三相異步電動機

1　三相異步電動機的機械特性

機械特性的表達式

機械特性是指電動機的轉速n與電磁轉矩Tem 之間的關系，即以n＝f（Tem ）或s=f（Tem ）的形式表示。電磁轉矩有三種表達式，即物理表達式、參數表達式和實用表達式。

（1）物理表達式

物理表達式雖然反映了異步電動機電磁轉矩產生的物理本質，但并沒有直接反映出電磁轉矩與電動機參數之間的關系，更沒有明顯地表示電磁轉矩與轉速之間的關系。因此，分析或計算異步電動機的機械特性時，一般不采用物理表達式，而是采用下面介紹的參數表達式。

（2）參數表達式

異步電動機電磁轉矩的參數表達式為

式中，m1 為定子相數；p為磁極對數；U1 為定子相電壓；f1 為電源頻率；r1 和x1 為定子每相繞組的電阻和漏抗； r'2和 x'2為折算到定子側的轉子電阻和漏抗。上述參數都是不隨轉差率s變化的常量。當電動機的轉差率s（或轉速n）變化時，可由式（5.2）算出相應的電磁轉矩Tem ，因而可以作出機械特性曲線如圖5.1所示。

圖5.1 三相異步電動機的機械特性

機械特性分析

在第一象限：0＜n＜n1 ，0＜s＜1，n、Tem 均為正，電機處于電動運行狀態；

在第二象限：n＞n1 ，s＜0，n為正，Tem 為負，電機處于發電機運行狀態；

在第四象限：n＜0，s＞1，n為負，Tem 為正，電機處于電磁制動狀態。

臨界轉差率和最大轉矩

在機械特性曲線上，轉矩有兩個最大值，一個出現在電動狀態，另一個出現在發電狀態。最大轉矩Tm 和對應的轉差率sm （稱為臨界轉差率）分別為

式中，“＋”號對應電動狀態；“-”號對應發電狀態。

通常r1 ＜＜（x1 +x'2 ），故式（5.3）、式（5.4）可近似為

分析sm 、Tm 表達式可得出結論

Tm 正比于U21 ，說明Tm 對電壓波動非常敏感；

sm 與 r'2成正比，Tm 與 r'2無關；

sm 、Tm 均與（x1 + x'2）成反比。

最大電磁轉矩Tm 對電動機來說具有重要意義。電動機運行時，若負載轉矩突然增大，且大于最大電磁轉矩，則電動機將因為承載不了而停轉。為了保證電動機不會因短時過載而停轉，一般電動機都應具有一定的過載能力。顯然，最大電磁轉矩愈大，電動機短時過載能力愈強，因此把最大電磁轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載能力，用過載系數λT 表示，即

注：一般電機取λT ＝1.6～2.2，起重機、冶金電機取λT ＝2.2～2.8。

啟動轉矩

在圖5.1所示的機械特性曲線中還反映了電動機另外一個非常重要的技術參數，就是電動機的啟動轉矩Tst 。啟動轉矩是電動機接通電源瞬間（n=0）時的電磁轉矩，它標志著電動機的啟動能力，只有在啟動轉矩大于負載轉矩的情況下電動機才能啟動。n=0時s=1，將s=1代入式（5.2）可得啟動轉矩表達式

分析Tst 表達式可得結論

Tst 正比于 ；

Tst 與（x1 + ）成反比；

在一定范圍內，Tst 正比于r'2 ，故繞線電機可采用轉子串電阻啟動的方法以增大Tst 。

啟動轉矩Tst 與額定轉矩TN 之比稱為啟動轉矩倍數，用kst 表示，即

kst 是表達電動機性能的一個重要參數，它反映了電動機啟動能力的大小。一般電動機取1.0～2.0，起重機、冶金電機取2.8～4.0。

（3）實用表達式

機械特性的參數表達式清楚地表示了轉矩和轉差率與電動機參數之間的關系，用它分析各種參數對機械特性的影響是很方便的。但是，針對電力拖動系統中的具體電動機而言，其參數是未知的，欲求其機械特性，使用參數表達式顯然是困難的。因此希望能夠利用電動機的技術數據和銘牌數據求得電動機的機械特性，即機械特性的實用表達式。

在忽略r1 的條件下，用電磁轉矩公式（5.2）除以最大轉矩公式（5.6），并考慮到臨界轉差率公式（5.5），化簡后可得電動機機械特性的實用表達式

2　三相異步電動機的固有機械特性

三相異步電動機的固有機械特性就是電動機在額定電壓和額定頻率下，按規定的接線方式接線，定子和轉子電路不外接電阻或電抗時的機械特性。當電機處于電動機運行狀態時，其固有機械特性如圖5.2所示，現對固有機械特性進行分析。

