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1、项目七 三相异步电动机固有机械特性绘制,任务一 三相异步电动机的基本方程 任务二 三相异步电动机的机械特性,任务一 三相异步电动机的基木方程,一、功率平衡方程式 异步电动机的功率传递过程可用T形等效电路来分析，如图7一1所示。由于等效电路为一相电路，且拆算后的转子相数与定子相数相同，均为m1相，所以异步电动机的各项功率及损耗应等于等效电路中的计算值再乘以相数m1 。下面从定子输入端开始，按功率传递过程依次写出各项功率及损耗的计算公式。,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,(1)输入功率P 1 由电网供给异步电动机的电功率。设 为定子的功率因素，则 (2)定子铜耗P C u 1、:定
2、子电流I 1在定子绕组电阻R 1上产生的铜损耗 (3)定子铁耗P Fe旋转磁场在定子铁芯中产生的涡流和磁滞损耗 由于旋转磁场切割转子的速度很低，转子铁芯中磁通交变的频率很低，通常仅为13 Hz，所以转子铁耗很小，可以忽略不计,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,(4)电磁功率P e m由气隙旋转磁场通过电磁感应传递到转子的功率，称为电磁功率P e m 。 (5)转子铜损耗P C u 2转子电流I 2在转子绕组电阻R 2上产生的铜损耗 (6)总机械功率P m e c :电磁功率P e m减去转子铜损耗P C u 2后余下的功率，是由电能转换成机械能所对应的功率，称为总机械功率
3、。即,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,(7)机械损耗P m e c:电动机运行时，转轴旋转会产生轴承及风阻摩擦等损耗，这些损耗称为机械损耗。机械损耗在等效电路中没有体现出来，但它是由总机械功率P m e c来提供的。 (8)附加损耗P ad:由于电动机的定子、转子开槽以及电机中存在高次谐波磁场等原因，会产生少量的附加损耗。附加损耗一般不容易计算，往往根据经验估算。在大型异步电动机中， P ad约为额定功率的 0.5%;在中、小型异步电动机中， P ad可达额定功率的1%3 %，或更大些。附加损耗P ad也是由总机械功率P m e c以来提供的。 (9)输出功率P 2:总
4、机械功率已减去机械损耗P m e c以和附加损耗P ad以后，即为电动机转轴输出的机械功率。即机械功率平衡关系为,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,式中， P 0= P m e c + P ad称为电动机的空载损耗 综上分析，可以归纳出异步电动机的功率平衡方程式 式中 为电动机的总损耗。异步电动机的功率流程图如图7 -2所示,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,电动机的效率为输出功率与输入功率之比，即 异步电动机的额定运行时的效率在72 %93 %，电动机的容量越大，效率越高。 根据前面的公式，可得电磁功率P e m、转子铜耗PCu2、总机械功率 P
5、m e c三者之间的关系为,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,上面的公式说明，通过气隙由定子传递到转子的电磁功率，只有一小部分被转子电阻消耗掉了，其余绝大部分转换成了机械功率。转差率越大，转子铜耗所占比例越大，总机械功率越小，电动机效率就越低。因此，电动机正常运行时转差率很小，通常,s=0. 020. 06 二、转矩平衡方程式 由动力学可知，旋转体的机械功率尸、机械角速度月与转矩T之间的关系为T = Pl,f2所以将机械功率平衡方程式两边同除以机械角速度 可得异步电动机稳态运行时的转矩平衡方程式,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,式中 称为电磁转矩，
6、它是驱动电动机旋转的转矩; 为电动机转轴输出的机械转矩，也就是负载转矩; 为电动机的 空载转矩，它是由机械损耗P m e c和附加损耗P ad所引起的阻转矩。 上面的公式说明，电动机稳态运行时，驱动性质的电磁转矩T e m与制动性质的输出转矩T 2及空载转矩T 0 ，相平衡,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,通过上面的公式可见，电磁转矩用机械量表示时，它等于总机械功率除以转子的机械角速度;用电磁量表示时，它等于电磁功率除以磁场的同步角速度。 为了计算的方便，通常将电磁转矩的公式写成,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,三、三相异步电动机的工作特性 异步
7、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，输出转矩兀、定子电流I,、功率因素 ,、效率 等随输出功率P2变化的关系曲线，工作特性可以通过试验测得，也可以利用等效电路计算得到。如图7一3所示为三相异步电动机的工作特性曲线。下面分别加以说明。,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,(一)转速特性n=f ( P2 ) 空载时，输出功率P2 = 0，转子转速接近于同步转速，即n n1 。负载增加时，转速n将下降，旋转磁场以较大的转差速度 切割转子，使转子导体中的感应电动势及电流增加，以便产生较大的电磁转矩与机械负载转矩相平衡。额定运行时，转差率很小，一般SN=0.0
8、1 0.06，相应的转速n N =( 1-SN) n 1 =( 0. 99 - 0. 94 ) n 1 。这表明负载由空载增加到额定值时，转速n仅下降1 %6 %，故转速特性， n=f ( P2 )是一条稍微向下倾斜的曲线,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,(二)转矩特性T2=f(P2) 由输出转矩 可知，如果，n为常数，则T2与P2成正比，即T2=f(P2)应该是通过原点的一条直线。但随负载增加，转速n略有下降，故转矩特性T2=f(P2)是一条略微上翘的曲线。 (三)定子电流特性I2=f(P2) 由磁动势平衡方程式 可知，空载时，转子电流 定子电流 。当负载增加时，转速
