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1、电电机机学学及及拖拖动动基基础础重庆大学自动化学院重庆大学自动化学院电机学及拖动基础电机学及拖动基础1电电机机学学及及拖拖动动基基础础第五章第五章 异步电机（二）异步电机（二）三相异步电动机的运行原理三相异步电动机的运行原理2电电机机学学及及拖拖动动基基础础 主要内容主要内容第一节第一节 三相异步电动机运行时的电磁过程三相异步电动机运行时的电磁过程第二节第二节 三相异步电动机的等效电路及向量图三相异步电动机的等效电路及向量图第三节第三节 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩第四节第四节 三相异步电动机的工作特性及其测取方法三相异步电动机的工作特性及其测取方法第五节第五节 三相异
2、步电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定第六节第六节 三相异步电动机的转矩与转差率的关系三相异步电动机的转矩与转差率的关系3电电机机学学及及拖拖动动基基础础第三节第三节 三相异步电动机的功率和转矩三相异步电动机的功率和转矩直流电动机：直流电动机：磁场由定、转子绕组双边的电流共同激励；磁场由定、转子绕组双边的电流共同激励；气隙磁场随着负载变化，产生电枢反应。气隙磁场随着负载变化，产生电枢反应。异步电动机：异步电动机：磁场仅由定子绕组一边的电流来建立；磁场仅由定子绕组一边的电流来建立；气隙磁场基本上与负载大小无关，无电枢反应。气隙磁场基本上与负载大小无关，无电枢反应。异步电动机的机电能量转换过程
3、和直流电动机相异步电动机的机电能量转换过程和直流电动机相似：似：输入电功率输入电功率电磁感应电磁感应输出机械功率输出机械功率机电能量转换的关键在于：机电能量转换的关键在于：作为耦合介质的磁场作为耦合介质的磁场4电电机机学学及及拖拖动动基基础础一一 功率转换过程功率转换过程功率转换过程：功率转换过程：输入输入从定子绕组输入电功率从定子绕组输入电功率P P1 1定子定子定子铜耗定子铜耗p pCu1Cu1+定子铁耗定子铁耗p pFeFe+电磁功率电磁功率P Pe e转子转子转子铜耗转子铜耗p pCu2Cu2+转子铁耗转子铁耗 +总机械功率总机械功率P Pmechmech输出输出机械损耗机械损耗p p
4、mechmech+附加损耗附加损耗p p+净机械功率净机械功率P P2 2通常，通常，转差率很小转差率很小，转子铁心中磁通变化频率很低，转子铁心中磁通变化频率很低，转子转子铁耗可忽略不计铁耗可忽略不计如果如果转差率较大转差率较大，则，则f f2 2较大，就较大，就应该考虑转子铁耗应该考虑转子铁耗5电电机机学学及及拖拖动动基基础础异步电动机的能量转换关系异步电动机的能量转换关系异步电动机的功率图异步电动机的功率图直流电动机的功率图直流电动机的功率图6电电机机学学及及拖拖动动基基础础二二 功率方程式功率方程式式中，式中，U U1 1定子相电压定子相电压I I1 1定子相电流定子相电流 定子功率因数
5、角定子功率因数角 转子功率因数角转子功率因数角sPsPe e转差功率转差功率转速转速n n越低，转差越低，转差率率s s越大，即转差越大，即转差功率越大，则转功率越大，则转子铜耗就越大子铜耗就越大7电电机机学学及及拖拖动动基基础础三三 转矩方程式转矩方程式由机械功率方程式：由机械功率方程式：除以转子的机械角速度除以转子的机械角速度，得到，得到稳态转矩方程式稳态转矩方程式：电动机稳态运行时的转矩平衡规律电动机稳态运行时的转矩平衡规律电磁转矩与总的机电磁转矩与总的机械转矩相平衡。械转矩相平衡。T Te e电磁转矩电磁转矩T T2 2输出机械转矩，或负载制动转矩输出机械转矩，或负载制动转矩T T0
6、0空载转矩，空载转矩，电磁转矩电磁转矩T Te e既可用转子的总机械功率除以转子机械角速度既可用转子的总机械功率除以转子机械角速度来计算，也可用电磁功率除以同步角速度来计算：来计算，也可用电磁功率除以同步角速度来计算：8电电机机学学及及拖拖动动基基础础四四 电磁转矩公式电磁转矩公式代入归算过的转子电动势，代入归算过的转子电动势，得到得到异步电动机的电磁转矩公式异步电动机的电磁转矩公式：式中，式中，转矩常数转矩常数可见，异步电动机的电磁转矩可见，异步电动机的电磁转矩T Te e的大小：与的大小：与每极磁通每极磁通m m、归算后转子电流的有功分量归算后转子电流的有功分量 成正比。成正比。9电电机机
