三相異步電動(dòng)機(jī)
1 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性
機(jī)械特性的表達(dá)式
機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem 之間的關(guān)系，即以n＝f（Tem ）或s=f（Tem ）的形式表示。電磁轉(zhuǎn)矩有三種表達(dá)式，即物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式和實(shí)用表達(dá)式。
（1）物理表達(dá)式
物理表達(dá)式雖然反映了異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì)，但并沒有直接反映出電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，更沒有明顯地表示電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。因此，分析或計(jì)算異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性時(shí)，一般不采用物理表達(dá)式，而是采用下面介紹的參數(shù)表達(dá)式。
（2）參數(shù)表達(dá)式
異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式為
式中，m1 為定子相數(shù)；p為磁極對(duì)數(shù)；U1 為定子相電壓；f1 為電源頻率；r1 和x1 為定子每相繞組的電阻和漏抗； r'2和 x'2為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻和漏抗。上述參數(shù)都是不隨轉(zhuǎn)差率s變化的常量。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s（或轉(zhuǎn)速n）變化時(shí)，可由式（5.2）算出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem ，因而可以作出機(jī)械特性曲線如圖5.1所示。
圖5.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性
機(jī)械特性分析
在第一象限：0＜n＜n1 ，0＜s＜1，n、Tem 均為正，電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)；
在第二象限：n＞n1 ，s＜0，n為正，Tem 為負(fù)，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；
在第四象限：n＜0，s＞1，n為負(fù)，Tem 為正，電機(jī)處于電磁制動(dòng)狀態(tài)。
臨界轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩
在機(jī)械特性曲線上，轉(zhuǎn)矩有兩個(gè)最大值，一個(gè)出現(xiàn)在電動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)出現(xiàn)在發(fā)電狀態(tài)。最大轉(zhuǎn)矩Tm 和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率sm （稱為臨界轉(zhuǎn)差率）分別為
式中，“＋”號(hào)對(duì)應(yīng)電動(dòng)狀態(tài)；“-”號(hào)對(duì)應(yīng)發(fā)電狀態(tài)。
通常r1 ＜＜（x1 +x'2 ），故式（5.3）、式（5.4）可近似為
分析sm 、Tm 表達(dá)式可得出結(jié)論
Tm 正比于U21 ，說明Tm 對(duì)電壓波動(dòng)非常敏感；
sm 與 r'2成正比，Tm 與 r'2無關(guān)；
sm 、Tm 均與（x1 + x'2）成反比。
最大電磁轉(zhuǎn)矩Tm 對(duì)電動(dòng)機(jī)來說具有重要意義。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，若負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然增大，且大于最大電磁轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)將因?yàn)槌休d不了而停轉(zhuǎn)。為了保證電動(dòng)機(jī)不會(huì)因短時(shí)過載而停轉(zhuǎn)，一般電動(dòng)機(jī)都應(yīng)具有一定的過載能力。顯然，最大電磁轉(zhuǎn)矩愈大，電動(dòng)機(jī)短時(shí)過載能力愈強(qiáng)，因此把最大電磁轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為電動(dòng)機(jī)的過載能力，用過載系數(shù)λT 表示，即
注：一般電機(jī)取λT ＝1.6～2.2，起重機(jī)、冶金電機(jī)取λT ＝2.2～2.8。
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
在圖5.1所示的機(jī)械特性曲線中還反映了電動(dòng)機(jī)另外一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)，就是電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst 。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)接通電源瞬間（n=0）時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，它標(biāo)志著電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力，只有在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的情況下電動(dòng)機(jī)才能啟動(dòng)。n=0時(shí)s=1，將s=1代入式（5.2）可得啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式
分析Tst 表達(dá)式可得結(jié)論
Tst 正比于 ；
Tst 與（x1 + ）成反比；
在一定范圍內(nèi)，Tst 正比于r'2 ，故繞線電機(jī)可采用轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的方法以增大Tst 。
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst 與額定轉(zhuǎn)矩TN 之比稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，用kst 表示，即
kst 是表達(dá)電動(dòng)機(jī)性能的一個(gè)重要參數(shù)，它反映了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)能力的大小。一般電動(dòng)機(jī)取1.0～2.0，起重機(jī)、冶金電機(jī)取2.8～4.0。
（3）實(shí)用表達(dá)式
機(jī)械特性的參數(shù)表達(dá)式清楚地表示了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差率與電動(dòng)機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，用它分析各種參數(shù)對(duì)機(jī)械特性的影響是很方便的。但是，針對(duì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的具體電動(dòng)機(jī)而言，其參數(shù)是未知的，欲求其機(jī)械特性，使用參數(shù)表達(dá)式顯然是困難的。因此希望能夠利用電動(dòng)機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和銘牌數(shù)據(jù)求得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，即機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式。
在忽略r1 的條件下，用電磁轉(zhuǎn)矩公式（5.2）除以最大轉(zhuǎn)矩公式（5.6），并考慮到臨界轉(zhuǎn)差率公式（5.5），化簡后可得電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式
