，并计算电机的输 入功率和效率。同时，需要考虑电机的电 压和转速，以确保电机能够正常工作。
实例二：直流电动机的负载计算
总结词
直流电动机的负载计算需要考虑电机的电阻、电感、电流和电压等参数。
详细描述
电机控制技术是实现高效电机的重要 手段之一。未来，电机控制技术将更 加智能化和自动化，能够更好地适应 各种复杂的应用场景和工况。
电机控制技术将更加注重与信息技术 的融合，通过与传感器、通信和云计 算等技术的结合，实现更加智能化的 控制和管理。
电机负载计算方法的改进方向
电动机负载运行故障与处理方法
电动机负载运行故障与处理方法张全(七台河市茄子河区安全生产监督管理局，黑龙江七台河154600)应用科技脯翱本文针对电动机负荷运行中的电动机过热、带负栽后转速降低、绝缘电阻j降O k绕线转子集电环发热或火花过大、电动机运行时异常响声等故障提出处理和排除方法。
暖罐词】电动机；负载运行；故障；处理电动机在空载运行时出现的故障，大部分都会出现在负载运行中，有时故障现象更为严重。
应从实际出发采取有效的方法进行排除。
1电动机过热1)电动机负载过大。
可能是电动机功率与负载机械不配合，拖动机械的懒带太紧或转轴运转不灵活等负载机械本身故障所造成。
可检查电动机的电流、电压即可发现，应减轻负载或更换较大功率的电动扎2)电源电压过低或过高。
电压过低而负载不变时，电动机电流就会增加引起铜耗增大：如果电压过高可使磁路过饱和引起铁耗增大，其结果都会导致电动机发热。
当电源电压波动范围超过一5％一+10％时，电动机应吲匠功率使用。
除因电源线过细引起压降过大要更换合适导线外，应与供电部门联系调整电源电压。
3)电动机频繁启动。
电动机在短时间内启动过于频繁或正反转次数过多应限制启动次数，正确选用热保护或更换适合生产要求的电动札4)电动机外部接线错误。
当△联结误接成丫联结，空载时电流很小，虽然可以带轻负载运行，但负载稍大，电流就会超过额定电流引起发热i当丫联结误接成△联结，空载时电流可能超过额定电流，造成电动柳j品度迅速升高而无法运行。
此时应按正确方法更换接线。
5)电动机单相运行。
运行中的电动机绕组或接线一相断路后，造成单相运行又无断相保护，当负载较大时，电揪额定值很多，电动机温度迅速上升，直至绕组烧毁。
此时应检查三相电流，立即切除电源，找出断路处并重新接好。
6)电动机绕组短路或接地。
当定子绕组局部匝间短路或接地，过负荷保护又不动作，轻时电动机局部过热，严重时绝缘烧坏，发出焦味甚至冒烟烧毁。
此时应测量各相绕组直流电阻，找出短路点。
用兆欧表检查绕组有无接地。
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2、变频起动
（2）最佳起动频率
（b）若令频率比αF=f1/f1e，且U1/f1=常数，f1e：额定频率
则有U1= αFU1e，其中U1e：定子额定电压
可得转矩公式另一形式：
M 2 f 1e[(s
U r 3P 2 ' 1e 2
r1r'2)2
F
(
s
F
s)2
X
2]
e
式中：Xe=X1e+X2e为额定频率f1e时定转子总漏抗
（3）MK的大小象征着电动机的过载能力， MK越小，为保证 过载能力不变，电动机所带
负载就越小。在任何情况下 nN 电动机的负载转矩都不能大于
MK ，否则电动机转速将急剧 下降，致使电动机堵转停止
（4）nK点称为临界转速点， 其大小决定了K点的上下位置，
7 从而反映了机械特性的硬度
MN Mst
MK
§4.1异步电动机的运转状态与控制
4
MN Mst
MK M
§4.1异步电动机的运转状态与控制 三、异步电动机的自然机械特性
2、理想空载点
n=n0点称为理想空载点，在该点电动机以近似同步转速运行 （s=0），其电磁转矩M=0
3、起动转矩
（1）在n=0（此时s=1），M=Mst点称为起动转矩，也称堵转 转矩。对应点S为起动点，
在此点上电动机已接通电源， nN
即工作于额定转矩时电动机具有很硬的机械特性
nN
6
MN Mst
MK
§4.1异步电动机的运转状态与控制 三、异步电动机的自然机械特性
5、最大转矩
（1）在n=nK（此时s=sK），M=MK点称为最大转矩。
（2）电动机正常运行时需要有一定的过载能力，一般用 β m=MK/MN表示，普通电动机的β m=2～2.2
但尚未起动
（2）生产机械运行时常用
负载转矩表示其负载大小，
