2.3 三相異步電動機的特性

二維碼2-4

三相異步電動機轉子軸上產生的電磁轉矩是決定電動機輸出機械功率大小的一個重要因素，也是電動機的重要性能指標。

2.3.1 電動機的轉矩特性

1.電磁轉矩的物理表達式

由三相異步電動機的工作原理可知，異步電動機的電磁轉矩是旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用而產生的。

由電機學原理可知，三相異步電動機的電磁轉矩方程

式中 T——電動機的電磁轉矩（N·m）；

K_T——電動機常數，其值與電動機的結構有關；

Φ——旋轉磁場每極的磁通量（Wb），在數值上，Φ等于氣隙中磁感應強度的平均值與每極面積的乘積，Φ表征旋轉磁場的強度；

I₂——轉子電流（A）；

cosφ₂——轉子電路的功率因數。

上述電磁轉矩方程是分析三相異步電動機轉矩特性的重要依據。

2.轉矩特性

電磁轉矩與轉差率之間的關系T=f（s），稱為電動機的轉矩特性。根據電機學知識，可以推得

式中 T——電動機的電磁轉矩（N·m）；

K——與電動機結構參數和電源頻率有關的一個常數，K∝1/f；

s——異步電動機的轉差率；

U₁——定子繞組的相電壓，亦即電源相電壓（V）；

r₂——轉子每相繞組的電阻（Ω）；

X₂₀——電動機堵轉時，轉子每相繞組的感抗（Ω）。

在式（2-5）中，K、轉子電阻r₂、轉子堵轉時的感抗X₂₀都是常數，且X₂₀?r₂。由于式（2-5）用電動機轉子繞組中的電阻、感抗等參數反映電磁轉矩T和轉差率s之間的關系，所以式（2-5）又稱為電磁轉矩的參數表達式。

由電磁轉矩的參數表達式（2-5）可知，轉差率s一定時，電磁轉矩T與電動機外加電壓U₁的二次方成正比，即。因此，電動機電源電壓有效值的微小變動，也會導致電磁轉矩產生很大的變化。

3.轉矩特性曲線

當電源電壓U₁為恒定值時，電磁轉矩T是轉差率s的單值函數。圖2-28繪出了三相異步電動機的轉矩特性曲線。

如圖2-28所示，根據電磁轉矩的表達式（2-5），逐一改變轉差率s，并記錄相應的電磁轉矩T，可繪制出一條T=f（s）曲線。這條T=f（s）曲線稱為電動機的轉矩特性曲線。

注意，由于異步電動機的轉差率s不可能等于0，因此，異步電動機的轉矩特性曲線只是接近坐標原點（轉差率s接近0），但并不能與坐標原點重合。

電動機輸出額定轉矩T_N時，所對應的轉差率稱為額定轉差率s_N；電動機輸出最大轉矩T_max時，電動機處于臨界狀態，此時，所對應的轉差率稱為臨界轉差率s_m；電動機輸出起動轉矩T_st時，所對應的轉差率s=1。

圖2-28 三相異步電動機的轉矩特性曲線

2.3.2 電動機的機械特性

1.機械特性

當電源電壓U和轉子電路參數為定值時，電動機的轉速n和電磁轉矩T的關系n=f（T）稱為異步電動機的機械特性。

異步電動機的機械特性曲線可直接從轉矩特性曲線變換獲得。將圖2-28中的轉矩特性曲線順時針轉動90°，并借助轉差率s與轉子轉速n的關系n=（1-s）n₀，將s換成n，就可以得到異步電動機的機械特性曲線，如圖2-29所示。

異步電動機的機械特性有固有（自然）機械特性和人為機械特性之分。

圖2-29 三相異步電動機的固有機械特性曲線

2.固有機械特性

異步電動機在額定電壓和額定頻率下，用規定的接線方式進行接線，并且將在定子電路和轉子電路中不串聯任何電阻或電抗時的機械特性稱為固有（自然）機械特性。

（1）固有機械特性曲線的特殊工作點

在固有機械特性曲線（圖2-29）上，有A、B、C、D四個具有典型意義的特殊工作點。

1）理想空載工作點A。當電動機工作在A點時，電動機的輸出轉矩T=0，轉子轉速n=n₀，轉差率s=0。

但事實上，由于異步電動機的轉差率s不可能等于0，因此，其機械特性曲線只是在縱坐標上接近旋轉磁場的同步轉速n₀，而不可能達到n₀。因此，A點只是理想的工作點，事實上并不存在，故稱A點為理想空載工作點。注意，由于A點事實上并不存在，因此，在固有機械特性曲線上，A點附近為虛線，而非實線。

