4.1 三相异步电动机的机械特性

1. 4.1 三相异步电动机的机械特性 电动机作为一种将电能转化成机械能，从而带动其他机械进行工作的设备，我们最关心的是电动机的机械特性。所谓三相异步电动机的机械特性是指在一定条件下，电动机的转速n与转矩Tem之间的关系n=f（Tem）。三相异步电动机的转速n与转差率s之间存在一定关系： ，所以三相异步电动机的机械特性也往往用Tem=f（s）的形式表示。

2. 4.1.1 机械特性的表达式 根据前面章节的学习，我们知道三相异步电动机的等效电路图可以化简为如图4.1所示。 从电路的观点分析知，电磁功率为； 图4.1 三相异步电动机T型等效电路图

3. 一、电磁转矩的物理表达式 我们把 公式进行整理（利用前面已学的公式）可得；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （4-1） 式中 ——转矩常数 上式表明电动机的电磁转矩与主磁通成正比，与转子电流的有功分量成正比，从物理概念上反映了Tem、 、Φ1三者的关系，并符合左手定则。 二、电磁转矩的参数表达式 转子电流折算值为 （4-2） 电磁转矩为 （4-3） 可见， （4-3）方程，它清楚地表示了异步电动机电磁转矩、转差率与电动机各参数之间的关系，下面我们就从这个公式出发，分析三相异步电动机的固有特性及人为机械特性。

4. 4.1.2 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工作在额定电压和额定频率下，按规定方法接线，定子、转子外接电阻为零时，n（或s）与Tem的关系。 对于某一台确定的电动机而言。机械特性方程式表明，此时只有n（或s）与Tem是变量，其余均为确定值。因为机械特性方程式是一个二次方程，故Tem存在最大值。以Tem为横轴，n（或s）为纵轴，做出如图4.2所示的三相异步电动机固有机械特性曲线。 图4.2 三相异步电动机的固有机械特性曲线

5. 由图可见整个机械特性可以分成两个部分。 （1）H-P部分 即sm>s>0范围内。在这一部分，随着电磁转矩Tem的增加，转速降低。根据电力系统稳定运行的条件，这部分为稳定运行工作部分，电动机应工作于这一范围内。此时机械特性曲线近似为一条直线。 （2）P-A部分 即1>s>sm范围内。这一部分随着转矩的减小，转速也减小。此区域称为不稳定运行区域，三相异步电动机一般不能稳定地工作于这一范围。因此，有时也将称这一部分为非工作部分。 为了进一步描述三相异步电动机机械特性的特点，下面重点研究几个反映电动机工作的特殊点。 （1）理想空载点H 此时n=n1, s=0。因转子电流I2=0，定子电流I1=I0，所以电磁转矩Tem=0。

6. （2）最大转矩点P 对于三相异步电动机而言，通过数学求导，令dTem/ds=0分析可知，产生最大转矩Tm时的临界转差率 为 （4-4） 进而可求得最大电磁转矩Tm为； （4-5） 由于 忽略Ｒ１得近似表达式；

7. 由此进一步可知： ① 三相异步电动机的临界转差率 与电源电压U1无关，只与电动机自身的参数有关，且与转子电阻 成正比，所以改变转子电阻 的大小（如在绕线型异步电动机转子电路中串接变阻器）即可改变临界转差率 。 ② 三相异步电动机的最大电磁转矩 与转子电阻 无关。因此，电动机转子电阻的大小不会影响电动机的最大转矩，只会影响产生最大转矩时的转差率。 ③ 最大电磁转矩 的大小与电源电压U1的平方成正比，而临界转差率 却与电源电压无关。最大电磁转矩 与额定转矩 之比叫过载能力， 即 ， 的值在电动机技术数据资料中可查到：一般异步电动机 在1.6～2.5之间，特殊用途的电动机（如起重、冶金用电动机）的 值在3.3～3.4之间。 是异步电动机的一个重要参数，反映电动机承受负载波动的能力。

8. （3）启动点A 电动机工作在启动点A时n=0，s=1， 　。 为电动机的启动转矩或称堵转转矩。电动机的启动转矩必须大于电动机所带负载的转矩，电动机才能启动，因此，堵转转矩的大小是衡量电动机启动性能好坏的技术指标。由机械特性方程式知： （4-6） 由式可知：启动转矩 的大小与电源电压的平方成正比，同时也受转子电阻大小的影响。为了衡量电动机的启动性能，我们用电动机的启动转矩 与额定转矩 之比来表示。即 ， 被称之为启动转矩倍数，反映电动机的启动能力。一般 在1.8～2.0之间。 （4）额定点N 电动机工作在额定点时， 　， 由铭牌可知， 可通过铭牌参数计算得到。额定工作点是希望的工作点。

9. 2．人为机械特性 所谓三相异步电动机的人为机械特性是指：人为地改变电动机的某些参数或电源电压大小而得到的机械特性，人为机械特性的目的是为了获得所需的拖动性能。由上述内容可知，改变电动机转子绕组中电阻的大小或改变电源电压的高低，其机械特性都将发生改变，下面着重讨论这两种常用的人为机械特性。

10. （1）降低电源电压时的人为机械特性 降低电源电压时，电动机的转矩（包括 或 ）将按电压的平方降低，但临界转差率不变。绘出不同电压时某一台电动机的人为特性曲线如图4.3所示。由图可见：降压后的机械特性变“软”，启动能力和过载能力都下降。如果此时的负载转矩大于电磁转矩则将停止运转；如果此时的负载转矩小于电磁转矩可继续运转，但转速n下降，转差率s增大，转子电动势 增大，导致电流 增大，使电动机过载，这样长期过载会使电动机的温升将超过允许值，影响电动机的使用寿命，甚至烧毁绕组。 图4.3 三相异步电动机降低电源电压时的 人为机械特性

11. （2）转子电路串对称电阻的人为机械特性 由式（4-4）、（4-5）、（4-6）知，在异步电动机转子绕组中串入电阻 则启动转矩 将发生变化， 也会发生变化，而最大转矩 不变，人为机械特性曲线如图5.4所示。由图可见，在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机的启动转矩 ，所以起重机械上大多采用绕线式异步电动机。但若是串接某一数值的电阻使 后，再继续增大转子电阻，启动转矩将开始减小。 以上三相异步电动机的机械特性性能都是通过特性方程式分析得来的。但方程式较为复杂，而且一般情况下，三相异步电动机的某些数据在产品目录或铭牌上是查不到的，给方程式的定量运算带来不便。通过对方程式的分析，可以得到只反映电动机运行外部机械参数的实用表达式如下： （4-7） 其中 （4-8） 图4.4 异步电动机转子串接 对称电阻时的人为机械特性