2.3 三相异步电动机的特性

二维码2-4

三相异步电动机转子轴上产生的电磁转矩是决定电动机输出机械功率大小的一个重要因素，也是电动机的重要性能指标。

2.3.1 电动机的转矩特性

1.电磁转矩的物理表达式

由三相异步电动机的工作原理可知，异步电动机的电磁转矩是旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用而产生的。

由电机学原理可知，三相异步电动机的电磁转矩方程

式中 T——电动机的电磁转矩（N·m）；

K_T——电动机常数，其值与电动机的结构有关；

Φ——旋转磁场每极的磁通量（Wb），在数值上，Φ等于气隙中磁感应强度的平均值与每极面积的乘积，Φ表征旋转磁场的强度；

I₂——转子电流（A）；

cosφ₂——转子电路的功率因数。

上述电磁转矩方程是分析三相异步电动机转矩特性的重要依据。

2.转矩特性

电磁转矩与转差率之间的关系T=f（s），称为电动机的转矩特性。根据电机学知识，可以推得

式中 T——电动机的电磁转矩（N·m）；

K——与电动机结构参数和电源频率有关的一个常数，K∝1/f；

s——异步电动机的转差率；

U₁——定子绕组的相电压，亦即电源相电压（V）；

r₂——转子每相绕组的电阻（Ω）；

X₂₀——电动机堵转时，转子每相绕组的感抗（Ω）。

在式（2-5）中，K、转子电阻r₂、转子堵转时的感抗X₂₀都是常数，且X₂₀≫r₂。由于式（2-5）用电动机转子绕组中的电阻、感抗等参数反映电磁转矩T和转差率s之间的关系，所以式（2-5）又称为电磁转矩的参数表达式。

由电磁转矩的参数表达式（2-5）可知，转差率s一定时，电磁转矩T与电动机外加电压U₁的二次方成正比，即。因此，电动机电源电压有效值的微小变动，也会导致电磁转矩产生很大的变化。

3.转矩特性曲线

当电源电压U₁为恒定值时，电磁转矩T是转差率s的单值函数。图2-28绘出了三相异步电动机的转矩特性曲线。

如图2-28所示，根据电磁转矩的表达式（2-5），逐一改变转差率s，并记录相应的电磁转矩T，可绘制出一条T=f（s）曲线。这条T=f（s）曲线称为电动机的转矩特性曲线。

注意，由于异步电动机的转差率s不可能等于0，因此，异步电动机的转矩特性曲线只是接近坐标原点（转差率s接近0），但并不能与坐标原点重合。

电动机输出额定转矩T_N时，所对应的转差率称为额定转差率s_N；电动机输出最大转矩T_max时，电动机处于临界状态，此时，所对应的转差率称为临界转差率s_m；电动机输出起动转矩T_st时，所对应的转差率s=1。

图2-28 三相异步电动机的转矩特性曲线

2.3.2 电动机的机械特性

1.机械特性

当电源电压U和转子电路参数为定值时，电动机的转速n和电磁转矩T的关系n=f（T）称为异步电动机的机械特性。

异步电动机的机械特性曲线可直接从转矩特性曲线变换获得。将图2-28中的转矩特性曲线顺时针转动90°，并借助转差率s与转子转速n的关系n=（1-s）n₀，将s换成n，就可以得到异步电动机的机械特性曲线，如图2-29所示。

异步电动机的机械特性有固有（自然）机械特性和人为机械特性之分。

图2-29 三相异步电动机的固有机械特性曲线

2.固有机械特性

异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式进行接线，并且将在定子电路和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有（自然）机械特性。

（1）固有机械特性曲线的特殊工作点

在固有机械特性曲线（图2-29）上，有A、B、C、D四个具有典型意义的特殊工作点。

1）理想空载工作点A。当电动机工作在A点时，电动机的输出转矩T=0，转子转速n=n₀，转差率s=0。

但事实上，由于异步电动机的转差率s不可能等于0，因此，其机械特性曲线只是在纵坐标上接近旋转磁场的同步转速n₀，而不可能达到n₀。因此，A点只是理想的工作点，事实上并不存在，故称A点为理想空载工作点。注意，由于A点事实上并不存在，因此，在固有机械特性曲线上，A点附近为虚线，而非实线。

