3.2三相异步电动机的运行

2．了解三相异步电动机的机械特性。

3．熟悉三相异步电动机的功率关系。

4．了解三相异步电动机的工作特性。

2．了解三相异步电动机的机械特性。

2．了解三相异步电动机的机械特性。

新、补

充及删减

二、空载运行与负载运行

三、机械特性

1、起动转矩及起动过程

2、额定转矩

3、最大转矩

四、三相异步电机的工作特性

1、转速特性

2、定子电流特性

3、定子功率因数特性

4、电磁转矩特性

5、效率特性

新授

三相异步电动机的运行特性主要是指三相异步电动机在运行时，电动机的功率、转矩、转速相互之间的关系。

一、电磁转矩

所谓电磁转矩即是电动机由于电磁感应作用，从转子转轴上输出的作用力矩。它是衡量三相异步电动机带负载能力的一个重要指标。

为了更好地使用三相异步电动机，我们必须要首先弄清楚电磁转矩同哪些物理量有关。由于电动机的转子是通过旋转磁场与转子绕组之间的电磁感应作用而带动的，因此电磁转矩必然与旋转磁场的每极磁通Φ和转子绕组的感应电流I2的乘积有关。此外，它还受到转子绕组功率因数 

的影响。根据理论分析，电磁转矩T可用下式确定，即

式中   异步电动机的转矩常数，它与电动机的结构有关；

式（3-4）没有反映电磁转矩的一些外部条件，如电源电压U1、转子转速n2以及转子电路参数之间的关系，对使用者来说，应用上式不够方便。为了直接反映这些因素对电磁转矩的影响，可以对上式进一步推导（过程略），最后得出

式中，K是与电机结构有关的常数；R2是转子电阻；X20是电动机转速n＝0时转子的感抗(此时转子中电流的频率为 

由上式可知，电磁转矩与定子每相电压U1的平方成正比，电源电压的波动对转矩影响较大。同时，电磁转矩T还受到转子电阻R2的影响。

二、空载运行与负载运行

空载运行是指在额定电压和额定频率下，三相异步电动机的轴上没有任何机械负载的运行状态。在空载运行的情况下，三相异步电动机所产生的电磁转矩仅克服了电动机的机械摩擦，风阻的阻转矩，所以是很小的。因为电动机所受到的阻转矩很小，所以电动机的转速非常接近旋转磁场的同步转速n0，即n≈n0。在这种情况下，可以认为旋转磁场不切割转子绕组，转子绕组中的感应电动势和感应电流接近为0，转子电路相当于开路。受其影响，定子绕组中的电流I1也较小，并且I1在相位上滞后定子外加电压U1接近90º， 

当三相异步电动机轴上带有机械负载以后，电动机处于负载运行状态。在负载运行状态下，电动机除了要克服机械摩擦、风阻的阻转矩以外，还要克服外加负载在电动机轴上所产生的阻转矩。此时，电动机的转速n要下降，以同步转速n0旋转的旋转磁场与转子绕组之间的相对转速增大，于是转子绕组中的感应电动势和感应电流都增大了。受其影响，电动机定子电流I1也要随着转子电流的增加而增大，定子电路的功率因数得以提高，电网输送给电动机的有功功率也随之增加，电能得到了较好地利用。 

三、机械特性

在电源电压U1和转子电阻R2为定值时，三相异步电动机转子转速随着电磁转矩T变化的关系曲线          称为异步电动机的机械特性

由于异步电动机还常常用转差率s表示转子转动的快慢，因此，机械特性也可以用电磁转矩随转差率s变化的关系曲线       来表示。图3-16示出了 

机械特性曲线。下面我们通过特性曲线来对电动机的运行性能进行分析。 

1．起动转矩Tq及起动过程

电动机接通电源，尚未转动(n＝0，s＝1)时的转矩称为起动转矩。从图3-16上可以看出，当起动转矩Tq大于转轴上的阻转矩时，转子就旋转起来并在电磁转矩作用下逐渐加速。此时，电磁转矩也逐渐增大(沿cb段上升)到最大转矩Tmax。随着转速的继续上升，曲线进入到ba段，电磁转矩反而减小。最后，当电磁转矩等于阻转矩时，电动机就以某一转速作等速旋转. 