2）額定工作點B。當異步電動機工作在額定工作點B時，T=T_N、n=n_N、s=s_N。三相異步電動機驅動額定負載時，轉子軸上輸出的轉矩，稱為電動機的額定轉矩，用T_N表示。

由于

則電動機的額定轉矩為

式中，額定轉矩T_N的單位為N·m；額定功率P_N的單位為kW。

例如，某車床主軸電動機的額定功率為7.5kW，額定轉速為1440r/min，則該主軸電動機的額定轉矩為

一般三相異步電動機的額定轉速n_N=（0.94～0.985）n₀，額定轉差率s_N=1%～9%。

3）臨界工作點C。當電動機工作在C點時，T=T_max、n=n_m、s=s_m。從機械特性曲線中可以看出，曲線的形狀以C點為界，ABC段與CD段的變化趨勢是完全不同的，C點就是一個臨界點（亦稱拐點），并且C點對應的電磁轉矩即為電動機的最大轉矩T_max，C點對應的轉速為臨界轉速n_m，C點對應的轉差率為臨界轉差率s_m。

當電動機工作在C點時，電動機輸出最大轉矩，且處于臨界狀態。因此，C點稱為電動機的臨界工作點。

最大轉矩T_max表征電動機能夠驅動負載的極限能力。電動機轉子軸上的機械負載轉矩T₂不能大于T_max，否則將造成電動機堵轉（俗稱悶車）。長時間處于堵轉狀態時，電動機會因嚴重發熱而燒壞繞組，造成電動機損毀。

電動機的最大轉矩T_max與額定轉矩T_N的比值稱為電動機的過載能力系數，用λ表示，即

過載能力系數λ表征電動機承受沖擊載荷能力的大小，是電動機的一個重要性能指標。在國家標準中，對各種電動機的過載能力系數均有規定，如普通的Y系列籠型異步電動機，λ=2.0～2.3，而供起重機械和冶金機械使用的YZ（異重）系列電動機和YR（異繞）系列繞線轉子異步電動機，λ=2.5～3.0。

4）起動工作點D。當電動機工作在D點時，T=T_st、n=0，電動機輸出起動轉矩，處于起動狀態。因此，D點稱為電動機的起動工作點。

起動轉矩T_st表征電動機在有載（驅動負載）狀態下的起動能力。如果起動轉矩T_st大于負載轉矩T₂，則電動機可以起動，否則電動機無法起動。

在電機學中，通常將在固有機械特性曲線上的起動轉矩T_st與額定轉矩T_N之比定義為電動機的起動能力系數，用K_st表示，即

起動能力系數K_st是衡量異步電動機起動能力強弱的一個重要指標，一般K_st=1.0～2.2。

（2）穩定工作區與非穩定工作區

如圖2-30所示，固有機械特性曲線可分為兩部分：ABC部分（0<s<s_m）稱為穩定工作區，CD部分（s>s_m）稱為非穩定工作區。電動機穩定運行只限于曲線的ABC段。電動機在0<s<s_m區間運行時，只要負載轉矩T₂小于最大轉矩T_max，則當負載發生波動時，電磁轉矩總能自動調整到與負載轉矩相平衡，使轉子適應負載的增減以稍低或稍高的轉速繼續穩定運轉。

圖2-30 穩定工作區與非穩定工作區

如果電動機在穩定運行中，負載轉矩T₂的增加超過了最大轉矩T_max，電動機的運行狀態將沿著機械特性曲線的CD部分下降，并越過臨界點——C點而進入非穩定工作區，從而導致電動機停止運轉。因此，最大轉矩T_max又稱為崩潰轉矩。

電動機的電磁轉矩可以隨負載的變化而自動調整的能力稱為電動機的自適應負載能力。從機械特性曲線上可以看出，電動機在ABC段運行時，具有良好的自適應負載能力，能夠穩定地驅動機械負載工作。

在設計機電傳動系統時，應確保電動機工作在ABC段，否則，機電傳動系統將無法穩定工作。為了留有一定的安全裕度，在工程實踐中，一般都會躲開臨界工作點，而將電動機的工作區域選在圖2-30中畫短豎線的區域（以不越過B點左側為宜），以確保機電傳動系統能夠穩定、可靠地工作。