2）额定工作点B。当异步电动机工作在额定工作点B时，T=T_N、n=n_N、s=s_N。三相异步电动机驱动额定负载时，转子轴上输出的转矩，称为电动机的额定转矩，用T_N表示。

由于

则电动机的额定转矩为

式中，额定转矩T_N的单位为N·m；额定功率P_N的单位为kW。

例如，某车床主轴电动机的额定功率为7.5kW，额定转速为1440r/min，则该主轴电动机的额定转矩为

一般三相异步电动机的额定转速n_N=（0.94～0.985）n₀，额定转差率s_N=1%～9%。

3）临界工作点C。当电动机工作在C点时，T=T_max、n=n_m、s=s_m。从机械特性曲线中可以看出，曲线的形状以C点为界，ABC段与CD段的变化趋势是完全不同的，C点就是一个临界点（亦称拐点），并且C点对应的电磁转矩即为电动机的最大转矩T_max，C点对应的转速为临界转速n_m，C点对应的转差率为临界转差率s_m。

当电动机工作在C点时，电动机输出最大转矩，且处于临界状态。因此，C点称为电动机的临界工作点。

最大转矩T_max表征电动机能够驱动负载的极限能力。电动机转子轴上的机械负载转矩T₂不能大于T_max，否则将造成电动机堵转（俗称闷车）。长时间处于堵转状态时，电动机会因严重发热而烧坏绕组，造成电动机损毁。

电动机的最大转矩T_max与额定转矩T_N的比值称为电动机的过载能力系数，用λ表示，即

过载能力系数λ表征电动机承受冲击载荷能力的大小，是电动机的一个重要性能指标。在国家标准中，对各种电动机的过载能力系数均有规定，如普通的Y系列笼型异步电动机，λ=2.0～2.3，而供起重机械和冶金机械使用的YZ（异重）系列电动机和YR（异绕）系列绕线转子异步电动机，λ=2.5～3.0。

4）起动工作点D。当电动机工作在D点时，T=T_st、n=0，电动机输出起动转矩，处于起动状态。因此，D点称为电动机的起动工作点。

起动转矩T_st表征电动机在有载（驱动负载）状态下的起动能力。如果起动转矩T_st大于负载转矩T₂，则电动机可以起动，否则电动机无法起动。

在电机学中，通常将在固有机械特性曲线上的起动转矩T_st与额定转矩T_N之比定义为电动机的起动能力系数，用K_st表示，即

起动能力系数K_st是衡量异步电动机起动能力强弱的一个重要指标，一般K_st=1.0～2.2。

（2）稳定工作区与非稳定工作区

如图2-30所示，固有机械特性曲线可分为两部分：ABC部分（0<s<s_m）称为稳定工作区，CD部分（s>s_m）称为非稳定工作区。电动机稳定运行只限于曲线的ABC段。电动机在0<s<s_m区间运行时，只要负载转矩T₂小于最大转矩T_max，则当负载发生波动时，电磁转矩总能自动调整到与负载转矩相平衡，使转子适应负载的增减以稍低或稍高的转速继续稳定运转。

图2-30 稳定工作区与非稳定工作区

如果电动机在稳定运行中，负载转矩T₂的增加超过了最大转矩T_max，电动机的运行状态将沿着机械特性曲线的CD部分下降，并越过临界点——C点而进入非稳定工作区，从而导致电动机停止运转。因此，最大转矩T_max又称为崩溃转矩。

电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整的能力称为电动机的自适应负载能力。从机械特性曲线上可以看出，电动机在ABC段运行时，具有良好的自适应负载能力，能够稳定地驱动机械负载工作。

在设计机电传动系统时，应确保电动机工作在ABC段，否则，机电传动系统将无法稳定工作。为了留有一定的安全裕度，在工程实践中，一般都会躲开临界工作点，而将电动机的工作区域选在图2-30中画短竖线的区域（以不越过B点左侧为宜），以确保机电传动系统能够稳定、可靠地工作。

