三相异步电动机的电磁转矩与机械特性

电磁转矩是三相异步电动机最重要的物理量之一，它是表征一台电动机拖动生产机械能力的大小。机械特性是它的主要特性。

7.2.1　三相异步电动机的电磁转矩

三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流I2相互作用而产生的，它与Φ和I2的乘积成正比，此外，它还与转子回路的功率因数cosφ2有关，其表达式为

式中：KT为电动机结构有关的常数；Φ为磁通；I2为转子电流；cosφ2为转子回路的功率因数。

综合式（7.2.1）、式（7.2.2）和式（7.2.3）及E1＝4.44f1N1Φ，并忽略定子电阻R1和漏电感X1的压降。可得电磁转矩的另一表达式

由此可知，电磁转矩T与电压平方成正比。当施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩下降明显；当电压U一定，转子参数R2和X20一定时，电磁转矩与转差率S有关，将电磁转矩与转差率的关系T＝f（S）曲线，通常称为T－S曲线。

7.2.2　三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在电源电压U1、电源频率f1及电动机参数一定的条件下，且定子绕组按规定接线时，电动机电磁转矩T与转速n或转差率S之间的关系，即n＝f（T）或S＝f（T）。它有固有机械特性和人为机械特性之分。

1.固有机械特性

三相异步电动机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路中不接任何电阻或电抗时的机械特性称为固有机械特性或自然机械特性。

图7.2.1　三相异步电动机的固有机械特性曲线

1）固有机械特性曲线

根据式（7.2.4）和式（7.1.2）可得到三相异步电动机的固有机械特性曲线，如图7.2.1所示。从特性曲线上可以看出，其上有四个特殊点可以决定特性曲线的基本形状和三相异步电动机的运行性能，这四个特殊点如下。

（1）理想空载转速点A：从图7.2.1可看出，在A点，T＝0，n＝n0＝60f1／p，S＝0。此时电动机不进行机电能量转换，处于浮接状态。实际上，异步电动机是不可能运行于这一点的。

（2）额定工作点B：在B点，T＝TN，n＝nN（S＝SN）。

（3）最大转矩点C（临界工作点）：在C点，电磁转矩为最大值Tmax（T＝Tmax），相应的转差率为Sm（S＝Sm）。

（4）启动工作点D：在D点，S＝1，n＝0，T＝Tst。此时，电磁转矩为启动转矩Tst。

2）额定转矩与额定转差率

（1）额定转矩

（2）额定转差率

式中：PN为电动机的额定功率；nN为电动机的额定转速，一般nN＝（0.94～0.985）n0；SN为电动机的额定转差率，一般SN＝0.06～0.015；TN为电动机的额定转矩（N·m）。

3）临界转差率与最大电磁转矩Tmax

（1）临界转差率Sm

（2）最大电磁转矩Tmax

由式（7.2.7）和式（7.2.8）可看出：当电源频率f1及电动机的参数一定时，最大转矩Tmax与定子电压U的平方成正比，这说明异步电动机对电源电压的波动是很敏感的。Tmax与转子电阻R2的大小无关，但临界转差率Sm却与R2成正比。当增加转子外串电阻R′2时，Tmax不变，而Sm随外串电阻增加而变大，但特性曲线变软。

4）三相异步电动机的过载能力系数

通常将固有机械特性上最大转矩Tmax与额定转矩TN之比称为过载能力系数或过载倍数，用λm表示，即

过载能力系数表征了电动机能够承受冲击负载能力的大小。各种电动机的过载能力系数在国家标准中都有规定，一般三相异步电动机如普通的Y系列的λm＝1.6～2.2；起重机和冶金机械用的YZ和YZR绕线式异步电动机的λm＝2.5～2.8。

