异步电机功率转矩和运行特性

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.,掌握异步电动机的功率传递关系及功率平衡方程,2.,掌握电磁功率、总机械功率和转子铜耗之间的关系,3.,掌握转距平衡方程以及电磁转距与电磁功率和总机械功率之间的关系,4.,掌握异步电动机电磁转距的三种表达式和机械特性,5.,熟悉异步电动机的运行特性及其特点,本节基本要求,异步电动机的功率、转矩和运行特性,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的转矩关系,三相异步电动机的工作特性,主要内容,异步电动机的功率、转矩和运行特性,2,异步电动机的功率、转矩和运行特性,主磁场,:,能量传递的媒介,无功,漏磁场：电抗压降,不参与机电能量转换,内部损耗,有功,机械能,实现机电能量转换,热能,3,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,T,型等效电路表示的功率平衡关系,4,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,功率表达式,名称,符号,计算公式,输入电功率,P,1,定子绕组铜耗,p,Cu1,p,Cu1,=,m,1,I,1,2,r,1,铁耗,p,Fe,p,Fe,=,m,1,I,m,2,r,m,，,在正常运行时，异步电动机的转速接近同步转速，转子电流频率很低,(0.5,2)Hz,，转子铁耗可以忽略，因此异步电动机的铁耗可近似认为等于定子铁耗。,电磁功率,P,em,P,em,=,P,1,-,p,Cu1,-,p,Fe,=,p,Cu2,+,P,=,m,2,I,2,2,r,2,s,=,m,1,I,2,2,r,2,s,借助于气隙中旋转磁场由定子传递给转子的功率,转子绕组铜耗,p,Cu2,p,Cu2,=,m,2,I,2,2,r,2,=,m,1,I,2,2,r,2,=,s P,em,5,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,功率表达式,名称,符号,计算公式,总机械功率,P,P,=,m,2,I,2,2,r,2,(1-,s,),s,=,m,1,I,2,2,r,2,(1-,s,),s,=,(1-,s,),P,em,机械损耗,p,mec,包括轴承摩擦损耗和通风损耗，主要与转速有关,附加损耗,p,ad,定、转子开槽和谐波磁动势产生。难以准确计算，通常估算约为电机额定功率的,0.5%,3%,。,输出机械功率,P,2,P,2,=,P,-(,p,mec,+,p,ad,)=,P,1,-,p,Cu1,-,p,Fe,-,p,Cu2,-,p,mec,-,p,ad,转子轴上输出的机械功率,6,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,功率流程图,几个重要的关系式,P,1,(,电,),P,em,P,2,(,机,),p,cu1,p,Fe,p,cu2,p,mec,+,p,ad,P,P,em,：,p,cu2,：,P,=1,：,s,：,(1-,s,),7,1,异步电动机的功率关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,小结,从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分（,s,）变为转子铜损耗，绝大部分（,1,s,）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。起动瞬间，,p,Cu2,=,P,em,，,电磁功率全部,e,转为转子铜耗。,效率,=(,P,2,P,1,)100,8,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,一、转矩关系,异步电机作为电动机运行时，从电网吸取电能转换为轴上的机械能，能量的转换是通过气隙磁场与转子电流相互作用产生电磁转矩而实现的。,旋转体的转矩等于旋转体的机械功率除以它的机械角速度。,9,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,一、转矩关系,在式 的两边同时除以机械角速度 得：,即,：,或,T,2,负载转矩，电动机轴上的输出机械转矩,T,em,电磁转矩,T,mec,机械损耗转矩；,T,ad,附加损耗转矩；,T,0,=,T,mec,+,T,ad,空载制动转矩,10,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,一、转矩关系,电磁转矩,机械运动角速度,旋转磁场运动角速度,11,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,一、转矩关系,电磁转矩,从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以定子旋转磁场的同步机械角速度。,12,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,二、,电磁转矩,的基本（物理）表达式,阐述产生电磁转矩的根本原因；分析直接与电磁转矩相关的物理量。,13,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,二、,电磁转矩,的基本（物理）表达式,电流表示的电磁转矩,C,M,是,与电机结构有关的常数,14,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,二、,电磁转矩,的基本（物理）表达式,电流表示的电磁转矩,C,M,是,与电机结构有关的常数,15,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,二、,电磁转矩,的基本（物理）表达式,小结,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。