三相异步电动机机械特性定性分析及应用研究

王浩

平顶山技师学院 河南省平顶山市 467000

三相异步电动机的三相对称定子绕组中，通入三相对称的交流电，在定子、气隙和转子中产生旋转磁场；旋转磁场不但对定子绕组产生影响，在转子绕组中要产生转子感应电势，如果转子绕组构成闭合回路，在转子感应电势的作用下形成转子电流；载流的转子导体与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动电机运转。实验表明：在电源电压、频率和电机转子参数不变的情况下，电动机的转速（或转差率）与电磁转矩一一对应。转矩与转差率一一对应关系称作转矩特把转矩特性中的转差率s换做转速转矩特性就变成了机械特性即转矩与转速的一一对应关系。

1 三相异步电动机机械特性定性分析

1.1 机械特性曲线上的特殊点

从机械特性曲线（图1）看：电动机转速由零升高的过程（1>S> Sm），转矩由启动转矩TSt（转速为零时的转矩，这是机械特性上的第一个特殊点）升高到最大转矩Tm，随着转速的进一步升高，转矩由最大转矩Tm逐渐减小到零（Sm>S>0）。

通过数学分析：

图1

2 机械特性曲线上的特殊区域：

2.1 稳定运行区

在Sm＞S＞0范围内，由于S值较小，SX02比r2小得多，SX02可忽略不计。得到T≈CSU12/{f1r2}，可见随S的增加（转速下降），驱动转矩T相应增加；随S的减小（转速上升），驱动转矩T相应减小。这个区域称为稳定运行区。如图2所示。

图2

2.2 非稳定运行区

在1＞S＞Sm范围内，由于S值较大，r2比SX02小得多，r2可忽略不计。得到T≈Cr2U12/{f1SX022}，可见随S的增加（转速下降），驱动转矩T相应减小，导致转速进一步下降，驱动转矩T进一步减小，直至电机停转；而S的减小（转速上升），驱动转矩T相应增大，导致转速进一步上升，驱动转矩T进一步增大，直至电机在稳定运行区域工作。这个区域称为非稳定运行区。

2.3 上述的稳定工作区和非稳定工作区是对恒转矩负载而言的，电动机能否在该区域稳定运行。风机型负载在非稳定工作区能稳定运行：如图3所示。

三相异步电动机工作在b点，转速nb。当转速增大为na时，动力矩增大T3-Tb较小，而负载转矩增大T4-Tb较大，电动机加速转矩与转向相反，导致减速，回到工作点b点，此点加速转矩为零，电机保持转速nb运行；当转速减小为nc时，动力矩减小Tb-T2较小，而负载转矩减小Tb-T1较大，电动机加速转矩与转向相同，导致加速，回到工作点b点，此点加速转矩为零，电机保持转速nb运行。所以，三相异步电动机非稳定运行区域，风机型负载能稳定运行。

图3

3 三相异步电动机机械特性应用

改变三相异步电动机的工作参数，电动机的机械特性随之发生变化，对我们正确使用电机提供了依据。

3.1 电源电压对电机的影响及应用

只改变电源电压，机械特性的变化：由于理想空载转速（同步转速）与电源电压无关，改变电源电压得到的系列机械特性共同点是n1，由于电源电压的平方与电机转矩的正比关系，降低电源电压导致转矩成平方倍的减小但临界转差率显然与电源电压的改变无关，所以电动机取得最大转矩对应的转差率不变。通过上述定性分析，电动机机械特性曲线发生的变化一目了然。

电动机拖动恒转矩负载时，电源电压的减小导致运行转速改变，如图4所示：

随电源电压减小，电动机的转速由na减小到nb进而减小到nc，电压变化量很大，而转速变化量na-nb，nb-nc，na- nc都很小，说明电源电压的改变在电机拖动恒转矩负载时，对转速的影响不大，或者说三相异步电动机拖动恒转矩负载时，通过改变电源电压调速，由于调速范围太小，没有实用价值，而不采用这种调速方式。

图4

电动机在拖动风机型负载运行时，电源电压的改变，使电动机转速发生改变，如图5所示。改变电源电压电动机稳定运行的转速有三个：na、nb、nc，转速的变化量na-nb，nbnc，na- nc都很大，即调速范围宽广，因此电动机拖动风机型负载时，通常用改变电源电压实现调速。

图5

3.2 转子电阻对电机的影响及应用

三相笼型异步电动机由于转子的结构特点，我们不能改变转子的参数，而三相绕线异步电动机我们可以通过改变转子电阻的大小，改变他的机械特性。如图6所示，我们只改变转子的电阻，电机机械特性发生了变化：由于理想空载转速（同步转速）与转子电阻无关，改变电源电压得到的系列机械特性共同点是n1，由于临界转差率与r2成正比，增大转子电阻时sm必然增大，而与r2的改变无关，所以增大转子电阻，最大转矩保持不变；电动机的启动转矩转子电阻的增大而增大，在sm>1时，随转子电阻的增大而减小。通过上述定性分析，电动机机械特性曲线发生的变化一目了然。

电动机转子回路串电阻启动，在sm<1时，随转子电阻的增大，启动转矩Tst增大，我们可以以此选择串接合适的电阻，增大电机的启动转矩，缩短启动时间，提高生产效率。而在sm>1时，随转子电阻的增大启动转矩Tst反而减小，所以我们不能错误地认为转子串的电阻越大启动转矩也越大。

4 结语

三相异步电动机机械特性的定性分析，有助于我们掌握电动机的特性，为我们正确选用和使用电动机提供依据，笔者对电机机械特性的应用列举了几个常见的例子，以期抛砖引玉，对机械特性的定性分析与应用必有不尽之处，愿与同行交流探讨。