《电机及拖动基础》
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础,下册 （第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
本章主要 研究三相异步电动机的机械特性及各种运转状态下的机械特性的计算。
包括机械特性的三种表达式的建立；固有机械特性与人为机械特性的分析与绘制；三相异步电动机各种运转状态的物理概念、实用条件。异步电动机参数的工程计算方法；异步电动机调速与制动；
§ 10－ 1 三相异步电动机机械特性的三种表达式
一、物理表达式 )(Tfn?
22 c o s ICT mT
异步电动机的转矩系数
2
111 w
T
KWpmC
异步电动机每极磁通 m
转子电流的折算值＝
2
2
2
2
2
2
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转子电路的功率因数＝
2
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2
2
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（ 10－ 1）
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22 c o s,,IT
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在图 10－ 1上绘出 )( c o s)( 22 fnIfn,
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2
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可忽略较小时，当 222,/ XXsRs
成正比地增加与 sI 2?
增大而下降随同时，
增加缓慢不可忽略相对变小较大时，当
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IX
sRs
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2
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即得两条曲线相乘
、将?
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T
T
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22 c o s ICT mT （ 10－ 1）
此式称为异步电动机的机械特性的第一种表达式，它反映了不同转速时 T与磁通 及转子电流的有功分量 之间的关系。在物理上三个量之间的关系必须遵循左手定则。
故称为物理表达式。
矩称为异步电动机最大转之间，出现～在增加较快。较大，转矩增加较快，减小时，从值不大，但当较小，较大，但时，虽然当
m
m
T
TTn
T
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0
2
20
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0
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c os0
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22 c o sI
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二、参数表达式参数表达式可由物理表达式推导出来。
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则得：
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2
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2
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效电路图，得由异步电动机的近似等
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21
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sRUmT x
(10-5)
所示－机械特性，如图即可绘制异步电动机的
＝及）并考虑－按式（
210
60/2)1(510 000 nsnn
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T
T
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ms
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可求得：且令求导，）两边对－对式（
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m
22121
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（ 10-6）
式中，正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态
21
2
211,
XX
R
s
XXR
m
故有：通常
210
1
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UmT x
m（ 10-7） （ 10-8）
由式（ 10－ 7）和（ 10－ 8）可见：
保持不变。成正比，与频率不变时，当电动机个参数及电源 mxm sUT)1
成正比近似地与与变时，）当电源频率及电压不 212 XXTs mm
成正比。与之值无关，与） 223 RsRT mm
mstm
st
TTns
R
达到最大值即起动转矩可使：恰当电阻，当转子电路串接某一对于绕线式异步电动机
),0(1
,
221212 )( XXRRR此时，转子总电阻为：
2222121 )( RXXRR －则
若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机停机或无法起动，为保证电机不会因短暂过载而停机，电动机必须具有一定的过载能力，用过载倍数 KT表示：
N
m
T T
TK? KT,一般电动机为 1.8~3.0,冶金起重等电动机可达 3.5
2
21
2
12
2
2
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1
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RUmT x
st
另外起动转矩也是电动机的一个重要参数：只有起动转矩大于负载转矩，电动机才可起动。
N
st
st T
TK?起动转矩倍数
（ 10－ 9）
（ 10－ 10）
三、实用表达式
参数表达式虽然对于理论分析很有用，但其中诸多参数不可查找。
2
21
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若忽略 R1
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T
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m
m
2
（ 10－ 11）
异步电动机的机械特性可以看成为两部分组成，即当负载转矩小于额定转矩时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分。
称为工作部分，当 时，机械特性为一曲线，有时称为机械特性的曲线部分。有时也称为非工作部分，但其仅针对恒转矩负载或恒功率负载而言。
物理表达式适于定性分析转矩 T与磁通 及转子电流的有功分量 之间的关系。
参数表达式可以用于分析个参数变化对电动机运行性能的影响。
实用表达式最适于进行机械特性的工程计算。
mss?
m?
