专题二十 三相异步电动机的运行特性（课件）-河南省对口招生《电压与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

专题二十 三相异步电动机的运行特性 《电压与变压器》（第5版） 高教社 考纲解读 知识点梳理和重点概念复习 真题或常考题讲解 内容归纳小结 考纲解读--常见考点 1.包括输入功率、输出功率，及效率，重点掌握最高效率对应负载。 2.转矩公式，理解电压、转差率、转子电阻对转矩的影响，及最大转矩、临界转差率特性。 3.区分稳定运行区与不稳定区，掌握额定转矩、最大转矩、启动转矩的定义及计算。 4.绕线转子电机通过串电阻提高启动转矩，笼型电机无法采用。 01 02 03 考纲解读--考试要求 理解转子功率因数、电压、转差率对电磁转矩的影响机制，能解释转矩特性曲线的变化规律。 会分析机械特性曲线中稳定与不稳定运行区的特点，能根据负载变化判断电动机转速和转矩的调整趋势。 能运用公式准确计算电动机的输入/输出功率、效率及额定转矩，明确各参数单位及换算关系。 给定电压、电流、功率因数等参数，计算输入功率、效率或额定转矩，侧重公式应用与数值运算。 选择题 简答题 简述效率特性曲线趋势、最大转矩特点或稳定运行区的调节规律，侧重理论描述。 实操分析题 判断转矩与电压、转子电阻的关系，或临界转差率、效率最高负载等概念性知识点。 考纲解读--易考题型 知识点梳理和重点概念复习--知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 电动机是将电能转变为机械能的装置，它运行时既有电磁运动，又有机械运动，电磁运动表现为电压(电动势)、电流及旋转磁场。机械运动表现在转子转速n和轴上的电磁转矩T上，n和T的关系就是电动机的机械特性。表示机械特性的两个物理量n和T与电源电压、电流等有密切关系。下面讨论分析电动机的机械特性，就是转矩、转速及电动机的启动、调速、制动等运行特性。 一、三相异步电动机的效率特性 1.异步电动机的输入功率P₁和输出功率P₂ 异步电动机运行时，输入的是从电源得到的电功率，输出机械功率。异步电动机在运行中，不可避免地也存在能量损耗，因此，异步电动机轴上输出的有用机械功率P₂总是小于从电源输入的电功率P₁。按三相电路电功率的计算方法，电源输入电动机的功率P₁为 知识点梳理和重点概念复习 异步电动机的内部损耗同变压器的损耗大体相同，在定子方面存在铜损和铁损。从输入功率P₁中减去这两项损耗。就是传到转子中的电磁功率在转子方面，转子绕组也存在铜损和铁损。还有通风、轴承摩擦等机械损耗。由于转子电流频率很低，转子铁损耗通常忽略不计。从传到转子的电磁功率中去掉这些损耗之后，才是从电动机轴上输出的机械功率P₂,即从电动机的输入功率P₁中减去定子、转子所有损耗之后，才是电动机的输出功率P₂,即P₂=P₁-△p 电动机在铭牌上表示的额定功率，指的是电动机在额定电压下轴上输出的机械功率。 知识点梳理和重点概念复习 2.异步电动机的效率与效率特性 输出功率P₂与输入功率P₁之比，称为异步电动机的效率，通常用η表示，即 如果用电动机铭牌上的线电压、线电流值来计算输出功率，根据三相电功率的计算可知，不论电动机是星形联结还是三角形联结，都有 式中U₁——线电压，单位是V(伏); I₁——线电流，单位是A(安); P₂——输出功率，单位是W(瓦)。 功率因数cosφ的φ角仍是相电压、相电流间的相位差。 知识点梳理和重点概念复习 二、三相异步电动机的转矩特性 1.电磁转矩 异步电动机转子电流I₂受到气隙合成磁场的电磁力作用而产生的转动力矩称为电磁转矩，它使电动机转子旋转。显然，电磁转矩的大小和转子电流的大小、气隙磁场的强弱有直接关系。转子电流越大，气隙磁场越强，电磁转矩也越大。另外，异步电动机的电磁转矩还和转子电路的功率因数大小有关系。下面分几种情况进行定性分析。 知识点梳理和重点概念复习 (1)转子功率因数对电磁转矩的影响转子功率因数cosφ2对电磁转矩的影响如图4-17所示。图中(a)是假设转子电路为纯电阻性的，即cosφ₂=1。