异步电机基本理论课件.pptx

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1、第1页/共167页,优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用的工作特性。,缺点：功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此它的功率因数总小于1。,第2页/共167页,异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类法，常见的有：,按定子相数分,单相异步电动机,两相异步电动机,三相异步电动机,第3页/共167页,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,第4页/共167页,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。,第5页/共167

2、页,13.1异步电动机的结构及额定值,三相异步电动机的基本结构,一、定子部分,1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,二、转子部分,1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,2、转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,第6页/共167页,第7页/共167页,按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼

3、型异步电动机,第8页/共167页,三相笼型异步电动机结构图,转子,定子,风扇,冷空气流,罩 壳（非驱动端）,端盖（驱动端）,第9页/共167页,三相笼型异步电动机的部件图,第10页/共167页,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,第11页/共167页,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,第12页/共167页,三相绕线型异步电动机的结构,第13页/共167页,三相绕线型异步电动机示意图,第14页/共167页,第15页/共167页,定子铁心,第16页/共167页,定子槽形,散嵌绕组,成型绕组,效率和功率因数较高绕组嵌线工艺复杂小容量及中型低压电机

4、,可嵌放成型线圈大型低压电动机,绝缘放置可靠、绕组下线方便高压电动机,第17页/共167页,定子绕组,定子绕组通常应用双层短距绕组，小型电机可应用单层绕组。,第18页/共167页,转子铁心,第19页/共167页,转子槽,槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。,第20页/共167页,转子绕组,鼠笼式转子squirrel-cage rotor：焊接，铸铝。,斜槽形式,第21页/共167页,第22页/共167页,线绕转子（wound rotor）：铁芯上绕有一对称绕组，和定子绕组有相同的极数，且制成相同的相数。通常采用对称的三相绕组，连接成星形。转子的一端装有三个集电环，各与转子绕组的三个

5、起始端相连接。每个集电环上各有一电刷，通过电刷把转子绕组与外接变阻器相接。安装变阻器的目的是改善起动特性(增加起动转短，减小起动电流)或用以调节电动机的转速。,第23页/共167页,转轴 shaft,第24页/共167页,异步电机的气隙air gap,特点气隙很小，在中、小型电机中，气隙一般为0.2-1.5毫米。气隙大小对电机性能有很大的影响气隙大：磁阻大，励磁电流（空载电流）大，功率因数低；气隙磁场谐波含量（漏磁引起附加损耗）减少，改善启动性能。气隙小：按加工可能及机械安全所限制。,第25页/共167页,13.1.4 型号和额定值,一、型号,例:,第26页/共167页,第27页/共167页,

6、额定值关系有：,二、额定值,第28页/共167页,三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。,三、接线,第29页/共167页,异步电机的铭牌(Name plate)及额定值(Rating),铭牌：型号、额定值、绕组联结方式及生产厂家等。型号举例：Y132S-4,Y-异步电动机；132-机座中心高度为132mm；S-短铁心；4-极数。额定值:正常运行时的主要数据指标。,第30页/共167页,绕组联结方式：接法或者Y接法。主要额定值如下（三相时）：额定电压:UN(V)

7、，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定功率:PN(W；kW),额定运行时，电动机的输出功率；额定转速:nN(r/min),额定运行时，电动机的转子转速；额定频率:fN(Hz)，规定的电源频率(我国用工 频 50Hz)；额定效率N，额定功率因数:cosN 等。额定功率：无论接法或是Y 接法，下式均成立：PN=3UNpINpcosNN=sqrt(3)UNINcosNN(W),第31页/共167页,异步电动机的特点,异步电机，转子转速n与磁场同步转速n1间存在一定差异。asynchronous优点：结构简单，制造、使用和维护方便，

8、运行可靠，效率较高，价格低廉，坚固耐用。缺点：转速不易调节鼠笼式异步电动机的起动性能较差功率因数滞后，激磁电流由电网供给,第32页/共167页,2）如铭牌上标有“380V、D联结”时，表示电机正常运行时只能采用“D”联结，但是在电动机起动过程中可接380V电源，绕组采用“Y”联结，起动完毕，恢复“D”联结。,1）如铭牌上标有“380/220V、Y/D联结”时，表示电源电压为380V时，电机绕组采用“Y”联结；电源电压为220V时，采用“D”联结。,2、对于中低压电动机：,提示：1、对于高压电动机，定子绕组只有三根出线，只要电源电压符合电动机铭牌电压值便可使用。,第33页/共167页,13.2、

