异步电动机功率

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1、第 八 章异 步 电 动 机 功 率 、转 矩 和 运 行 分 析 主 要 内 容1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程2 异 步 电 动 机 转 矩 转 差 率 曲 线3 异 步 电 动 机 工 作 特 性4 异 步 电 机 启 动 方 法 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程一 、 损 耗 及 功 率 平 衡 方 程在 等 效 电 路 上 表 示 功 率 和 损 耗 ：1R 1X 2R 2X 21 Rs s1U 1I 0I 2ImRmX1cup Fep 2cup MP1P 三 相 功 率 及 损 耗 需 3 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程一 、 损

2、 耗 及 功 率 平 衡 方 程P1 P P2p cu_1 pFe pcu_2 p+ pad P M 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程一 、 损 耗 及 功 率 平 衡 方 程异 步 电 动 机 的 功 率 和 损 耗 有 ：输 入 功 率 11111 cos IUmP 定 子 铁 损 2Fe 1 0 mp m I r电 磁 功 率 2 2 1 cu1 Fe 1 2 rP P p p m I s 机 械 功 率 2 2 M 2 2 2 1 2 21 s 1 sP m I r m I rs s 输 出 功 率 2 M adP P p p 定 子 铜 损 2cu 1 1 1 1p

3、 m I r转 子 铜 损 2 2 cu 2 2 2 2 1 2 2p m I r m I r 1R 1X 2R 2X 21 Rs s1U 1I 0I 2ImRmX1P 1cup Fep 2cup MP 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程一 、 损 耗 及 功 率 平 衡 方 程两 个 重 要 关 系 式 cu2p sP MP 1 sP 可 见 ， 从 气 隙 传 递 到 转 子 的 电 磁 功 率 分 为 两 部 分 ， 一 小部 分 变 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 ，

4、电 机 效 率 越 低 。 因 此 正 常 运 行 时 电 机 的 转 差率 均 很 小 。 异 步 电 动 机 的 功 率 平 衡 方 程 式 ： pPpppppPP adcuFecu 12112 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程一 、 损 耗 及 功 率 平 衡 方 程 异 步 电 动 机 的 功 率 平 衡 方 程 式 ： pPpppppPP adcuFecu 12112效 率 为 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程二 、 转 矩 平 衡 方 程 02 M pP P 在 式 的 两 边 同 时 除 以 机 械 角 速 度 得2 M 0P P p 602

5、n0 adp p p 令 为 空 载 损 耗2 0M M M 其 中 为 机 械 角 速 度 ， 单 位 rad/s M2 为 输 出 转 矩 ， 单 位 Nm M为 电 磁 转 矩 ， 单 位 Nm M0 为 空 载 转 矩 ， 单 位 Nm转 矩 由 机 械 功 率 产 生 ， 机 械 功 率 除 以 轴 的 机 械角 速 度 就 是 电 磁 转 矩 。PS： 转 矩 的 另 一 个 符 号 T 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程二 、 转 矩 平 衡 方 程 1 111 M ( s)P PPM ( s) 电 磁 转 矩电 磁 转 矩 从 转 子 方 面 看 ， 它 等 于

6、 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 以同 步 机 械 角 速 度 。式 中 1为 同 步 机 械 角 速 度 。 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念M： 其 实 质 就 是 转 子 载 流 导 体 在 气 隙 旋转 磁 场 中 受 力 形 成 的 转 矩 。 = 1p 1为 电 角 速 度 为 转 子 电 路 的 功 率 因 数 角 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念 8.1 异 步 电

7、机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念力 矩 常 数 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念表 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 。 8.1 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念已 知 一 台 三 相 四 极 异 步 (感 应 )电 动 机 ， 额 定

8、功 率PN l0kW、 额 定 电 压 UN 380V、 sN =0.03、 定子 绕 组 接 法 ， 定 子 每 相 电 阻 r1 =1.375、 漏 抗x1 2.43、 转 子 电 阻 的 折 算 值 r2 =1.047、 漏抗 归 算 值 x2 =4.4、 激 磁 阻 抗 rm 8.34、 激磁 电 抗 xm 82.6， 电 动 机 的 机 械 损 耗 p =100W，额 定 负 载 时 的 杂 散 损 耗 pad =50W。 (1)额 定 负 载 时 定 子 电 流 ， 定 子 功 率 因 数 和 电 动 机 的 效 率 ; (2)电 机 额 定 运 行 时 的 电 磁 转 矩 8.1

