专题二十三 三相异步电动机的运行特性（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题二十三 三相异步电动机的运行特性 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 判断三相异步电动机在轻载、额定负载、过载工况下的效率变化趋势，选择电机高效运行的负载范围 识别机械特性曲线的关键参数（启动转矩、最大转矩、额定转矩），判断电机在不同负载转矩下的稳定运行状态 根据给定的转差率，计算对应电磁转矩，或分析启动转矩、最大转矩与额定转矩的关系 考纲解读—考试要求 掌握基于转差率的转矩计算、效率计算公式，能完成额定工况下的基础参数计算。 能结合具体工况（如风机、水泵负载），运用特性曲线分析电机运行状态，解决简单的选型或故障判断问题。 要求学生理解效率、转矩、机械特性的物理意义，明确各特性曲线的形状及变化规律。 4 考纲解读—易考题型 简述三相异步电动机的运行特性 简答题 结合当前智能家居、汽车电子等领域，谈谈三相异步电动机的发展趋势及对这些领域的影响 论述题 下列中，属于三相异步电动机的运行特性的是（ ） 选择题 5 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 1.异步电动机的输入功率和输出功率 异步电动机运行时,输人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总是小于从电源输入的电功率。按三相电路电功率的计算方法,电源输入电动机的功率为 一、三相异步电动机的效率特性 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,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,即从电动机的输入功率,中减去定子、转子所有损耗之后,才是电动机的输出功率即 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。 一、三相异步电动机的效率特性 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 输出功率与输入功率之比,称为异步电动机的效率,通常用表示,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 功率因数的角仍是相电压、相电流间的相位差。 一、三相异步电动机的效率特性 知识点梳理和重点概念复习 1.电磁转矩 异步电动机转子电流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。 (1)转子功率因数对电磁转矩的影响 转子功率因数,对电磁转矩的影响如图4-17所示。 二、三相异步电动机的转矩特性 知识点梳理和重点概念复习 图中(a）是假设转子电2路为纯电阻性的,即=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的方向,如导条中外层记号所示。由于=1,与同相位,所以与的方向一致,如导条中内层记号所示。明确了电流方向,即可用准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=1时作用在所有导条上的力产生的合成转矩,使转子顺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=0,此时较滞后。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。 二、三相异步电动机的转矩特性 知识点梳理和重点概念复习 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,落后于一个,角度,即 °,。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=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除与气隙合成磁场的强弱转子电流的大小上有关以外,还要受到转子功率因数的影响。通过数学分析,可以推导出,异步电动机转子上的电磁转矩 即电动机的电磁转矩T与转子电流转子功率因数及旋转磁场的主磁通成正比关系。 二、三相异步电动机的转矩特性 知识点梳理和重点概念复习 2.转矩特性 上式表明,外加电压和电源频率不变时,上式中只有是变量,其余均为常数,当很小时,,可以忽略,则随的增加而增大。当s较大时,则,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。 二、三相异步电动机的转矩特性 知识点梳理和重点概念复习 根据二次函效极值知识可以算出,当时转矩出现最大值,记作。这时的转差率s记作,称为临界转差率。把=图4-18 异步电动机转矩特性曲线代入式(4-24)可以得到转矩最大值如书中（4-25）所示。 综上分析,可得到如下结论:① 最大转矩的大小与转子电路电阻无关。②产生最大转矩时的临界转差率与外加电压无关,而与转子电路电阻有关 二、三相异步电动机的转矩特性 知识点梳理和重点概念复习 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。 (2)电动机额定转矩的实用计算式计算转矩时,的单位是kW(千瓦),转速的单位是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书中（4-29） 三、三相异步电动机的机械特性 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7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=(T),如图 4-22 所示. 三、三相异步电动机的机械特性 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。这时,如果电动机的启动转矩小于,电动机将无法启动,称为堵转;如果大于,则电动机的转速n将不断上升,电动机的电磁转矩T也将开始沿着机械特性曲线的CB段上升,经过最大转矩后又沿着曲线BD段逐渐减小。到达T=,时,电动机以稳定的转速n运行在A点。 三、三相异步电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 (3)异步电动机启动转矩和转速的改变 通常情况,电源频率不变,影响启动转矩大小的只有电源电压,和转子电路中的电阻,如果电阻增大,在一定范围内功率因数可提高,启动转矩增大,如图4-24所示。这种方法只有在绕线转子电动机中才能采用。异步电动机转子回路串联电阻以后的机械特性称为人工机械特性。 三、三相异步电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 当电动机轴上负载变化时,转速在一定范围内有较大的变化,因此,可以利用改变转子电路电阻的方法,在一定范准围内调节电动机的转速。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。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。 笼型电动岣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。 三、三相异步电动机的机械特性 知识点梳理和重点概念复习 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,可以使启动转矩增大。 