22 c o sI
作业,P103 10－ 1
§ 10－ 2 三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性
一、固有机械特性
固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方式，定子及转子中不外接电阻电容电抗时所获得的机械特性曲线
三相异步电动机的机械特性如图 10－ 3 所示。
)(Tfn?
n s
ms
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ms
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NT stT
A
BH
电动机的几个特殊运行点：
1）起动点 A
2）额定工作点 B
3）同步转速点 H
4）最大转矩点 C和 C’
图 10－ 3 三相异步电动机的固有机械特性
C
C?
mT?
mT
mm ss
mm TT
回馈制动时的过载能力比电动状态时的过载能力大？
二、人为机械特性由机械特性的参数表达式
2
21
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1
2121
1
改变极对数改变频率抗）转子电路接入并联阻电阻）定子电路内串接对称电抗）定子电路内串接对称阻转子电路内串联对称电降低电压不同的机械特性可得到、、、与阻抗定子与转子电路的电阻定子极对数，电流频率压可知：人为改变电源电
f
U
XXRR
pfU
x
x
1、降低电源电压 Ux
转矩与电压的平方成正比。临界转差率与电源电压无关。
机械特性参见教材 P79图 10－ 4。
降低电网电压对电动机运行的影响：转速下降；使电动机电流大于额定定流，电动机不能长期连续运行。否则温升最终超过允许值，使电动机寿命缩短，甚至烧毁。
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21
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2、转子电路串联对称电阻（ 适于绕线式电动机 ）
2
212
2
)( XXR
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m
22121
2
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m
2
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RUmT x
st
增大而减小。开始随后，当增大而增大，开始随的增大而增大，随不变，此时
RTRR
RTRsTn
stst
stmm,0
机械特性参见教材 P80图 10－ 5。
思考：转子串电阻对电机的影响有哪些？
3、定子电路串联对称电抗
4、定子电路串联对称电阻的增大而减小。或随不变，此时 fstmstm RXsTTn,,0
定子电路串联对称电抗，用于笼形电动机，以限制电动机的起动电流。
定子电路串联对称电阻，用于笼形电动机的减压起动。
机械特性参见教材 P81图 10－ 6,10－ 7。
stX
fR
5、转子电路并联阻抗
特点：在转子频率较高时，电阻值比电抗值小，
转子频率低时，电阻值比电抗值大。起动时，
转子电流几乎全部流过电阻，相当于短接了电抗，但额定转速时，电流几乎全部流过电抗，
电阻相当于被短接了。
利用频敏变阻器也可达到同样的效应。
转子电路并联阻抗能限制起动电流，电机加速平滑。
§ 10－ 3 三相异步电动机的各种运转状态
三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。
一、电动状态特点：
1）电动机转矩方向与转速方向相同。
2）机械特性在第一、三象限内。
3）电动机从电网吸收电能，转化为机械能。
二、制动状态特点：
1）电动机转矩方向与转速方向相反。
2）回馈制动与能耗制动时的机械特性在第二象限、
反接制动的机械特性在第四象限内。
3）回馈制动与能耗制动时电动机从轴上吸收机械能，
转化为电能
三、回馈制动状态
M
3～
G
nT
～
当异步电动机由于某种原因，使得
n>n0时，转差率 s<0,则转子感应电动势 sE2反向
2
2
2
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X
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222 c o s II a转子有功分量
22r2 s i n II转子五功分量
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XE
XsR
X
XsR
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r
＝
转子有功分量：
转子无功分量：
上两式说明：当 s<0时，转子电流的有功分量改变方向。当转子的无功分量方向没变。
异步电动机在回馈制动时的相量图：
0I?
1U?
11XIj?
11RI?
1E
2I
1I?
s
RI 2
2
22XIj
21,EE
制动状态。方向相反。电机又处在转矩与转速同时：
馈电网。即：定子绕组将电能回此时定子功率的相位差与可知，－由图
,0c os
0c os
90210
22
11111
0
111
ICT
IUmP
IU
mT
图 10－ 2异步电动机在回馈制动时的相量图回馈制动时电机的机械特性在第二象限。
转子中串接电阻。可得到人为机械特性，
并可得到不同的稳定速度。
问题 2：转子串接电阻越大，稳定速度是越高还是越低？
问题 1：转子在什么情况下稳定转速？
四、反接制动状态：
（ 1）转速反向的反接制动
M
3
～
G
nT n
1
)(
:.
,
0
0
0
0
n
nn
n
nn
s
s
TT
Zst
此时，转差率转矩方向相反机的则电机的转速方向与电且的转矩方向相反电机的起动转矩与重物接较大电阻时异步电动机转子电路串问题 3：随转速的增加,s,T,I2如何变化？转速何时稳定。
（ 2）定子两相反接的反接制动
M
3
～
nT
快速下降。方向相反，电动机转速均与电动状态及、、在两相反接时，
是反接制动的特定。可见改变方向。将定子两相反接。则
，动状态时为了迅速停机异步电动机原来处于电
TIsEE
s
n
nn
n
nn
s
n
222
0
0
0
0
0
1
1
问题 4：电动机能否稳定下来？
五、能耗制动状态
M
3
～
K2
K1 电机运转时合上 K1。 为了迅速停车，断开 K1，
再合上 K2,则在定子两相绕组内通以直流电流，
在定子内形成一个固定磁场。转子在惯性作用下切割定子磁场。在转子中感应电动势及电流，此时转矩与转速反向相反，为制动转矩。此即为能耗。当转速为 0时，转矩也为 0。
电机能停机。
§ 10－ 4 根据异步电动机的技术数据计算其参数
电动机的技术参数有：
（ 1）额定功率
（ 2）额定定子线电流
（ 3）额定定子线电压
（ 4）额定转速
（ 5）额定效率
（ 6）定子功率因数
（ 7）过载倍数
（ 8）飞轮力矩
（ 9)起动转矩倍数 （笼型）
（ 10） 起动电流倍数 （笼型）
（ 9‘）转子额定线电动势 （绕线式）
（ 10‘）转子额定线电流 （绕线式）
)(KWPN
)(1 VU N
)(1 AI N
n
N1cos?
