三相異步電動機機械特性定性分析及應用研究

王浩

平頂山技師學院 河南省平頂山市 467000

三相異步電動機的三相對稱定子繞組中，通入三相對稱的交流電，在定子、氣隙和轉子中產生旋轉磁場；旋轉磁場不但對定子繞組產生影響，在轉子繞組中要產生轉子感應電勢，如果轉子繞組構成閉合回路，在轉子感應電勢的作用下形成轉子電流；載流的轉子導體與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩，驅動電機運轉。實驗表明：在電源電壓、頻率和電機轉子參數不變的情況下，電動機的轉速（或轉差率）與電磁轉矩一一對應。轉矩與轉差率一一對應關系稱作轉矩特把轉矩特性中的轉差率s換做轉速轉矩特性就變成了機械特性即轉矩與轉速的一一對應關系。

1 三相異步電動機機械特性定性分析

1.1 機械特性曲線上的特殊點

從機械特性曲線（圖1）看：電動機轉速由零升高的過程（1>S> Sm），轉矩由啟動轉矩TSt（轉速為零時的轉矩，這是機械特性上的第一個特殊點）升高到最大轉矩Tm，隨著轉速的進一步升高，轉矩由最大轉矩Tm逐漸減小到零（Sm>S>0）。

通過數學分析：

圖1

2 機械特性曲線上的特殊區域：

2.1 穩定運行區

在Sm＞S＞0范圍內，由于S值較小，SX02比r2小得多，SX02可忽略不計。得到T≈CSU12/{f1r2}，可見隨S的增加（轉速下降），驅動轉矩T相應增加；隨S的減小（轉速上升），驅動轉矩T相應減小。這個區域稱為穩定運行區。如圖2所示。

圖2

2.2 非穩定運行區

在1＞S＞Sm范圍內，由于S值較大，r2比SX02小得多，r2可忽略不計。得到T≈Cr2U12/{f1SX022}，可見隨S的增加（轉速下降），驅動轉矩T相應減小，導致轉速進一步下降，驅動轉矩T進一步減小，直至電機停轉；而S的減小（轉速上升），驅動轉矩T相應增大，導致轉速進一步上升，驅動轉矩T進一步增大，直至電機在穩定運行區域工作。這個區域稱為非穩定運行區。

2.3 上述的穩定工作區和非穩定工作區是對恒轉矩負載而言的，電動機能否在該區域穩定運行。風機型負載在非穩定工作區能穩定運行：如圖3所示。

三相異步電動機工作在b點，轉速nb。當轉速增大為na時，動力矩增大T3-Tb較小，而負載轉矩增大T4-Tb較大，電動機加速轉矩與轉向相反，導致減速，回到工作點b點，此點加速轉矩為零，電機保持轉速nb運行；當轉速減小為nc時，動力矩減小Tb-T2較小，而負載轉矩減小Tb-T1較大，電動機加速轉矩與轉向相同，導致加速，回到工作點b點，此點加速轉矩為零，電機保持轉速nb運行。所以，三相異步電動機非穩定運行區域，風機型負載能穩定運行。

圖3

3 三相異步電動機機械特性應用

改變三相異步電動機的工作參數，電動機的機械特性隨之發生變化，對我們正確使用電機提供了依據。

3.1 電源電壓對電機的影響及應用

只改變電源電壓，機械特性的變化：由于理想空載轉速（同步轉速）與電源電壓無關，改變電源電壓得到的系列機械特性共同點是n1，由于電源電壓的平方與電機轉矩的正比關系，降低電源電壓導致轉矩成平方倍的減小但臨界轉差率顯然與電源電壓的改變無關，所以電動機取得最大轉矩對應的轉差率不變。通過上述定性分析，電動機機械特性曲線發生的變化一目了然。

電動機拖動恒轉矩負載時，電源電壓的減小導致運行轉速改變，如圖4所示：

隨電源電壓減小，電動機的轉速由na減小到nb進而減小到nc，電壓變化量很大，而轉速變化量na-nb，nb-nc，na- nc都很小，說明電源電壓的改變在電機拖動恒轉矩負載時，對轉速的影響不大，或者說三相異步電動機拖動恒轉矩負載時，通過改變電源電壓調速，由于調速范圍太小，沒有實用價值，而不采用這種調速方式。

圖4

電動機在拖動風機型負載運行時，電源電壓的改變，使電動機轉速發生改變，如圖5所示。改變電源電壓電動機穩定運行的轉速有三個：na、nb、nc，轉速的變化量na-nb，nbnc，na- nc都很大，即調速范圍寬廣，因此電動機拖動風機型負載時，通常用改變電源電壓實現調速。

圖5

3.2 轉子電阻對電機的影響及應用

三相籠型異步電動機由于轉子的結構特點，我們不能改變轉子的參數，而三相繞線異步電動機我們可以通過改變轉子電阻的大小，改變他的機械特性。如圖6所示，我們只改變轉子的電阻，電機機械特性發生了變化：由于理想空載轉速（同步轉速）與轉子電阻無關，改變電源電壓得到的系列機械特性共同點是n1，由于臨界轉差率與r2成正比，增大轉子電阻時sm必然增大，而與r2的改變無關，所以增大轉子電阻，最大轉矩保持不變；電動機的啟動轉矩轉子電阻的增大而增大，在sm>1時，隨轉子電阻的增大而減小。通過上述定性分析，電動機機械特性曲線發生的變化一目了然。

電動機轉子回路串電阻啟動，在sm<1時，隨轉子電阻的增大，啟動轉矩Tst增大，我們可以以此選擇串接合適的電阻，增大電機的啟動轉矩，縮短啟動時間，提高生產效率。而在sm>1時，隨轉子電阻的增大啟動轉矩Tst反而減小，所以我們不能錯誤地認為轉子串的電阻越大啟動轉矩也越大。

4 結語

三相異步電動機機械特性的定性分析，有助于我們掌握電動機的特性，為我們正確選用和使用電動機提供依據，筆者對電機機械特性的應用列舉了幾個常見的例子，以期拋磚引玉，對機械特性的定性分析與應用必有不盡之處，愿與同行交流探討。