异步电动机功率.ppt

第八章第八章异步电动机功率、转异步电动机功率、转矩和运行分析矩和运行分析.主要内容主要内容1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程2 异步电动机转矩异步电动机转矩转差率曲线转差率曲线3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性4 异步电机启动方法异步电机启动方法.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程在等效电路上表示功率和损耗：在等效电路上表示功率和损耗：三相功率及损耗需三相功率及损耗需3.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程P1PP2pcu_1pFepcu_2p+pad P M.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程异步电动机的功率和损耗有：异步电动机的功率和损耗有：输入功率输入功率定子铁损定子铁损电磁功率电磁功率机械功率机械功率输出功率输出功率定子铜损定子铜损转子铜损转子铜损.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程两个重要关系式两个重要关系式 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，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。率均很小。异步电动机的功率平衡方程式：异步电动机的功率平衡方程式：.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程一、损耗及功率平衡方程一、损耗及功率平衡方程 异步电动机的功率平衡方程式：异步电动机的功率平衡方程式：效率为效率为.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程二、转矩平衡方程二、转矩平衡方程 在式在式 的两边同时除以机械角速度的两边同时除以机械角速度 得得令令 为空载损耗为空载损耗其中其中为机械角速度，单位为机械角速度，单位rad/s M2 为输出转矩，单位为输出转矩，单位Nm M为电磁转矩，单位为电磁转矩，单位Nm M0 为空载转矩，单位为空载转矩，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角速度就是电 磁转矩。磁转矩。PS：转矩的另一个符号：转矩的另一个符号T.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程二、转矩平衡方程二、转矩平衡方程电磁转矩电磁转矩电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子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。同步机械角速度。式中式中1为同步机械角速度。为同步机械角速度。.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念M：其实质就是转子载流导体在气隙旋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。转磁场中受力形成的转矩。=1p1为电角速度为电角速度 为转子电路的功率因数角为转子电路的功率因数角.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念力矩常数力矩常数.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通 与与 转子电流的有功分量转子电流的有功分量 相互作用相互作用产生的。产生的。.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念已已知知一一台台三三相相四四极极异异步步(感感应应)电电动动机机，额额定定功功率率PN l0kW、额额定定电电压压UN 380V、sN=0.03、定定子子绕绕组组接接法法，定定子子每每相相电电阻阻r1=1.375、漏漏抗抗x1 2.43、转转子子电电阻阻的的折折算算值值r2=1.047、漏漏抗抗归归算算值值x2=4.4、激激磁磁阻阻抗抗 rm 8.34、激激磁磁电电抗抗xm 82.6，电电动动机机的的机机械械损损耗耗p=100W，额额定负载定负载 时的杂散损耗时的杂散损耗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电机额定运行时的电磁转矩.8.1 异步电机功率及转矩方程异步电机功率及转矩方程三、电磁转矩三、电磁转矩M的物理概念的物理概念.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线M-s曲线：是指在曲线：是指在电源电压电源电压U1、频率、频率f1 确确 定定的的情况下，利用等效电路参数表述的情况下，利用等效电路参数表述的电磁电磁 转矩与转矩与转差率转差率间的关系曲线。间的关系曲线。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线在在电电源源电电压压U1、频频率率f1确确定定的的情情况况下下，对对于于一一台台电电机机，转转矩矩 M与与转转差差率率s有有关关，其其关关系系曲曲线线即即为为M-s曲线。曲线。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线(1)s=1(n=0)时的转矩，为时的转矩，为起动起动 转矩转矩Mst，如图，如图A点所示；点所示；(2)当当s=sm 时电机可产生时电机可产生最大最大 转转矩矩Mm，如图，如图B点所示；点所示；(3)当电动机运行于额定状态当电动机运行于额定状态 时时s=sN 时，对应产生的转矩为时，对应产生的转矩为额额 定转矩定转矩MN，如图，如图C点所示；点所示；(4)当当s=0(n=n1)时，转矩为时，转矩为0，如图如图D点所示。