5,3 三相异步电动机的转矩特性和机械特性
一、三相异步电动机的定子电路
三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变
压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
定子绕组接上三相电源电
压（相电压为 u1）时，则有三
相电流通过（相电流为 i1），
定子三相电流产生旋转磁场，
其磁力线通过定子和转子铁心
而闭合，这磁场不仅在转子每
相绕组中要感应出电动势 e2，
而且在定子每相绕组中也要感
应出电动势 e1
设定子和转子每相绕组的匝数分别为 N1和 N2,如图所示电路
图是三相异步电动机的一相电路图 。
旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按
正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也
是随时间按正弦规律变化的,
t??? s inm?
定子每相绕组中产生的 感应电动势 为,tNe dd11 ???
它也是正弦量，其有效值为,?? 1111 444444 fN.Nf.E ??
式中, f1为 e1的频率 。
因为旋转磁场和定子间的相对转速为 n0，所以 6001 pnf ?
它等于定子电流的频率，即 ff ?1
定子每相绕组中还要产生 漏磁电动势 tiLe dd 1L1L1 ??
加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量, 即
)(dd)()( 11L11111111 etiLRieeRiu L ?????????
如用复数表示，则为
)(j)()( 1111111111 EXIRIEERIU L ?????????
式中, 和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗 。1R 1X L11 21 LfX ??
由于 R1和 X1较小, 其上电压降与电动势 E1比较起来, 常可忽略,
于是
?? ?? EU
1
11 EU ?
二、三相异步电动机的转子电路
旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为
tNe d
d22 ???
其有效值为 ?? 2222 444444 S f N.Nf.E ??
式中, f2为转子电动势 e2或转子电流 i2相对于旋转磁场的频率,
因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n
10
0
002
6060 Sf
pn
n
nn)nn(pf ?????
在 n=0, 即 S=1时, 转子电动势为
?2120 444 Nf.E ? 为转子最大电动势
202 SEE ?
可见转子电动势 E2与转差率 S有关 。
和定子电流一样, 转子电流也要产生漏磁通, 从而在转子每相
绕组中还要产生漏磁电动势 。
t
iLe
d
d 2L2L2 ??
因此，对于转子每相电路，有
t
iLRieRie
d
d)( 2L222L2222 ?????
如用复数表示，则为 22222222 j)( XIRIERIE L ?????
式中,R2和 X2—— 转子每相绕组的电阻和漏磁感抗
L21L222 22 LSfLfX ?? ??
L2120 2 LfX ??
202 SXX ?
在 n=0, 即 S=1 时, 转子感抗为
为转子最大感抗
可见转子感抗 E2与转差率 S有关。
转子每相电路的电流为
22022
20
2222
22
)SX(R
SE
XR
EI
????
可见转子电流 I2也与转差率 S有关。当 S增大，即转速 n降低时，
转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度
提高，于是 E2增加,I2也增加。
三、转矩特性
电磁转矩 （ 以下简称转矩 ） 是三相异步电动机最重要的物理量
之一 。 机械特性是它的主要特性 。
22m co s ?? IKT ?
2
20
2
2
21
2
444
)SX(R
Nf.SI
?
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所以 2
20
2
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2
2
2
20
2
2
2
12
)SX(R
USRK
)SX(R
USRKT
????
因为
…… 转矩特性
式中, K—— 与电动机结构参数, 电源频率有关的一个常数；
U1, U— — 定子绕组电压, 电源电压；
R2—— 转子每相绕组的电阻；
X20 —— 电动机不动 （ S=1） 时转子每相绕组的感抗 。
四．机械特性
在异步电动机中, 转速 n=(1-S)n0,为了符合习惯画法, 可将
曲线换成转速与转矩之间的关系曲线, 即称为异步电动机的机械特
性 。
1．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,
定子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 。
根据 2
20
2
2
2
2
)SX(R
USRT
?? 0
0
n
nnS ??
三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。
从特性曲线上可以看出,
其上有四个特殊点可以决定特性
曲线的基本形状和异步电动机的
运行性能, 这四个特殊点是,
? ? 001 0 ??? S,nn,T
电动机处于理想空载工作点, 此时电动机的转速为理想空载转
速 。
? ? NNN,,2 SSnnTT ???