为了直观，图中合成旋转磁场用虚线所示的磁极表示，用右手定则可以确定转子导条感应电动势e₂的方向，如导条中外层记号所示。由于cosφ₂=1,i2与e₂同相位，所以i₂与e₂的方向一致，如导条中内层记号所示。明确了电流方向，即可用左手定则判断各导条的受力方向，如图中箭头所示，可以看出cosφ₂=1时作用在所有导条上的力产生的合成转矩，使转子顺n₁的方向向同一方向旋转。图4-17(b)是假设转子电路为纯电感性的，即cosφ₂=0,此时i₂较e₂滞后90°。各导条中电流方向有些同电动势方向不同，如图所示，这种情况下，作用于转子各导条的力产生的转矩恰好互相抵消，合成转矩为零，转子不转动。 知识点梳理和重点概念复习 实际上，转子电路既不是纯电阻性的，也不是纯电感性的，图4-17(c)所示为实际情况，i₂落后于e₂一个φ2角度，即0°<φ₂<90°,0<cosφ₂<1°。此时各导条所受电磁力而产生的转动力矩，有一部分互相抵消，剩下部分仍使转子顺n₁的旋转方向旋转。显然，在同样的电流和磁通作用下，这时产生的转矩比cosφ₂=1时的转矩小。 从以上定性分析可见，异步电动机的电磁转矩T除与气隙合成磁场的强弱Φ…、转子电流的大小I₂有关以外，还要受到转子功率因数cosφ2的影响。通过数学分析，可以推导出，异步电动机转子上的电磁转矩称为机械特性的物理表达式。上式说明，电动机的电磁转矩T与转子电流I₂、转子功率因数cosφ2及旋转磁场的主磁通Φ成正比关系。 知识点梳理和重点概念复习 式中T——电动机的电磁转矩，单位是N·m(牛米);Φm——气隙中合成磁场的每极磁通，单位是Wb(韦);I₂——转子中每相绕组中的电流，单位是A(安);cosφ₂——转子中每相绕组的功率因数；K₁——转矩常数，它取决于电动机的结构，如电动机极数、导条数等。 (2)电压、频率、转差率对电磁转矩的影响式(4-22)在实际计算中并不方便。例如，磁通Φ(或磁感应强度B)虽然在设计中经常要用到，但是并不包括在运行技术数据中，又如笼型电动机转子的电流I₂是无法测量的。由于这种原因，还要进一步推导，找出电磁转矩与电压、频率、电动机的转速以及电动机参数之间的关系。 知识点梳理和重点概念复习 由E₁=4.44f,K₁N₁Φ得出 由此看出I₂、cosφ2都与s有关，所以T也与s有关。因此，将I₂、cosφ₂、Φ式代入式可得 知识点梳理和重点概念复习 式中T——异步电动机的电磁转矩，单位是N·m(牛米);U₁——定子绕组相电压有效值，单位是V(伏);f₁——定子电源频率，单位是Hz(赫);s——电动机的转差率；R₂——转子绕组一相电阻，单位是Ω(欧);X₂₀——转子不动时一相感抗，单位是Ω(欧);K——与电机结构有关的比例常数，有 也就是将这些常数合并为常数K。 2.转矩特性 上式表明，外加电压U₁和电源频率不变时，上式中只有s是变量，其余均为常数，当s很小时，R²>>(sX₂₀)²,(sX₂₀)²可以忽略，则T随s的增加而增大。当s较大时，则(sX₂₀)²>>R2,R2可以忽略，则T随s的增大而减小。所以s从0变到1之间，T将出现一个最大值。如果将s的具体数值代入上式即可得T随s变化的曲线如图4-18所示。 知识点梳理和重点概念复习 根据二次函数极值知识可以算出，当时转矩出现最大值，记作Tm。这时的转差率s记作sm,称为临界转差率。 把sm=R₂/X₂₀代入式 可以得到转矩最大值 综上分析，可得到如下结论： ①最大转矩T的大小与转子电路电阻R₂无关。 ②产生最大转矩时的临界转差率s与外加电压无关，而与转子电路电阻R₂有关，即sm=当R₂增加时，T不变，但sm增加了，如图4-19所示。 知识点梳理和重点概念复习 由式(4-24)还可看出，当电动机转速不变即转差率s不变时，在给定电源频率f₁的情况下，电磁转矩正比于相电压的平方，即TαU²,电源电压的波动对电磁转矩的影响很大，如果电压下降10%,电磁转矩将下降1-0.9²=19%。定子电路外加电压不等时的转矩特性曲线如图4-20所示。 知识点梳理和重点概念复习 三、三相异步电动机的机械特性 1.机械转矩对物体做功的功率 (1)输出功率与机械转矩的关系力矩能使物体转动，转动物体具有转动动能，力矩就对物体做了功。