当电动机轴上的负载转矩
大于Mst时，电动机不能起动
5
MN Mst
MK M
§4.1异步电动机的运转状态与控制 三、异步电动机的自然机械特性
4、额定转矩
（1）在n=nN（此时s=sN），M=MN点称为额定转矩。 （2）当电动机工作在额定转矩时sN通常在在0.02~0.06之间 （3）转速在很小范围内变化时，转矩可在很大范围内变化，
第四章 电动机的运行和负载
§4.1 异步电动机的运转状态与控制 §4.2变频调速异步电动机的机械特性 §4.3 异步电动机的负载 §4.4 主要负载的特征与变频传动
1
§4.1 异步电动机的运转状态与控制
一、概述
1、变频调速技术主要用于交流电动机的调速控制，所用交流 电动机主要是异步电动机，特别是三相笼型异步电动机，其 具有结构简单、价格低廉、控制方便、应用广泛的特点。 2、交流异步电动机的结构参数、机械特性及所带负载特性对 变频器的正常工作有着极大影响，因此为了满足生产工艺过 程要求，正确选配变频传动调速系统，需要对电动机机械特 性以及负载特性进行研究
（c）由起动转矩定义，令s=1，可得起动转矩公式：
3P 2 '
U r
MQ
f (r r ) X 2
[
1e
1e 2 F
1
' 2
2
2 F
2]
e
将上式对αF求导并令其为零，可得最大起动转矩时的频率比 10 ：αF=(r1+r2)/Xe，从而可得最佳起动频率fm=(r1+r2)f1e/Xe
§4.1异步电动机的运转状态与控制 四、异步电动机的起动
2、变频调速原理
改变定子供电频率f1 即可改变电动机的同步转速n0 ，从而 改变电动机转速n
3
§4.1异步电动机的运转状态与控制
三、异步电动机的自然机械特性
1、基本概念
（1）异步电动机机械特性 是指电动机运行时其转速与电磁转矩之间的关系。 （2）自然机械特性 当电动机工作在额定电压、 额定频率时，电磁转矩M与 nN 转子转速n之间的关系称为 电动机的自然机械特性， 即n=f(M)，是由电动机本身 固有参数决定的特性。由机械 特性曲线可得几个特殊转矩：
2、变频起动
（2）最佳起动频率 （d）讨论 对一般电动机最佳起动频率大致在12.5~25Hz范围内，超过 此值起动转矩都将小于最大值 起动后逐步加速到额定转速。如图为低频起动时的电动机机 械特性曲线，电动机从最佳起动频率起动，随着频率上升， 转速上升，直到到达电动机工作频率后，电动机稳速运行 由图知属于恒最大转矩或恒磁通 运行，能在很低频率下带动负载起动 和运行
四、异步电动机的起动
1、概述
（1）电动机从静止状态一直加速到稳定转速的过程，称为起 动过程 （2）异步电动机在工频50Hz直接起动时起动电流可达到额定 电流的5~7倍，而起动转矩Mst并不很大，一般为Mst =（1.8~2 ）MN （3）较大的起动电流会引起电网电压下降，影响其他电气设 备正常工作，而较小的起动转矩常使带有较重负载的电动机 起动不能实现 （4）为了减小起动电流，在生产中除了小容量三相异步电动 机采用直接起动外，一般常用降低电压的方法起动电动机， 但却减小了起动转矩。 （5）在变频调速系统中可通过降频降压来起动电动机，减小 8 起动电流，增加起动转矩，加快起动过程
（2）最佳起动频率
（a）由电机学可知电动机转矩公式：
M
2
U r 3P r
' 2
/
2
s)
(
X
1
X
2)2]
式中：U1：定子电压， X1、X2：定子、转子电抗
P：极对数，
r1、r2’：定子和转子电阻
9
s：转差率，s=f1/f2，f1、f2：定子、转子频率
§4.1异步电动机的运转状态与控制 四、异步电动机的起动
11
§4.1异步电动机的运转状态与控制
2
§4.1异步电动机的运转状态与控制
二、异步电动机变频调速基本原理
1、异步电动机转速公式
由电机学原理可知，异步电动机转速n表达式为：
n
1
sn0
1
s 60 f1
p
其中n0同步转速，p磁极对数，f1定子绕组供电电源频率 转差率s=(n0-n)/n0 异步电动机在额定状态运行时s一般在0.01~0.05之间
§4.1异步电动机的运转状态与控制 四、异步电动机的起动
2、变频起动
（1）起动原理
（a）根据异步电动机机械特性，当低于工频频率起动时，在
高频区间电动机的起动转矩随频率的降低而增大，而在低频
区间起动转矩随频率的降低而减小
（b）为了缩短起动时间，要求选择最佳起动频率以获得最大
起动转矩，同时尽可能减小起动电流