三相异步电动机的功率转矩与运行性能

转轴上真正输出的机械功率，用 P2 表示：
P2 Pm pm ps
电机功率平衡方程
P2 P1 pCu1 pFe pCu2 pm ps
14
1.功率平衡方程
图10-1 异步电动机功率流程图
15
2.转矩平衡方程
功率平衡方程式
P2 Pm pm ps
P2 Pm pm ps
40
5.稳定运行问题
机械负载类型
恒转矩负载：转矩与转速无关，TL=C。
离心式负载：n, TL ，如：风机、水泵。
负载性质不同，电机稳定运行区域不一样。
TL
2离心式负载
1恒转矩负载
41
0
n
5.稳定运行问题
电动机拖动机械负载： 稳定运行：T= TL。 T> TL：电机加速。 T< TL：电机减速。
电机受到扰动，如突加和突减负载，电源电压 急剧变化等，当外界扰动结束，电动机有可能恢复 到原先的稳定运行状态，也可能失去稳定。
2 nN / 60
nN
27
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
（2）最大电磁转矩 Tmax 最大转矩:电机带动最大负载的能力。
TL Tmax，电机因带不动负载而停转。
电磁转矩
r2
T

pm1
2 f1
U12
s ( r2)2
s
xk2
令 dT 0，求出当T最大时的转差率sK。
dS
28
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
转矩平衡方程式 T2 T T0
2 n —转子机械角速度
60
T Pm —电磁转矩

T2

P2
—输出转矩
T0

pm ps
—与负载无关的空载转矩
16
2.转矩平衡方程
电磁转矩
T Pm Pem (1 s) Pem (1 s) Pem Pem

2 n 60
I
' 2
cos 2
相互作用产生的。
结论：T为m、I2’及cos2的函数，当异步电 动机起动时，转子边电路cos2很低，尽管此
时I2’很大，电磁转矩T却不大。 20
1.电磁转矩表达式
（2）参数表达式 物理表达式---定性分析 参数表达式---定量分析(推导从略)
r2
T

pm1
2 f1
U12
11
1.功率平衡方程
几个重要关系
pcu2 s Pem
Pm 1 s Pem
结论：从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一 小部分为转子铜损耗，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。
12
1.功率平衡方程
机械损耗：轴承以及风阻等摩擦阻转矩，这也要
Tst
（实际 T T0）
TN
额定运行点：S SN ,T TN 最大转矩点：S Sk ,T Tmax
0 SN SK S=1
起动点： n 0, S 1,T Tst
+S
26
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
（1）额定电磁转矩 TN
TN
PN N

PN 9550 PN
第十章 三相异步电动 机的功率、转矩与运
行性能
1
本章主要内容
第一节 三相异步电动机的功率与转矩平衡关系 第二节 三相异步电动机的电磁转矩及机械特性 第三节 三相异步电动机的工作特性 第四节 三相异步电动机的参数测定
2
第一节 三相异步电动机的功 率与转矩平衡关系
1.功率平衡方程
电源输入的电功率 P1 3U1I1 cos1
转差率，称为临界转差率。
29
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
分析
Tmax

pm1
1
U12
1 2 xk
电源频率不变及电机
参数固定时，Tmax与U12 成正比，但产生Tmax时的 临界转差率不变，与电
源电压无关。
sk

r2 xk
电源电压和频率一定，最 大转矩与短路阻抗成反比。
最大电磁转矩Tmax的大小与转子电阻无关，但转子电阻大
（2） 工作时，一定令负载转矩
TL

Tm
，否则
ax
电机将停转。致使
n 0 (s 1) I2 I1 电机严重过热
33
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
（3）起动转矩
起动转矩（又叫堵转转矩）的大小决定电动机
的起动性能。
r2
T

pm1
2 f1
U12
s ( r2)2
s
xk2
频率越高，最大电磁转矩和临界转差率越小；漏 抗越大，最大电磁转矩和临界转差率越小。
32
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
Sk


r2 x1 x2


r2 xK
Tmax

pm1
1
U12
1 2 xk
注意：
（1）三相异步机的 Tmax和电压的平方成正比，所
以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。
（2）最大电磁转矩 Tmax
sk
C1r2 r12 (x1 C1x2 )2
Tmax