9、 异 步 电 机 功 率 及 转 矩 方 程三 、 电 磁 转 矩 M的 物 理 概 念 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线一 、 电 磁 转 矩 与 转 差 率 的 关 系 ： M-s曲 线M-s曲 线 ： 是 指 在 电 源 电 压 U1 、 频 率 f1 确 定 的情 况 下 ， 利 用 等 效 电 路 参 数 表 述 的 电 磁 转 矩 与转 差 率 间 的 关 系 曲 线 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线一 、 电 磁 转 矩 与 转 差 率 的 关 系 ： M-s曲 线在 电 源 电 压 U1、 频 率 f1确定 的 情 况 下 ， 对 于 一

10、 台电 机 ， 转 矩 M与 转 差 率 s有 关 ， 其 关 系 曲 线 即 为M-s曲 线 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线一 、 电 磁 转 矩 与 转 差 率 的 关 系 ： M-s曲 线(1)s=1(n=0)时 的 转 矩 ， 为 起 动 转 矩 Mst ， 如 图 A点 所 示 ；(2) 当 s=sm 时 电 机 可 产 生 最 大 转矩 Mm ， 如 图 B点 所 示 ；(3)当 电 动 机 运 行 于 额 定 状 态 时s=sN 时 ， 对 应 产 生 的 转 矩 为 额 定 转 矩 M N ， 如 图 C点 所 示 ；(4) 当 s=0(n=n1 )时

11、， 转 矩 为 0， 如 图 D点 所 示 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线一 、 电 磁 转 矩 与 转 差 率 的 关 系 ： M-s曲 线电 磁 转 矩 与 转 速 （ 转 差 率 ） 之 间 的 关 系 曲 线 ， 称 为 电机 的 机 械 特 性 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与 启 动 转 矩1.最 大 转 矩 ： 可 以 根 据 高 等 数 学 中 求 极 值 的 方 法 求 得 。 r1很 小 可 以 忽 略 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与 启 动 转 矩最 大

12、转 矩 Mm(1)当 电 机 参 数 确 定 ， f1 不 变时 ， 最 大 转 矩 正 比 于 电 压 的平 方 ， 但 临 界 转 差 率 与 电 源电 压 无 关 ； (2)当 U 1 、 f1 不 变 时 ， 最 大 转矩 与 电 抗 成 反 比 ；(3)当 电 机 参 数 确 定 ， U1 不 变 时 ， 最 大 转 矩 随 f1 的 升 高 而 变 小 ； (4)最 大 转 矩 与 转 子 电 阻 无 关 ， 但 是 转 差 率 与 转 子 电 阻 成 正 比 ； (5)过 载 能 力 ： 一 般 为 1.6 2.5， 越 大 表 示 过 载 能 力 越 强 8.2 异 步 电 机

13、 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与 启 动 转 矩 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与 启 动 转 矩结 论 ：最 大 转 矩 近 似 与 漏 电 抗 成 反 比 ；最 大 转 矩 的 位 置 可 以 由 转 子 电 阻 的 大 小 来 调 整 ；最 大 转 矩 的 值 与 转 子 电 阻 值 没 有 关 系 ；异 步 电 动 机 调 节 转 子 电 阻 时 机 械 特 性 会 发 生 变 化 。 最 大 转 矩 与 电 网 电 压 的 平 方 成 正 比 ； 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩

14、 与 启 动 转 矩2.启 动 转 矩 Mst ： 电 机 启 动 时 n=0、 s=1， 代 入 转 矩 公 式可 见 ： 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与 启 动 转 矩(1)当 电 机 参 数 确 定 、 f1 不 变 时 ，启 动 转 矩 正 比 于 电 压 的 平 方 ；(2)当 电 机 参 数 确 定 、 U1 不 变 时 ，启 动 转 矩 随 f1 的 升 高 而 变 小 ；(3)当 U 1 、 f1 不 变 时 ， 漏 抗 越 大 启 动 转 矩 越 小 ； 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线二 、 最 大 转 矩 与

