第二节 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
1.1.2三相异步电动机的转矩特性和机械特性
Tst
随着电压的减小而大大地减小
改变电源电压时的人为特性如图所示： 改变电源电压时的人为特性如图所示：
三、转矩特性 电磁转矩（以下简称转矩） 电磁转矩（以下简称转矩）是三相异步电动机最重要的物理量 之一。机械特性是它的主要特性。 之一。机械特性是它的主要特性。
km1 pU 12 R2 s T= = Km1Φ I 2 cos ϕ 2 2 2 2 2πf1[ R2 + ( sX 20 ) ]
因为
I2 = S 4.44 f1 N 2Φ R2 + ( SX 20 )2
p( n0 − n ) n0 − n pn0 f2 = = = Sf1 60 n0 60
在 n=0 ，即S=1时，转子电动势为 时 E 20 = 4.44 f1 N 2Φ E 2 = SE 20 为转子最大电动势
可见转子电动势 与转差率S有关 有关。 可见转子电动势E2与转差率 有关。 电动势
和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通 漏磁通， 和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相 绕组中还要产生漏磁电动势。 绕组中还要产生漏磁电动势。 di 2 eL2 = − LL2 dt 因此，对于转子每相电路， 因此，对于转子每相电路，有 转子每相电路
（1）降低电动机电源电压 时的人为特性 ）降低电动机电源电压U1时的人为特性
60 f n0 = p n0 − nm R2 = Sm = X 20 n0 U2 Tmax = K 2 X 20 R2U 2 Tst = K 2 2 R2 + X 20 λ = Tmax TN
设定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和 ， 设定子和转子每相绕组的匝数分别为 和 N2，如图所示电路 图是三相异步电动机的一相电路图 三相异步电动机的一相电路图。 图是三相异步电动机的一相电路图。
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性
三相绕线式异步电动机各种运行状态下的机械特性原理简述机械特性是指其转速与转矩间的关系，一般表示为。
由于三相异步电动机的机械特性呈非线性关系，所以函数表达式以转速为自变量，转矩为因变量，写为更为方便。
又因转差率s也可以用来表征转速，而且用s表示的机械特性表达式更为简洁，所以对三相异步电动机一般用来表示机械特性，同时将作为横坐标，这样和原的图形是一致的。
一、三相异步电动机机械特性的表达式三相异步电动机机械特性的表达式一般有三种：1．物理表达式其中为异步电机的转矩常数；为每极磁通；为转子电流的折算值；为转子回路的功率因数。
2．参数表达式其中。
3．实用表达式其中为最大转矩，为发生最大转矩时的转差率。
三种表达式其应用场合各有不同，一般物理表达式适用于定性分析与及间的关系，参数表达式可以分析各参数变化对电动机运行性能的影响，而实用表达式最适合用于进行机械特性的工程计算。
二、三相异步电动机的机械特性1．固有机械特性固有机械特性是指异步电动机在额定电压、额定频率下，电动机按规定方法接线，定子及转子回路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性，如图15-1所示。
图15-1 三相异步电动机的固有机械特性下面对机械特性上反映其特点的几个特殊点进行分析：（1）起动点：其特点是：，，起动电流；（2）额定运行点：其特点是：，，；（3）同步速点：其特点是：，，，，点是电动状态与回馈制动的转折点；（4）最大转矩点：电动状态最大转矩点，其特点是：，；回馈制动最大转矩点，其特点是：，；由公式可以看出，。
2．人为机械特性由三相异步电动机机械特性的参数表达式可见，异步电动机的电磁转矩在某一转速下的数值，是由电源电压、频率、极对数及定转子电路的电阻、电抗、、、决定的。
因此人为的改变这些参数，就可得到不同的人为机械特性。
