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 i nm?
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 c o s IKT?
2
20
2
2
21
2
444
)SX(R
Nf.SI
所以 2
20
2
2
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 )985.0~94.0( 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 a x 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
N
m a x
2
20
2
2
2
2
st
20
2
m a x
0
m0
20
2
m
0
2
60
T
T
XR
UR
KT
X
U
KT
n
nn
X
R
S
p
f
n
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
fKfX
T
T
XR
UR
KT
X
U
KT
n
nn
X
R
S
p
f
n
1,
2
60
20
N
m a x
2
20
2
2
2
2
st
20
2
m a x
0
m0
20
2
m
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 a xT
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?
N
m a x
2
20
2
2
2
2
st
20
2
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0
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KT
n
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X
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p
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n
0n 不变
maxT 不变
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。
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?
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
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如用复数表示，则为
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式中,和 ( )为定子每相绕组的电阻和漏磁感抗 。1R 1X L11 21 LfX
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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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2120 444 Nf.E? 为转子最大电动势
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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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因此，对于转子每相电路，有
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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；
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
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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：
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?
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PN—— 电动机的额定功率；
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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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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,。
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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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