15、 启 动 转 矩（ 4） 当 转 子 回 路 电 阻 为 时 sm 1， 起动 转 矩 达 到 最 大 电 磁 转 矩 。(5)起 动 转 矩 倍 数 ： ， 是 衡 量 电 动 机 启 动 性 能的 重 要 指 标 ， 一 般 为 1.0 2.0， 特 殊 场 合 要 求 4.0以 上 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线三 、 异 步 电 动 机 机 械 特 性1. 固 有 机 械 特 性 2.人 为 机 械 特 性三 相 异 步 电 动 机 的 机 械 特 性 是 指 在 一 定 条 件 下 ，电 动 机 的 转 速 n与 转 矩 M之 间 的 关 系 n=f（ M）

16、。由 于 转 速 n与 转 差 率 s的 关 系 ： ， 所 以 三 相 异 步电 动 机 的 机 械 特 性 也 往 往 用 M=f（ s） 的 形 式 表 示 。机 械 特 性 的 “ 软 ” 和 “ 硬 ” 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线三 、 异 步 电 动 机 机 械 特 性1. 固 有 机 械 特 性 三 相 异 步 电 动 机 的 固 有 机 械 特 性 是 指 定 子 在 额定 电 压 、 额 定 频 率 下 、 按 规 定 的 接 线 方 式 接 线 ，定 子 、 转 子 回 路 不 外 接 电 阻 （ 电 容 或 电 感 ） 时 ，所 获 得 的 机 械

17、 特 性 曲 线 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线三 、 异 步 电 动 机 机 械 特 性2.人 为 机 械 特 性人 为 机 械 特 性 是 指 人 为 地 改 变 三 相 异 步 电 动 机的 某 些 参 数 或 电 源 参 数 所 得 到 的 机 械 特 性 。 (1)降 低 定 子 回 路 端 电 压 的 人 为 特 性 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线三 、 异 步 电 动 机 机 械 特 性(1)降 低 定 子 回 路 端 电 压 的 人 为 特 性降 压 时 ， 转 矩 按 电 压 的 平 方 降 低 ， 而 临 界 转 差 率 不 变

18、， 曲 线 如图 所 示 。 降 压 后 特 性 变 “ 软 ” ， 启 动 能 力 和 过 载 能 力 都 下 降 ，负 载 过 大 将 停 转 ； 若 能 运 转 ， 转 速 略 有 下 降 ， s增 大 ， 转 子 电 动势 及 电 流 增 大 ， 使 电 动 机 过 载 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线三 、 异 步 电 动 机 机 械 特 性(2)转 子 回 路 串 联 电 阻 的 人 为 特 性 （ 绕 线 式 异 步 ）转 子 串 电 阻 ， Mst、 sm变 化 ， 而 Mm不 变 ， 曲 线 如 图 所 示 。 适 当增 加 转 子 电 阻 ， 可 增

19、加 启 动 转 矩 。 8.2 异 步 电 机 转 矩 转 差 率 曲 线四 、 异 步 电 动 机 运 行 的 稳 定 性 问 题（ 1） sm s0范 围 内 。 向 下倾 斜 ， 为 稳 定 运 行 工 作 部分 ， 工 作 于 这 一 范 围 内 。近 似 为 一 条 直 线 。（ 2） 1ssm 范 围 内 。 向 上 倾 斜 ，一 般 不 能 稳 定 地 工 作 于 这 一 范围 ， 是 启 动 的 过 渡 段 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性异 步 电 动 机 工 作 特 性 是 指 ： 定 子 电 压 及 频 率为 额 定 时 ， 转 速 n、 定 子 电 流 I

20、1、 功 率 因 数cos1 、 电 磁 转 矩 M、 效 率 等 与 输 出 功 率 P2 的 关 系 曲 线 。工 作 特 性 曲 线 的 求 取 方 法 ：(1)工 作 特 性 可 通 过 直 接 负 载 法 测 得 ； (2)也 可 用 等 效 电 路 计 算 得 出 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性1. 转 速 特 性 n=f (P2 )空 载 时 ， 转 速 n接 近 于 n1 。随 负 载 增 加 ， n略 微 降 低 ，此 时 转 子 电 动 势增 大 ， 使 转 子 电 流 I2s 增 大 ，以 产 生 较 大 的 电 磁 转 矩 来平 衡 负 载 转 矩 。

