4.1.5.1　三相感应电动机的电路特性

异步电动机通过电磁感应方式把定子边的电功率转换成转子边的机械功率。异步电动机其运行原理类似于变压器，即若定子为原端绕组，转子则相当于副端绕组。区别在于，原端（定子）绕组和副端（转子）绕组中的感应电动势均由旋转磁场产生的，而在电动机运行中的旋转磁场是由定子绕组和转子绕组产生的合成磁场。异步电动机的工作原理和分析方法与变压器比较有很多类似之处。

三相异步电机的每相等效电路如图4.5所示。

图4.5　三相异步电动机的每相等效电路

图4.5中的E1和E2分别为旋转磁场在定子绕组和转子绕组上产生的感应电动势；R1和R2分别为定子绕组和转子绕组上的电阻；Xσ1和Xσ2分别为定子磁路和转子磁路漏磁通产生的感抗；N1和N2分别为定子和转子绕组的匝数。

感应电动机的工作特性是指在额定电压、额定频率、额定接法及定、转子回路不接阻抗的情况下，电动机从空载到额定负载的运行范围内，其转速、电磁转矩、定子电流、功率因素及效率跟输出功率的关系。对于中小型电动机可以用直接负载法测出其工作特性；对于大容量感应电动机因受到设备的限制，通常是由空载和短路试验测出电机的参数。然后再利用等值电路来计算出工作特性。

1.转速特性

当P2=0空载时，n≈n1，S≈0，而当输出功率P2=T2ω增加时，T2的增加要求与之平衡的电磁转矩T也增加，故转子对气隙磁场的相对切割速度Δn=n-n1=Sn1必须增加，即转差率S要随P2增加而增加，S=f（P2）特性如图4.6所示。

图4.6　感应电动机的工作特性

当S增加时，转速n下降，但是为了使电动机具有较高的效率，要求转子铜耗PCu2=SPM较小。所以在一般用途的感应电动机，额定运行时的转差率很小且控制在0.015~0.05之间。因此电动机从空载到满载时转速从n1降到nN=（1-SN）n1=（0.985-0.95）n1，变化不大，表现出转速特性n=f（P2）下降的程度不大。

2.定子电流特性

在空载时I1≈Im，随着负载P2增加，S增大及I＇2增加，使与之对应的定子电流中的负载分量增加，因此I1几乎随P2成正比例增加，其特性I1=f（P2）如图4.6所示。

3.电磁转矩特性

三相感应电动机的电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力对电机的转子产生了电磁转矩，由此可见，电磁转矩是由转子电流和旋转磁场共同作用所产生的结果。

感应电动机从空载到满载，其转速n及主磁通Φm基本保持不变，所以机械损耗Pω及附加损耗PΔ基本不变。因而空载转矩T0可视为不变，但输出转矩近似于P2成正比例增加，所以T=T2+T0=f（P2）是近似于上升的直线。

三相感应电动机的转矩与每相电压的有效值的平方成正比，即当电源电压、转子电阻变动时，转矩会受到极大的影响。当电压和转子电阻一定时，电磁转矩还会受到转差率的影响，T=f（s）关系就称为异步电动机的机械特性了。

4.定子功率因素特性

空载时基本上是无功电流，有cosφ10<0.2。当负载增加时，定子电流的有功分量增加，使得cosφ1<φ10，所以cosφ1增加，一般电机都设计成在额定负载时cosφN最高。超过额定负载时，过大的I＇2及φ＇2使得φ＇1增大，所以cosφ1又降低，具体相图可以参阅相关资料。

5.效率特性

感应电动机的效率公式可以表达如下

从空载到满载时（Pω+PFe+PΔ）可视为不变，称为不变损耗，而（PCu1+PCu2）是随负载P2而变化的，称为可变损耗。当P2=0空载时有η=0；当P2开始增加时η表达式的分子比分母增长要快，所以效率升高；而当负载加大到使可变损耗等于不变损耗时（对于一般的电机此时正好是额定负载PN），效率达到最高；若负载再增加，由于（PCu1+PCu2）与电流平方成比例增加，η表达式的分母增长比分子快，使得效率反而降低，η=f（P2）特性如图4.6所示。

