2.4 机械特性

异步电动机的机械特性是表征转子转速n与电磁转矩T之间关系的特性，以函数n=f（T）表示。机械特性分为固有机械特性和人为机械特性。

2.4.1 固有机械特性

异步电动机在额定电压和额定功率下，用规定的接线方式，在定子和转子电路中不串联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有机械特性，也称自然机械特性。根据式（2-1）和式（2-4），可得函数n=f（T）的曲线，如图2-4所示。

图2-4中，固有机械特性曲线上有4个特殊点：点a、点b、点c和点d，决定了特性曲线的基本形状和异步电动机的运行性能。

1）点a为电动机的空载工作点，此时T=0，n=n₀ ，S=0。电动机的转速n₀为电动机的理想空载转速。

2）点b为电动机的额定工作点，此时T=T_N，n=n_N，S=S_N。电动机的额定转矩T_N见式（2-5）。

式中，P_N为电动机的额定功率；n_N为电动机的额定转速。

在电动机的额定工作点，一般n_N=（0.94～0.95）n₀，S_N=0.06～0.015。

3）点c为电动机的临界工作点，此时T=T_max ，n=n_m，S=S_m。T_max为电动机的最大转矩，是表征电动机运行性能的重要参数之一。S_m为电动机的临界转差率。

将式（2-4）对S求微分，并令dT/dS=0，得到S_m，见式（2-6）。

式中，R₂为转子每相绕组的电阻；X₂₀为电动机不动时（n=0）转子每相绕组的感抗。

将S_m代入式（2-4），得到T_max，见式（2-7）。

依据式（2-6）和式（2-7），最大转矩T_max的大小与定子每相绕组上所加的电压U的平方成正比，与转子电阻R₂无关，但临界转差率S_m与R₂成正比。故若电源电压过低，会使轴上输出转矩明显降低，若小于负载转矩，则会造成电机停转。对于绕线式异步电动机，在转子电路中串接附加电阻会使S_m增大，但不会改变T_max。

通常，把固有机械特性上的最大电磁转矩与额定转矩之比λ_m=T_max/T_N称为电动机的过载能力系数，用于衡量电动机承受冲击负载的能力。一般，三相异步电动机的λ_m=1.8～2.2，而供起重机械和冶金机械用的YZ和YZR型绕线式异步电动机的λ_m=2.5～2.8。

4）点d为电动机的起动工作点，此时T=T_ST，n=0，S=1。T_ST为电动机的起动转矩，它是衡量电动机运行性能的重要指标之一。如果起动转矩太小，在一定负载下电动机有可能起动不起来。

将S=1代入式（2-4），可得T_ST，见式（2-8）。

依据式（2-8），异步电动机的起动转矩与定子每相绕组上所加电压平方成正比。

通常，把固有机械特性上的起动转矩与额定转矩之比λ_ST=T_ST/T_N作为衡量异步电动机起动能力的一个重要数据。一般λ_ST=1～1.2。

在实际应用中，使用式（2-4）计算机械特性比较麻烦，通常使用转矩-转差率特性的实用表达式，见式（2-9），也称规格化转矩-转差率特性。

根据式（2-9），当S≪S_m时，S/S_m≪S_m/S，可忽略S/S_m，此时可使用式（2-10）代替式（2-9）。

依据式（2-10），转矩T与转差率S成正比，即异步电动机的机械特性呈线性关系，工程上常把这一段特性曲线作为直线来处理，称作机械特性曲线的线性段。

2.4.2 人为机械特性

异步电动机的机械特性与电动机的参数、外加电源电压和电源频率有关，人为地改变这些参数而获得的电动机的机械特性称为人为机械特性。

（1）降低电动机电源电压的人为机械特性

依据式（2-2）、式（2-6）、式（2-7）和式（2-8），理想空载转速n₀和临界转差率S_m与电源电压U无关，而最大转矩T_max和起动转矩的T_ST大小均与U²成正比，当降低电源电压U时，n₀和S_m不变，而T_max大大减小。在同一转差率的情况下，人为机械特性与固有机械特性的转矩之比等于二者的电压平方之比。例如，当U_A=U_N时，T_A=T_max；当U_B=0.8U_N时，T_B=0.64T_max；当U_C=0.5U_N时，T_C=0.25T_max。据此，可做出降低电动机电源电压的人为机械特性，如图2-5所示。降低电压后电动机的机械特性线性段的斜率增大。

由此可见，异步电动机对电源电压的波动非常敏感。运行时，如果电压降得太多，会大大降低它的过载能力和起动转矩，甚至可能发生带不动负载和无法启动的现象。此外，电网电压下降时，在负载不变的条件下，电动机的转速将下降，转差率S增大，电流增加，会引起电动机发热，甚至烧坏。

（2）定子电路接入电阻或电抗的人为机械特性

在电动机定子电路中外串电阻或电抗后，电动机定子绕组端电压为电源电压减去定子外串电阻或电抗上的压降。因此，定子电路接入电阻或电抗后，定子绕组相电压将降低。这种情况下的人为特性与降低电源电压时的人为特性相似，如图2-6所示。

在图2-6中，实线1为降低电源电压的人为特性，虚线2为定子电路串入电阻R_1S或电抗X_1S的人为特性。与降低电源电压的人为特性不同的是，定子电路串入R_1S或X_1S后的最大转矩要比直接降低电源电压时的最大转矩大一些。这是因为随着转速的上升和起动电流的减10小，在R_1S或X_1S上的压降减小，加到电动机定子绕组上的端电压自动增大，使最大转矩增大。

（3）改变定子电源频率的人为机械特性

改变定子电源频率f对三相异步电动机机械特性的影响是比较复杂的。一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩T_max保持为恒值。为此，在改变频率f的同时，电源电压U也要做相应的变化，使U/f=常数。这在实质上是使电动机气隙磁通保持不变。在上述条件下，存在n₀∝f，S_m∝1/f，T_ST∝1/f，T_max不变的关系，即随着频率的降低，理想空载转速n₀减小，临界转差率增大，起动转矩增大，而最大转矩基本不变。故对于三相异步电动机，改变定子电源频率的人为机械特性如图2-7所示，其中f_N＞f₁＞f₂。

（4）转子电路串接电阻的人为机械特性

对于线绕式异步电动机，在转子电路内串接对称的电阻R_2r ，如图2-8a所示。此时转子电路中的电阻为R₂+R_2r，由式（2-2）、式（2-6）和式（2-7）可看出，R_2r的串入对理想空载转速n₀和最大转矩T_max没有影响，但临界转差率S_m则随着R_2r的增加而增大。因此，可得转子电路串接电阻的人为机械特性，如图2-8b所示。由图2-8b可知，转子电路串接电阻的人为特性的线性部分的斜率随着转子电路中串接电阻的值的增加而增大，其特性随之变软。

转子电路串入的电阻越大，临界转差率亦越大。可选择适当的电阻R_2r接入转子电路，使T_max发生在S_m=1的瞬间，即最大转矩发生在起动瞬间，以改善电动机的起动性能。