TK
2GD
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IK
)(2 VE N
)(2 AI N
在已知的技术参数的基础上，可用工程计算法计算异步电动机的各个参数：
N
N
NN n
PTmNT 9 5 5 0).()1(?额定转矩
NTmm TKTmNT?).()2( 最大转矩
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2
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NN
NN
N
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R
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或：
）（绕线转子每相绕组电阻联接）定子联接）定子电压比
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395.0
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1
N
N
N
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U
k
E
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k
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222,)5( kRRR转子绕组每相折算电阻联接）定子联接）定子定子绕组每相电阻
(
395.0
Y(
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NN
N
NN
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XXX 2121
2)10( R?值转子每相电阻值的折算
2212 XRsR m
2
1
2
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2 3
N
Nst
IK
TKR
适用于笼型与绕线式电机适用于笼型电机
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22110 s ins in NN III
2211 c o ss in NN II
由两式联立求解
0)12( X励磁电抗
0
1
0
0
1
0
395.0
3
95.0
Y
I
U
X
I
U
X
N
N
联结：定子联结：定子例 10－ 1 见教材 P96
作业,10－ 1
§ 10－ 5 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算
略 （学生自习）
作业,10－ 3
讲 义主讲 张友斌参考教材：《电机及拖动基础,下册 （第 3版）
顾绳谷 主编 机械工业出版社第十章 三相异步电动机的机械特性及各种运转状态
本章主要 研究三相异步电动机的机械特性及各种运转状态下的机械特性的计算。
包括机械特性的三种表达式的建立；固有机械特性与人为机械特性的分析与绘制；三相异步电动机各种运转状态的物理概念、实用条件。异步电动机参数的工程计算方法；异步电动机调速与制动；
§ 10－ 1 三相异步电动机机械特性的三种表达式
一、物理表达式 )(Tfn?
22 c o s ICT mT
异步电动机的转矩系数
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KWpmC
异步电动机每极磁通 m
转子电流的折算值＝
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即得两条曲线相乘
、将?
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22 c o s ICT mT （ 10－ 1）
此式称为异步电动机的机械特性的第一种表达式，它反映了不同转速时 T与磁通 及转子电流的有功分量 之间的关系。在物理上三个量之间的关系必须遵循左手定则。
故称为物理表达式。
矩称为异步电动机最大转之间，出现～在增加较快。较大，转矩增加较快，减小时，从值不大，但当较小，较大，但时，虽然当
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二、参数表达式参数表达式可由物理表达式推导出来。
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(10-5)
所示－机械特性，如图即可绘制异步电动机的
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（ 10-6）
式中，正号对应于电动机状态，负号对应于发电机状态
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故有：通常
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由式（ 10－ 7）和（ 10－ 8）可见：
保持不变。成正比，与频率不变时，当电动机个参数及电源 mxm sUT)1
成正比近似地与与变时，）当电源频率及电压不 212 XXTs mm
成正比。与之值无关，与） 223 RsRT mm
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达到最大值即起动转矩可使：恰当电阻，当转子电路串接某一对于绕线式异步电动机
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2222121 )( RXXRR －则
若负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机停机或无法起动，为保证电机不会因短暂过载而停机，电动机必须具有一定的过载能力，用过载倍数 KT表示：
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另外起动转矩也是电动机的一个重要参数：只有起动转矩大于负载转矩，电动机才可起动。
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（ 10－ 9）
（ 10－ 10）
三、实用表达式
参数表达式虽然对于理论分析很有用，但其中诸多参数不可查找。
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（ 10－ 11）
异步电动机的机械特性可以看成为两部分组成，即当负载转矩小于额定转矩时，机械特性近似为直线，称为机械特性的直线部分。
称为工作部分，当 时，机械特性为一曲线，有时称为机械特性的曲线部分。有时也称为非工作部分，但其仅针对恒转矩负载或恒功率负载而言。
物理表达式适于定性分析转矩 T与磁通 及转子电流的有功分量 之间的关系。
参数表达式可以用于分析个参数变化对电动机运行性能的影响。
实用表达式最适于进行机械特性的工程计算。
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22 c o sI
作业,P103 10－ 1
§ 10－ 2 三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性
一、固有机械特性
固有机械特性是指异步电动机工作在额定电压及额定频率下，电动机按规定的接线方式，定子及转子中不外接电阻电容电抗时所获得的机械特性曲线
三相异步电动机的机械特性如图 10－ 3 所示。
)(Tfn?