现介绍改变某些参数时人为机械特性的变化：（1）降低电压不变，不变，因为，，，所以降低电压时，、、均减小，其人为机械特性见图15-2。
吉林大学电工学1第7章 电动机
起动瞬间 n=0，s=1
R2↑→I2↓→Ist↓ R2↑→ Tst ↑
n
R2
R2+Rst
Tst’ Tst”
T
绕线式异步电动机的转 子串电阻起动，不仅限制起 动电流，同时增大起动转矩。 因此，绕线式异步电动机比 鼠笼式异步电动机的起动性 能好。
返回
三、反
转
正转 反转
三相异步电动机的转向决 定于旋转磁场的转向,而旋转 磁场的转向又与通入三相定子 绕组的电流相序有关, 因此, 改变相序即可改变转向。 只要将三相定子绕组接电源的 三根线中任意两根对调即可。
sm
1
U1 ’
电压不足，会造成电流增 s 大，电机发热。
返回
临界转差率sm与R2成正比。
最大转矩Tmax与R2无关。
R2’ < R2”
Tmax
T R2’ R2”
1
2. 机械特性 sm’ sm”
s
在电源电压U1不变时，电动机的转速n 和电 磁转矩T 间的关系称为电动机的机械特性。
返回
n = f (T) 机械特性曲线可由转矩特性曲线得来： n n > nm(AB段）： 为稳定工 n1 A 作区（s 较小），具有硬特 nN 性，即电动机具有自动适应 nm B 负载能力。 TL↑→T ＜TL→n ↓ →s ↑ →T ↑ → T =TL T
返回
定子接线端的连接
C A B
Z
W2 U1 V1
X
U2 W1
Y
V2
△接 接
返回
第二节 三相异步电动机的工作原理
旋转磁场
转动原理
转差率
返回
一、旋转磁场
1、旋转磁场的产生
定子三相绕组对称，且空间上互差120°， 接成形。 iA A U Y Y X W V Z iC C iB B
三相异步电动机的转矩
• 转矩T也与s有关。
由上式可见，转矩还与定子的相电压U1的平方成 正比。所以，电源电压的变动对转矩的影响很大。 转矩特性T =T(s)曲线如图 所示，当s很小时， T与s 成正比；当s很大时，T与 s 成反比(以双曲线为渐近 线)，并且有最大转矩Tmax 存在。
T
Tmax
0
n n0
sm
1 0
s
二、机械特性曲线
§5-4. 三相异步电动机的转矩 与机械特性
• 电磁转矩 T 是三相异步电动机最重要的物理量之一， 机械特性是电动机的主要特性。对电动机进行分析往 往离不开这两方面内容。
一、转矩公式
异步电动机的转矩是由旋转磁场每磁极的磁通 与 转子电流I2相互作用产生的。它应与电磁功率成正 比，因而与转子的功率因数有关。于是 T I 2 cos 2 K T I 2 cos 2
E1 U1 U1 4.44 f1 N1 4.Байду номын сангаас4 f1 N1
sE 20
2 R2 ( sX 20 ) 2
及 I2
s(4.44 f1 N 2 )
2 2 R2 X2
且 cos 2
R2
2 R2 ( sX 20 ) 2
则转矩公式可表示为
TK
2 sR2U1 2 R2 ( sX 20 ) 2
实际上，下图是通过上图右 旋90°得到的。
nN
b
T TN Tst Tmax
0
• 研究机械特性是分析为了分析电动机的运行性能。 在机械特性曲线上，要讨论三个转矩。
1. 额定转矩 TN 在电动机匀速转动时，其转矩T必须与阻力转矩TC 平衡，而阻力转矩包括负载转矩T2和空载损耗转矩 T0。一般T0很小，常可忽略，所以 n P2 a T T T T
异步电机机械特性 2
Tst k st TN
5.1 三相异步电动机的机械特性
一般将异步电动机的特性曲线分为两部分：
转差率0～sm部分：在这一部分，T
s n
0
与s的关系近似成正比，即s增大时，T 也随之增大，该部分为异步电动机的
n1
sm
稳定运行区。
降压后同步转速n1不变； 降压后，最大转矩T随 U 12 成比
例下降，但是临界转差率sm不变；
降压后的启动转矩Tst也随 U 1 成
2
比例下降。
感应电动机降低电压时的人为机械特性
5.1 三相异步电动机的机械特性 2）定子回路串对称三相电抗器的人为机械特性
定子回路串电抗使sm和Tm都减小，机械特性的直线部分硬度也
加而增加（近似成正比）。
r2' 相对变小了， x x ' 开始成为分母中的主要部分，此 3、当s较大时， 1 2 s
时随着s的增大，电磁转矩T的增大并不是很大。