9、异步电机的三种运行状态,一、三相异步电动机的基本工作原理,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,第34页/共167页,第35页/共167页,两极异步电动机示意图,定子绕组接三相电源,流过三相对称电流，气隙中产生基波旋转磁场，转速为同步速:,电动机运行时的基本电磁过程：,同步速的气隙磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流；,转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，这个力矩驱动转子旋转，实现电动

10、机的工作过程。,第36页/共167页,两极异步电动机示意图,第37页/共167页,思考：能否等于？何谓异步？电机的转向决定于什么？,两极发电机示意图 两极电机制动运行图,第38页/共167页,转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,第39页/共167页,二、发电机运行,在转子上施加原动力矩拖动转子以大于同步转速顺着旋转磁

11、场方向旋转，则旋转磁场切割转子的相对速度便倒转方向。和电动机运行情况相比，转子导体中感应电势和电流的方向倒转,第40页/共167页,导体上所受到的电磁力的方向与转子旋转方向相反；这时机械功率为输入，电功率为输出，外施力F为原动力，电磁力Fe为阻力发电机运行。结论：异步电机作为发电机运行，转速需大于同步转速，即nn1，s0。,第41页/共167页,第42页/共167页,三、电磁制动,转子在外力拖动下使其旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反，则旋转磁场切割转子导体的相对转速大于同步转速。电磁力的方向与外施力方向相反，所起的作用是制动作用。定子从电网吸收电功率,外力供给机械功率,都转变为电机内部的损耗电

12、磁制动状态。,第43页/共167页,电机的n应取负值，相对转速大于同步转速，即n0，sl。例如，当起重机下放重物时，如不采取任何措施，重物将加速下坠。这时如使电机运行在制动状态，由电磁转矩制止了转子的加速。,第44页/共167页,第45页/共167页,第46页/共167页,异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,第47页/共167页,实际中要解决的问题：主要是已知异步电动机电压与输出功率求解电流、转速的问题；或已知电压和转速求电流和功率等问题。,第48页/共167页,为解决上述问题仍用等效电路法，要设法找出与变压器相似的等效电路。本章要求掌握等效电路方面的要点：

13、1）如何得到等效电路？掌握绕组归算、转子位置归算与频率归算等；2）等效电路各元件各代表什么？等效哪些实际的物理量？,第49页/共167页,为了得到等效电路的过程，主要解决以下三个问题：1）设法用静止转子等效旋转的转子，以便借用变压器的分析方法；2）在气隙磁场作用下，定转子绕组的感应电势之间的关系，引入电压变比；3）定转子电流产生的磁势如何合成，引入电流变比。,仿照变压器的思路得到等效电路,第50页/共167页,基本思路,首先分析仅仅定子有电流而转子没有电流的情况转子绕组开路，转子只有感应电动势，但无电流；,然后分析，转子绕组短路，但转子堵转的情况；,最后分析转子旋转的情况采用等效静止转子代替实

14、际旋转转子。,第51页/共167页,规定定、转子各相电气物理量的正方向；,规定磁动势、磁通的正方向；,确定定转子绕组空间坐标。,正方向的规定,第52页/共167页,1）定、转子绕组电流、电动势及端电压的正方向；,3）磁动势、磁通密度从定子内圆出来进入气隙为正（定子铁心内圆表面N极为正）。,2）绕组轴线的正方向：与电流、电动势成右手螺旋关系,并假设转子A相绕组轴线 在定子A相绕组轴线 前方 空间电角度；,正方向的规定（下页图）,第53页/共167页,第54页/共167页,第55页/共167页,空载运行时的电磁关系,13.3三相异步电动机电势平衡,一、主、漏磁通的分布,为了便于分析，根据磁通路径和