n s
ms
0n
ms
o TT?
NT stT
A
BH
电动机的几个特殊运行点：
1）起动点 A
2）额定工作点 B
3）同步转速点 H
4）最大转矩点 C和 C’
图 10－ 3 三相异步电动机的固有机械特性
C
C?
mT?
mT
mm ss
mm TT
回馈制动时的过载能力比电动状态时的过载能力大？
二、人为机械特性由机械特性的参数表达式
2
21
2
12
2
2
0
1
)()/(
/
XXRsR
sRUmT x
p)7)65
43
)2)1
:
,,
1
2121
1
改变极对数改变频率抗）转子电路接入并联阻电阻）定子电路内串接对称电抗）定子电路内串接对称阻转子电路内串联对称电降低电压不同的机械特性可得到、、、与阻抗定子与转子电路的电阻定子极对数，电流频率压可知：人为改变电源电
f
U
XXRR
pfU
x
x
1、降低电源电压 Ux
转矩与电压的平方成正比。临界转差率与电源电压无关。
机械特性参见教材 P79图 10－ 4。
降低电网电压对电动机运行的影响：转速下降；使电动机电流大于额定定流，电动机不能长期连续运行。否则温升最终超过允许值，使电动机寿命缩短，甚至烧毁。
2
21
2
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2
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1
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XXRsR
sRUmT x
s
RImT 22
2
0
1
NZ
Nx
TTTTIsE
snTIInU
22
21)(,不突变
X
X
N
N sIsI
11 2
2
2
2
2、转子电路串联对称电阻（ 适于绕线式电动机 ）
2
212
2
)( XXR
Rs
m
22121
2
0
1
)(2 XXRR
UmT x
m
2
21
2
12
2
2
0
1
)()( XXRR
RUmT x
st
增大而减小。开始随后，当增大而增大，开始随的增大而增大，随不变，此时
RTRR
RTRsTn
stst
stmm,0
机械特性参见教材 P80图 10－ 5。
思考：转子串电阻对电机的影响有哪些？
3、定子电路串联对称电抗
4、定子电路串联对称电阻的增大而减小。或随不变，此时 fstmstm RXsTTn,,0
定子电路串联对称电抗，用于笼形电动机，以限制电动机的起动电流。
定子电路串联对称电阻，用于笼形电动机的减压起动。
机械特性参见教材 P81图 10－ 6,10－ 7。
stX
fR
5、转子电路并联阻抗
特点：在转子频率较高时，电阻值比电抗值小，
转子频率低时，电阻值比电抗值大。起动时，
转子电流几乎全部流过电阻，相当于短接了电抗，但额定转速时，电流几乎全部流过电抗，
电阻相当于被短接了。
利用频敏变阻器也可达到同样的效应。
转子电路并联阻抗能限制起动电流，电机加速平滑。
§ 10－ 3 三相异步电动机的各种运转状态
三相异步电动机有两大运转状态：电动状态与制动状态。
一、电动状态特点：
1）电动机转矩方向与转速方向相同。
2）机械特性在第一、三象限内。
3）电动机从电网吸收电能，转化为机械能。
二、制动状态特点：
1）电动机转矩方向与转速方向相反。
2）回馈制动与能耗制动时的机械特性在第二象限、
反接制动的机械特性在第四象限内。
3）回馈制动与能耗制动时电动机从轴上吸收机械能，
转化为电能
三、回馈制动状态
M
3～
G
nT
～
当异步电动机由于某种原因，使得
n>n0时，转差率 s<0,则转子感应电动势 sE2反向
2
2
2
2
2
2 )/( XsR
EI
＝
2
2
2
2
22
)/(
/c o s
XsR
sR
＝?
2
2
2
2
22
)/(s in XsR
X
＝?
