浅论三相异步电动机机械特性曲线

高光

摘 要：三相异步电动机机械特性曲线表明了转矩与转速之间的变化关系，对掌握电动机工作原理有着重要的意义，本文简要分析了机械特性曲线的意义、相关公式和各量值之间的关系，以及在电动机选用和检修中如何应用特性曲线解决问题。

关键词：三相异步电动机 机械特性

三相异步电动机机械特性曲线是指在其他输入量均保持为规定的恒定值时，仪器仪表输出量与一个输入量之间函数关系曲线。比如二极管的伏安特性曲线是以电压U为横坐标、电流I为纵坐标画出的U/I关系曲线，这种图像常被用来研究元件的变化特点。还有在电动机与变压器课中常见的水泵特性曲线、电焊变压器特性曲线、同步电动机特性曲线以及直流电动机特性曲线等等，这些特性曲线在机械设备的选用、元件的分析以及设备的运行检修等情况中都起到了极其重要的作用，如图1、图2所示。

在电动机与变压器课的教学中，学生如果能够理解机械特性曲线的意义，明白各个数值的含义及曲线上各个量值之间的关系，则对于理解三相异步电动机的工作原理是很有帮助的。

一、对三相异步电动机的机械特性曲线的认知

1.公式的认知

根据认知规律，学生首先学习三相异步电动机的结构知识，然后分析旋转磁场的产生，再进一步了解转动特点及转差率，学习三相异步电动机主要参数及相互关系，最后通过对机械特性的分析，达到全面了解电动机工作原理的目的。

三相异步电动机的机械特性曲线是用横坐标表示电磁转矩T、纵坐标表示转子转速n画出的关系曲线，公式表示为：

T=9550PN/nN

用函数表示为：n=f（T）。该曲线表明了电动机转速和转矩之间的关系，表明了电动机的主要性能指标，是选择电动机的依据。

2.公式细化

三相异步电动机的电磁转矩表达式可以有三种表达形式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。

（1）物理表达式：T=CTфI2cosφ2

此式说明了电动机电磁转矩产生的物理本质，是由转子电流有功分量与旋转磁场相互作用产生的。

（2）参数表达式：T=CSr2U12/f1{n22+（SX0） 2}

此式说明了电磁转矩与电源参数及电动机参数之间的关系，利用该式可以方便地分析各参数变化对电磁转矩的影响。

（3）实用表达式：T=9550PN/nN

此式简单、便于记忆，是工程计算中常采用的形式。

根据学生的理解能力，前两种表达式只需介绍给学生，让他们有初步的认识和了解即可。对于第三种实用表达式则一定要记住，便于计算电动机额定输出转矩。

3.对机械特性曲线的理解

三相异步电动机的机械特性是一条非线性曲线，一般情况下，以最大转矩（或临界转差率）为分界点。如图所示，其中a点为临界点，a点到n1点曲线为电动机稳定运行区，a点到c点曲线为电动机非稳定运行区。

一般电动机都工作在稳定运行区，只有极少数电动机（风机型负载）是在不稳定运行区工作。

二、几个量值的分析

在机械特性曲线中，有几个参数必须要分析清楚：最大转矩Tm、启动转矩Tst、额定转矩TN，如图3所示。最大转矩和启动转矩是反映电动机的过载能力和启动性能的两个重要指标，最大转矩和启动转矩越大，则电动机的过载能力越强，启动性能越好。

额定转矩TN=9.55PN/nN，指电动机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率时，电动机转轴上输出的转矩。

启动转矩Tst，是衡量电动机启动性能的重要技术指标之一，启动转矩大，则电动机加速度大，启动过程短，同时说明带重载启动的能力大，体现了电动机带重载启动的能力。且只有在Tst>T2（T2是转子轴上的机械负载转矩）时，电动机才能启动。

最大转矩Tm=CU12/f1（2X02），是电动机带动最大负载的能力，异步电动机从启动到正常运行过程中电磁转矩是不断变化的，其中有一个最大值称为最大转矩。

转差率S：旋转磁场转速n1与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率S，S=（n1-n）/n1，Sm称为临界转差率。

如果电动机带动负载工作发生短时过载现象，即Tm< T2，电动机就会停转，发生“闷车”现象，此时电流将剧增，严重时会烧毁电动机，这是要尽量避免的。当然在电动机启动时T2要小于Tm，否则将不能启动。