m1 pU12
2 f1
2C1 (r1

1 r12 (x1 x2 )2 )
sk

r2 xk
C1 1 Tmax
m1 pU12
4 f1xk
最大转矩又叫停转转矩，如果超过这个转矩，
电动机将停止运行，对应转差率sK为稳定运行最大
36
2、若频率为50HZ的三相异步电动机接在频率为 60Hz的电网上运行，电动机下列参数将如何变化？ （1）起动转矩； （2）最大转矩； （3）起动电流。
减小，减小，减小
37
3、异步电动机电源电压升高对最大转矩和起动转矩 有何影响？若负载转矩保持不变，转速及转差率如 何变化？
最大转矩和起动转矩增大，转速升高，转差率减 小。

1
s
s
r2)
转子铜耗 pCu2 3I22r2
附加电阻上的损耗
Pm

3I
2
2
(1
s
s
r2)
注意：附加电阻上的损耗即为电机输出的总
机械功率。
6
1.功率平衡方程
总机械功率
电磁功率Pem扣除转子铜耗pcu2后，即为消耗在 附加电阻 上的功率（总机械功率）：
Pm

Pem

pCu 2

s ( r2)2
s
xk2
xk x1 x2 ，为异步电动机的短路电抗。
21
1.电磁转矩表达式
（2）参数表达式
r2
T

pm1
2 f1
U12
s ( r2)2
s
xk2
讨论：电磁转矩与电源参数（U、f）、结构参 数（r、x、m、p）和运行参数（s）有关。
22
1、异步电动机带恒转矩负载运行，电源电压下降， 当电动机稳定运行后，电动机电磁转矩如何变化？
T

Pem 1

Pem
1 / p

p
1
m1E2I2 cos2
m1
p
2 f1
4.44 f1N1kw1mI2
cos2
=CTmI2 cos2
19
1.电磁转矩表达式
电磁转矩物理表达式
T

CT

m
I
' 2
cos 2
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
s 1
Tst

pm1U12r2
2 f1(r22 xk2 )
34
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
Tst

pm1U12r2
2 f1(r22 xk2 )
Tst U12 ，电压减小，起动转矩成平方倍减小。
要增大起动转矩，可在转子回路串电阻，随所串电 阻的增大，起动转矩也增加。但是，转子电阻增加，
(r2

1
s
s
r2)Pem

pcu2 Pm
Pm

(1
s)Pem

Pm

3I22
1 s
s
r2
10
1.功率平衡方程
转子铜耗与电磁功率的关系：
pCu2 sPem
总机械功率与电磁功率的关系：
Pm (1 s)Pem
电磁功率、总机械功率与转子铜耗的关系：
Pem : Pm : pCu2 1: (1 s) : s
2 n1 60 1
同步角速度
1

2 n1
60

2
60

60 f1 p

2 f1
p

1
p
电磁转矩既可通过机械功率求出，也可通过 电磁功率求出。
机械功率求电磁转矩---机械角速度
电磁功率求电磁转矩---同步角速度
17
1、为什么异步电动机正常运行时转差率很小？异 步电动机的运行效率与转速有无关系？
转差率增大，转子铜耗也增大。
电动机起动时有最大转矩，可令sk=1 ，则起动 转矩为最大转矩时转子回路所串的电阻应为：
rs xk r2
35
1、三相绕线式异步电动机转子回路串电阻后，下 列参数将如何变化？ （1）起动电流 （2）起动转矩 （3）最大转矩 （4）临界转差率
减小，增大，不变，增大

r2 xk
pcu2 sPem
31
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
Sk


r2 x1 x2


r2 xK
Tmax

pm1
1
U12
1 2 xk
当其它参数一定时：
最大电磁转矩与电源电压平方成正比；临界转差 率与电源电压无关。
转子回路电阻越大，临界转差率越大；最大电磁 转矩与转子电阻无关。
39
4.过载能力和起动转矩倍数
（2）起动转矩倍数
起动转矩太小，一定负载下电动机可能无法起
动。起动转矩越大，电动机起动越容易。用 Tst 和 TN 的比值来表示电动机起动转矩的倍数，为：
K st