7、学学及及拖拖动动基基础础第四节第四节 三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作特性及其测取方法及其测取方法异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性：是指在额定电压和额定：是指在额定电压和额定频率运行情况下，电动机的转速频率运行情况下，电动机的转速n n、定子电流、定子电流I I1 1、功率因数功率因数 、电磁转矩、电磁转矩T Te e、效率、效率等与输出等与输出功率功率P P2 2的关系，即的关系，即U U1 1=U=U1N1N、f=f=f fN N时时n=n=f(P(P2 2)、I I1 1=f(P(P2 2)、T Te e=f(P(P2 2)、=f(P(P2 2)。转子电流一般不能直接
8、测取，故不能简化，转子电流一般不能直接测取，故不能简化，这些这些特性非对输出功率而言不可特性非对输出功率而言不可。10电电机机学学及及拖拖动动基基础础一一 工作特性的分析工作特性的分析空载时：空载时：P P2 200、I I2 200，故，故s0s0、nnnns s负载增大时：负载增大时：P P2 2增加、增加、I I2 2增大以产生更大的电磁功率，故增大以产生更大的电磁功率，故s s也增大、也增大、n n稍有下降稍有下降一般转子铜耗很小，一般转子铜耗很小，额定负载时：额定负载时：s1.5%s1.5%5%5%，则，则n(0.985n(0.9850.95)n0.95)ns s异步电动机的转速特性
9、为一条稍向下倾斜的曲线。异步电动机的转速特性为一条稍向下倾斜的曲线。1 1、转速特性、转速特性11电电机机学学及及拖拖动动基基础础空载时：空载时：定子电流几乎全部为励磁电流定子电流几乎全部为励磁电流I Im m负载增大时：负载增大时：P P2 2增加、增加、n n下降、下降、I I2 2增大，故增大，故I I1 1随之增大随之增大异步电动机的定子电流几乎随异步电动机的定子电流几乎随P P2 2按正比例增加。按正比例增加。2 2、定子电流特性、定子电流特性3 3、功率因数特性、功率因数特性空载时：空载时：I I1 1基本为无功励磁，基本为无功励磁，功率因数很低功率因数很低，约，约0.10.10.
10、20.2负载增大时：负载增大时：I I1 1有功分量随有功分量随I I2 2增加，故增加，故功率因数提高功率因数提高接近额定负载时：接近额定负载时：功率因数达到最大功率因数达到最大超过额定负载后：超过额定负载后：s s变得较大，变得较大，变大，变大，I I2 2无无功分量增加，故功分量增加，故功率因数又重新下降功率因数又重新下降12电电机机学学及及拖拖动动基基础础负载不超过额定值时，负载不超过额定值时，转速变化很小，而转速变化很小，而T T0 0又认为基本不变又认为基本不变电磁转矩特性近似为一条斜率为电磁转矩特性近似为一条斜率为1/1/的直线。的直线。4 4、电磁转矩特性、电磁转矩特性5 5、
11、效率特性、效率特性可变损耗小于不变损耗时：可变损耗小于不变损耗时：效率随负载的增加而增加效率随负载的增加而增加可变损耗等于不变损耗时：可变损耗等于不变损耗时：效率最大效率最大可变损耗大于不变损耗时：可变损耗大于不变损耗时：效率随负载的增加而减小效率随负载的增加而减小13电电机机学学及及拖拖动动基基础础二二 工作特性的求取工作特性的求取工作特性的求取工作特性的求取可用可用直接负载法直接负载法通过实验求通过实验求取；也可用取；也可用等效电路等效电路进行计算求取。进行计算求取。直接负载法：直接负载法：保持电源电压和频率为额定值，加负载到额保持电源电压和频率为额定值，加负载到额定值的定值的5/45/4
12、，然后减少负载到额定值的，然后减少负载到额定值的1/41/4，分别读取，分别读取P P1 1、I I1 1、n n，计算不同负载下，计算不同负载下 、T Te e、，绘制工作特性。，绘制工作特性。等效电路法：等效电路法：可认为代表励磁特性的励磁阻抗不变、代表可认为代表励磁特性的励磁阻抗不变、代表漏磁通对绕组电磁效应的漏电抗不变，即等效电路参数在漏磁通对绕组电磁效应的漏电抗不变，即等效电路参数在额定电压和频率下基本不变。给定等效电路参数、机械损额定电压和频率下基本不变。给定等效电路参数、机械损耗和附加损耗，按不同耗和附加损耗，按不同s s，计算，计算n n、I I1 1、T Te e、，直，直到
13、到P P2 2达到或超过额定值为止，由计算结果绘制工作特性。达到或超过额定值为止，由计算结果绘制工作特性。14电电机机学学及及拖拖动动基基础础第五节第五节 三相异步电动机参数的测定三相异步电动机参数的测定表示空载状态的励磁参数：表示空载状态的励磁参数：励磁阻抗励磁阻抗Z Zm m、R Rm m、X Xm m决定于电动机主磁路的饱和程度，非线性决定于电动机主磁路的饱和程度，非线性空载试验空载试验对应堵转电流的堵转参数：对应堵转电流的堵转参数：漏阻抗漏阻抗Z Z1 1、R R1 1、X X1 1、Z Z2 2、R R2 2、X X2 2与电动机饱和程度无关，线性与电动机饱和程度无关，线性堵转试验堵