2 三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性
三相異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性就是電動(dòng)機(jī)在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定的接線方式接線，定子和轉(zhuǎn)子電路不外接電阻或電抗時(shí)的機(jī)械特性。當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，其固有機(jī)械特性如圖5.2所示，現(xiàn)對(duì)固有機(jī)械特性進(jìn)行分析。
圖5.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的固有特性
(1）啟動(dòng)點(diǎn)A
開始啟動(dòng)瞬間，n＝0，s＝1，Tem =Tst ，I1 ＝Ist ＝（4～7）IN 。
（2）最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)B
B點(diǎn)是機(jī)械特性曲線中的線性段（D→B）與非線性段（B→A）的分界點(diǎn)，此時(shí)：s=sm ，Tem =Tm 。B點(diǎn)也是電動(dòng)機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行的臨界點(diǎn)，臨界轉(zhuǎn)差率sm 也是由此而得名。
(3）額定運(yùn)行點(diǎn)C
額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率很小，一般s＝0.01～0.06，所以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速略小于同步轉(zhuǎn)速，這也說明了固有特性的線性段為硬特性。
（4）同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)D
D點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)即同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)，此時(shí)Tem =0。如果沒有外界轉(zhuǎn)矩的作用，異步電動(dòng)機(jī)本身不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。
3 三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性
三相異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性是指人為地改變電源參數(shù)或電動(dòng)機(jī)參數(shù)而得到的機(jī)械特性。可以改變的電源參數(shù)有電壓U1 和頻率f1 ；可以改變的電動(dòng)機(jī)參數(shù)有磁極對(duì)數(shù)p、定子電路參數(shù)r1 和x1 ，以及轉(zhuǎn)子電路參數(shù) r'2和x'2 等。所以，三相異步電動(dòng)機(jī)的人為特性種類很多，這里介紹常見的幾種人為特性。
（1）降低定子電壓時(shí)的人為特性
當(dāng)定子電壓U1 降低時(shí)，Tem 、Tm 、Tst 與電壓 成正比減小，sm 和nl 與Ul 無關(guān)而保持不變，所以可得U1 下降后的人為機(jī)械特性如圖5.3所示。
圖5.3 三相異步電動(dòng)機(jī)降壓時(shí)的人為特性
降低定子電壓可減小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流，但是在降低定子電壓時(shí)，Tem 、Tm 、Tst 與電壓 成正比減小，造成電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間延長，過載能力下降，如果Tst ＜TL ，還會(huì)造成電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)。
如果電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行，U1 降低后將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n下降，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子電流將因轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)增大而增大，從而引起定子電流增大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過載。長期欠壓過載運(yùn)行，必然使電動(dòng)機(jī)過熱，電動(dòng)機(jī)的使用壽命縮短。另外電壓下降過多，可能出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，這時(shí)電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)。
（2）轉(zhuǎn)子電路串接對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性
在繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子三相電路中，可以串接三相對(duì)稱電阻Rst ，如圖5.4（a）所示。由前面的分析可知，此時(shí)n1 、Tm 不變，而sm 則隨外接電阻的增大而增大。其人為機(jī)械特性如圖5.4（b）所示。
圖5.4 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接對(duì)稱電阻 （a）轉(zhuǎn)子串三相對(duì)稱電阻接線圖（b）轉(zhuǎn)子串三相對(duì)稱電阻機(jī)械特性
由圖5.4（b）可見，在一定范圍內(nèi)增加轉(zhuǎn)子電阻，可以增大電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)所串接的電阻（如圖5.4（b）中的RS3 ）使其sm ＝1時(shí)，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，如果再增大轉(zhuǎn)子電阻，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩反而會(huì)減小。另外，轉(zhuǎn)子串接對(duì)稱電阻后，其機(jī)械特性曲線線性段的斜率增大，機(jī)械特性變軟。
轉(zhuǎn)子電路串接對(duì)稱電阻不僅適用于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，還可以對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)和調(diào)速，這些內(nèi)容將在以后幾節(jié)中討論。
（3）定子電路串接對(duì)稱電抗（或電阻）時(shí)的人為特性
在籠型異步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組串接三相對(duì)稱電抗器xst ，如圖5.5（a）所示。定子三相繞組串接三相對(duì)稱電抗器后實(shí)際上與定子三相繞組實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)分壓，降低了定子繞組的電壓，其人為特性與降壓啟動(dòng)的人為特性相似，其不同之處在于電抗器中的電抗和電阻分別與定子繞組的電抗x1 、電阻r1 相串聯(lián)，由式（5.3）可知，臨界轉(zhuǎn)差率sm 減小。根據(jù)前面的分析可知，此時(shí)n1 不變，Tm 、Tst 均隨xst 的增大而減小，其人為機(jī)械特性如圖5.5（b）所示。
圖5.5 異步電動(dòng)機(jī)定子串接對(duì)稱電抗器 （a）電路圖；（b）機(jī)械特性
定子電路串接對(duì)稱電抗一般用于籠型異步電動(dòng)機(jī)的降壓啟動(dòng)，以限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。定子電路串接三相對(duì)稱電阻時(shí)的電路圖和人為特性與串接電抗時(shí)相似。串接電阻的目的同樣是為了限制啟動(dòng)電流，但由于電阻上要產(chǎn)生能量損耗，一般不宜采用。