圖5.2 三相異步電動機的固有特性

(1）啟動點A

開始啟動瞬間，n＝0，s＝1，Tem =Tst ，I1 ＝Ist ＝（4～7）IN 。

（2）最大轉矩點B

B點是機械特性曲線中的線性段（D→B）與非線性段（B→A）的分界點，此時：s=sm ，Tem =Tm 。B點也是電動機能否穩定運行的臨界點，臨界轉差率sm 也是由此而得名。

(3）額定運行點C

額定運行時轉差率很小，一般s＝0.01～0.06，所以電動機的額定轉速略小于同步轉速，這也說明了固有特性的線性段為硬特性。

（4）同步轉速點D

D點是電動機的理想空載點即同步轉速點，此時Tem =0。如果沒有外界轉矩的作用，異步電動機本身不可能達到同步轉速點。

3　三相異步電動機的人為機械特性

三相異步電動機的人為機械特性是指人為地改變電源參數或電動機參數而得到的機械特性。可以改變的電源參數有電壓U1 和頻率f1 ；可以改變的電動機參數有磁極對數p、定子電路參數r1 和x1 ，以及轉子電路參數 r'2和x'2 等。所以，三相異步電動機的人為特性種類很多，這里介紹常見的幾種人為特性。

（1）降低定子電壓時的人為特性

當定子電壓U1 降低時，Tem 、Tm 、Tst 與電壓 成正比減小，sm 和nl 與Ul 無關而保持不變，所以可得U1 下降后的人為機械特性如圖5.3所示。

圖5.3 三相異步電動機降壓時的人為特性

降低定子電壓可減小電動機啟動時的啟動電流，但是在降低定子電壓時，Tem 、Tm 、Tst 與電壓 成正比減小，造成電動機啟動時間延長，過載能力下降，如果Tst ＜TL ，還會造成電動機不能啟動。

如果電動機在額定負載下運行，U1 降低后將導致轉速n下降，轉差率s增大，轉子電流將因轉子電動勢增大而增大，從而引起定子電流增大，導致電動機過載。長期欠壓過載運行，必然使電動機過熱，電動機的使用壽命縮短。另外電壓下降過多，可能出現最大轉矩小于負載轉矩，這時電動機將停轉。

（2）轉子電路串接對稱電阻時的人為機械特性

在繞線轉子異步電動機的轉子三相電路中，可以串接三相對稱電阻Rst ，如圖5.4（a）所示。由前面的分析可知，此時n1 、Tm 不變，而sm 則隨外接電阻的增大而增大。其人為機械特性如圖5.4（b）所示。

圖5.4 繞線轉子異步電動機轉子串接對稱電阻 （a）轉子串三相對稱電阻接線圖（b）轉子串三相對稱電阻機械特性

由圖5.4（b）可見，在一定范圍內增加轉子電阻，可以增大電動機的啟動轉矩。當所串接的電阻（如圖5.4（b）中的RS3 ）使其sm ＝1時，對應的啟動轉矩將達到最大轉矩，如果再增大轉子電阻，啟動轉矩反而會減小。另外，轉子串接對稱電阻后，其機械特性曲線線性段的斜率增大，機械特性變軟。

轉子電路串接對稱電阻不僅適用于繞線轉子異步電動機的啟動，還可以對異步電動機進行制動和調速，這些內容將在以后幾節中討論。

（3）定子電路串接對稱電抗（或電阻）時的人為特性

在籠型異步電動機的定子三相繞組串接三相對稱電抗器xst ，如圖5.5（a）所示。定子三相繞組串接三相對稱電抗器后實際上與定子三相繞組實現了串聯分壓，降低了定子繞組的電壓，其人為特性與降壓啟動的人為特性相似，其不同之處在于電抗器中的電抗和電阻分別與定子繞組的電抗x1 、電阻r1 相串聯，由式（5.3）可知，臨界轉差率sm 減小。根據前面的分析可知，此時n1 不變，Tm 、Tst 均隨xst 的增大而減小，其人為機械特性如圖5.5（b）所示。

圖5.5 異步電動機定子串接對稱電抗器 （a）電路圖；（b）機械特性

定子電路串接對稱電抗一般用于籠型異步電動機的降壓啟動，以限制電動機的啟動電流。定子電路串接三相對稱電阻時的電路圖和人為特性與串接電抗時相似。串接電阻的目的同樣是為了限制啟動電流，但由于電阻上要產生能量損耗，一般不宜采用。