做功的多少可以这样计算：假设力垂直于转动半径，也垂直于转轴。在很小一段时间△t内，力使物体转过弧长△s,转过的角度△θ,如图4-21所示。根据力对物体做功的定义W=Fs,故有W=Fs=F·△s=Fr△θ=T△θ △t时间内的平均功率为 式中Ω——旋转的平均角速度，单位是rad/s(弧度/秒)。 由此可知，旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积，对电动机而言，就有P₂=T₂Ω 当电动机的输出转矩T₂用N·m(牛米)作单位，旋转角速度Ω用rad/s(弧度/秒)作单位时，输出功率P₂的单位是W(瓦)。 知识点梳理和重点概念复习 (2)电动机额定转矩的实用计算式计算转矩时，P₂的单位是kW(千瓦),转速n的单位是r/min(转/分),所以可以将计算公式简化，如在额定状态下转矩公式为 式中Tɴ——电动机的额定转矩，单位是N·m(牛米);Pɴ——电动机的额定功率，单位是kW(千瓦);n——电动机的额定转速，单位是r/min(转/分)。 知识点梳理和重点概念复习 2.异步电动机的机械特性曲线 (1)异步电动机的机械特性曲线分析异步电动机输出转矩T和转速n的关系，常将如图4-18所示异步电动机电磁转矩特性曲线顺时针旋转90°,且将转差率s转换成转速n即可以得到电磁转矩T与电机转速n的关系曲线，称为异步电动机的机械特性曲线，可以表示为n=f(T),如图4-22所示。 电动机在旋转时，作用在轴上的有两种转矩，一种是电动机产生的电磁转矩T,一种是生产机械作用在轴上的负载转矩T(其他如摩擦转矩忽略不计),当T=T₁时，电动机便以某种相应转速稳定运行；如果当T>T₁时，电动机则提高转速；当T<T₁时，电动机将降低转速。 知识点梳理和重点概念复习 (2)电动机从启动到正常运行的过程分析如图4-23所示，电动机在接通三相电源时的启动瞬间，即n=0时，电动机的电磁转矩为启动转矩T₃。这时，如果电动机的启动转矩Tsr<T.,电动机将无法启动，称为堵转；如果T>T₁,则电动机的转速n将不断上升，电动机的电磁转矩T也将从Ts开始沿着机械特性曲线的CB段上升，经过最大转矩T后又沿着曲线BD段逐渐减小。到达T=T₁时，电动机以稳定的转速n运行在A点。 知识点梳理和重点概念复习 当轴上的机械负载增大(如车床切削量加大)时，增大到T'时，电动机减速，在曲线BD段，随着电动机转速的下降电磁转矩增加，当T增加到与T{.相等时，电动机达到新的平衡，此时电动机以n'的转速在A'点稳定运行。 当轴上负载转矩T₁减小到T”时，电动机的转速增加，此时，电动机以较高的转速n"运行在A"点上，BD这一运行区域称为电动机稳定运行区。这一区域的特点是，当负载增加，电动机转速减小，当负载减小，电动机转速增加，可以自动进行调节。当电动机轴上的负载转矩超过其最大转矩T时，电动机的转速将很快下降，直到停转。CB这一段为不稳定运行区。如果电动机工作在CB段的a点，转速为n,当负载增加时，转速n。要下降，转矩T。要减小。由于转矩变小，使转速还要下降，如此下去，直到停转为止。 知识点梳理和重点概念复习 如果当电动机工作在a点时负载减小，则转速升高，转矩增加，转速更高。T经过最大值以后，则随转速的升高而减小，减到A”点时，电动机以n”稳定运行。所以说CB段为不稳定运行区。 实际应用中的电动机，由于电源电压波动及负载变化，电磁转矩T和负载转矩T₁的变化是不可避免的，因此，实际上电动机不可能在不稳定运行区运行。稳定运行区转速n曲线较平缓，负载变化时，转速变化不大，这样的机械特性称之为硬机械特性。一般金属切削机床就需要硬机械特性的电动机拖动。 (3)异步电动机的机械特性参数在机械特性曲线上有三个转矩,是应用和选择电动机时应该注意的。 知识点梳理和重点概念复习 ①额定转矩额定转矩T、是指电动机在额定状态下工作时，轴上输出的最大允许转矩。电动机的额定转矩可根据电动机铭牌的额定功率和额定转速用式 来求得。 ②最大转矩与过载系数电动机的额定转矩应小于最大转矩T,而且不许太接近T,否则电动机略一过载，电动机便停转，因此，一般电动机的额定转矩较最大转矩小得多。