三相异步电动机的转矩和机械特性分析

5.2　三相异步电动机的转矩和机械特性

由于电磁转矩是由旋转磁场与转子绕组电流的相互作用而产生的，它是驱动转子转动的驱动转矩，因此，电磁转矩是异步电动机最重要的物理量之一。机械特性是异步电动机的主要运行特性。

5.2.1　三相异步电动机的电磁转矩

电磁转矩的大小反映电动机做功的能力，用字母T表示。电磁转矩的大小与转子电流I₂的有功分量I₂cosφ₂和定子旋转磁场的每极磁通量Φ成正比。

T=K_TΦI₂cosφ₂

式中K_T为转矩系数，是一个常数，与电动机的结构有关。

式（5-4）反映了电磁转矩T与电动机物理量I₂、cosφ₂间的关系，因此称该式为电磁转矩的物理表达式。实际计算中，可简化成

式中K_T为转矩系数，是一常数；R₂和X₂₀分别为转子每相绕组的电阻和转子静止时的感抗，通常也是常数。

式（5-5）表明，电磁转矩T与定子绕组上所加电压U₁的平方成正比，当U₁一定时，电磁转矩T是转差率s的函数。该式又称为电磁转矩的数学表达式或参数表达式。

5.2.2　三相异步电动机的机械特性

在电源电压U₁和转子电阻R₂一定的情况下，三相异步电动机的转速n（或转差率s）与电磁转矩T的关系曲线n=f（T）或sS=f（T），称作电动机的机械特性曲线，如图5-11所示。

机械特性常用来分析异步电动机的运行性能。机械特性的曲线上反映了电动机的2个运行区域和3个特殊转矩。

1.机械特性的稳定区和非稳定区在图5-11所示的机械特性曲线上，以最大转矩T_m对应的临界转差率s_m为分界线，AB段为稳定运行区，BC段为非稳定运行区。

在AB段的稳定运行区内，电磁转矩T能随着负载转矩T_L的变化而变化，并达到新的平衡。而在BC段的非稳定运行区内就不能达到新的平衡。

在BC非稳定区内，随着转速n的下降，转差率s增大，而电磁转矩T不但没有增大，反而减小了，使负载的阻转矩T_L大于驱动的电磁转矩T，转速继续下降，直到停转。因此在非稳定区，不可能达到新的平衡而稳定运行。

2.额定转矩、最大转矩、启动转矩

（1）额定转矩T_N：额定转矩T_N是电动机带额定负载在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时电动机轴上的输出转矩。

电动机的电磁转矩，除了与负载阻转矩相平衡外，还要与电动机本身的空载转矩T₀相平衡，通常T₀很小，可忽略不计，所以有

T=T_L+T₀≈T_L(www.xing528.com)

由于电动机轴上输出的功率P₂等于转矩T与角速度ω的乘积，即P₂=Tω，则

在额定运行状态下，P₂=P_N，n=n_N。若取转矩T的单位为N·m，功率P_N的单位为kW，转速n_N的单位为r/min时，由式（5-6）可求得额定转矩为

（2）最大转矩Tm：从图5-10所示的机械特性曲线上看，最大转矩Tm是对应于临界转差率sm的转矩，也是电动机稳定运行所能提供的极限转矩。可用电磁转矩的数学表达式（5-5），令=0求得

电动机最大转矩T_m的大小反映电动机的过载能力。电动机运行时，最大过载允许短时间接近最大转矩，时间过长，过载的大电流会造成电动机过热损坏。通常将最大转矩T_m与额定转矩T_N的比值用λ表示，称作过载系数。

式中λ是衡量异步电动机过载能力的重要指标，一般异步电动机的过载系数为1.8～2.2。

在拖动系统中选择电动机时，根据可能出现的最大负载转矩，将所选电动机的额定转矩与过载系数相乘，算出电动机的最大转矩。它必须大于负载的最大转矩，否则当负载出现最大过载转矩时，电动机会出现停转现象，且电动机的电流会骤增，使电动机严重过热而烧毁。

（3）启动转矩T_ST：电动机接通电源瞬间，n=0、s=1时的转矩称为启动转矩T_ST。将s=1代入式（5-5）得

由式（5-11）可见，启动转矩T_ST与电源电压U₁、转子电阻R₂都有关。

电动机启动转矩T_ST的大小反映电动机的启动能力，通常将启动转矩T_ST与额定转矩T_N的比值用K_S表示，称作启动转矩倍数。

K_S是衡量异步电动机启动能力的一个重要指标，K_S值大，电动机启动就快。一般异步电动机启动能力较弱，K_S=1.0～2.0。只有K_S＞1时，电动机才能带额定负载启动。

【例5-2】一台三相异步电动机的技术数据如下，P_N=60kW,U_N=380V,Y接法，n_N=1440r/min，η_N=85%，cosφ=0.83，I_ST/I_N=7.0，K_S=1.8，λ=2.0。试求：（1）额定电流I_N；（2）额定转差率s_N；（3）启动电流I_ST；（4）额定转矩T_N；（5）最大转矩T_m；（6）启动转矩T_ST。

解：（1）电动机的输入功率为

（2）因n_N=1440r/min，可n₁=1500r/min，极对数p=2，则额定转差率为

（3）因I_ST/I_N=7.0，则启动电流为

I_ST=7.0I_N=7×12.9=90.3A

（5）启动转矩：T_ST=K_STT_N=1.8×39.8=71.6N·m

（6）最大转矩T_m=λT_N=2.0×39.8=79.6N·m