15、性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。,主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心气隙转子铁心气隙定子铁心。主磁通起传递能量的作用。,除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。,第56页/共167页,定子漏磁通 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和谐波磁通,异步电动机的主磁通和定子漏磁通,主磁通 和变压器一样起到传递能量的媒介作用；,第57页/共167页,二、空载电流和空载磁动势,异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。,第58页/共167页,三、电磁关系,13.3.1 定子绕组的电压平

16、衡方程,一、感应电动势,与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势,可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。,第59页/共167页,二、电压平衡方程与等效电路,与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：,同样也有：,根据上两式，可以作出空载时等效电路。,第60页/共167页,时空相矢图和等效电路：,第61页/共167页,尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：,1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场.,4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.,5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变

17、压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.,第62页/共167页,负载运行时的电磁关系,三相异步电动机的负载运行,第63页/共167页,13.3.2 转子绕组各电磁量,一、转子电动势的频率,感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为:,转子不转时,理想空载时,二、转子绕组的感应电动势,转子旋转时的感应电动势:,转子不转时的感应电动势:,二者关系为:,第64页/共167页,三、转子绕组的漏阻抗,电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗:,二者关系:,转子绕组的漏阻抗:,四、转子绕组的电流,转子绕组为闭合绕组,转子电流为,转子不转时转子漏电抗:,当转速降低时,转差率增大,转

18、子电流也增大.,第65页/共167页,五、转子绕组的功率因数,转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小。,六、转子旋转磁动势,转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势.,1)幅值,2)转向,转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致.,转子旋转磁动势相对定子的速度为,可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。,第66页/共167页,13.4.2 磁动势平衡方程,磁动势的平衡方程为：,可以改写为：,写成磁动势幅值公式：,第67页/共167页,电动势平衡方程,根据基尔霍夫电压定

19、律可写出定、转子侧电动势平衡方程：,第68页/共167页,折算,13.5三相异步电动机的等效电路和相量图,频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。,一、频率折算,在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。,转子回路电流,第69页/共167页,第70页/共167页,实际的旋转转子轴上有机械损耗和机械功率输出。频率折算后，转子静止，没有机械损耗和机械功率输出，但电路中多了一个附加电阻。根据能量守恒关系，该电阻消耗的功率等效机械损耗和机械功率之和总的机械功率。,从等效电路角度，可以把

20、 看成是异步电动机的”电阻负载”，其上的压降可以看成是转子回路的端电压:,第71页/共167页,二、绕组归算,转子绕组的归算把实际相数为m2、绕组匝数为N2、绕组系数为kw2的转子绕组，归算成与定子绕组有相同相数、相同匝数和相同绕组系数的转子绕组。在进行归算时，有电压变比、电流变比和阻抗变比。,第72页/共167页,1.电流的归算根据归算前后转子磁势应保持不变为条件2.电势的归算根据归算前后转子视在功率保持不变为条件,第73页/共167页,3.阻抗的归算根据归算前后转子上的铜耗保持不变为条件根据归算前后转子功率因数保持不变为条件,第74页/共167页,磁势平衡,第75页/共167页,T型等效电

21、路和简化等效电路,由基本方程可以作出等效电路:,T型等效电路,简化等效电路,第76页/共167页,绕组折算,等效电路,绕组后的基本方程,第77页/共167页,从等效电路分析可知:,3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；,4)附加电阻不能用电感或电容来代替。,5)在等效电路中负载的变化是用转差率s来体现的,第78页/共167页,13.5.3 相量图,按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。,第79页/共167页,第80页/共167页,基本方程和相量图,第81页/共167页,第82页/共167页,本章前面是以绕线型电机为例来分析的，这种电机转子在设计制造时就确定了极对数、相数、有效匝数等

22、数据。对于鼠笼转子绕组由于转子导条在转子铁心表面均匀布置，那么得到如下关系：1）转子极对数自动恒等于定子极对数；2）转子相数等于 通常就认为等于总的转子导条数；3）转子的有效匝数：,鼠笼转子的问题,第83页/共167页,1)等效电路中 为机械功率的等效电：当转子堵转时，此时无机械功率输出；旋转时，此时有机械功率输出，即 对应的功率等于机械功率总功械功率。,总结,第84页/共167页,第85页/共167页,，,3)机械负载的变化在等效电路中由转差率 的变化来体现：机械负载,电动机从电源吸收更多的电功率。,第86页/共167页,4）总是滞后，所以异步电动机功率因数 总是滞后的。原因是异步电动机只能

