三相异步电动机的机械特性详解

三相异步电动机的作用是将电能转换成机械能，向负载输出机械功率，机械功率的大小正比于转矩和转速的乘积，因此转矩与转速的关系便成了所有电动机的重要工作特性。三相异步电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T 之间的关系，即

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又用T=f（s）表示，这一关系也称为转矩特性。

1.三相异步电动机机械特性的表达式

三相异步电动机的转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力对电动机的转子产生电磁转矩。由此可见，电磁转矩是由转子电流和旋转磁场共同作用所产生的结果。因此，电磁转矩T 的大小与转子电流以及旋转磁场每极的磁通成正比。根据理论分析可得

式中：KT为与电动机结构有关的常数；Φ 为旋转磁场每极的磁通；I2 为转子电流；cosφ2 为转子电路的功率因数。式（3.32）称为转矩的物理表达式。

经推导，电磁转矩还可表示为

式中：K 是一个常数；U1 为定子绕组相电压的有效值；R2 为转子每相绕组的电阻；X20为转子静止时转子电路漏磁感抗，通常也是常数。式（3.33）称为电磁转矩的参数表达式。

从式（3.33）可知，三相异步电动机的转矩与每相电压的有效值平方成正比，也就是说，当电源电压变动时，对转矩产生较大的影响。此外，转矩与转子电阻也有关。当电压和转子电阻一定时，电磁转矩T 是转差率s 的函数，其关系曲线如图3.23所示，通常称T=f（s）曲线为异步电动机的转矩特性曲线。

由n=（1-s）n0，可将T=f（s）转换为n=f（T），这就是三相异步电动机的机械特性。n=f（T）曲线称为电动机的机械特性曲线，如图3.24所示。

图3.23　三相异步电动机的转矩特性曲线

图3.24　三相异步电动机的机械特性曲线

由转矩特性可以看到，当s=0，即n=n0 时，T=0，这是理想空载运行状态，随着s的增大，T 也增大；但到达最大值Tmax以后，随着s的增大，T 反而减小，最大转矩Tmax称为临界转矩，与其对应的sm称为临界转差率。

2.三相异步电动机的机械特性

1）固有机械特性

三相异步电动机的固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线方式接线，定子和转子电路不接外接电阻或电抗时的机械特性。图3.24表示的就是三相异步电动机的固有机械特性曲线。下面着重讨论固有机械特性曲线上几个特殊的工作点。

（1）额定运行点b。

电动机额定运行时，工作点位于b点。这是电动机的电压、电流、功率和转矩都等于额定值时的状态。此时，n=nN，s=sN，T=TN，I1=IN。额定转矩TN 是电动机在额定负载时的转矩。额定转矩可从电动机铭牌数据给出的额定功率PN（注意：电动机铭牌数据给出的功率是输出到转轴上的机械功率，而不是电动机消耗的电功率）和额定转速nN 求得，即

式中：功率的单位是kW；转速的单位是r/min；转矩的单位是N·m。

在电动机运行过程中，负载通常会变化，如电动机机械负载增加时，打破了电磁转矩和负载转矩间的平衡，此时负载转矩大于电磁转矩，电动机的速度将下降，同时，旋转磁场对于转子的相对速度加大以及旋转磁场切割转子导条的速度加快，都将导致转子电流I2 增大，从而使电磁转矩增大，直到同负载转矩相等为止，这样电动机就维持一个略低于原来转速的速度平稳运转。如图3.24所示，电动机有载运行一般工作在机械特性曲线较为平坦的ac 段。

电动机转速随负载的增加而下降得很少的机械特性称为硬特性。电动机的转速随负载的增加而下降得很多的机械特性称为软特性。因此，从图3.24可看出，三相异步电动机的硬特性表现显著。

（2）最大转矩点c。(www.xing528.com)

c点是机械特性曲线中线性段（a～c）与非线性段（c～d）的分界点，这是电动机的电磁转矩等于最大值的状态。此时，s=sm，T=Tmax，sm、Tmax分别称为临界转差率和最大转矩。经推导可得

将其代入式（3.33），可得

由此可见，Tmax与电源电压U1 的平方成正比，与X20成反比，而与R2 无关；而sm与R2 成正比，与X20成反比。Tmax与U1 及R2 的关系曲线分别如图3.25和图3.26所示。

当异步电动机的负载转矩超过最大转矩Tmax时，电动机将发生“堵转”的现象，此时电动机的电流是额定电流的数倍，若时间过长，电动机会剧烈发热，以致烧坏。

电动机短时允许的过载能力，通常用最大转矩Tmax与额定转矩TN 的比值来表示，称为过载系数λT，即

一般三相异步电动机的过载系数为1.8～2.2。

图3.25　U1 变化的n=f（T）曲线（U1 为常数）

图3.26　R2 变化的n=f（T）曲线（R2 为常数）

（3）启动点d。

电动机接通电源开始启动瞬间，其工作点位于d 点。此时，n=0，s=1，T=Tst，I1=Ist=（4～6）IN（IN为额定电流）。启动转矩Tst是电动机运行性能的重要指标。因为启动转矩的大小将直接影响到电动机拖动系统的加速度的大小和加速时间的长短。如果启动转矩小，电动机的启动会变得十分困难，有时甚至难以启动。当电动机启动时，n=0，s=100%，将s=100%代入式（3.33），可得

由式（3.38）可以看出，异步电动机的启动转矩与电源电压U1 的平方成正比，再如图3.13所示，当U1 降低时，启动转矩Tst明显降低。结合刚才讨论过的最大转矩可以看出，异步电动机对电源电压的波动十分敏感，运行时，如果电源电压降得太多，异步电动机的过载和启动能力会大大降低，这个问题在使用异步电动机时要充分重视。由式（3.38）并结合图3.26，当转子电阻R2 适当加大时，最大转矩Tmax没有变化（最大转矩与R2 无关），但启动转矩Tst会加大。这是转子电路电阻的增加提高了转子回路的功率因数，转子电流的有功分量随之增大，因而启动转矩增大。

只有启动转矩大于负载转矩时，电动机才能启动。通常将机械特性上的启动转矩与额定转矩之比称为启动转矩倍数，即

Kst 反映了电动机启动负载能力。Y 系列三相异步电动机的Kst=1.7～2.2。

2）人为机械特性

三相异步电动机的人为机械特性是人为地改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。由电磁转矩的参数表达式（3.33）可知，可以改变的电源参数有电压U1和频率f1，可以改变的电动机参数有极对数p、定子电路参数R1和X1、转子电路参数R2和X2等。所以，三相异步电动机的人为机械特性的种类很多，这里只介绍两种常见的。

（1）定子电压降低时的人为机械特性。

由式（3.35）、式（3.36）和式（3.38）可知，临界转差率sm与电压无关，而最大转矩和启动转矩正比于电压平方，因此，临界转差率不变，而最大转矩和启动转矩随定子电压的降低而减小，人为机械特性如图3.25所示。

（2）转子电阻增加时的人为机械特性。

由式（3.35）、式（3.36）可知，临界转差率sm正比于转子电阻R2，最大转矩却与转子电阻R2无关，因此，绕线式异步电动机在转子电路中串入电阻时的人为特性如图3.26所示。由图3.26可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增大电动机的启动转矩。当所串接的电阻使其sm=1时，对应的启动转矩将达到最大转矩，如果再增大转子电阻，启动转矩反而会减小。另外，转子串接对称电阻后，其机械特性曲线线性段的斜率增大，特性变软。转子电路串接对称电阻适用于绕线式异步电动机的启动、制动和调速。