淺論三相異步電動機機械特性曲線

高光

摘 要：三相異步電動機機械特性曲線表明了轉矩與轉速之間的變化關系，對掌握電動機工作原理有著重要的意義，本文簡要分析了機械特性曲線的意義、相關公式和各量值之間的關系，以及在電動機選用和檢修中如何應用特性曲線解決問題。

關鍵詞：三相異步電動機 機械特性

三相異步電動機機械特性曲線是指在其他輸入量均保持為規定的恒定值時，儀器儀表輸出量與一個輸入量之間函數關系曲線。比如二極管的伏安特性曲線是以電壓U為橫坐標、電流I為縱坐標畫出的U/I關系曲線，這種圖像常被用來研究元件的變化特點。還有在電動機與變壓器課中常見的水泵特性曲線、電焊變壓器特性曲線、同步電動機特性曲線以及直流電動機特性曲線等等，這些特性曲線在機械設備的選用、元件的分析以及設備的運行檢修等情況中都起到了極其重要的作用，如圖1、圖2所示。

在電動機與變壓器課的教學中，學生如果能夠理解機械特性曲線的意義，明白各個數值的含義及曲線上各個量值之間的關系，則對于理解三相異步電動機的工作原理是很有幫助的。

一、對三相異步電動機的機械特性曲線的認知

1.公式的認知

根據認知規律，學生首先學習三相異步電動機的結構知識，然后分析旋轉磁場的產生，再進一步了解轉動特點及轉差率，學習三相異步電動機主要參數及相互關系，最后通過對機械特性的分析，達到全面了解電動機工作原理的目的。

三相異步電動機的機械特性曲線是用橫坐標表示電磁轉矩T、縱坐標表示轉子轉速n畫出的關系曲線，公式表示為：

T=9550PN/nN

用函數表示為：n=f（T）。該曲線表明了電動機轉速和轉矩之間的關系，表明了電動機的主要性能指標，是選擇電動機的依據。

2.公式細化

三相異步電動機的電磁轉矩表達式可以有三種表達形式：物理表達式、參數表達式和實用表達式。

（1）物理表達式：T=CTфI2cosφ2

此式說明了電動機電磁轉矩產生的物理本質，是由轉子電流有功分量與旋轉磁場相互作用產生的。

（2）參數表達式：T=CSr2U12/f1{n22+（SX0） 2}

此式說明了電磁轉矩與電源參數及電動機參數之間的關系，利用該式可以方便地分析各參數變化對電磁轉矩的影響。

（3）實用表達式：T=9550PN/nN

此式簡單、便于記憶，是工程計算中常采用的形式。

根據學生的理解能力，前兩種表達式只需介紹給學生，讓他們有初步的認識和了解即可。對于第三種實用表達式則一定要記住，便于計算電動機額定輸出轉矩。

3.對機械特性曲線的理解

三相異步電動機的機械特性是一條非線性曲線，一般情況下，以最大轉矩（或臨界轉差率）為分界點。如圖所示，其中a點為臨界點，a點到n1點曲線為電動機穩定運行區，a點到c點曲線為電動機非穩定運行區。

一般電動機都工作在穩定運行區，只有極少數電動機（風機型負載）是在不穩定運行區工作。

二、幾個量值的分析

在機械特性曲線中，有幾個參數必須要分析清楚：最大轉矩Tm、啟動轉矩Tst、額定轉矩TN，如圖3所示。最大轉矩和啟動轉矩是反映電動機的過載能力和啟動性能的兩個重要指標，最大轉矩和啟動轉矩越大，則電動機的過載能力越強，啟動性能越好。

額定轉矩TN=9.55PN/nN，指電動機在額定電壓下，以額定轉速運行，輸出額定功率時，電動機轉軸上輸出的轉矩。

啟動轉矩Tst，是衡量電動機啟動性能的重要技術指標之一，啟動轉矩大，則電動機加速度大，啟動過程短，同時說明帶重載啟動的能力大，體現了電動機帶重載啟動的能力。且只有在Tst>T2（T2是轉子軸上的機械負載轉矩）時，電動機才能啟動。

最大轉矩Tm=CU12/f1（2X02），是電動機帶動最大負載的能力，異步電動機從啟動到正常運行過程中電磁轉矩是不斷變化的，其中有一個最大值稱為最大轉矩。

轉差率S：旋轉磁場轉速n1與轉子轉速n之差與同步轉速n1之比稱為異步電動機的轉差率S，S=（n1-n）/n1，Sm稱為臨界轉差率。

如果電動機帶動負載工作發生短時過載現象，即Tm< T2，電動機就會停轉，發生“悶車”現象，此時電流將劇增，嚴重時會燒毀電動機，這是要盡量避免的。當然在電動機啟動時T2要小于Tm，否則將不能啟動。