21、即 P 2 增 加 ， n下 降 ， s增 大 。 转 速 特 性是 一 条 平 缓 下 降 的 特 性 曲线 ， 如 图 所 示 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性2. 定 子 电 流 特 性 I1 =f (P2 )空 载 时 ， 转 子 电 流 I2 近 似为 零 ， 定 子 电 流 等 于 励 磁电 流 I0 。 随 着 负 载 的 增 加 ，转 速 下 降 （ s增 大 ） ， 转 子电 流 增 大 ， 由 于 ， 所 以定 子 电 流 也 增 大 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性3. 转 矩 特 性 M=f (P2 )空 载 时 P2 =0， 电 磁 转 矩

22、M等 于 空 载 转 矩 M0 。随 着 P2 的 增 加 ， 考 虑 到P 2 增 加 时 ， n稍 有 降 低 ，故 M2 =f (P2 )随 着 P2增加 略 向 上 偏 离 直 线 ， 是一 条 稍 向 上 翘 的 曲 线 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性4. 定 子 功 率 因 数 特 性 cos1=f (P2 )电 机 属 电 感 性 负 载 ，功 率 因 数 总 是 滞 后 的 。 空载 时 ， 只 有 励 磁 电 流 ， 功 率 因 数 很 低 。 负 载 电 流（ 有 功 ） 增 加 时 ， 功 率 因数 提 高 。 接 近 额 定 负 载 时 ， 功 率 因

23、数 达 到 最 高 。 过 载时 ， n迅 速 降 低 ， s增 大 ， 使 2 增 大 ， cos 2 迅 速 下 降 ， 引 起 cos 1 下 降 ， 如 图 所 示 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性5. 效 率 特 性 =f (P2 )空 载 时 损 耗 占 比 例 大 ， 效率 低 ； 随 P2 增 加 ， 增 加 ，当 负 载 过 大 ， 铜 损 增 加 快 ，使 效 率 下 降 ， 如 图 所 示 。 效 率 、 功 率 因 数 都 是 在额 定 负 载 附 近 达 到 最 高 ，故 合 理 选 用 电 动 机 容 量 ，对 电 动 机 的 寿 命 、 功 率因 数

24、 和 效 率 都 有 很 实 际的 意 义 。 8.3 异 步 电 动 机 工 作 特 性结 论 ： 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法（ 2） 起 动 要 求 ： 起 动 电 流 尽 量 小 ， 以 减 小 对 电 网 的 冲 击 ； 起 动 转 矩 尽 量 大 ， 以 缩 短 起 动 时 间 ； 起 动 设 备 简 单 ， 可 靠 。（ 1） 起 动 定 义 ： 电 动 机 接 到 电 源 上 ， 从静 止 状 态 到 稳 定 运 行 状 态 的 过 程 。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法一 、 笼 型 异 步 电 动 机 起 动 方 法1.小 容 量 电 动 机 轻

25、载 起 动 直 接 启 动 （ 又 称 全 压 启 动 ） ： 三 相 异 步 电 动 机 直 接 起 动 是 指 电 动 机 加 额 定 电压 ， 定 子 、 转 子 回 路 不 串 任 何 电 器 元 件 时 的 起 动 。由 于 正 常 运 行 时 转 差 率 s很 小 （ 1/s很 大 ） ， 所 以与 正 常 运 行 相 比 启 动 电 流 很 大 ， 近 似 等 于 5 7倍额 定 电 流 。启 动 电 流2 2 2 21 sz r r jxs 1 12 21 2 1 2 1 21( ) ( )st U UI z z r r x xs 小 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法

26、一 、 笼 型 异 步 电 动 机 起 动 方 法1.小 容 量 电 动 机 轻 载 起 动 直 接 启 动启 动 时 2 很 大 ， 使 cos 2 很 小 启 动 时 I0 很 小 ， 主 磁 通 m 很 小 异 步 电 动 机 启 动 时 电 流 很 大 ， 而 启 动 转 矩 并 不大 。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法一 、 笼 型 异 步 电 动 机 起 动 方 法1.小 容 量 电 动 机 轻 载 起 动 直 接 启 动可 见 ， 异 步 电 动 机 直 接 启 动 时 启 动 转 矩 不 大 ， 而 电 流 很 大 ， 可 达 额 定 电 流 的 4 7倍 ， 将