自適應負載能力是電動機區別于其他動力機械的重要特點。如車用汽油機，當負載增加時，必須由操作者加大油門，才能帶動新的負載，否則，就可能造成汽油機熄火。

由固有機械特性曲線可推知：

1）異步電動機穩定運行的條件是s<s_m，即實際轉差率應低于臨界轉差率。

2）如果從空載到滿載時轉速變化很小，就稱該電動機具有較硬的機械特性。由圖2-30可知，三相異步電動機具有較硬的機械特性。

3）需要說明的是，對于不隨轉速變化的恒轉矩負載（如機床刀架平移機構等），電動機不能在s>s_m區域穩定運行；但風機、水泵類負載，因其轉矩與轉速的二次方成正比，經深入分析，其電動機可以在s>s_m區域穩定運行。

3.人為機械特性

由式（2-5）可知，異步電動機的機械特性既與電動機本身的結構參數有關，也與外加電源電壓、電源頻率有關。將式（2-5）中的某些參數人為地加以改變而獲得的機械特性，稱為電動機的人為機械特性。

（1）電源電壓U₁的變化對機械特性的影響

電源電壓U₁的變化對機械特性的影響如圖2-31所示。

圖2-31 電源電壓U₁的變化對機械特性的影響

由電機學可知，異步電動機的臨界轉差率s_m、最大轉矩T_max和起動轉矩T_st與電動機的結構參數、運行參數之間的關系符合式（2-8）。

由式（2-8）可知，電源電壓U₁的變化對理想空載轉速n₀和臨界轉差率s_m沒有影響，但對最大轉矩T_max和起動轉矩T_st均有顯著影響。

最大轉矩T_max和起動轉矩T_st與電源電壓U₁的二次方成正比，當電源電壓U₁降低時，最大轉矩T_max和起動轉矩T_st會急劇減小，使電動機的人為機械特性急劇向左移動（收縮）。由此可見，電源電壓U₁的變化對電動機的機械特性影響極大。

由于異步電動機的人為機械特性對電網電壓的波動極為敏感，在工作過程中，若電網電壓降低過多，將使電動機的過載能力和起動轉矩大大降低，甚至會出現電動機帶不動負載或電動機根本無法起動的現象。

例如，當電動機驅動額定負載T_N運行時，即便過載能力系數很大（假設λ=2），但如果電網電壓下降到0.7U_N，則異步電動機的最大轉矩T_max會衰減到。

此時，電動機的最大轉矩T_max已經小于負載轉矩T₂，電動機會停轉。即便是電網電壓下降幅度不大，電動機仍可以驅動負載繼續運行，在負載轉矩不變的情況下，會造成電動機轉速下降，轉差率s增大，定子工作電流也相應增大，發熱量增多。時間一長，就容易造成電動機過熱，甚至燒毀電動機。電動機控制電路中的熱繼電器就是為了應對這一情況而設置的保護器件。

（2）轉子電阻r₂的變化對機械特性的影響

轉子電阻r₂的變化對機械特性的影響如圖2-32所示。

圖2-32 轉子電阻r₂的變化對機械特性的影響

由式（2-8）可知，轉子電阻r₂的變化，對異步電動機的理想空載轉速n₀和最大轉矩T_max沒有影響，但對臨界轉差率s_m和起動轉矩T_st均有影響。隨著轉子電阻r₂的增大，電動機的起動轉矩T_st逐漸增大，并最終增大到最大值——電動機的最大轉矩T_max。在驅動同樣的負載轉矩T₂時，隨著轉子電阻r₂的增大，電動機的轉速將逐漸下降，臨界轉差率s_m也隨之增大。

由圖2-32不難看出，隨著轉子電阻r₂的增大，電動機的人為機械特性越來越軟。如果電動機具有硬特性，則當負載變化時，轉子軸的轉速變化不大，電動機的運行特性會很好；如果電動機具有軟特性，則當負載增加時，轉子軸的轉速會下降較快，但起動轉矩較大，電動機的起動特性會很好。

在設計機電傳動系統時，應根據不同場合和使用要求，選用機械特性不同的電動機。在金屬切削機床的機電傳動系統中，應選用機械特性較硬的電動機；而在重載起動狀態下工作的機電傳動系統（如起重設備、卷揚機等）中，則應選用機械特性較軟的電動機。