過載系數：λ=Tm/TN，表示電動機的過載能力。一般為1.83～2.5，特殊用途電動機的λ可達3.4。

啟動轉矩倍數Km=Tst/TN，表示電動機的啟動能力。一般要求啟動轉矩為額定轉矩的1.7～2.2倍，特殊電動機可達到2.6～3.1倍。

三、詳細解讀機械特性曲線

第一，電動機啟動瞬間，n=0，即轉差率S=1，此時轉軸得到的啟動轉矩是Tst。異步電動機在啟動時電流很大，但因轉子繞組功率因數COSφ2很小，所以轉矩不大。

第二，當轉子速度達到同步轉速，即n=n1時，轉差率S=0，此時電動機轉矩T=0，這實際上是一種理想狀態，因為當轉差率等于零時，轉子和磁場沒有形成相對運動，沒有切割磁力線，也就沒有轉動力矩了。所以在電動機工作時轉子轉速要小于同步轉速。

第三，轉矩Tm對應的轉差率Sm叫臨界轉差率，此時的轉速既不是最大，也不是最小，只是電動機在從啟動到達到穩定狀態過程中經歷的一個轉折點。

有些學生對轉差率的公式比較容易接受，為了便于理解，我們在縱軸上轉速對應位置標上轉差率。如圖4所示，在坐標原點處轉差率S最大，S=1；在n1處轉差率S=0。這樣我們可以在縱軸利用S把曲線分成兩段來解讀。

穩定工作區（曲線a到n1段），Sm>S>0，此時S較小，SX02比r2小得多可忽略，轉矩公式簡化為T=CU12/f1r2。如果負載轉矩增大，則轉速下降，對應轉差率S增大。由轉矩公式T=9550PN/nN可知電磁轉矩增加，恰好可以平衡增加的負載轉矩，使轉速不會再下降；同理如果負載減小，則轉速上升，對應轉差率S減小，電磁轉矩下降，平衡負載使其轉速不會上升。當負載恢復到原來大小時，轉速也回到額定轉速nN，達到一個動態的平衡，負載的波動不會破壞電動機的穩定工作。

非穩定工作區（曲線a到c段），1>S>Sm，此時S比較大，r2比SX02要小可以忽略，轉矩公式簡化為T=Cr2U12/f1SX02。當轉速減小時，驅動轉矩T相應減少。如果電動機工作在非穩定區域的某點，外加負載突然增加，電動機轉速下降，轉差率S將增大，由上式可知驅動轉矩也隨之下降，使電動機轉速繼續下降，而恒轉矩負載轉矩不變，最后迫使電動機停下；如果負載突然減少，則電動機的轉速上升，轉差率減少，驅動轉矩增加，隨之電動機轉速有上升……不斷循環上升，直到到達穩定工作區為止。

四、分析機械特性的硬、軟

1.對“硬”“軟”的理解

在負載變化時，如果電動機轉速變化小則叫“硬機械特性”，如果電動機轉速變化大則叫“軟機械特性”。一般電動機的機械特性“軟”或者“硬”，是指電動機抗“干擾”的能力：即負載變化時，電動機的“應變能力”。這里的機械特性也是指負載特性，比如負載突然增加時，需要的輸入電流增加不是很大，這樣我們稱之為“特性硬”，反之稱為“特性軟”。電動機的特性的“軟”“硬”與電動機的電磁設計有關。一般是磁場密度高、氣隙大、繞組匝數少的電動機，其特性較硬；相反的則特性軟。

我們可以通過人為的方式改變機械特性曲線的軟、硬，如增加轉子電阻r2使a點下移，如果r2適當，會使a點和c點重合，即提高啟動轉矩，也可以增加U1。

2.在生活中的應用

在選擇電動機時，我們首先應根據配套機械的負載特性、運行方式和使用環境等因素來選擇，再從技術和經濟兩方面進行綜合考慮，確定使用什么類型的電動機。

同步電動機具有較硬的機械特性，其次是普通鼠籠式電動機。對于無特殊變速調速要求的一般機械設備，我們大多選用機械特性較硬的鼠籠式異步電動機。對于要求啟動特性好，不在大范圍內平滑調速的設備，一般選用繞線轉子異步電動機。機械特性最軟的是串勵電動機，這種電動機輕載轉速高，重載轉速低，過載能力強，經常應用于電力機車、起重機、電梯等設備中。串勵電動機是不允許空載運行的，否則會因轉速過高而損壞，因此電動工具的電動機都裝有減速機構，這樣才不會發生飛車事故。

參考文獻：

[1]徐政，張毅剛等.電機與變壓器[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2012.

（作者單位：浙江省平湖市技工學校）