14、转试验15电电机机学学及及拖拖动动基基础础一一 空载试验与励磁参数的确定空载试验与励磁参数的确定在额定电压和额定频率下，轴上不带任何负载的运行。在额定电压和额定频率下，轴上不带任何负载的运行。1 1、空载试验、空载试验调节电源电压从（调节电源电压从（1.11.11.31.3）开始，下降到转开始，下降到转速发生明显变化时，测量速发生明显变化时，测量点，记录端电压、点，记录端电压、空载电流、空载功率和转空载电流、空载功率和转速，绘制空载特性曲线：速，绘制空载特性曲线：空载特性曲线空载特性曲线16电电机机学学及及拖拖动动基基础础（1 1）机械损耗和铁耗的分离）机械损耗和铁耗的分离空载时，空载时，s0
15、s0、I I2 200铁耗铁耗与磁密平方、即与端电压平方成正比与磁密平方、即与端电压平方成正比机械损耗机械损耗仅与电动机转速有关，空载时可认为是恒值仅与电动机转速有关，空载时可认为是恒值2 2、励磁参数、铁耗及机械损耗的确定、励磁参数、铁耗及机械损耗的确定17电电机机学学及及拖拖动动基基础础（2 2）励磁参数的确定）励磁参数的确定空载时，空载时，s0s0等效电路中的附加电阻无穷大，电路呈开路状态等效电路中的附加电阻无穷大，电路呈开路状态励磁参数为：励磁参数为：空载等效电路空载等效电路其中，其中，X X1 1可由堵转试验确定可由堵转试验确定18电电机机学学及及拖拖动动基基础础二二 堵转试验及堵转
16、参数的确定堵转试验及堵转参数的确定堵转时，是使转子堵住不转，堵转时，是使转子堵住不转，n=0n=0、s=1s=1。从从U U1 10.4U0.4U1N1N开始往下测量开始往下测量5 57 7个点，记录端电压、堵转个点，记录端电压、堵转电流和功率，并测量定子绕电流和功率，并测量定子绕组的电阻，组的电阻，绘制堵转特性曲绘制堵转特性曲线：线：堵转特性曲线堵转特性曲线堵转等效电路堵转等效电路代表总机械功率代表总机械功率的附加电阻为的附加电阻为0 019电电机机学学及及拖拖动动基基础础由于由于Z Zm mZZ2 2，可认为励磁支路相当于开路，则，可认为励磁支路相当于开路，则I Im m00，铁，铁耗可忽
17、略不计。耗可忽略不计。堵转参数为：堵转参数为：对于大中型异步电动机：对于大中型异步电动机：X X1 1XX2 2XXk k/2/2对于对于100kW100kW以下的小型异步电动机：以下的小型异步电动机：X X2 20.67X0.67Xk k（2 2、4 4、6 6极）；极）；X X2 20.57X0.57Xk k（8 8、1010极）极）20电电机机学学及及拖拖动动基基础础第五节第五节 三相异步电动机的转矩与转三相异步电动机的转矩与转差率的关系差率的关系三相异步电动机的机械功率为输出机械转矩与转三相异步电动机的机械功率为输出机械转矩与转速的乘积；速的乘积；输出转矩为电磁转矩的主要成分；输出转矩
18、为电磁转矩的主要成分；转速的派生量为转差率转速的派生量为转差率电磁转矩电磁转矩T Te e与转差率与转差率s s之间的关系之间的关系十分重要。十分重要。21电电机机学学及及拖拖动动基基础础电磁转矩：电磁转矩：由近似等效电路得：由近似等效电路得：近似等效电路近似等效电路三相异步电动机的电磁转矩与转差率的关系为：三相异步电动机的电磁转矩与转差率的关系为：22电电机机学学及及拖拖动动基基础础转矩转矩转差率为一条二次曲线转差率为一条二次曲线异步电动机的异步电动机的T Te e-s-s曲线曲线令令 ，可得：，可得：临界转差率临界转差率最大转矩最大转矩23电电机机学学及及拖拖动动基基础础结论：结论：1 1
19、）当电动机各参数及电源频率不变时，）当电动机各参数及电源频率不变时，T TeMaxeMax与与U U1 12 2成正比，成正比，s sm m则保持不变，与则保持不变，与U U1 1无关；无关；2 2）当电源频率及电压不变时，）当电源频率及电压不变时，s sm m与与T TeMaxeMax近似地与近似地与X X1 1+X+X2 2成成反比；反比；3 3）T TeMaxeMax与与R R2 2之值无关，之值无关，s sm m则与则与R R2 2成正比。成正比。推论：推论：对于绕线转子异步电动机，当转子电路串联某一恰当电阻对于绕线转子异步电动机，当转子电路串联某一恰当电阻R R时，可使时，可使s sm m=1=1（相当于（相当于n=0n=0），即起动时转矩达到最大），即起动时转矩达到最大值值T TeMaxeMax。显然，此时：。显然，此时：24电电机机学学及及拖拖动动基基础础第五章第五章 第二部分第二部分 结束结束25