23、从电网吸收感性无功功率来建立主磁场和漏磁场。激磁电流 愈大，所需感性无功亦愈多，功率因数亦愈低。5）异步电动机和变压器有相同形式的等效电路，但是它们对应的参数数值相差较大。,第87页/共167页,13.6 功率平衡和转矩平衡,13.6三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡,异步电动机的功率和损耗有：,一、功率平衡,输入功率,定子铁损,电磁功率,机械功率,输出功率,定子铜损,转子铜损,第88页/共167页,定子和转子附加损耗 满载，铜条鼠笼转子0.5%，铸铝（13）%,第89页/共167页,旋转磁场在定转子铁心中产生铁耗 转子铁心与磁场相对转速为sn1很小，忽略转子铁耗定子铁心与磁场相对转速为n1较

24、大，铁耗主要为定子铁耗：通过气隙磁场感应到转子绕组的功率称为电磁功率：电磁功率首先提供转子铜耗：剩余的电磁功率全部转化为机械功率：机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗其余功率为输出的机械功率异步电动机的功率平衡方程：,第90页/共167页,电磁功率 PM,第91页/共167页,第92页/共167页,在等效电路上表示功率和损耗：,第93页/共167页,两个重要关系式,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，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。,第94页/共167页,二、转矩平衡,即,或,在式 的两边同

25、时除以机械角速度 得,第95页/共167页,电磁转矩 T,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同步机械角速度。,第96页/共167页,其中 称为转矩因数。,电磁转矩的物理表达式,第97页/共167页,从异步电动机的电磁转矩物理表达式可以看出：电磁转矩 的大小与气隙每极磁通量、转子每相电流 以及转子功率因数 三者的乘积有关。,第98页/共167页,根据简化等效电路，把,它代入电磁转矩表达式 得到：,第99页/共167页,三相异步电动机的机械特性,一、物理表达式,三相异步电动机机械特性的三种表达式,二、参数表达式,三相异步电动机的机械特性是指

26、电动机的转速与电磁转矩之间的关系，由于电机的转速与转差率之间存在一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常用 表示。,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。,说明：电磁转矩与电源参数（1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。,第100页/共167页,一、电磁转矩torque,由基波磁场所产生的电磁转矩T，它等于内功率P除以转子角速度内功率P=电磁功率PM-转子铜耗 pcu2,13.7异步电动机的机械特性Induction-machine torque-slip curve,第101页/共167页,如果给出、及阻抗参数，根据上式机械特性

27、的参数表达式画出曲线便为“”曲线。,“Ts”曲线,第102页/共167页,三相异步电动机在电压、频率为额定不变，定转子回路不串任何电路元件条件下的机械特性，称为固有机械（自然）特性。曲线1为电源正序时的；曲线2为电源负序时的曲线。我们只研究电源正序时的情况。,固有机械特性,第103页/共167页,机械特性曲线位于坐标的三个象限,第象限：电动状态；第象限：发电状态；第象限：电动机工作在一种电磁制动状态。我们重点研究第象限电动机运行状态。,第104页/共167页,D点（，）为堵转点，或者说叫起动点。,C点（、）为电磁转矩最大点；,B点为额定运行；,A点（，）为理想空载运行点；,第105页/共167

28、页,在实际额定电磁转矩求解中，通常通过额定输出功率 和额定转速，用下面式子来计算：,机械特性额定电磁转矩点,第106页/共167页,从机械特性参数表达式求得，令，得到最大电磁转矩:,产生最大电磁转矩的转差率称为临界转差率，用 表示:,机械特性最大电磁转矩点推导,第107页/共167页,式中：“”号适用于电动机状态；“”适用于发电机状态。,一般情况下，数值远小于 的数值，可以忽略 的影响，这样上面两式可简化为,第108页/共167页,1）与电压的平方 成正比，而 和 无关；,2）与转子回路总电阻大小 无关，而 和转子回路总电阻的大小 成正比；,3）过载能力 最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值：,第