点所示。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线一、一、电磁转矩与转差率的关系：电磁转矩与转差率的关系：M-s曲线曲线电磁转矩与转速（转差率）之间的关系曲线，称为电机电磁转矩与转速（转差率）之间的关系曲线，称为电机 的机械特性。的机械特性。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩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。最大转矩：可以根据高等数学中求极值的方法求得。r1很小可以忽略很小可以忽略.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩最大转矩最大转矩Mm(1)当电机参数确定，当电机参数确定，f1 不变不变时，最大转时，最大转 矩正比于电压的矩正比于电压的平方，但临界转差率与电平方，但临界转差率与电 源源电压无关；电压无关；(2)当当U1、f1 不变时，最大转不变时，最大转矩与电抗成反比；矩与电抗成反比；(3)当电机参数确定，当电机参数确定，U1 不变时，最大转矩随不变时，最大转矩随f1 的升高而变小；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；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：过载能力：一般为一般为1.62.5，越大，越大 表示过载能力越强表示过载能力越强.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩结论：结论：最大转矩近似最大转矩近似与漏电抗成反比与漏电抗成反比；最大转矩的最大转矩的位置位置可以可以由转子电阻的大小来调整由转子电阻的大小来调整；最大转矩的最大转矩的值与转子电阻值没有关系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。异步电动机调节转子电阻时机械特性会发生变化。最大转矩最大转矩与电网电压的平方成正比与电网电压的平方成正比；.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩2.启动转矩启动转矩Mst：电机启动时：电机启动时n=0、s=1，代入转矩公式，代入转矩公式可见：可见：.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩(1)当电机参数确定、当电机参数确定、f1 不变时，不变时，启动转矩正比于电压的平方；启动转矩正比于电压的平方；(2)当电机参数确定、当电机参数确定、U1 不变时，不变时，启动转矩随启动转矩随f1 的升高而变小；的升高而变小；(3)当当U1、f1 不变时，漏抗越大启动转矩越小；不变时，漏抗越大启动转矩越小；.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线二、二、最大转矩与启动转矩最大转矩与启动转矩（4）当转子回路电阻为）当转子回路电阻为 时时sm 1，起，起动转矩达到最大电磁转矩。动转矩达到最大电磁转矩。(5)起动转矩倍数：起动转矩倍数：，是衡量电动机启动性能，是衡量电动机启动性能的重要指标，一的重要指标，一 般为般为1.02.0，特殊场合要求，特殊场合要求4.0以上。以上。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性1.固有机械特性固有机械特性 2.人为机械特性人为机械特性三相异步电动机的机械特性是三相异步电动机的机械特性是 指在一定条件下，指在一定条件下，电动机的转速电动机的转速n与与 转矩转矩M之间的关系之间的关系n=f（M）。由于转速由于转速n与转差率与转差率s的关的关 系：系：，所以三相异步电，所以三相异步电动机动机 的机械特性也往往用的机械特性也往往用M=f（s）的形）的形 式表示。式表示。机械特性的机械特性的“软软”和和“硬硬”.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性1.固有机械特性固有机械特性 三相异步电动机的固有机械特性是指定子在三相异步电动机的固有机械特性是指定子在额额定电压、定电压、额定频率额定频率下、按规定的接线方式接线，下、按规定的接线方式接线，定子、转子回路定子、转子回路不不 外接外接电阻（电容或电感）时，电阻（电容或电感）时，所获得的机械特性曲线。所获得的机械特性曲线。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、异步电动机机械特性2.人为机械特性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人为机械特性是指人为地改变三相异步电动机的某些参某些参 数或电源参数数或电源参数所得到的机械特性。所得到的机械特性。(1)降低定子回路端电压的人为特性降低定子回路端电压的人为特性.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、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低定子回路端电压的人为特性降压时，转矩按电压的降压时，转矩按电压的 平方降低，而临界转差率不平方降低，而临界转差率不 变，曲线如变，曲线如图所示。图所示。降压后降压后 特性变特性变“软软”，启动能力和过，启动能力和过 载能力都下降，载能力都下降，负载过大将负载过大将 停转；若能运转，转速略有停转；若能运转，转速略有 下降，下降，s增大，转子电动增大，转子电动势及势及 电流增大，使电动机过载。电流增大，使电动机过载。