电动机额定工作点。此时额定转
矩和额定转差率为
Nn
PT N
N 55.9?
0
N0N
n
nnS ??
式中,
PN—— 电动机的额定功率；
nN—— 电动机的额定转速, 一般
SN—— 电动机的额定转差率, 一般
TN—— 电动机的额定转矩 。
0N )9 8 5.0~94.0( nn ?
015.0~06.0N ?S
? ? 1,0,3 st ??? SnTT
电动机的启动工作点。
将 S=1代入转矩公式中, 可得
2
20
2
2
2
2
st XR
UR
KT
?
?
可见，异步电动机的启动转矩 Tst与 U,R2及 X20有关。
当 施加在定子每相绕组上的电压降低时，启动转矩会明显减小；
当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；
而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。
通常把在固有机械特性上启动转矩 Tst与额定转矩 TN之比
?st=Tst/TN 作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般
2.1~0.1st ??
? ? mmm a x,,4 SSnnTT ???
电动机的临界工作点。
欲求转矩的最大值，可令
0?dndT
得临界转差率
202m / XRS ?
再将 Sm代入转矩公式中, 即可得
20
2
m ax 2 X
U
KT ?
通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比
Nm a xm / TT??
称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负
载的能力大小，是电动机的又一个重要运行参数。
鼠笼式异步电动机 2.2~8.1m ??
线绕式异步电动机 8.2~5.2m ??
2．人为机械特性
由上述分析可知：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、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以
改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。
改变 定子电压 U,定子电源频率 f,定子电路串入电阻或电抗, 转
子电路串入电阻或电抗 等, 都可得到异步电动机的人为机械特性 。
（ 1）降低电动机电源电压时的人为特性
?
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R
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p
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?
0n 不变
mS 不变
maxT 随着电压的减小而大大地减小
stT 随着电压的减小而大大地减小
改变电源电压时的人为特性如图所示,
如当定子绕组外加电压为 UN,0.8UN,0.5UN时，转子输出最
大转矩分别为 Ta=Tmax,Ta=0.64Tmax和 Ta=0.25Tmax 。可见，电压
愈低，人为特性曲线愈往左移。
由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感, 运行时, 如电压
降低太多, 会大大降低它的过载能力与启动转矩, 甚至使电动机发
生带不动负载或者根本不能启动的现象 。
NN2
2
N
Nmm a x 98.07.02 TTU
UTT ????
???
?
???
?? ?
例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使 ?m=2,若电网电压
下降到 70%UN,则由于这时
此外，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，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。
电动机也会停转
（ 2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性
在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,。
（ 3）改变定子电源频率时的人为特性
?
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m a x
0
m0
20
2
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0
注意到：
?
一般变频调速采用恒转矩调速，
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，使 U/f =C,这在实质上
是使电动机气隙磁通保持不变。
fn ?0
fS /1m ?
fT /1st ?
不变m axT
因此，改变电源频率的机械特性
如图所示
（ 4）转子电路串电阻时的人为特性
在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后 ［ 见图
(a)］, 转子电路中的电阻为
2r2 RR ?
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mS 随着串接电阻的增加而增大,
此时的人为特性将是一根比固有特性较软的一条曲线，如图
所示。
一、三相异步电动机的定子电路
三相异步电动机的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变
压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。
定子绕组接上三相电源电
压（相电压为 u1）时，则有三
相电流通过（相电流为 i1），
定子三相电流产生旋转磁场，
其磁力线通过定子和转子铁心
而闭合，这磁场不仅在转子每
相绕组中要感应出电动势 e2，
而且在定子每相绕组中也要感
应出电动势 e1
设定子和转子每相绕组的匝数分别为 N1和 N2,如图所示电路
图是三相异步电动机的一相电路图 。
旋转磁场的磁感应强度沿定子与转子间空气隙的分布是近于按
正弦规律分布的，因此，当其旋转时，通过定子每相绕相的磁通也
是随时间按正弦规律变化的,
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定子每相绕组中产生的 感应电动势 为,tNe dd11 ???