5）启动转矩

由式（7.2.10）可得以下结论：

（1）在给定的电源频率及电动机参数的条件下，Tst与定子电压U的平方成正比；

（2）在一定范围内，增加转子回路电阻R2，可以增大启动转矩Tst（因为可提高转子回路的功率因数cosφ2）；当S＝Sm＝1时，Tst＝Tmax，启动转矩最大。

（3）当U、f1一定时，若转子的电抗增大，则Tst将大为减小。

6）转矩－转差率特性的实用表达式

在实际应用中，为了简化计算，常用下式进行电磁转矩的计算

从式（7.2.11）可看出，当S≪Sm时，则有

式（7.2.12）表明：转矩T与转差率S是成正比的直线关系。即三相异步电动机的机械特性在一定范围内是呈线性关系，三相异步电动机通常运行在此线性范围内。

临界转差率实用表达式

7）启动转矩倍数λst

三相异步电动机的启动转矩Tst与额定转矩TN之比用启动转矩倍数λst来表示，即

启动转矩倍数λst也是鼠笼式异步电动机的重要性能指标之一。启动时，当Tst大于负载启动转矩T2时，电动机才能启动。一般λst＝1～1.2。

2.人为机械特性

由式（7.2.4）可知，三相异步电动机的机械特性与电动机的参数有关，也与外加电源电压、电源频率、定子电路中的电阻或电抗、转子电路中的电阻或电抗有关。因此，人为改变电动机的某个参数后所得到的机械特性，称为异步电动机的人为机械特性。

设置人为机械特性的目的是获得所需的拖动性能。在机电传动系统中，人们可以通过合理地利用人为机械特性对三相异步电动机进行启动、调速和制动控制。

图7.2.2　改变电源电压的人为机械特性曲线

三相异步电动机的人为机械特性有降低电源电压、转子回路串电阻、定子回路串电阻或电抗和改变定子电源频率等四种。

1）降低电源电压的人为特性

图7.2.2所示为降低电源电压的人为机械特性曲线。

特点：①当电源电压降低时，n0和Sm不变，而Tmax和Tst却因与U2成正比而大大减小；

②在同一转差率的情况下，人为机械特性和固有机械特性转矩之比等于电压的平方之比。电压越低，过载能力与启动转矩会大大降低，人为机械特性曲线越往左移。

三相异步电动机对电网电压的波动非常敏感，运行时，如电网电压降低太多会出现电动机因发生带不动负载或者根本不能启动的现象。

例如，电动机运行在额定负载TN下，即使λm＝2，若电网电压下降到70%UN，则由于这时

电动机将会停转。所以，对正在运行的电动机，当电网电压下降，在负载不变的条件下，将使电动机转速下降，转差率S增大，电流I2增加，造成电动机过载。若过载时间长会使电动机的温升超过允许值，影响电动机的使用寿命，严重时会烧毁绕组。

2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性

图7.2.3所示为定子电路接入电阻或电抗时的人为机械特性曲线。

当电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机端电压为电源电压减去定子外串电阻上或电抗上的压降，致使定子绕组相电压降低，这种情况下的人为特性与降低电源电压时的相似。图7.2.3中实线1为电源电压降低时的人为机械特性曲线，虚线2为定子电路中外串电阻R1S或电抗X1S的人为机械特性曲线。

特点：①最大转矩要比降低定子电源电压大一些；

②功率因数低，不经济，因而很少使用。

图7.2.3　定子电路接入电阻或电抗时的人为机械特性曲线

3）改变定子电源频率时的人为机械特性

图7.2.4所示为改变定子电源频率时的人为机械特性曲线。

改变定子电源频率f1对三相异步电动机的机械特性的影响是比较复杂的，下面只定性地分析。一般变频调速常采用恒转矩调速，即希望最大转矩保持为恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要作相应的变化，即要保持U／f＝C（恒值）不变，其实质上就是要保证电动机中的气隙磁通维持不变。这样在上述条件下就存在有n0∝f，Sm∝1／f，和Tmax不变的关系。

特点：①随着频率的降低，理想空载转速n0将减小；

②临界转差率Sm将增大，启动转矩Tst将增大，而最大转矩Tmax基本保持不变。

4）转子电路串电阻时的人为机械特性

图7.2.5（b）所示为转子电路串电阻时的人为特性曲线。在三相绕线式异步电动机的转子电路中串入电阻R2r后（见图7.2.5（a）），转子电路中的电阻变为R2＋R2r，它是通过滑环电刷机构将三相转子绕组与外接电阻R2r相连接。

图7.2.4　改变定子电源频率时的人为机械特性曲线

图7.2.5　绕线式异步电动机转子电路串电阻

特点：①此时的人为机械特性与固有机械特性相比是一条特性较软的曲线；

②当R2r增大，启动转矩Tst将增加，Sm增大，而理想空载转速n0、最大转矩Tmax则保持不变。这一点可由式（7.1.1）、式（7.2.7）和式（7.2.9）分析得知。

