第20章 异步电动机的功率、转矩与运行性能-091016-lmj

TL
a
b
T
理论分析很容易得到，当电机的机械特性 和负载特性配合，满足：
n
dT dTL ds ds
那么电机就能稳定运； 反之，电机不能运定运行。
0
TL
a
b
T
3、人为机械特性
所谓三相异步电动机的人为机械特 性，是指认为降低电机的定子电源电压、
频率或者在绕线式转子回路中串附加电 阻后获得的异步电动机机械特性。
' R2 2 m1 pU1 2 m1 pU1 s T 2 ' ' R2 sX k R2 2 2 2 f1[( ) X k ] 2 f1[ ' ] s R2 s 2 m1 pU1 ' ' sX k R2 X1 X 2 X k 其中令 2 f1 X k [ ' ] s X k R2
具体使用过程如下：
1）利用 PN 和 nN 求出额定电磁转矩 TN ：
2)
利用 km 求出最大电磁转矩 Tm kmTN ；
T2 N PN 9550 TN nN
3）根据
TN 2 1 Tm sN sm km sm s N
，求出：
sm sN (km km 2 1)
n1 nN 其中 sN n1
n 、I1 、cos1 、T 、
T
f ( P2 )
0
I1
T
P2
1）转速特性
n f ( P2 )



P2
I
' 2
s
n
2）定子电流特性
I1 f ( P2 )
I1 I0 (0.3 0.4)I1N

s
I1L
I1 I0 I1L ，空载时，
P2 p 异步电动机的效率为 1 P P2 p 1
p pCu1 pFe pCu 2 pm pad
其中 ( pFe pm ) 为不变损耗， ( pCu1 pCu 2 ) 为可变 损耗，当不变损耗等于可变损耗时，异步电动机的效 率达到最大。 对于中小型电动机，大约 P 0.75PN 时效率最高； 2 如继续增加负载，效率反而降低。一般来说电动机容 量越大， 越高。
工作特性及其分析
三相异步电动机的工作特性是指，在电动机定子绕
组加额定电压，额定频率时，电动机的转速
流 I1 、功率因数 cos 1 、电磁转矩 n T T 出功率 P 的关系，即： 2
I1
cos 1
T
、效率 等与输
n
、定子电
U1 U N 、 f1 f N 时 ，
n

cos 1
T0 Tm Tad 称为空载转矩；
T2 称为电动机输出转矩。
电磁转矩的物理表达式
PM m2 E2 I 2 cos 2 T 2 n1 1 60
m2 (4.44 f1 N 2 kdp 2 m ) I 2 cos 2 2 n1 60
CT m I 2 cos 2
m2 pN 2 kdp 2 称为转矩因数。 其中 CT 2
' jX 2
R1
jX1
' R2
I0
E1 E 2'
Rm
P M m1