把最大转矩与额定转矩的比值称为过载系数，它是表示电动机过载能力的一个参数。其表达式为 一般电动机，其过载系数在1.8~2.5之间，特殊用途的电动机，如冶金、起重机械所用的电动机，其过载系数可达到2.5~3.4或更大。 知识点梳理和重点概念复习 一般电动机，其过载系数在1.8~2.5之间，特殊用途的电动机，如冶金、起重机械所用的电动机，其过载系数可达到2.5~3.4或更大。 ③启动转矩与启动能力电动机的启动转矩T,是指电动机刚启动瞬间(n=0,s=1)的转矩，也称堵转转矩。启动转矩与额定转矩之比可表征启动能力，也称启动转矩倍数，是标明异步电动机启动性能的重要指标。 空载或轻载启动的电动机，启动能力为1.0~1.8,一般的电动机启动能力为1.5~2.4,在重负载下启动的电动机，要求有大的启动转矩，故启动能力可达2.6~3.0。 知识点梳理和重点概念复习 绕线转子异步电动机串联电阻后的启动转矩增大了。当阻值足够大时，启动转矩可以达到最大值Tm。因此，可以在转子回路采用串接电阻的方法来提高异步电动机的启动转矩，以提高启动能力。 笼型电动机转子回路不能串接电阻，因而不能得到相应的人工机械特性曲线。 总之，通过对异步电动机机械特性的分析，可以得出下面的结论： (1)在稳定运行区，负载变化时，转速变化很小，属于硬机械特性。 (2)异步电动机有较大的过载能力。 (3)外加电源电压变化时，转矩有较大的变化，转速也随之变化。 (4)在一定范围内增大转子电路电阻R₂,可以使启动转矩增大。 常考习题练习与讲解--选择题 1.三相异步电动机效率最高时，其负载约为额定功率的（ ） A.0.3~0.5倍 B.0.75~0.8倍 C.1.0~1.2倍 D.1.5~2.0倍 答案：B 解析：异步电动机的效率特性显示，当负载为额定功率的0.75~0.8倍时，效率达到最高，这是其固有的能量转换特性决定的。 常考习题练习与讲解--选择题 2.当电源电压下降20%，异步电动机的电磁转矩将下降约（ ） A.20% B.36% C.40% D.64% 答案：B 解析：电磁转矩与电压平方成正比，电压下降20%后，剩余电压为额定值的80%，转矩为原来的0.8²=0.64，故下降1-0.64=36%。 常考习题练习与讲解--选择题 3.临界转差率sₘ的表达式为（ ） A.sₘ=X₂₀/R₂ B.sₘ=R₂/X₂₀ C.sₘ=U₁/R₂ D.sₘ=R₂/U₁ 答案：B 解析：临界转差率是转矩达到最大值时的转差率，其大小仅由转子电阻R₂和转子不动时的感抗X₂₀决定，表达式为sₘ=R₂/X₂₀。 常考习题练习与讲解--选择题 4.下列哪种电机可通过转子串电阻调节转速（ ） A.笼型异步电动机 B.绕线转子异步电动机 C.同步电动机 D.直流电动机 答案：B 解析：绕线转子异步电动机的转子绕组可外接电阻，通过改变电阻值调整临界转差率，从而在一定范围内调节转速，笼型电机无法实现。 常考习题练习与讲解--选择题 5.机械特性曲线中，稳定运行区的特点是（ ） A.负载增加，转速大幅上升 B.负载增加，转速略有下降 C.转矩随转速升高而减小 D.属于软机械特性 答案：B 解析：稳定运行区（BD段）为硬机械特性，负载变化时转速波动小，当负载增加，转速会略有下降以平衡转矩，保持稳定运行。 常考习题练习与讲解--选择题 6.异步电动机的额定转矩计算公式为（ ） A.Tₙ=9550Pₙ/nₙ B.Tₙ=Pₙ/nₙ C.Tₙ=√3U₁I₁ D.Tₙ=P₁/Ω 答案：A 解析：额定转矩是电动机额定状态下的输出转矩，公式Tₙ=9550Pₙ/nₙ。 常考习题练习与讲解--选择题 7.转子功率因数cosφ₂=1时，电磁转矩（ ） A.为零 B.最大 C.等于额定值 D.随转速升高而减小 答案：B 解析：当cosφ₂=1时，转子电流与电动势同相位，导条受力方向一致，合成转矩最大；而cosφ₂<1时，部分力会相互抵消，转矩减小。 常考习题练习与讲解--选择题 8.过载系数β的定义是（ ） A.启动转矩与额定转矩之比 B.最大转矩与额定转矩之比 C.额定转矩与最大转矩之比 D.