过载系数：λ=Tm/TN，表示电动机的过载能力。一般为1.83～2.5，特殊用途电动机的λ可达3.4。

启动转矩倍数Km=Tst/TN，表示电动机的启动能力。一般要求启动转矩为额定转矩的1.7～2.2倍，特殊电动机可达到2.6～3.1倍。

三、详细解读机械特性曲线

第一，电动机启动瞬间，n=0，即转差率S=1，此时转轴得到的启动转矩是Tst。异步电动机在启动时电流很大，但因转子绕组功率因数COSφ2很小，所以转矩不大。

第二，当转子速度达到同步转速，即n=n1时，转差率S=0，此时电动机转矩T=0，这实际上是一种理想状态，因为当转差率等于零时，转子和磁场没有形成相对运动，没有切割磁力线，也就没有转动力矩了。所以在电动机工作时转子转速要小于同步转速。

第三，转矩Tm对应的转差率Sm叫临界转差率，此时的转速既不是最大，也不是最小，只是电动机在从启动到达到稳定状态过程中经历的一个转折点。

有些学生对转差率的公式比较容易接受，为了便于理解，我们在纵轴上转速对应位置标上转差率。如图4所示，在坐标原点处转差率S最大，S=1；在n1处转差率S=0。这样我们可以在纵轴利用S把曲线分成两段来解读。

稳定工作区（曲线a到n1段），Sm>S>0，此时S较小，SX02比r2小得多可忽略，转矩公式简化为T=CU12/f1r2。如果负载转矩增大，则转速下降，对应转差率S增大。由转矩公式T=9550PN/nN可知电磁转矩增加，恰好可以平衡增加的负载转矩，使转速不会再下降；同理如果负载减小，则转速上升，对应转差率S减小，电磁转矩下降，平衡负载使其转速不会上升。当负载恢复到原来大小时，转速也回到额定转速nN，达到一个动态的平衡，负载的波动不会破坏电动机的稳定工作。

非稳定工作区（曲线a到c段），1>S>Sm，此时S比较大，r2比SX02要小可以忽略，转矩公式简化为T=Cr2U12/f1SX02。当转速减小时，驱动转矩T相应减少。如果电动机工作在非稳定区域的某点，外加负载突然增加，电动机转速下降，转差率S将增大，由上式可知驱动转矩也随之下降，使电动机转速继续下降，而恒转矩负载转矩不变，最后迫使电动机停下；如果负载突然减少，则电动机的转速上升，转差率减少，驱动转矩增加，随之电动机转速有上升……不断循环上升，直到到达稳定工作区为止。

四、分析机械特性的硬、软

1.对“硬”“软”的理解

在负载变化时，如果电动机转速变化小则叫“硬机械特性”，如果电动机转速变化大则叫“软机械特性”。一般电动机的机械特性“软”或者“硬”，是指电动机抗“干扰”的能力：即负载变化时，电动机的“应变能力”。这里的机械特性也是指负载特性，比如负载突然增加时，需要的输入电流增加不是很大，这样我们称之为“特性硬”，反之称为“特性软”。电动机的特性的“软”“硬”与电动机的电磁设计有关。一般是磁场密度高、气隙大、绕组匝数少的电动机，其特性较硬；相反的则特性软。

我们可以通过人为的方式改变机械特性曲线的软、硬，如增加转子电阻r2使a点下移，如果r2适当，会使a点和c点重合，即提高启动转矩，也可以增加U1。

2.在生活中的应用

在选择电动机时，我们首先应根据配套机械的负载特性、运行方式和使用环境等因素来选择，再从技术和经济两方面进行综合考虑，确定使用什么类型的电动机。

同步电动机具有较硬的机械特性，其次是普通鼠笼式电动机。对于无特殊变速调速要求的一般机械设备，我们大多选用机械特性较硬的鼠笼式异步电动机。对于要求启动特性好，不在大范围内平滑调速的设备，一般选用绕线转子异步电动机。机械特性最软的是串励电动机，这种电动机轻载转速高，重载转速低，过载能力强，经常应用于电力机车、起重机、电梯等设备中。串励电动机是不允许空载运行的，否则会因转速过高而损坏，因此电动工具的电动机都装有减速机构，这样才不会发生飞车事故。

参考文献：

[1]徐政，张毅刚等.电机与变压器[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2012.

（作者单位：浙江省平湖市技工学校）