r2' r2' ' 4、当T达到最大值Tmax时，如果s再增大， 将更小，使得 远小于 x1 x 2 s s r2' ，此时 可略去不计，则电磁转矩T随s的增加而减小。 s
第5章
5.1
异步电动机的电力拖动
三相异步电动机的机械特性
5.1 三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性是指在电压和频率一定
情况下，转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=f(T)。
由于异步电动机的转速n与转差率s之间存在着一定 的关系，所以异步电动机的机械特性通常也可用s=f(T)的 形式表示。 1、固有机械特性的分析 三相异步电动机的固有机械特性是指感应电动机工作在 额定电压和额定下，按规定的接线方式接线，定、转子外界
三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机的机械特性（一）机械特性方程1）物理表达式：T=CTФmI2’cosф2 (T是电磁作用的结果)2）参数表达式：3) 工程表达式：——外施电源电压；——电源频率；——电机定子绕组参数；——电机转子绕组参数。
（二）固有机械特性曲线1．形状(根据工程表达式来说明)AB段（s较大）：为双曲线，T与S成反比。
BO段(s很小)：为直线，T与S成正比。
向左转|向右转2．起动点A，n=0,S=1，起动转矩倍数KT=TS/TN 一般取0.8~1.83.临界点B临界转差率只与转子电阻有关. 取0.1~0.2最大转矩与电源电压UI2有关。
过载能力λ=Tm/TN取1.6~2.24.同步点On=n1 T=0 (理想的空载转速，旋转磁场的转速 )5.额定点C0< SN <Sm取0.02~0.06在该点附近有TN=9550PN/nN（三）人为机械特性1、降低定子电压的人为机械特性——“变瘦”当定子电压U1 降低时，电磁转矩T与U1 的平方成正比，故同步转速不变，Sm不变，最大转矩Tm 和起动转矩TS 随电压平方降低。
其特性曲线（红色）所示。
向左转|向右转2、转子串电阻的人为机械特性——“变软”当转子回路串电阻时，同步点不变，Sm与转子电阻成正比，转速随电阻增加而减小，最大转矩Tm保持不变，在一定范围内起动转矩有所增加，其特性曲线（红色）所示向左转|向右转3、降低定子电压频率的人为机械特性——“变小”降低定子电压频率时，同步转速随之下降，从而使得电机转速下降，但特性的硬度基本保持不变。
电动机在工作时要求主磁通保持不变，因此在降低频率的同时，定子电压也要随之降低。
向左转|向右转滑动轴承和滚动轴承的优缺点的比较时间：2012-07-25来源：阿里巴巴资讯摘要：现在市场上轴承越来越多，最常见的就是滚动轴承和滑动轴承，下面看一下两种轴承的比较.现在市场上轴承越来越多，最常见的就是滚动轴承和滑动轴承，下面看一下两种轴承的比较.滚动轴承是在滚动摩擦下工作的进口轴承。
三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
利用先进的传感器、控制器和算法，实现三相异 步电动机的智能控制，提高电机响应速度和运行 稳定性。
集成化设计
将电机、减速器和控制器等部件集成在一起，形 成紧凑、高效的一体化系统，降低整体能耗和成 本。
面临的挑战与问题
效率与能耗
尽管三相异步电动机在许多领域已经取得了显著的节能效果，但在 高负载、高转速等极端工况下，仍存在较大的能耗和效率提升空间 。
电磁转矩的大小取决于定子电流的幅值、频率、电动机的磁路结构、转子电阻以 及气隙长度等因素。
电磁转矩的影响因素
定子电流
电源频率
定子电流的大小直接影响电磁转矩的大小 。随着电流幅值的增加，电磁转矩将增大 。
电源频率的变化也会影响电磁转矩的大小 。随着频率的升高，旋转磁场的转速增加 ，导致转子电流和电磁转矩的增大。
改变转差率调速
通过改变转差率的大小来调节 电动机的转速，实现有级调速 。
改变极对数调速
通过改变电动机的极对数来调 节转速，实现有级调速。
转子电阻调速
通过改变电动机转子电阻的大 小来调节转速，实现有级调速
。
控制策略与实现
矢量控制
通过控制电动机的励磁和转矩来实现 精确控制，常用在高性能的调速系统 中。