29、109页/共167页,在特性曲线上有两个最大转矩，最大转矩对应的转差率称为临界转差率，可令 求得:,最大转矩与额定转矩之比称为过载能力:,2、越大，越大；与 无关。,1、与 成正比；与 无关。,3、和 都近似与漏抗成反比,第110页/共167页,电动机堵转时 的电磁转矩称为堵转转矩，也称起动转矩：,与电压的平方 成正比；漏电抗 越大，堵转转矩越小；,机械特性堵转转矩点,堵转转矩倍数 定义：堵转转矩与与额定电磁转矩的比值，即：,第111页/共167页,在特性曲线上还有一个起动转矩，即 时的转矩:,结论：当其它参数一定时,1、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，起

30、动转矩越小；,3、绕线式电动机，转子回路电阻越大，起动转矩先增后减。,4、起动转矩倍数,第112页/共167页,三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性,一、固有机械特性,固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。,几个特殊点：,A,B,C,D,1.起动点A:,2.最大转矩点B:,3.额定运行点C,4.同步运行点D,第113页/共167页,二、人为机械特性,人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。,1.降压时的人为机械特性,下降后,和 均下降,但 不变,和 减少。,如果电机在定额负载下运行,下降后,下降,增大,转子电

31、流因 增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。,第114页/共167页,2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性,串电阻后,、不变，增大。,在一定范围内增加电阻，可以增加。当 时，若再增加电阻，减小。,串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。,除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。,第115页/共167页,电磁转矩的两种表示式,与气隙磁通和转子电流的有功分量的乘积成正比,第116页/共167页,二、机械特性 Ts曲线,n1n=0 00电磁转矩方向与转速方向一致驱动转矩-电动机Motor,sn1 T0电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩-发电机Ge

32、nerator,s1 n0电磁转矩方向与转速方向相反制动转矩-制动运行Breaking,起动点,第117页/共167页,T-S曲线的定性分析,1 0 s,理想空载T=0 n=n1 s=0I2=0,负载后，出现转差s，nn1,负载后，出现转差s，nn1S很小时，T与s近似正比变化S增大后，T随s增大而减小,第118页/共167页,三、最大转矩maximum torque Tmax,临界转差率：产生最大转矩时的转差率最大转矩,+对应电动机-对应发电机,性质：与U平方成正比，随电源频率增大而减小与定转子漏抗之和成反比，发电机时Tmax稍大与转子电阻无关 Sm与转子电阻近似成正比,第119页/共167

33、页,临界转差率与转子电阻的关系,最大转矩不变,第120页/共167页,过载能力,最大转矩倍数：最大转矩与额定转矩之比普通电机km=1.62.2，在有特殊要求时也可特殊制造成km=2.83.0。,第121页/共167页,四、异步电动机的启动电流和启动转矩,第122页/共167页,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）。,五、机械特性的实用公式,其中令,第123页/共167页,最后可得实用公式：,由于,其中,第124页/共167页,根据铭牌上给出、额定转速 和过载能力 用转矩实用表达式作出 曲线或进行转矩计算。具体使用过程如下：,

34、实用公式的实际应用,第125页/共167页,2)利用 求出最大电磁转矩；,1）利用 和 求出额定电磁转矩：,3）根据，求出,其中。这样就可利用实用式来计算实际问题了。,第126页/共167页,电磁转矩的简化计算,条件：略去r1，取c1=1,第127页/共167页,实用表达式,已知电机的额定功率、额定转速、过载能力,忽略空载转矩，有,将Tm和sm代入即可得到机械特性方程式,第128页/共167页,由产品目录数据计算,Tmax,和,sk,的步骤,通常产品目录给出额定功率PN 和额定转速nN,和过载能力,km,。,1,由,PN,和,nN,求出额定转矩,2,由,TN,和,km,可求出最大转矩,Tmax

35、,k,m,TN,3,由,nN,可求出,sN=,4,把,s=sN,，,T=TN,代入到,求出,sm,。,第129页/共167页,稳态运行范围,当TTL时，加速转矩TJ为正值，电动机加速。当TTL，TJ为负值，电动机减速。当TTL时，TJ=0，转速才能维持不变，电动机处于平衡状态。,第130页/共167页,电机在运行时会受到外界因素的扰动(或由于电路的原因使T发生变化，或由于机械的原因使TL发生变化)，破坏了稳态平衡，使转速发生变化。稳定若扰动因素消除后，电动机的转速仍然能恢复到原有的状态。不稳定若扰动因素消除后，电动机的转速不能恢复到原有的状态。,稳定的概念,第131页/共167页,稳定运行问题