其大小与主磁通和转子电流的有功分量成正比。常用于分析和解释问题。,16,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,电磁转矩的物理表达式表明了转矩产生的条件和根本原因；其具有明显的物理意义。但不能反映外加电压、转差率和电机参数对转矩的影响。电磁转矩的参数表达式可以实现上述目的。,电磁转矩的参数表达式,17,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,电磁转矩与电源参数（,1,、,f,1,）、结构参数（,r,、,x,、,m,1,、,p,）和运行参数（,s,）有关。当电源参数和结构参数不变时，电磁转矩仅与运行参数转差率（,s,）有关。,1.,T,em,与,U,1,2,成正比。,2.,f,1,T,em, 3.,漏电抗,x,k,T,em,电磁转矩的参数表达式,18,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,电磁转矩（,T,em,）与转差率（,s,）的关系曲线称为,转矩转差率曲线,，简称,T,M,s,曲线,。,转差率用转速,n,表示，则称为异步电动机的,机械特性,。,T,em,s,曲线,19,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,起动点：,s,=1,，即,n,=0,，,T,st,为最初起动转矩。,上升段：近似双曲线。,n,s,。,s,较大,(1s,m,) r,2,/,s,较小,(,x,1,+C,x,2,) (,r,1,+C,r,2,/,s,),忽略,(,r,1,+C,r,2,/,s,),T,em,1/,s,最大值点：,s,=,s,m,，,T,em,=,T,max,下降段：近似直线。,s,较小,(0s,m,) r,2,/,s,较大,r,1,和,(,x,1,+C,x,2,),可 忽略,分母只有,(C,r,2,/,s,),2,， 约去分子中的,r,2,/,s,，,T,em,s,。,同步点：,s,=0,，即,n,=,n,1,T,em,=,0,。,异步电动机,T,em,s,曲线形状分析,20,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,电动机状态：,0,S,1,，即,0,n,n,1,；第,象限，,T,em,0,。,发电机状态：,S,0,，即,n,n,1,；第,象限，形状与电动机相同，,T,em,0,。,电磁制动状态：,S,1,，即,n,0,；第,象限，为电动机转矩曲线的延长线。,三种运行状态的,T,em,s,曲线,21,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,由于存在集肤效应和漏磁路饱和的影响，异步电机的参数不为常数，定、转子漏抗与定、转子电流有关，转子电阻与转子频率有关；而定、转子电流和转子频率都决定于转差率，所以转差率不同，电机的参数也不同。通常对正常运行、最大转矩和起动三种情况采用不同的参数值分别进行计算。,参数说明,22,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,两个重要的转矩,衡量异步电动机性能的重要指标，对电机的运行具有特别重要的意义,最大转矩,T,max,正号用于电动机；负号用于发电机,23,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,最大转矩,T,max,24,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,最大转矩,T,max,25,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,最大转矩,T,max,1,、 与 成正比； 与 无关。,2,、 越大， 越大； 与 无关。,8,、最大转矩与额定转矩之比称为过载能力,:,（一般为,1.8,2.5,，起重，冶金电动机为,2.7,3.7,）,5,、 和 都近似与漏抗成反比。,6,、对于恒转矩负载，临界转差率为稳定运行的分界点。稳定运行范围是,7,、稳定运行判据是,如图,17-5,所示,如图,17-6,所示,4,、 近似与 成正比。,3,、,越大，,与 就越小。,如图,17-7,所示,26,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三、,电磁转矩,的参数表达式和,T,em,s,曲线,最初起动转矩,T,st,结论：当其它参数一定时,1,、最初起动转矩与电源电压平方成正比；,2,、频率越高，起动转矩越小；漏抗越大，最初起动转矩越小；,3,、绕线式电动机,4,、起动转矩倍数,如图,17-5,所示,如图,17-6,所示,（一般为,1.0,2.0,，起重，冶金电动机为,2.8,4.0,）,27,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,四、,电磁转矩,的实用表达式,采用电磁转矩参数表达式进行计算，必须通过实验求出参数。在工业企业中，希望不用参数，而用产品目录中的额定功率,P,N,、额定转速,n,N,和过载能力,k,m,来计算,T,em,s,曲线，这可用转矩的实用表达式来计算。