自适应负载能力是电动机区别于其他动力机械的重要特点。如车用汽油机，当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载，否则，就可能造成汽油机熄火。

由固有机械特性曲线可推知：

1）异步电动机稳定运行的条件是s<s_m，即实际转差率应低于临界转差率。

2）如果从空载到满载时转速变化很小，就称该电动机具有较硬的机械特性。由图2-30可知，三相异步电动机具有较硬的机械特性。

3）需要说明的是，对于不随转速变化的恒转矩负载（如机床刀架平移机构等），电动机不能在s>s_m区域稳定运行；但风机、水泵类负载，因其转矩与转速的二次方成正比，经深入分析，其电动机可以在s>s_m区域稳定运行。

3.人为机械特性

由式（2-5）可知，异步电动机的机械特性既与电动机本身的结构参数有关，也与外加电源电压、电源频率有关。将式（2-5）中的某些参数人为地加以改变而获得的机械特性，称为电动机的人为机械特性。

（1）电源电压U₁的变化对机械特性的影响

电源电压U₁的变化对机械特性的影响如图2-31所示。

图2-31 电源电压U₁的变化对机械特性的影响

由电机学可知，异步电动机的临界转差率s_m、最大转矩T_max和起动转矩T_st与电动机的结构参数、运行参数之间的关系符合式（2-8）。

由式（2-8）可知，电源电压U₁的变化对理想空载转速n₀和临界转差率s_m没有影响，但对最大转矩T_max和起动转矩T_st均有显著影响。

最大转矩T_max和起动转矩T_st与电源电压U₁的二次方成正比，当电源电压U₁降低时，最大转矩T_max和起动转矩T_st会急剧减小，使电动机的人为机械特性急剧向左移动（收缩）。由此可见，电源电压U₁的变化对电动机的机械特性影响极大。

由于异步电动机的人为机械特性对电网电压的波动极为敏感，在工作过程中，若电网电压降低过多，将使电动机的过载能力和起动转矩大大降低，甚至会出现电动机带不动负载或电动机根本无法起动的现象。

例如，当电动机驱动额定负载T_N运行时，即便过载能力系数很大（假设λ=2），但如果电网电压下降到0.7U_N，则异步电动机的最大转矩T_max会衰减到。

此时，电动机的最大转矩T_max已经小于负载转矩T₂，电动机会停转。即便是电网电压下降幅度不大，电动机仍可以驱动负载继续运行，在负载转矩不变的情况下，会造成电动机转速下降，转差率s增大，定子工作电流也相应增大，发热量增多。时间一长，就容易造成电动机过热，甚至烧毁电动机。电动机控制电路中的热继电器就是为了应对这一情况而设置的保护器件。

（2）转子电阻r₂的变化对机械特性的影响

转子电阻r₂的变化对机械特性的影响如图2-32所示。

图2-32 转子电阻r₂的变化对机械特性的影响

由式（2-8）可知，转子电阻r₂的变化，对异步电动机的理想空载转速n₀和最大转矩T_max没有影响，但对临界转差率s_m和起动转矩T_st均有影响。随着转子电阻r₂的增大，电动机的起动转矩T_st逐渐增大，并最终增大到最大值——电动机的最大转矩T_max。在驱动同样的负载转矩T₂时，随着转子电阻r₂的增大，电动机的转速将逐渐下降，临界转差率s_m也随之增大。

由图2-32不难看出，随着转子电阻r₂的增大，电动机的人为机械特性越来越软。如果电动机具有硬特性，则当负载变化时，转子轴的转速变化不大，电动机的运行特性会很好；如果电动机具有软特性，则当负载增加时，转子轴的转速会下降较快，但起动转矩较大，电动机的起动特性会很好。

在设计机电传动系统时，应根据不同场合和使用要求，选用机械特性不同的电动机。在金属切削机床的机电传动系统中，应选用机械特性较硬的电动机；而在重载起动状态下工作的机电传动系统（如起重设备、卷扬机等）中，则应选用机械特性较软的电动机。