36、,当电动机拖动负载稳态运行时，电磁转矩 和负载转矩 总是大小相等方向相反。如图所示，这时电机运行在“a”或者“b”点都没有什么问题。现在由于某种原因引起波动，当波动消失后，理论分析和实践都发现电机在“a”点继续保持稳定运行，但是不能在“b”点保持稳定运行。,第132页/共167页,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：,那么电机就能稳定运行；反之，电机就不能运定运行。,第133页/共167页,s sm,s sm,随着转速的增加，电磁转矩减少，能保持稳定运行,随着转速的增加，电磁转矩随之增大，不能保持稳定运行,临界转差率sk,稳定运行条件,第134页/共167页,13.8异步

37、电动机的工作特性,条件：外施电源电压U和频率f保持不变特性：转速n、输出转矩T2、定子电流I1、定子功率因数cos1、效率等与输出功率P2的关系曲线。,第135页/共167页,三相异步电动机的性能指标,1）效率为电动机输出功率和输入功率之比，即；2）功率因数异步电动机的功率因数永远小于1；,第136页/共167页,3）堵转转矩电动机应该有足够大的堵转转矩，否则可能出现无法拖动机械负载起动的情况；4）堵转电流三相异步电动机在加额定电压起动瞬间，由于转子感应很高的电动势，产生很大的电流，因此定子电流也很大，这个电流称为堵转电流；5）过载能力电动机额定运行时，它的过载能力不应小于技术标准规定数据。,

38、第137页/共167页,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、定子电流、功率因数、电磁转矩、效率 等与输出功率 的关系，即：,、,、时，,第138页/共167页,1）转速特性：,第139页/共167页,2）定子电流特性：,，空载时，,随着输出负载 定子电流特性为一上升曲线。,第140页/共167页,3）功率因数特性：,如果负载继续增加：转速 下降开始明显，明显增大，转子功率因数角 增加，减小，引起定子的功率因数 减小。,空载时：异步电动的，因此功率因数很低；随着负载增加：，在额定负载附近，异步电动机的功率因数达到最大值；,第141页/共167页,电

39、机从空载到额定负载之间，转速 变化很小，所以:因此电磁转矩特性近似为直线。,4）电磁转矩特性：,第142页/共167页,其中 为不变损耗，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 时效率最高；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。,异步电动机的效率为。由于，,5）效率特性：,第143页/共167页,典型的工作特性曲线,定性：转速随输出增加略有下降负载转矩近似与输出功率成正比定子电流随负载增加效率和功率因数随负载有不同的变化,第144页/共167页,电动机的运行特性,条件：额定电压、额定频率,启动时：功率因数很低,第145页/

40、共167页,一、转速特性：硬特性,电动机稳态运行时必须满足转矩平衡T=T0+T2 空载时，T20，TT0，只需较小转子电势产生较小转子电流产生较小的电磁转矩空载转速很接近同步转速，转差很小。随着负载增大，为维持转矩平衡需较大电磁转矩，转差率随之增大，但变化不大。（如SN=0.0150.06）,第146页/共167页,二、负载转矩特性,在正常运行范围内，转速变化不大（硬特性），负载转矩与输出功率近似为直线。,第147页/共167页,三、定子电流特性,随着负载增加，I2相应增大，定子电流I1也相应增大。I2与输出功率P2不成正比，I1与输出功率呈非线性关系。,第148页/共167页,四、功率因数特

41、性,空载运行时，电流是激磁电流，其主要成分是磁化电流（无功分量），功率因数很低，cos10.2负载后时，转子电流增大。2=arctg(sx2/r2)轻载时，s很小，2很小，cos21，转子电流的主要成分是有功电流随着负载的增大，定子电流的增长主要是有功分量增加，cos1迅速增大。当负载较大（增大到一定程度）时，s增大，2增大，转子电流的无功分量增加较快，定子的无功电流随之增大，cos1反趋于减小。在某一负载时有最大功率因数，设计电机时，通常使在额定负载或略低于额定负载时有最大功率因数。,第149页/共167页,五、效率特性,效率随负载而变化的规律决定于损耗的分配比例 机械损耗pm：与转速有关