222 c o s II a转子有功分量
22r2 s i n II转子五功分量
2
2
2
2
22
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
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/
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sRE
XsR
sR
XsR
EI
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2
2
2
2
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2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 )/()/()/( XsR
XE
XsR
X
XsR
EI
r
＝
转子有功分量：
转子无功分量：
上两式说明：当 s<0时，转子电流的有功分量改变方向。当转子的无功分量方向没变。
异步电动机在回馈制动时的相量图：
0I?
1U?
11XIj?
11RI?
1E
2I
1I?
s
RI 2
2
22XIj
21,EE
制动状态。方向相反。电机又处在转矩与转速同时：
馈电网。即：定子绕组将电能回此时定子功率的相位差与可知，－由图
,0c os
0c os
90210
22
11111
0
111
ICT
IUmP
IU
mT
图 10－ 2异步电动机在回馈制动时的相量图回馈制动时电机的机械特性在第二象限。
转子中串接电阻。可得到人为机械特性，
并可得到不同的稳定速度。
问题 2：转子串接电阻越大，稳定速度是越高还是越低？
问题 1：转子在什么情况下稳定转速？
四、反接制动状态：
（ 1）转速反向的反接制动
M
3
～
G
nT n
1
)(
:.
,
0
0
0
0
n
nn
n
nn
s
s
TT
Zst
此时，转差率转矩方向相反机的则电机的转速方向与电且的转矩方向相反电机的起动转矩与重物接较大电阻时异步电动机转子电路串问题 3：随转速的增加,s,T,I2如何变化？转速何时稳定。
（ 2）定子两相反接的反接制动
M
3
～
nT
快速下降。方向相反，电动机转速均与电动状态及、、在两相反接时，
是反接制动的特定。可见改变方向。将定子两相反接。则
，动状态时为了迅速停机异步电动机原来处于电
TIsEE
s
n
nn
n
nn
s
n
222
0
0
0
0
0
1
1
问题 4：电动机能否稳定下来？
五、能耗制动状态
M
3
～
K2
K1 电机运转时合上 K1。 为了迅速停车，断开 K1，
再合上 K2,则在定子两相绕组内通以直流电流，
在定子内形成一个固定磁场。转子在惯性作用下切割定子磁场。在转子中感应电动势及电流，此时转矩与转速反向相反，为制动转矩。此即为能耗。当转速为 0时，转矩也为 0。
电机能停机。
§ 10－ 4 根据异步电动机的技术数据计算其参数
电动机的技术参数有：
（ 1）额定功率
（ 2）额定定子线电流
（ 3）额定定子线电压
（ 4）额定转速
（ 5）额定效率
（ 6）定子功率因数
（ 7）过载倍数
（ 8）飞轮力矩
（ 9)起动转矩倍数 （笼型）
（ 10） 起动电流倍数 （笼型）
（ 9‘）转子额定线电动势 （绕线式）
（ 10‘）转子额定线电流 （绕线式）
)(KWPN
)(1 VU N
)(1 AI N
n
N1cos?
TK
2GD
stK
IK
)(2 VE N
)(2 AI N
在已知的技术参数的基础上，可用工程计算法计算异步电动机的各个参数：
N
N
NN n
PTmNT 9 5 5 0).()1(?额定转矩
NTmm TKTmNT?).()2( 最大转矩
2
2
2
2
2
22
)1(3
10 00
3
R)3(
NN
NN
N
N
Is
Ps
R
I
sE
R
或：
）（绕线转子每相绕组电阻联接）定子联接）定子电压比
(
395.0
Y(
95.0
:)4(
2
1
2
1
N
N
N
N
E
U
k
E
U
k
k
222,)5( kRRR转子绕组每相折算电阻联接）定子联接）定子定子绕组每相电阻
(
395.0
Y(
3
95.0
:)6(
1
1
1
1
1
1
1
N
NN
N
NN
I
sU
R
I
sU
R
R
)1(:)7( 2 TTNmm KKsss临界转差率
2
1
2
1
2
21
210
X)8(
RR
TK
pU
X
XXX
NT
x?
，总电抗
21)9( XX?及转子电抗的折算值定子电抗
XXX 2121
2)10( R?值转子每相电阻值的折算
2212 XRsR m
2
1
2
1
0
2 3
N
Nst
IK
TKR
适用于笼型与绕线式电机适用于笼型电机
0)11( I空载电流
22110 s ins in NN III
2211 c o ss in NN II
由两式联立求解
0)12( X励磁电抗
0
1
0
0
1
0
395.0
3
95.0
Y
I
U
X
I
U
X
N
N
联结：定子联结：定子例 10－ 1 见教材 P96
作业,10－ 1
§ 10－ 5 绕线转子异步电动机调速及制动电阻的计算
略 （学生自习）
作业,10－ 3