Tst TN
起动转矩倍数是电动机的又一个重要性能指标，
我国生产的Y系列三相笼型异步电动机，Kst 为1.2-2.4 （中小型）和0.5－0.8（大中型）。
损耗一部分功率，用 pm 表示。
附加损耗：定、转子开槽和定、转子磁动势中的
谐波磁动势等产生的损耗，用 ps表示， ps 一般
不易计算，往往根据经验估算。
在大型异步电动机中，ps 约为输出额定功率的 0.5％，小型异步电动机满载时， ps可达输出额定
功率的1％－3％或更大。
13
1.功率平衡方程
电机转轴输出的机械功率 总机械功率减去机械损耗和附加损耗，才是
pcu2 sPem
转子铜耗与转差有关，转差越大，铜耗越大。 电机正常运行时，s不大，所以铜耗也小。
9
1.功率平衡方程
几个重要功率关系
Pem

3I22
r2 s

Pcu 2 s
Pm
3I22
1 s s
r2
电磁功率与总机械功率的关系
Pem
3I22
r2 s

pCu 2 s

3I22
定子绕组铜耗 pCu1 3I12r1
3
1.功率平衡方程
铁心损耗
pFe

p Fe1

3I
2 0
rm
为什么电机铁耗只考虑定子侧铁耗，而 不考虑转子铁耗？
铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，电动机 正常运行时转子电势频率很低，2-3周/秒， 所以铁耗主要集中在定子中，转子铁耗可忽 略。
4
1.功率平衡方程
电磁功率：通过电磁感应从定子侧传递到 转子侧的功率。
不变
23
2.机械特性
定义：异步电动机电源电压恒定，电机参数 已知时，转差率s与电磁转矩T的关系曲线，
即T f (s) 曲线，称为异步电动机的机械特
性曲线。
24
2.机械特性
图10-2 异步电机的机械特性
25
2.机械特性
机械特性的几个特殊点：
理想空载运行点：
T T f (S)
Tmax
n n1, s 0,T 0
38
4.过载能力和起动转矩倍数
（1）过载能力
过载能力：最大电磁转矩与额定电磁转矩之比。用 Km 表示，Km 为：
Km

Tmax TN
电机负载转矩大于最大转矩，电机将停转。为
保证电机不因短时过载而停转，要求电机具有一定
的过载能力。
一般异步电动机的 Km=1.6－2.5 ，特殊要求时
Km=2.8～3.0 。
3I
22
(1
s
s
r2)
7
1.功率平衡方程
电磁功率也可表示为：
Pem pcu2 Pm
结论：电磁功率等于转子铜耗和电机输出的总 机械功率之和。
转子铜耗与电磁功率的关系
pcu2 sPem
8
1.功率平衡方程
几个重要功率关系
转差功率—转子铜耗
Pem

3I22
r2 s

Pcu 2 s
转速高，效率高， 铜耗随转差率增大而增大。 2、电磁转矩与电磁功率有什么关系？电磁转矩与 机械功率有什么关系？
同步角速度，机械角速度
18
第二节 三相异步电动机的电磁 转矩及机械特性
1.电磁转矩表达式
（1）物理表达式
电磁功率：
Pem

m1E2 I 2
cos2

m1I22
r2 s
电磁转矩为：
输入电功率 P1 减去 pCu1 和 pFe 后， 余下的功率即为电磁功率。
Pem P1 pCu1 pFe
也可表示为：
Pem

3E2 I 2
cos2

3I22
r2 S
5
1.功率平衡方程
电磁功率
Pem
3I22
r2 s

3I22r2 s

pCu 2 s

3I
22
(r2
小变化会影响sK的变Biblioteka Baidu， r2’增大， sK增大。
30
3.最大电磁转矩、起动转矩、额定转矩
最大转矩 Tmax

pm1
1
U12
1 2 xk
绕线式异步电机可在 转子回路串电阻，使起动 转矩随转子电阻的增大而 增加，直到sK=1，起动转 矩为最大转矩。此时，起 动转矩最大，转差也大， 转子铜耗增加。
sk