由于感应电动机cosφ1及η都在额定负载附近达到最大值，所以电动机的容量选择应尽量在其额定状态下运行，而不宜在空载或轻载状态下长期运行，否则cosφ1及η都很低，能量消耗就会很大。

4.1.5.2　异步电动机的机械特性

U1和R2一定时，转矩与转差的关系曲线T=f（S）或转速与转矩的关系曲线n=f（T），统称为电动机的机械特性曲线。根据以T为函数，以S为变量可做出如图4.7所示的T=f（S）曲线。(www.daowen.com)

若将T=f（S）曲线顺时针方向旋转90°，将横过来的T轴下移，则是n=f（T）的关系曲线，如图4.8所示。

图4.7　T=f（S）特性曲线图

图4.8　n=f（T）特性曲线

为了理解三相异步电动机机械特性的特点，下面着重讨论几个反映电动机工作的特殊运行点。

1.额定转矩TN

额定转矩对应于图4.8所示机械特性的b点。额定负载转矩可从电动机铭牌数据给出的额定功率P2N（注意：电动机铭牌数据给出的功率是输出到转轴上的机械功率，而不是电动机消耗的电功率）和额定转速nN求得

式中：功率的单位是k　W，转速的单位是r/min，转矩的单位是N·m。

当电动机运行过程中，负载通常会变化，如电动机机械负载增加时，打破了电磁转矩和负载转矩间的平衡，此时负载转矩大于电磁转矩，电动机的速度将下降，而旋转磁场对于转子的相对速度加大，旋转磁场切割转子导条的速度加快，导致转子电流I2增大，从而电磁转矩增大，直到与负载转矩相等。

这样电动机在一个略低于原来转速的速度下平稳运转，所以电动机有载运行一般工作在图4.8所示的机械特性较为平坦的ac段。

2.最大转矩Tmax

最大转矩Tmax对应于图4.8所示机械特性上的c点，在这点上对应的转差率为Sm（图4.7）。对电磁转矩公式进行求导，并令其导数等于零，可得出转差率为Sm的表达式，即可得与其对应的最大转矩Tmax。

由式（4.6）可见：Tmax与电源电压U1的平方成正比，与XS20成反比，而与R2无关；而Sm与R2成正比，与S20X成反比。

Tmax与U1及R2的关系曲线分别如图4.9和图4.10所示。

图4.9　R2不变，U1变化的n=f（T）特性曲线

图4.10　U1不变，R2变化时的n=f（T）特性曲线

当异步电动机的负载转矩超过最大转矩Tmax时，电动机将发生“堵转”现象，此时电动机的电流是额定电流的数倍，若时间过长，电动机剧烈发热，烧坏电动机。电动机负载转矩超过Tmax的称为过载，常用过载系数λm来标定异步电动机的过载能力，即

一般三相异步电动机的过载系数：λm=1.6~2.5。

3.启动转矩Tst

启动转矩Tst对应于图4.8所示机械特性上的d点，启动转矩Tst是电动机运行性能的重要指标。如果启动转矩小，电机的启动很困难，甚至不启动。

在电动机启动时，n=0，S=1，将S=1代入电磁转矩公式可得

由式（4.8）可以看出，异步电动机的启动转矩同电源电压U1的平方成正比，再参看图4.9，当U1降低时，启动转矩Tst明显降低。结合前面的最大转矩，电源电压的波动将极大地影响异步电动机的过载和启动能力，这个问题在使用异步电动机时要充分重视。

结合式（4.8）和图4.10所示可知：当转子电阻R2适当加大时，最大转矩Tmax没有变化（最大转矩同R2无关），但启动转矩Tst会加大，这是因为转子电路电阻增加后，提高了转子回路的功率因数，转子电流的有功分量增大（此时E20一定），因而启动转矩增大。通常将机械特性上的启动转矩与额定转矩之比称为启动系数，即

启动系数是衡量电动机启动能力的重要数据，一般λst=1~1.2。