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线三、异步电动机机械特性三、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）转子回路串联电阻的人为特性（绕线式异步）转子串电阻，转子串电阻，Mst、sm变化，而变化，而Mm不变，曲线如图所示。不变，曲线如图所示。适当增适当增加转子电阻，可增加启动转矩。加转子电阻，可增加启动转矩。.8.2 异步电机转矩异步电机转矩转差率曲线转差率曲线四、异步电动机运行的稳定性问题四、异步电动机运行的稳定性问题（1）sm s0范范围围内内。向向下下倾倾斜斜，为为稳稳定定运运行行工工作作部部分分，工工作作于于这这一一范范围围内内。近近似似为为一条直线。一条直线。（2）1ssm 范范围围内内。向向上上倾倾斜斜，一一般般不不能能稳稳定定地地工工作作于于这这一一范范围，是启动的过围，是启动的过 渡段。渡段。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性异异步步电电动动机机工工作作特特性性是是指指：定定子子电电压压及及频频率率为为额额定定时时，转转速速n、定定子子电电流流I1、功功率率因因数数cos1、电电磁磁转转矩矩M、效效率率等等与与输输出出功功率率P2 的关系曲线。的关系曲线。工作特性曲线的求取方法：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；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。也可用等效电路计算得出。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性1.转速特性转速特性n=f(P2)空空载载时时，转转速速n接接近近于于n1。随随负负载载增增加加，n略略微微降降低低，此时转子电动势此时转子电动势增增大大，使使转转子子电电流流I2s 增增大大，以以产产生生较较大大的的电电磁磁转转矩矩来来平平衡衡负负载载转转矩矩。即即P2 增增加加，n下下降降，s增增大大。转转速速特特性性是是一一条条平平缓缓下下降降的的特特性性曲曲线，如图所示。线，如图所示。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性2.定子电流特性定子电流特性I1=f(P2)空空载载时时，转转子子电电流流I2 近近似似为为零零，定定子子电电流流等等于于励励磁磁电电流流I0。随随着着负负载载的的增增 加加，转转速速下下降降（s增增大大），转转子子电电流流增增大大，由由于于 ，所所以以定子电流也增大。定子电流也增大。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性3.转矩特性转矩特性M=f(P2)空空载载时时P2=0，电电磁磁转转矩矩M等等于于空空载载转转矩矩M0。随随着着P2 的的增增加加，考考虑虑到到P2 增增加加时时，n稍稍有有降降低低，故故M2=f(P2)随随着着P2增增加加略略向向上上偏偏离离直直线线，是是一一条稍向上翘条稍向上翘 的曲线。的曲线。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性4.定子功率因数特性定子功率因数特性cos1=f(P2)电电机机属属电电感感性性负负载载，功功率率因因数数总总是是滞滞后后的的。空空载载时时，只只有有励励磁磁电电流流，功功 率率因因数数很很低低。负负载载电电流流（有有功功）增增加加时时，功功率率因因数数提提高高。接接近近额额定定负负载载时时，功功率率因因数数达达到到最最高高。过过载载时时，n迅迅速速降降低低，s增增大大，使使2 增增大大，cos 2 迅迅速速下下降降，引引起起cos 1 下降，如图所示。下降，如图所示。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性5.效率特性效率特性=f(P2)空空载载时时损损耗耗占占比比例例大大，效效率率低低；随随P2 增增 加加，增增加加，当当负负载载过过大大，铜铜损损增增加加快快，使使效率下降，如图所示。效率下降，如图所示。效效率率、功功率率因因数数都都是是在在额额定定负负载载附附近近达达到到最最高高，故故合合理理选选用用电电动动机机容容量量，对对电电动动机机的的寿寿 命命、功功率率因因数数和和效效率率都都有有很很实实际际的意义的意义。.8.3 异步电动机工作特性异步电动机工作特性结论：结论：.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法（2）起动要求：）起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；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；起动转矩尽量大，以缩短起动时间；起动设备简单，可靠。起动设备简单，可靠。（1）起动定义：电动机接到电源上，从静）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。止状态到稳定运行状态的过程。.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、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小容量电动机轻载起动直接启动（又称全压启（又称全压启 动）动）：三相异步电动机直接起动是指电动机加额定电压，三相异步电动机直接起动是指电动机加额定电压，定子、定子、转子回路不串任何电器元件时的起动。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由于正常运行时转差率s很小（很小（1/s很大），所以很大），所以与正常运行相比启动电与正常运行相比启动电 流很大，近似等于流很大，近似等于57倍倍额定电流。额定电流。启动电流启动电流小小.