P 1
I1
I 2'
Pm
U1
m1
1 s ' R2 s
m1
jX m
功率关系
P mU1I1 cos 1 1 1 2 pCu1 m1I1 R1 PM P pFe pCu1 1 2 pFe m1I0 Rm
Tm 与电压的平方 U12 成正比，而 sm 和 U1N 无关； 1） ' ' 2） Tm 与转子回路总电阻大小 (R2 Rj ) 无关，而 sm
' 和转子回路总电阻的大小 (R2 R'j ) 成正比；
3）过载能力 k 最大电磁转矩
m
与额定电磁转
矩的比值：
Tm km TN
3）机械特性——堵转转矩点（D点）
PM pCu 2 P m
PM : pCu 2 : Pm 1: s : (1 s)
2、转矩关系 根据机械功率关系 P P ( pm pad )，在等号 m 2 两侧同除于机械角速度 ，得转矩平衡关系：
T T2 T0
Pm Pm Pm PM 其中 T 2 n (1 s) 2 n1 1 称为电磁转矩； 60 60
说明：
P 称为电磁功率，是通过定转子之间的电 M
磁耦合关系从定子绕组传递到转子绕组的功率。
R PM m1E I cos 2 m I s '2 ' pCu 2 m1I2 R2 sPM
' ' 2 2 '2 1 2
' 2
(1 s ) ' Pm m I R2 s
'2 1 2
Pm P2 ( pm pad )
n
0 n1 B A nN
sm
C
D
0
TN Ts Tm
T
T 1）机械特性——额定电磁转矩点（B点， N , nN )
在实际额定电磁转矩求解中，通常通过额定 输出功率 P 和额定转速 N 算：
nN ，用下面式子来计
T2 N
PN (kW ) PN (kW ) 9550 TN ( N m) 2 nN nN (r / min) 60
T CT m I 2 cos 2
从异步电动机的电磁转矩物理表达式 可以看出：电磁转矩 T 的大小与气隙每 极磁通量 m 、转子每相电流 I 2 以及
转子功率因数 cos 2 三者的乘积有关。
第二节
三相异步电动机的机械特性
1、机械特性的参数表达式
T f (n)或T f (s)
s 0(n n1 )
发电状态；
电动机工作在一种电
重点研究第Ⅰ象限电动机运行状态。
A点（ n n1 ， T 0 ） 为理想空载运行点； B点为额定运行； C点（ nm 、 Tm ）为电 磁转矩最大点； D点（ n 0，T Ts ） Tm 为堵转点，或者称为起 动点。
s sm
R
U1
I1
Rm
jX m
' 2
' jX 2
3）短路阻抗参数的计算
在作堵转试验时，异步电动机的等效电路中的励
磁支路可以忽略，这样计算如下：
由于
Tmax
m1 pU 4 f1 X k
2 1
最后可得实用公式：
R 其中 sm Xk
' 2
T 2 sm s Tm s sm
实用的公式的实际应用
根据铭牌上给出 PN 、额定转速 nN 和过载能力 km ，用转矩实用表达式可 以作出 (T s) 曲线，或进行任意转速下
转矩的计算。
第二十章
主要内容：
异步电动机的功率、 转矩和运行性能
1.掌握三相异步电动机功率与转矩的关系
2. 掌握三相异步电动机的机械特性（固有机 械特性和人为机械特性）
3. 掌握三相异步电动机的工作特性
4. 掌握三相异步电动机参数的测定
第一节
1、功率关系
pCu1 m1
三相异步电动机功率 和转矩关系
pFe m1 pCu 2 m1
cos 2 减小，引起定子的功率因数 cos 1 减小。

低；随着负载增加：( I 2 cos 2 )
cos 1
，在额
4）电磁转矩特性
T f ( P2 )
电机从空载到额定负载之间，转速 小，所以:
n
变化很
T
P2


P2
2 n
C
因此电磁转矩特性近似为直线。
5）效率特性
f ( P2 )
最常见的是“降低定子电压” 、“转 子回路串入三相对称电阻”和“改变电源 频率”等的人为机械特性。下面我们调用 小程序“三相异步电动机机械特性”来分 析各种人为机械特性的各自特性。 这些人为机械特性很重要，因为在改 善电机的起动性能和调速场合经常用到。4、机械特性的实用公式
但实际使用中，某些参数不易知道，我们可以 根据电动机铭牌上的一些数据推导机械特性实用简 化公式（忽略定子电阻）。
2、固有机械特性
s sm
n
0 n1 B A nN
“T－s ”曲线
如果给出 U1 、 f
1
及阻抗参数，根据
上式机械特性的参
sm
C
数表达式画出曲线
便为 “ T
s
D
” T
m
0
曲线。
TN Ts Tm
T
固有机械特性：
三相异步电动机在电压、 频率为额定不变，定转子回路
s sm
0 n1 nN
n
1
不串任何电路元件条件下的机
随着输出负载 P 2
定子电流特性为一上升曲线。




s0
I1L 0
I1
3）功率因数特性 cos 1 f ( P ) 2 空载时：异步电动机的 I1 I 0 ，因此功率因数很 定负载附近，异步电动机的功率因数达到最大。
如果负载继续增加：转速 n 下降明显， 明显增 s
大，转子功率因数角 2 arctan(sX 2 R2 ) 增加，
电动机堵转时 (n 0, s 1) 的电磁转矩称为堵转
转矩，也称起动转矩：
3 pU R Ts ' 2 2 f1[( R1 R ) ( X1 X 2 ) ]
' 与电压的平方 U12 成正比；漏电抗 ( X1 X 2 ) 越大， Ts 堵转转矩越小；