输入功率与输出功率之比 答案：B 解析：过载系数是衡量电动机过载能力的参数，表达式为β=Tₘₐₓ/Tₙ，一般电动机的β值在1.8~2.5之间。 常考习题练习与讲解--填空题 1.异步电动机的输入功率P₁与输出功率P₂的关系为______。 答案：P₂=P₁-Δp（Δp为总损耗） 解析：电动机运行时存在铜损、铁损等能量损耗，输出功率等于输入功率减去所有损耗，即P₂=P₁-Δp。 常考习题练习与讲解--填空题 2.电磁转矩的物理表达式为T=______，其中Φₘ为气隙每极磁通。 答案：KₜΦₘI₂cosφ₂ 解析：电磁转矩由转子电流I₂、气隙磁通Φₘ和转子功率因数cosφ₂共同决定，其物理表达式为T=KₜΦₘI₂cosφ₂，Kₜ为转矩常数。 常考习题练习与讲解--填空题 3.机械特性曲线中，启动转矩是指______时的转矩。 答案：n=0（或s=1） 解析：启动转矩是电动机刚接通电源、转子尚未转动（n=0，转差率s=1）时的电磁转矩，也称堵转转矩，是衡量启动性能的指标。 常考习题练习与讲解--填空题 4.绕线转子异步电动机转子串电阻后，最大转矩______，临界转差率______。 答案：不变；增大 解析：转子串电阻不改变最大转矩的大小，但会使临界转差率sₘ增大（因sₘ=R₂/X₂₀），从而改变机械特性曲线的斜率。 常考习题练习与讲解--判断题 1.异步电动机的效率随负载增大一直升高。（ ） 答案：错误 解析：效率特性曲线呈先升后稳的趋势，负载超过0.75~0.8Pₙ后，效率基本稳定，并非随负载增大一直升高。 常考习题练习与讲解--判断题 2.最大转矩的大小与转子电阻R₂无关。（ ） 答案：正确 解析：最大转矩仅与电源电压平方、电源频率及电机结构有关，与转子电阻R₂无关，转子电阻变化只会改变临界转差率。 常考习题练习与讲解--判断题 3.稳定运行区的机械特性为软特性，转速随负载变化波动大。（ ） 答案：错误 解析：稳定运行区（BD段）为硬机械特性，负载变化时转速波动小；软特性出现在转子串电阻后的人工机械特性中。 常考习题练习与讲解--判断题 4.笼型异步电动机可通过转子串电阻提高启动转矩。（ ） 答案：错误 解析：笼型电动机转子绕组为闭合笼条，无法外接电阻；绕线转子电动机转子绕组有引出线，可串电阻提高启动转矩。 常考习题练习与讲解--简答题 1.简述三相异步电动机效率特性的特点。 答案：效率随负载变化呈先升后稳趋势。负载较小时效率低，随负载增加效率逐渐升高，在0.75~0.8Pₙ时达最高；之后效率基本稳定。容量越大，额定效率越高（75%~92%），选型时需避免“大马拉小车”。 常考习题练习与讲解--简答题 2.说明电磁转矩与电源电压的关系及实际意义。 答案：电磁转矩与电源电压平方成正比（T∝U₁²）。电压波动对转矩影响显著，如电压下降10%，转矩下降19%。实际应用中需保证电压稳定，避免因电压过低导致转矩不足而停转。 常考习题练习与讲解--简答题 3.机械特性曲线中稳定运行区和不稳定运行区的区别是什么？ 答案：稳定运行区（BD段）：负载增加，转速略有下降，转矩增大至平衡，能自动调节；为硬特性。不稳定运行区（CB段）：负载增加，转速下降且转矩减小，最终停转；无法稳定运行，实际中不采用。 常考习题练习与讲解--简答题 4.绕线转子与笼型异步电动机在启动性能上的主要区别是什么？ 答案：绕线转子电机可通过转子串电阻提高启动转矩，甚至达最大转矩，适应重负载启动；笼型电机转子无法串电阻，启动转矩固定，仅适用于轻载启动。二者启动性能差异源于转子结构不同。 课堂小结 重点复习知识点： 1.核心公式需熟练掌握：输入功率P₁=√3U₁I₁cosφ，效率η=P₂/P₁×100%，额定转矩Tₙ=9550Pₙ/nₙ，电磁转矩T∝U₁²等，明确参数含义及单位。 2.特性曲线是分析基础：效率曲线的最高值区间、转矩曲线的最大值点、机械特性的稳定/不稳定区划分，需结合图形理解变化规律。 3.关键参数影响显著：电压波动直接影响转矩（平方关系），转子电阻改变临界转差率，过载系数和启动能力决定电机适用场景。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 感谢 观看 $$