2.2 三相交流异步电动机的运行特性

2.2.1 三相交流异步电动机的机械特性

电磁转矩对电动机的特性有重要影响。由理论推导可得转矩表达式为

式中，Cm为电磁转矩常数。

式（2-3）称为电磁转矩的物理表达式。它定性说明：在主磁通Φm不变时，电磁转矩 T的大小主要取决于转子电流的有功分量。在分析电动机状态特征的变化规律时，需要找到更直接的表达形式，即：在电源电压U1和频率f1不变时，电磁转矩T与转速n（或转差率s）之间的关系，这就是三相交流异步电动机的机械特性。

1.机械特性

电动机在规定的电源电压U1、频率f1和自身参数条件下所体现出的特性又称为固有机械特性，特性曲线如图2.9所示。图中，电机在正向旋转磁场（同步转速 n1为正）作用下的曲线称为正向机械特性（曲线1），反之，则称为反向机械特性（曲线2）。如果出于电动机启动、制动或调速的特殊要求而人为地改变其参数或条件，则机械特性也随之改变，此时的机械特性称为人为机械特性。

当电动机在第一、三象限特性上工作时，电磁转矩 T 与转速 n 同方向，由电磁转矩拖动负载旋转，电动机分别处于正向和反向电动状态。在第二、四象限时，T与n反向，电磁转矩变为阻力矩并阻碍电动机旋转，电动机处于制动状态。

2.机械特性上的特殊点及其状态

在图2.9的曲线1上，A点称为异步电动机的理想同步状态（n=n1，s=0，T=0）；B点是额定运行点（n=nN，s=sN，T=TN）；D点为电动机的启动状态（n=0，s=1，T=Tst）；C点对应的电磁转矩最大。非特殊负载情况下，电动机一般可在CA段稳定运行，而在CD段则因无抗负载波动能力不能稳定工作。所以，C点状态为异步电动机的临界状态，C点也称为临界点。其转差率称为临界转差率sm，对应临界转差率sm时的转矩称为临界转矩Tm。

电动机启动时，s=1的转矩称为启动转矩Tst。

考察机械特性曲线并进行理论分析，可以得出以下结论。

① 在频率f1不变时，T∝U12，电机对电源电压的波动很敏感，电网电压的下降可导致电磁转矩的大幅度下降。

② 人为改变电源频率f1或磁极对数P时，电磁转矩T及电机转速n都会变化，从而可实现对异步电机进行变频或变极调速。

③ 临界转差率，绕线式异步电动机转子绕组外接电阻时，sm增大，启动转矩 Tst上升但最大转矩Tm不变，临界状态向低转速区迁移，相当于特性的临界点下移。这一特征也可用于电机调速、制动或改善电机的启动性能。

④ 人为机械特性上稳定段的倾斜程度反映了电机抗负载扰动的能力。倾斜程度加大时，相同的负载转矩变化可引起较大的转速变化，电机抗扰动能力变差，即所谓的“特性变软”；反之，特性较硬。

为衡量电机带负载启动和极限过载的能力，通常把启动转矩 Tst、最大转矩 Tm与额定转矩TN的比值分别称为启动能力（Kst）、过载能力（λ）。

普通异步电动机的启动能力约为1.1～2.0，过载能力约为1.6～2.2。起重冶金用YZ或YZR系列异步电动机的启动能力与过载能力分别可达2.8和3.7，甚至更高。

2.2.2 三相交流异步电动机的工作特性

当负载在一定范围内变化时，异步电动机一般能通过参数的自动调整适应这种变化。在额定电压和额定频率下，电机的转速 n、定子电流 I1、电磁转矩T、功率因数c o sφ1、效率η与电机输出的机械功率P2之间的关系可以从不同的侧面反映电机的工作特征，这就是异步电动机的工作特性，如图2.10所示。

1.转速特性n=f（P2）

空载时，P2=0，n≈n1，s≈0。随负载增大，电机转速略下降就可使转子电流明显增大，电磁转矩增大，直至与负载重新平衡。异步电动机的转速特性是一条略下斜的曲线。

2.定子电流特性I1=f（P2）

空载时，P2=0，I1=I0，定子电流几乎全部用于励磁。当P2＜PN时，随负载增加，转子电流增大。为保持磁势平衡，定子电流也上升，定子电流特性是一条过 I0点的上升曲线；过载后，受电机磁路状态影响，电流上升速度加快，曲线上翘。

3.电磁转矩特性T=f（P2）

空载时，P2=0，T=T0，电磁转矩主要用于克服风阻、摩擦阻力。随负载增大，电磁转矩也相应增大，T与P2的关系近似为过空载转矩T0点的直线。

4.功率因数特性cosφ1=f（P2）

空载时损耗较少，电机自电网获得的功率大部分为无功功率，用以建立和维持主磁通，空载功率因数通常小于0.3。随负载增加，P2增大，转子电路功率因数cosφ2上升，导致电机功率因数cosφ1上升。一般设计使电机在额定状态下功率因数cosφ2最高；过载后，cosφ1又开始减小。

5.效率特性η=f（P2）

异步电动机的输出功率与输入功率的比值称为效率，它反映了电功率的利用率。由电动机的功率分配关系可知

可见：损耗功率ΔP的大小直接影响电机的效率。异步电机从空载状态到满载运行时，主磁通和转速变化不大，铁损耗 PFe和机械损耗 PΩ近似不变，称为不变损耗；铜耗 PCu1、PCu2则与相应的电流平方成正比，变化较大，称为可变损耗。普通异步电动机的额定效率约为0.8～0.9，中小型异步电动机通常约75%额定负载时的效率最高，超过这个比例时效率稍下降。