,实用表达式,28,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,四、,电磁转矩,的实用表达式,实用表达式,29,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,四、,电磁转矩,的实用表达式,T,em,s,曲线的计算步骤,已知电机的额定功率、额定转速、过载能力,30,2,异步电动机的转矩关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,四、,电磁转矩,的实用表达式,T,em,s,曲线的计算,已知电机的额定功率、额定转速、过载能力、,某一电磁转矩和其对应的转差率,额定负载附近的,T,em,s,曲线的计算,(,s,N,s,0,),在额定负载范围内运行时的转差率很。,故可将其忽略。,31,一台六极异步电动机，额定功率,P,N,=28,千瓦，,U,N,=380,伏，,f,1,=50Hz,，,n,N,=950,转,/,分，额定负载时，,，,p,cu1,+p,Fe,=2.2,千瓦，,p,mec,=1.1,千瓦，,p,ad,=0,，计算在额定时的,s,N,、,p,cu2,、,N,、,I,1,和,f,2,同步转速,总机械功率：,转子铜损：,32,一台,4,极异步电动机，额定功率,P,N,=5.5,千瓦，,f,1,=50Hz,，在某运行情况下，自定子方面输入的功率为,6.32,千瓦，,p,cu1,=341,瓦，,p,cu2,=237.5,瓦，,p,Fe,=167.5,瓦，,p,mec,=45,瓦，,p,ad,=29,瓦，试绘出该电机的功率流程图，标明电磁功率、总机械功率和输出功率的大小，并计算在该运行情况下的效率、转差率、转速及空载转矩、输出转矩和电磁转矩 。,33,当异步电动机运行时，定子电动势的频率是多少？转子电动势的频率为多少？由定子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切定子，又以什么速度截切转子？由转子电流的产生的旋转磁动势以什么速度截切转子，又以什么速度截切定子？，它与定子旋转磁动势的相对速度是多少？,答：定子电动势频率为,f,1,；,转子电动势频率为,f,2,=s f,1,；,由定子电流产生的定子旋转磁动势以,n,1,的速度截切定子，又以,n,1,-n,的速度截切转子。,由转子电流产生的转子旋转磁动势以,的速度截切转子，又以,的速度截切定子，它与定子旋转磁动势的相对速度为,34,3,三相异步电动机的工作特性,异步电动机的功率、转矩和运行特性,三相异步电动机的工作特性是指在额定电压和额定频率下，电动机的转速,n,、定子电流,I,1,、功率因数,cos,、输出转矩,T,2,、效率,与输出功率,P,2,的关系曲线,在已知等效电路各参数、机械损耗、附加损耗的情况下，给定一系列的转差,s,，可以由计算得到工作特性。对于已制成的异步电动机，其工作特性也可以通过试验求得。,35,3,三相异步电动机的工作特性,异步电动机的功率、转矩和运行特性,一、转速特性,P,2,0,I,2,0,p,Cu2,0,s,0,n,n,1,P,2,I,2,p,Cu2,P,em,s,n,是一条稍向下倾斜的曲线。且特性较硬。,如图,所示,36,3,三相异步电动机的工作特性,异步电动机的功率、转矩和运行特性,二、定子电流特性,P,2,0,I,2,0,I,1,I,m,I,0,=(0.20.5),I,1N,P,2,I,2,I,1,是一条上升曲线。,三、功率因数特性,P,2,0,I,1,I,m,I,0,P,2,I,2a,I,1a,s,n,I,1r,如图,所示,如图,所示,37,3,三相异步电动机的工作特性,异步电动机的功率、转矩和运行特性,四、转矩特性,五、效率特性,P,2,较小,是一条稍微上翘的曲线。,转速变化不大,且有点下降,故,P,2,较大,当可变损耗,=,不变损耗时，有最大效率。对于中小型电动机，在（,3/41,）额定负载时，取得最大效率,。,如图,所示,38,图,17,5,最大转矩与电源电压的关系,异步电动机的功率、转矩和运行特性,s,s,m,1,0,T,max,U,1,T,N,T,st,T,M,0.49T,st,0.49,T,max,0.7,U,1,返回,39,异步电动机的功率、转矩和运行特性,返回,0,0.2 0.4 0.6 0.2 1.0,300,250,200,150,100,50,0,转子电阻变化时的,T,M,-,s,曲线,40,异步电动机的功率、转矩和运行特性,返回,异步电动机的稳定运行区域,41,异步电动机的功率、转矩和运行特性,返回,感应电动机的,42,异步电动机的功率、转矩和运行特性,返回,感应电动机的,43,例,53,已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率,P,N,l0kW,，额定电压,U,N,380V(,三角形联结,),，定子每相电阻,R,1,=1.33,漏抗,X,1,2.43,，转子电阻的归算值,R,2,=1.12,，漏抗归算值,X,2,=4.4,，激磁阻抗,R,m,712,，,X,m,900,，电动机的机械损耗,p,mec,=100W,，额定负载时的杂散损耗,p,=100W,。试求额定负载时电动机的转速，电磁转矩，输出转矩，定子和转子相电流，定子功率因数和电动机的效率。,44,45,定子功率因数为：,（,2,）转子电流和激磁电流,46,（,3,）定，转子损耗,（,4,）输出功率和效率,47,（,5,）额定负载时的转速,（,6,）电磁转矩和输出转矩,48,例,5,4,一台四极、,380V,、三角形联结的感应电动机，其参数为,1,=4.47,，,2,= 3.18,，,X,1,= 6.7,，,X,2,= 9.85,，,X,= 188,m,忽略不计。试求该电动机的最大转矩,max,及临界转差,，起动电流,I,st,及起动转矩,st,。,49,解：,50,起动时,s=1,，起动电流和起动转矩分别为：,51,