1、第二十章 异步电动机的功率、转矩 和运行性能,一、功率关系,第一节 三相异步电动机功率 和转矩关系,说明：称为电磁功率。它是通过定转子之间的 电磁耦合关系从定子绕组传递到转子绕组的功率。,一、功率关系,根据机械功率关系 ，在等号两侧同除于机械角速度 ，得转矩平衡关系：,其中 称为电磁转矩；,称为空载转矩；称为电动机输出转矩。,二、转矩关系,其中 称为转矩因数。,电磁转矩的物理表达式,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。,一、机械特性的参数表达式,根据简化等效电路 ，把,它代入电磁转矩表达式 得到：,第二节
2、 三相异步电动机的机械特性,如果给出 、 及阻抗参数，根据 上式机械特性的参 数表达式画出曲线 便为 “ ” 曲线。,“Ts ”曲线,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。,二、固有机械特性,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。,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
3、；,A点（ ， ） 为理想空载运行点；,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,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,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,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：,电动机堵转时 的电磁转矩称
4、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：,三、稳定运行问题,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。,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。,所谓三相异步电动机的人为机械特性，是指
5、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。,四、人为机械特性,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。,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,最后可得实用公式：,由于,其中,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
6、进行转矩计算。具体使用过程如下：,实用公式的实际应用,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。,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；,第三节 三相异步电动机 的工作特性,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
7、，它的过载能力不应小于技术标准规定数据。,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 ，,工作特性及其分析,1）转速特性 ：,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。,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；,电机从空载到额定负载之
8、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 ：,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 ：,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。,第四节 三相异步电动机 参数的测定,画出空载特性曲线。,异步电动机空载特性曲线,从上式中减去定子 铜耗：,改变电压 ，测量 、 。,在下页画出
9、了 曲线。,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：,曲线,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：,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,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：,