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、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小容量电动机轻载起动直接启动启动时启动时2 很大，使很大，使cos 2 很小很小 启动时启动时I0 很小，主磁通很小，主磁通m 很小很小 异步电动机启动时电流很大，而启动转矩并不大。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异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、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小容量电动机轻载起动直接启动可可见见，异异步步电电动动机机直直接接启启动动时时启启动动转转矩矩不不大大，而而电电流流很很 大，可达额定电流的大，可达额定电流的47倍，将带来下述不良后果：倍，将带来下述不良后果：（1）使电压损失过大，启动转矩不够无法启动。）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。）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。）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。）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因此，除了小容量的电动机可采用直接启动外，一般不外，一般不 宜采用直接启动方法。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启动时，应该在保证一定大小的启动转矩的前提下，要下，要 求限制启动电流在允许的范围内。求限制启动电流在允许的范围内。.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、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小容量电动机轻载起动直接启动能能否否采采用用直直接接启启动动，不不仅仅取取决决于于电电机机本本身身功功率率的的大大小小，还还与与供供电电电电网网容容量量和和供供电电线线路路长长短短有有关关。（要要求求母母线线电电压降落不大于压降落不大于10）一般一般7.5KW以下电机允许直接起动。以下电机允许直接起动。.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法一、笼型异步电动机起动方法一、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中、大容量电动机轻载起动降压起动由由于于启启动动时时的的主主要要矛矛盾盾为为电电流流很很大大，而而降降低低电电流流的的方方法法 主主要要靠靠降降低低电电压压。因因此此降降压压启启动动是是指指启启动动过过程程中中降降低低电电压，启动结束后，恢复到额定值。压，启动结束后，恢复到额定值。该该法法能能降降低低启启动动电电流流，但但启启动动转转矩矩也也减减小小很很多多，一一般般只只 适用于空载或轻载启动。适用于空载或轻载启动。（1）定子串电抗器降压启动）定子串电抗器降压启动（2）自耦变压器降压启动）自耦变压器降压启动（3）星形三角形（）星形三角形（Y-）换接启动）换接启动.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法二、绕线型异步电动机的启动方法二、绕线型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中、大容量电动机轻载起动降压起动对对于于大大功功率率重重载载启启动动情情况况，采采用用笼笼型型异异步步电电动动机机一一般般不不能能满满足足启启动动要要求求，这这时时可可以以采采用用绕绕线线转转子子异异步步电电动动机机转转子串电阻或阻抗启动，限制启动电流和增大启动转矩。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三相绕线型异步电动机转子中有三相绕组，可以通子中有三相绕组，可以通过滑环和电刷串接外过滑环和电刷串接外 加电加电阻或阻抗，适当增加转子阻或阻抗，适当增加转子串接电阻，可以减小启动串接电阻，可以减小启动电流并提高电动机的电流并提高电动机的 启动启动转矩。转矩。.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法二、绕线型异步电动机的启动方法二、绕线型异步电动机的启动方法当转差率当转差率sm 1时，时，Mst=Mm，起动转矩达到最，起动转矩达到最大电磁转矩。此时有大电磁转矩。此时有 转子电阻折算前后的关系为：转子电阻折算前后的关系为：其中其中rst 为转子回路中串入的外接电阻。为转子回路中串入的外接电阻。.8.4 异步电动机启动方法异步电动机启动方法二、绕线型异步电动机的启动方法二、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，有的不同，有串电阻启串电阻启 动动和和串频敏电阻器串频敏电阻器启动两启动两种方法。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对称电阻启动 时，一般采用转子串多级启动电阻，然后时，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，以提高分级切除启动电阻的方法，以提高 平均启动转矩和减小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。对称电阻分级启动，过渡过程不不平滑。欲提高平稳性欲提高平稳性增加级数增加级数导致设备复杂导致设备复杂提出频敏变阻器提出频敏变阻器 启动启动 2.转子绕组串频敏变阻器启动转子绕组串频敏变阻器启动.