9、下降，转子电流增大，定子电流也相应增加因此定子电流 随输出功率P2增加而增加。 (四)定子功率因素特性 空载时，定子电流主要是无功性质的励磁电流，故功率因素很低，约为0. 2。,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,负载后，由于要输出一定的机械功率，根据功率平衡关系可知，输入功率将随之增加，即定子电流中的有功分量随之增加，所以功率因素逐渐提高。在额定负载附近，功率因素将达到最大数值，一般为0. 80. 9。负载超过额定值后，由于转速下降较多，转差率、增大较多，转子漏抗迅速增大，转子功率因素角 增大较快，故转子 功率因素 将下降，于是转子电流无功分量增大，与之相平衡的定子电流无
10、功分量也增大，致使电动机功率因素 下降 (五)效率特性=f ( P2 ) 电动机在正常运行范围内，其主磁通和转速变化很小，铁芯损耗 P F e和机械损耗P m e c基本不变，故称为不变损耗;而铜损耗P Cu1+ P m e c和附加损耗P ad是随负载变化而变化的，所以称为可变损耗,上一页,下一页,返回,任务一 三相异步电动机的基木方程,根据效率公式 可知，空载时， P2=0，=0 负载运行时，随着P2增加，也随之增加。当负载增加到可变损耗与不变损耗相等时，效率达最大值。 此后负载增加，由于定子、转子的电流增加，可变损耗增加很快，效率反而降低。对中小型异步电动机，工作在( 0. 751)PN
11、范围内效率最高。异步电动机的效率通常在74%94%之间，电动机的容量越大，其额定效率越高。 由于额定负载附近的功率因素和效率均较高，因此电动机应运行在额定负载附近。所以电动机容量的选择要与负载容量相匹配，若电动机容量选择过大，电动机长期处于轻载运行，效率和功率因素均较低，很不经济,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,一、三相异步电动机机械特性的三种表达式 三相异步电动机的机械特性是指电动机电磁转矩T e m与转速n之间的关系，即n=f (T e m )。因为异步电动机的转速n与转差率,s之间存在着一定的关系，所以异步电动机的机械特性通常也用, n=f (T e m )的形式
12、表示。 (一)物理表达式 根据T形等效电路，电磁功率可以表示为 再考虑到转子电动势 则可推得异步电动机电磁转矩的物理表达式为,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,式中 为转矩常数，对于已制成的电机，CT为一常数 公式表明，异步电动机的电磁转矩是由主磁通 和转子电流的有功分量形 相互作用产生的，它是电磁力定律在异步电动机中的具体体现。 物理表达式反映了异步电动机电磁转矩产生的物理本质，但没有直接反映出电磁转矩与电动机参数之间的关系。在分析或计算电磁转矩特性时，通常采用下面介绍的参数表达式。,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,(二)参数表达式 用电动机参数表示的电
13、磁转矩为 根据简化等效电路，可得转子电流有效值为,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,代入可以得到异步电动机电磁转矩的参数表达式 公式表明，电磁转矩与电源电压的平方成正比，与电源的频率成反比。对于制造好的电机来说，电机的各阻抗参数都是常数，如果外加电压及频率不变，则电磁转矩Tem只是转差率的函数。当取不同的转差率,s时，可以计算出相应的电磁转矩Tem ，由此可画出异步电动机的转矩特性曲线 ，如图7 -4所示。如果以转速n为纵坐标，转矩Tem为横坐标，得到的n =f(Tem)曲线称为电动机的机械特性，如图7一5所示,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,异步
14、电动机的转矩特性是一条非线性曲线，以转差率、.为界分为两部分: (1)线性段:n s s m，为异步电动机的稳定运行区。电动机稳定运行时，工作点在该段上。 (2)非线性段:s m s 1，通常为不稳定运行区。电动机在非线性段通常不能稳定运行。 (三)实用表达式 机械特性的参数表达式清楚地表示了转矩与转差率、参数之间的关系，用它分析各种参数对机械特性的影响是很方便的。但是，针对电力拖动中的具体电动机而言，其参数是未知的，欲求得其机械特性的参数表达式显然是困难的。因此希望能够利用电动机的技术数据和铭牌数据求得电动机的机械特性，即机械特性的实用表达式。,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的
15、机械特性,在忽略R1的条件下，根据前面公式可以推导出，电动机机械特性的实用表达式 工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,公式中，PN的单位为kW ; n N 的单位为r/min。最大转矩为 额定转差率为 代入后可以得出 求出T m和s m后，实用表达式便成为已知的机械特性方程式。只要给定一系列的,s值，便可求出相应的T e m值，即可画出机械特性曲线。,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,上述异步电动机机械特性的三种表达式，虽然都能用来表征电动机的运行性能，但其应用场合各有不同。一般来
16、说，物理表达式适用于对电动机的运行作定性分析;参数表达式适用于分析各种参数变化对电动机运行性能的影响;实用表达式适用于电动机机械特性的工程计算。 二、三相异步电动机的固有机械特性 (一)固有机械特性的分析 三相感应电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定、转子外界电阻为零时，n与Tem的关系。根据电磁转矩的参数表达式可绘出感应电动机的固有机械特性，如图7一6所示。,上一页,下一页,返回,任务二 三相异步电动机的机械特性,当同步转速n1为正时，机械特性曲线跨越第一、二、四象限 在第一象限，旋转磁场的转向与转子转向一致，而0 n1，故s 0，电动机处于发电运行状态;第四象限，旋转