它也是正弦量，其有效值为,?? 1111 444444 fN.Nf.E ??
式中, f1为 e1的频率 。
因为旋转磁场和定子间的相对转速为 n0，所以 6001 pnf ?
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定子每相绕组中还要产生 漏磁电动势 tiLe dd 1L1L1 ??
加在定子每相绕组上的电压也分成三个分量, 即
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如用复数表示，则为
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于是
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二、三相异步电动机的转子电路
旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为
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其有效值为 ?? 2222 444444 S f N.Nf.E ??
式中, f2为转子电动势 e2或转子电流 i2相对于旋转磁场的频率,
因为旋转磁场和转子间的相对转速为 n0-n
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可见转子电动势 E2与转差率 S有关 。
和定子电流一样, 转子电流也要产生漏磁通, 从而在转子每相
绕组中还要产生漏磁电动势 。
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可见转子电流 I2也与转差率 S有关。当 S增大，即转速 n降低时，
转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度
提高，于是 E2增加,I2也增加。
三、转矩特性
电磁转矩 （ 以下简称转矩 ） 是三相异步电动机最重要的物理量
之一 。 机械特性是它的主要特性 。
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…… 转矩特性
式中, K—— 与电动机结构参数, 电源频率有关的一个常数；
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R2—— 转子每相绕组的电阻；
X20 —— 电动机不动 （ S=1） 时转子每相绕组的感抗 。
四．机械特性
在异步电动机中, 转速 n=(1-S)n0,为了符合习惯画法, 可将
曲线换成转速与转矩之间的关系曲线, 即称为异步电动机的机械特
性 。
1．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,
定子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 。
根据 2
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三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。
从特性曲线上可以看出,
其上有四个特殊点可以决定特性
曲线的基本形状和异步电动机的
运行性能, 这四个特殊点是,
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电动机处于理想空载工作点, 此时电动机的转速为理想空载转
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可见，异步电动机的启动转矩 Tst与 U,R2及 X20有关。
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当转子电阻适当增大时，启动转矩会增大；
而若增大转子电抗则会使启动转矩大为减小。
通常把在固有机械特性上启动转矩 Tst与额定转矩 TN之比
?st=Tst/TN 作为衡量异步电动机启动能力的一个重要数据。一般
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欲求转矩的最大值，可令
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通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比
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称为电动机的过载能力系数。它表征了电动机能够承受冲击负
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鼠笼式异步电动机 2.2~8.1m ??
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2．人为机械特性
由上述分析可知：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、电源频率有关，将关系式中的参数人为地加以
改变而获得的特性称为异步电动机的人为机械特性。
改变 定子电压 U,定子电源频率 f,定子电路串入电阻或电抗, 转
子电路串入电阻或电抗 等, 都可得到异步电动机的人为机械特性 。
（ 1）降低电动机电源电压时的人为特性
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改变电源电压时的人为特性如图所示,
如当定子绕组外加电压为 UN,0.8UN,0.5UN时，转子输出最
大转矩分别为 Ta=Tmax,Ta=0.64Tmax和 Ta=0.25Tmax 。可见，电压
愈低，人为特性曲线愈往左移。
由于异步电动机对电网电压的波动非常敏感, 运行时, 如电压
降低太多, 会大大降低它的过载能力与启动转矩, 甚至使电动机发
生带不动负载或者根本不能启动的现象 。
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例如，电动机运行在额定负载 TN 下，即使 ?m=2,若电网电压
下降到 70%UN,则由于这时
此外，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，电流增加，引起电动机发热甚至烧坏。
电动机也会停转
（ 2）定子电路接入电阻或电抗时的人为特性
在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,。
（ 3）改变定子电源频率时的人为特性
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一般变频调速采用恒转矩调速，
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，使 U/f =C,这在实质上
是使电动机气隙磁通保持不变。
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因此，改变电源频率的机械特性
如图所示
（ 4）转子电路串电阻时的人为特性
在三相线绕式异步电动机的转子电路中串入电阻后 ［ 见图
(a)］, 转子电路中的电阻为
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