27、带 来 下 述 不 良 后 果 ：（ 1） 使 电 压 损 失 过 大 ， 启 动 转 矩 不 够 无 法 启 动 。（ 2） 绕 组 发 热 ， 绝 缘 老 化 ， 缩 短 使 用 寿 命 。（ 3） 造 成 过 流 保 护 装 置 误 动 作 、 跳 闸 。（ 4） 影 响 其 他 设 备 的 正 常 运 行 。因 此 ， 除 了 小 容 量 的 电 动 机 可 采 用 直 接 启 动外 ， 一 般 不 宜 采 用 直 接 启 动 方 法 。启 动 时 ， 应 该 在 保 证 一 定 大 小 的 启 动 转 矩 的 前提 下 ， 要 求 限 制 启 动 电 流 在 允 许 的 范 围 内

28、。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法一 、 笼 型 异 步 电 动 机 起 动 方 法1.小 容 量 电 动 机 轻 载 起 动 直 接 启 动能 否 采 用 直 接 启 动 ， 不 仅 取 决 于 电 机 本 身 功 率 的 大 小 ， 还 与 供 电 电 网 容 量 和 供 电 线 路 长 短 有 关 。 （ 要 求 母 线 电压 降 落 不 大 于 10 ）一 般 7.5K W以 下 电 机 允 许 直 接 起 动 。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法一 、 笼 型 异 步 电 动 机 起 动 方 法2. 中 、 大 容 量 电 动 机 轻 载 起 动 降 压 起 动

29、由 于 启 动 时 的 主 要 矛 盾 为 电 流 很 大 ， 而 降 低 电 流 的 方 法 主 要 靠 降 低 电 压 。 因 此 降 压 启 动 是 指 启 动 过 程 中 降 低 电压 ， 启 动 结 束 后 ， 恢 复 到 额 定 值 。该 法 能 降 低 启 动 电 流 ， 但 启 动 转 矩 也 减 小 很 多 ， 一 般 只 适 用 于 空 载 或 轻 载 启 动 。（ 1） 定 子 串 电 抗 器 降 压 启 动（ 2） 自 耦 变 压 器 降 压 启 动（ 3） 星 形 三 角 形 （ Y- ） 换 接 启 动 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法二 、 绕 线 型

30、异 步 电 动 机 的 启 动 方 法2. 中 、 大 容 量 电 动 机 轻 载 起 动 降 压 起 动对 于 大 功 率 重 载 启 动 情 况 ， 采 用 笼 型 异 步 电 动 机 一 般 不能 满 足 启 动 要 求 ， 这 时 可 以 采 用 绕 线 转 子 异 步 电 动 机 转子 串 电 阻 或 阻 抗 启 动 ， 限 制 启 动 电 流 和 增 大 启 动 转 矩 。三 相 绕 线 型 异 步 电 动 机 转子 中 有 三 相 绕 组 ， 可 以 通过 滑 环 和 电 刷 串 接 外 加 电阻 或 阻 抗 ， 适 当 增 加 转 子串 接 电 阻 ， 可 以 减 小 启 动电

31、 流 并 提 高 电 动 机 的 启 动转 矩 。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法二 、 绕 线 型 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法当 转 差 率 sm 1时 ， Mst =Mm ， 起 动 转 矩 达 到 最大 电 磁 转 矩 。 此 时 有 转 子 电 阻 折 算 前 后 的 关 系 为 ： 其 中 r st 为 转 子 回 路 中 串 入 的 外 接 电 阻 。 8.4 异 步 电 动 机 启 动 方 法二 、 绕 线 型 异 步 电 动 机 的 启 动 方 法按 照 绕 线 型 异 步 电 动 机 启 动 过 程 中 转 子 串 接 装置 的 不 同 ， 有 串 电

32、 阻 启 动 和 串 频 敏 电 阻 器 启 动两 种 方 法 。 1 转 子 串 电 阻 启 动 ： 绕 线 转 子 异 步 电 动 机 转 子 串 三 相对 称 电 阻 启 动 时 ， 一 般 采 用 转 子 串 多 级 启 动 电 阻 ， 然 后分 级 切 除 启 动 电 阻 的 方 法 ， 以 提 高 平 均 启 动 转 矩 和 减 小启 动 电 流 与 启 动 转 矩 对 系 统 的 冲 击 。 然 而 ， 转 子 串 三 相 对 称 电 阻 分 级 启 动 ， 过 渡 过 程 不 不 平 滑 。欲 提 高 平 稳 性 增 加 级 数 导 致 设 备 复 杂 提 出 频 敏 变 阻 器 启 动 2. 转 子 绕 组 串 频 敏 变 阻 器 启 动