负载转矩
负载转矩的变化对电动机的转速和转矩也有显著 影响，负载增大，转速下降，转矩增大。
电机参数
电机的参数如电阻、电感等也会影响机械特性， 这些参数的变化会导致电动机性能的变化。
机械特性的应用场景
调速控制
通过改变电源电压或频率，可以实现对电动机转速的精确控制， 广泛应用于各种需要调速的场合。
负载匹配
三相异步电动机可以通过直接启 动、降压启动或软启动等方式启
电工技术：三相异步电动机的转矩与机械特性
二、机械特性
2.人为机械特性
人为地改变电动机地任一个参数（如U1、f1、p、定子回路电阻或电抗、转子 回路电阻或电抗)的机械特性称为人为机械特性。
R2 m1 p U s T 2 R2 ' 2 2f1 ( R1 ) ( X1 X 2 ) s
2 1
二、机械特性
一、电磁转矩
2.参数表达式
Pem T 1
2 m1 I 2
R2 2 R2 m1 pU1 S S 2 2f 1 R2 2 2f 1 R1 ＋ X 1 X 2 p S
T与电源参数（Ｕ1、f1）、结构参数（R、X、m、p）和运行参数（s）有关。 参数表达式用来分析或计算参数的变化对三相异步电动机运行性能的影响。
适用于绕线型异步电动机。
三相异步电动机的人为机械特性很多：
• 降低定子端电压的人为特性； • 改变转子回路的电阻的人为特性；
• 改变定转子回路电抗的人为特性；
• 改变极数后的人为特性； • 改变输入频率的人为特性等 一般重点研究降低定子端电压的人为特性和改变转子回路电阻的人为特性。
二、机械特性
（1） 降ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时的人为机械特性
一、电磁转矩
3.实用表达式
2Tmax T S Sm Sm S
TN 9.55 PN nN
实用表达式应用于工程计算中。 通过铭牌数据求取电动机转矩的方法。
Tmax
PN mTN 9.55m nN
S m S N m 2 m 1
二、机械特性
电动机电磁转矩与转速之间的关系曲线，称为电动机的机械特性。
电压下降： • 理想空载速度不变； 定子电压 变化
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第二节三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
三相异步电动机转轴上产生的电磁转矩是决定电动机输出的机械功率大小的一个重要因素，也是电动机的一个重要的性能指标。
一、三相异步电动机的转矩特性
1、电磁转矩的物理表达式
三相异步电动机的工作原理告诉我们，电磁转矩是旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生的，设旋转磁场每极的磁通量用Φ表示，它等于气隙中磁感应强度平均值与每极面积的乘积。
Φ表示了旋转磁场的强度。
设转子电流用I2表示。
根据电磁力定律，电磁转矩T em应与Φ成正比、与I2也成正比，即T em∝Φ·I2。
此外转子绕组是一个感性电路，转子电流I2滞后于感应电动势E2，它们之间的相位差角是。
考虑到电动机的电磁转矩对外做机械功，与有功功率相对应。
因此电磁转矩T em还与转子电路的功率因数cos有关，即与转子电流的有功分量I2cos(与E2同相位的电流分量)成正比。
总结以上分析，可列出异步电动机的电磁转矩方程
式中KT是一个与电动机本身结构有关的系数。
该公式是分析异步电动机转矩特性的重要依据。
2、转矩特性
电磁转矩与转差率之间的关系T em＝(S)称为电动机的转矩特性。
可以推得
式中KT’、转子电阻R2、转子不动时的感抗X20都是常数，且X20远大于R2。
由于上式用电机定、转子绕组中的电阻、电抗等参数反映电磁转矩T em和转差率S之间的关系，所以上式又称之为电磁转矩的参数表达式。
由转矩的表达式(4-5)可知，转差率一定时，电磁转矩与外加电压的平方成正比，即T em∝U12。
因此，电源电压有效值的微小变动，将会引起转矩的很大变化。
当电源电压U1为定值时，电磁转矩T em是转差率S的单值函数。
图4-13画出了异步电动机的转矩特性曲线。
二、三相异步电动机的机械特性
当电源电压U1和转子电路参数为定值时，转速n和电磁转矩T的关系n=f（T）称为三相异步电动机的机械特性。