通过在一定范围内增加转子电阻，可以增加电动机的启动转矩Tst，所以一些起重机械上大多采用绕线式异步电动机。

实际使用时，可以选择适当的电阻R2r，使Tst＝Tmax，最大转矩发生在启动瞬间，以改善绕线式异步电动机的启动性能。

3.三相异步电动机的工作特性

三相异步电动机的工作特性是指当外加电源电压U1为常数、频率f为额定值时，电动机的转速n、定子电流I1、功率因数cosφ、电磁转矩T、效率η等与输出功率P2的关系曲线。

这些关系曲线可以通过直接给三相异步电动机带负载，通过实验的方法测得，可以通过三相异步电动机的工作特性曲线来判断它的工作性能的好坏，从而达到正确地选用电动机，以满足不同的工作要求。图7.2.6所示为三相异步电动机的不同工作特性曲线。

图7.2.6　三相异步电动机的不同工作特性曲线

1）转速特性n＝f（P2）

三相异步电动机的转速n，在电动机正常运行的范围内随负载P2的变化不大，所以转速特性是一条向下略有倾斜的曲线，故转速特性是一条“硬”特性，如图7.2.6所示。

2）转矩特性T＝f（P2）

三相异步电动机空载时，P2＝0，电磁转矩T等于空载制动转矩T0。随着P2的增加，已知，如n基本不变，则T2为通过原点的直线。考虑到P2增加时，n稍有降低，故T2＝f（P2）随着P2增加略向上翘的曲线。在T＝T0＋T2中，由于T0值很小，而且认为它是与P2无关的常数。所以T＝f（P2）将比T2平行上移T0数值，如图7.2.6所示。

3）定子电流特性I1＝f（P2）

当电动机空载时，转子电流I2近似为零，定子电流等于励磁电流I0。随着负载的增加，转速下降（S增大），转子电流增大，定子电流也增大。当P2＞PN时，由于此时cosφ1降低，I1增长更快些，如图7.2.6所示。

4）功率因数特性cosφ1＝f（P2）

三相异步电动机运行时，必须从电网中吸取感性无功功率，它的功率因数总是滞后的，且永远小于1。电动机空载时，定子电流基本上只有励磁电流，功率因数很低，一般不超过0.2。当负载增加时，定子电流中的有功电流增加，使功率因数提高。接近额定负载时，功率因数也达到最高。超过额定负载时，由于转速降低较多，转差率增大，使转子电流与转子电动势之间的相位角φ2增大，转子的功率因数cosφ2下降较多，从而引起定子电流中的无功电流分量也增大，因而使电动机的功率因数cosφ1趋于下降，如图7.2.6所示。

5）效率特性η＝f（P2）

三相异步电动机空载时，P2＝0，η＝0。随着输出功率P2的增加，效率η也增加。正常运行时，因主磁通变化很小，所以铁损耗变化不大，机械损耗变化也很小，合起来称为不变损耗。定、转子铜损耗与电流平方成正比，随着负载而变化，称为可变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电动机的效率达最大。对于中、小型异步电动机，大约P2＝（0.7～1.0）P2时，效率最高。如果负载继续增大，可变损耗增加的较快，效率反而降低。

由图7.2.6可见，电动机的效率在额定负载附近达到最高，这时功率因数也比较高，因此，在选用电动机容量时，应注意与负载相匹配。如果选得过小，电动机长期过载运行影响寿命；如果选得过大，则功率因数和效率都很低，浪费能源。

思考与练习

7.2.1　三相异步电动机在一定的负载转矩下运行时，如电源电压降低，电动机的转矩、电流及转速有无变化？

7.2.2　三相异步电动机在正常运行时，如果转子突然被卡住而不能转动，试问这时电动机的电流有何改变？对电动机有何影响？

7.2.3　为什么三相异步电动机不在最大转矩处或接近最大转矩处运行？

7.2.4　某三相异步电动机的额定转速为1 460r／min。当负载转矩为额定转矩的一半时，电动机的转速约为多少？

7.2.5　三相鼠笼式异步电动机在额定状态附近运行，当①负载增大；②电压升高；③频率增高时，试分别说明其转速和电流的变化。