42、铁耗pFe：与磁通密度有关。异步电机的转速基本不变，如电源电压和频率保持不变，则机械损耗与铁耗基本保持不变合称为不变损耗。铜耗正比于负载电流的平方，定、转子铜耗合称为可变损耗空载时，P20，=0。随着P2增大，效率迅速增大，直到某一负载时，其可变损耗等于不变损耗，效率达到最大。载再增加，铜耗急剧增大，效率反而降低。设计时最大效率在0.7-1范围内，且在此范围内效率变化不大,第150页/共167页,小结,异步电机从基本电磁原理和分析方法来看与变压器很相似。可用类比方法来研究异步电动机，它们的电势、磁势平衡方程式、等效电路和相量图的形式是相同的，但有明显差别，主要是磁场性质不同。定转子感应电势的大

43、小、频率不同，异步电机的等效电路必须要同时进行绕组归算和频率归算。,第151页/共167页,小结,在使用异步电动机等效电路时应注意：异步电动机输出的机械功率在等效电路中用模拟电阻表示。异步电机有气隙存在，激磁电流较变压器的大，等效电路的简化应作修止。异步电动机将电能转换成机械能，电磁转矩是关键量，电磁转矩与电磁功率成正比。,第152页/共167页,机械特性：电磁转矩与转差率之间的关系曲线。工作特性：指随着负载变化，其转速、输出转矩、定子电流、功率因数、效率等的变化曲线。从使用的观点看，定子电流是关键量，效率和功率因数是重要的力能指标，应掌握计算方法和变化规律。,第153页/共167页,13.9

44、异步电机的参数equivalent-circuit parameters,基本参数：r1,x1,r2,x2,rm,xm运行参数：s转差率fractional slip,第154页/共167页,空载时从电源吸收的功率：,一、空载试验1）试验目的：测取、。2）试验方法：异步电动机空载，转子转速接近同步速，转子相当于开路。,第155页/共167页,画出空载特性曲线。,从上式中减去定子铜耗：,改变电压，测量、。,在下页画出了 曲线。,第156页/共167页,注意到，右侧的曲线近似一条直线。其原因机械损耗和电压无关，只要电动机的转速不变或变化很小，就认为是常数；而铁耗和附加损耗 可与磁密的平方成正比，近

45、似的和电动机的端电压 的平方成正比。这样根据图中的虚线很容易把 和 分离出来。,3）机械损耗 和铁耗 的测定：,第157页/共167页,定子加额定电压时，根据空载试验测得的数据和，可以算出式中:,是测得的三相输入功率；、分别为相电流和相电压。再根据空载时的等效电路，就可求出励磁阻抗：,4）励磁阻抗参数的计算：,第158页/共167页,1）试验目的：测取。2）试验方法：，加电压，下图为异步电动机堵转时等效电路图；逐渐降低电压，测量、，画出异步电动机的堵转特性曲线如下页。,二、堵转试验,第159页/共167页,是测得的三相输入功率；、分别为相电流和相电压，并有：,3）短路阻抗参数的计算：,在作堵转

46、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：,第160页/共167页,空载试验No-load test,试验条件额定电源频率f1转子空载，相当于等效电路转子侧开路额定电压UN测量激磁电流(exciting current)i0空载损耗(no-load losses)p0计算激磁参数rm、xm；铁耗pFe和机械耗pmec,第161页/共167页,分析,第162页/共167页,铁耗和机械损耗 分离 如图,第163页/共167页,参数计算 激磁电阻 空载电抗 激磁电抗,第164页/共167页,短路试验Blocked-rotor test,试验条件额定电源频率f1转子堵转，相当于等效电路转子侧短路额定电流Ik=IN测量电压Uk短路损耗(blocked-rotor losses)pk计算短路参数r1+r2、x1+x2,第165页/共167页,分析,第166页/共167页,参数计算 堵转(1)时的等效电路如图所示,第167页/共167页,