机械特性曲线可直接从转矩特性曲线变换获得。
将图4-15中的转矩特性曲线顺时针转动90°，并将s换成n就可以得到三相异步电动机的机械特性曲线，如图4-16所示。
1、四个工作点
在机械特性曲线中要抓住以下几个工作点。
●额定工作点C
三相异步电动机额定状态下运行，转速n=nN，s=sN，轴上的输出转矩即为带动轴上的额定机械负载的额定转矩TN，额定转矩TN为与额定功率PN和额定转速nN关系可用下式表示：
式中PN——电动机轴上输出的额定功率（kW）
nN——电动机额定转速（r/min）
TN——电动机上的输出的额定转矩（N?m）
在忽略电动机本身的机械损耗转矩（如轴承摩擦等）的情况下，可以认为电磁转矩TemN
与轴上的输出的额定转矩相等，经推导有
式中P2——电动机轴上输出的机械功率（kW）；
n——电动机转速（r/min）。
2）临界工作点B
从曲线中可以看出，曲线的形状以B点为界，AB段与BC段的变化趋势是完全不同的，B点就是一个临界点，并且B点对应的电磁转矩即为电机的最大转矩Tm，B点对应的转差率sm 为临界转差率。
可以证明，产生最大转矩时的临界转差率Sm为
从上两式可见，
●Tm与电源电压U1的平方成正比。
不同U1时的机械特性曲线如图4-15所示。
由图可见，对于同一负载转矩T2，当电源电压U1下降时，电动机转速也随之下降。
如果电源电压U1继续下降，使负载转矩T2超过电动机的最大转矩Tm时，电动机将停止转动，转速n=0。
这时电动机电流马上升高到额定电流的若干倍，电动机将因过热而烧毁，这种现象称为“闷车”或“堵转”。
●最大转矩Tm与转子电阻R2无关，但临界转差率Sm与转子电阻R2成正比。
改变R2能使Sm随之改变，例如增加R2，n＝( T em)曲线便向下移动(如图4-16)。
（3）为了保证电动机在电源电压发生波动时，仍能够可靠运行，一般规定最大转矩Tm 应为额定转矩TN的数倍，用λm表示，称为过载系数，即
（4-12）
过载系数λm表示了电动机允许的短时过载运行能力，是异步电动机的一个重要指标。
λm越大，电动机适应电源电压波动的能力和短时过载的能力就越强。
一般三相异步电动机的过载系数λm为1.8~2.5。
●起动工作点A
电动机起动瞬间，n= 0，s=1，所对应的电磁转矩Tst称为起动转矩。
Tst与电源电压U1的平方以及转子电阻R2成正比。
显然，只有在Tst大于负载转矩T2时，电动机才能起动。
Tst越大，电动机带负载起动的能力就越强，起动时间也越短。
Tst与TN的比值称为起动系数，用Kst表示，即
（4-13）
一般笼形转子异步电动机的Kst约为0.8~2。
由图4-16可见，改变转子电阻R2，可使起动转矩Tst=Tm，这在生产上具有实际的意义。
例如绕线转子异步电动机起动时，通过在转子电路中串入适当电阻，不仅可以减小转子电流，还可以起到增加起动转矩的作用。
●理想空载转速点D
曲线与纵坐标的交点即为理想空载转速点D，此时对应的n=n1为同步转速，s=0，电磁转矩T em=0。
但实际运行时，由于存在风阻、摩擦等损耗，所以实际转速略低于同步转速n1，故称D点为理想空载转速点。
2、稳定工作区与非稳定工作区
如图4-14所示，机械特性曲线可分为两部分：BD部分(0<S<Sm)称为稳定区，AB部分(S>Sm)称为不稳定区。
电动机稳定运转只限于曲线的BD段。
电动机在0<S<Sm区间运行时,只要负载阻转矩小于最大转矩Tm，当负载发生波动时,电磁转矩总能自动调整到与负载阻转矩相平衡，使转子适应负载的增减以稍低或稍高的转速继续稳定运转。
如果电动机在稳定运行中，负载阻转矩增加超过了最大转矩，电动机的运行状态将沿着机械特性曲线的BD部分下降越过B点而进入不稳定区，导致电动机停止运转。
因此,最大转矩又称崩溃转矩。
由机械曲线可推知：
（1）异步电动机稳定运行的条件是S<Sm，即转差率应低于临界转差率。
（2）如果从空载到满载时转速变化很小，就称该电动机具有硬机械特性。
上述表明，三相异步电动机具有硬机械特性。
（3）需要说明的是，上述负载是不随转速而变化的恒转矩负载，如机床刀架平移机构等，它不能在S〉Sm区域稳定运行；但风机类负载，因其转矩与转速的平方成正比，经分
析，可以在S〉Sm区域稳定运行。