三、三相异步电动机的机械特性 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：额定状态是指电机在额定电压、频率下，输出额定功率、额定转矩时的运行状态。 1.当三相异步电动机的负载转矩等于额定转矩时，电机运行在（ ）。 A. 空载状态 B. 额定状态 C. 过载状态 D. 轻载状态 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：效率随负载增大先快速上升，达到最大值后略有下降，故特性曲线呈先升后降的形状。 2.三相异步电动机的效率特性曲线呈（ ）形状。 A. 水平直线 B. 斜向上直线 C. 先升后降的曲线 D. 斜向下直线 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：最大转矩与电源频率成反比，频率升高时，旋转磁场转速加快，铁芯磁通密度降低，最大转矩减小。 3.若三相异步电动机的电源电压不变，频率升高，其最大转矩会（ ）。 A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 先增后减 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：定子绕组通入电流产生旋转磁场，通过电磁感应在转子绕组中产生感应电流，感应电流流过转子电阻产生铜损耗。 4.三相异步电动机运行时，转子铜损耗是通过（ ）传递到转子的。 A. 电磁感应 B. 机械传动 C. 热传导 D. 空气对流 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：负载率从100%提高到120%属于过载，铜损耗增长过快，效率下降；A选项效率会上升，B、D选项对效率无负面影响。 5.下列哪种情况会导致三相异步电动机效率下降（ ）。 A. 负载率从30%提高到80% B. 电源电压稳定在额定值 C. 负载率从100%提高到120% D. 降低电机通风阻力 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：启动瞬间转子未转动，转速为0，对应机械特性曲线的起点（转矩为启动转矩，转速为0）。 6.三相异步电动机的机械特性曲线中，启动点对应的转速是（ ）。 A. 同步转速 B. 额定转速 C. 0 D. 临界转速 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：在一定范围内，转子电阻增大可提高启动转矩，反之，转子电阻减小会导致启动转矩减小。 7.若三相异步电动机的转子电阻减小，其启动转矩会（ ）。 A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 无法确定 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：负载突然减小时，电机的电磁转矩会大于负载转矩，导致转速升高；转速升高使转差率减小，电磁转矩随之减小，直至与新的负载转矩重新平衡，最终稳定在较高的转速下运行。 8.三相异步电动机运行时，若负载突然减小，转速会（ ）。 A. 升高 B. 降低 C. 不变 D. 先降后升 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：硬度 解析：特性曲线越平缓，硬度越大，意味着负载转矩变化时转速变化越小，电机运行越稳定。 1.机械特性的______反映了电机转速随负载转矩变化的快慢程度。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：0 解析：负载为零时，输出功率，根据效率公式，此时效率为零。 2.三相异步电动机的效率特性中，当负载为零时，效率η=______。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：额定工况（或额定负载、额定转速） 解析：额定工况下，电机的电压、电流、转速等参数均为额定值，此时输出的转矩即为额定转矩。 3.转矩特性中，额定转矩是电机在______运行时的输出转矩。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：同步转速 解析：理想空载时负载转矩为零，电机转速达到最高，接近旋转磁场的同步转速，此时转差率s趋近于0。 4.机械特性曲线中，理想空载时电机转速接近______。 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：负载转矩超过最大转矩后，电机转矩小于负载转矩，转速会持续下降，最终停转，即发生“堵转”。 1.当负载转矩超过最大转矩时，三相异步电动机将停转。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：额定转速，不仅与同步转速n₀有关，还与额定转差率sₙ有关，若sₙ变化，即使n₀升高，额定转速也不一定升高。 2.同步转速越高，三相异步电动机的额定转速一定越高。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：定子铜损耗与定子电流的平方成正比，负载增大时定子电流增大，故定子铜损耗随之增大。 3.三相异步电动机运行时，定子铜损耗随负载增大而增大。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：启动瞬间转子转速为0，转差率s=1，此时电机输出的转矩即为启动转矩，对应机械特性曲线的启动点。 4.机械特性曲线中的启动点对应转差率s=1，转矩为启动转矩。（ ） 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：启动转矩不足会导致电机无法启动，或启动时间过长；即使能启动，也可能在带负载时转速无法上升到额定值，导致电机过载、发热严重，甚至损坏电机。 1.启动转矩不足会对三相异步电动机造成什么影响？ 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：最大转矩是电机能输出的极限转矩，其大小决定了电机的抗过载能力。最大转矩越大，电机承受短期过载的能力越强，越不容易因负载突然增大而停转或损坏。 2.最大转矩的大小对三相异步电动机的运行有何意义？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：转差率是连接转矩特性和机械特性的关键参数。在转矩特性中，它是自变量，决定电磁转矩的大小；在机械特性中，它通过与转速的关系，将转矩与转速关联起来，反映转速随转矩的变化规律。 3.转差率在三相异步电动机的转矩特性和机械特性中起什么作用？ 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：定子铜损耗和转子铜损耗会随负载变化而变化。因为负载增大时，电机的输出转矩增大，需要更大的电流来产生足够的电磁转矩，而定子铜损耗与定子电流平方成正比，转子铜损耗与转子电流平方成正比，故这两项损耗随负载增大而增大。 4.三相异步电动机运行时，哪些损耗会随负载变化而变化？为什么？ 40 重点复习知识点： 1. 效率特性：效率随负载增大先快速上升后趋于平缓，在额定负载附近达最大值；轻载时效率低，过载时效率略有下降，核心是合理匹配负载以实现高效运行。 2. 转矩特性：电磁转矩与转差率呈非线性关系，存在启动转矩、最大转矩两个关键值，最大转矩决定电机抗过载能力，启动转矩影响启动性能。 3. 机械特性：以转速为横轴、转矩为纵轴的曲线，直观反映电机转速与输出转矩的关系，稳定运行点需满足电机转矩与负载转矩相等且曲线斜率为负。 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。 课堂小结 41 $