如果改变电源电压U1或改变转子电阻R2则可以得到图3-17所示一组特性曲线，从图3-17a中可知，当电源电压U1降低时，起动转矩Tq会减小。而在图3-17b中当转子电阻R2适当增大时，起动转矩也会随着增大。

起动转矩与额定转矩的比值λq＝Tq/   反映了异步电动机的起动能力。一般

λq＝0.9～1.8。 

异步电动机长期连续运行时，转轴上所能输出的最大转矩，或者说是电动机在额

定负载时的转矩，叫做电动机的额定转矩，用   表示。从物理学受力平衡的观点

出发，电动机在匀速运行时，电动机的电磁转矩T必须与电动机负载所产生的阻转矩Tc相平衡。若不考虑空载损耗转矩(主要是机械摩擦和风阻所产生的阻转矩)，

则可以认为电磁转矩T应该与电动机轴上输出的机械负载转矩T2相等。即 

式中，P2是电动机轴上输出的机械功率，单位为W；T是电动机的电磁转矩，单位是N·m；n是转速，单位是r/min。

功率如果用千瓦为单位时，则上式变为

从电动机铭牌上的额定功率和额定转速，可以求得电动机的额定转矩 

【例3-3】  已知某两台三相异步电动机的额定功率均为55kW，电源频率为50Hz。其中第一台电动机的磁极数为2，额定转速为2960r/min；第二台电动机的磁极数为6，额定转速为980 r/min。试求它们的转差率及额定转矩各为多少?

解：已知电动机的额定功率为P2N1＝P2N2＝55kW，频率         ，极对数

p1＝1 

对，p2＝3对，额定转速为n1＝2960r/min，n2＝980 r/min。

(1)因为                ，

通常，三相异步电动机一旦起动，很快就会沿着起动特性曲线进入机械特性曲线的ab段稳定运行。电动机在ab段工作时，若负载增大，则因为阻转矩大于电磁转矩，电动机转速开始下降；随着转速的下降，转子与旋转磁场之间的转差增大，于是转子中的感应电动势和感应电流增大，使得电动机的电磁转矩同时在增加。当电磁转矩增加到与阻转矩相等时，电动机达到新的平衡状态。这时，电动机以较低于前一平衡状态的转速稳定运行。

从特性图上还可以看出，ab段较为平坦，也就是说电动机从空载到满载对其转速下降很少，这种特性称为电动机的硬机械特性。具有硬机械特性的三相异步电动机适用于一般的金属切削机床。

3．最大转矩Tmax

从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值，它被称为最大转矩或临界转矩Tmax。对应为最大转矩所对应的转差率称为临界转差率,用sm表示。一旦负载转矩大于电动机的最大转矩，电动机就带不动负载，转速沿特性曲线bc段迅速下降到0，发生闷车现象。此时，三相异步电动机的电流会升高6～7倍，电动机严重过热，时间一长就会烧毁电动机。 

显然，电动机的额定转矩应该小于最大转矩，而且不能太接近最大转矩，否则电动机稍微一过载就立即闷车。三相异步电动机的短时容许过载能力是用电动机的最大转矩Tmax与额定转矩之比来表示，我们称之为过载系数λ，即 λ＝Tmax/ 

一般三相异步电动机的过载系数λ＝1.8～2.5，特殊用途(如起重、冶金)的三相异步电动机的过载系数λ可以达到3.3～3.4或更大。 

最后，从图3-17还能看出，三相异步电动机的最大转矩还与定子绕组的外加电压U1有关，实际上它与U12成正比。也就是说当外加电压U1由于波动变低时，最大转矩Tmax将减小。但是，转子电阻R2对最大转矩没有影响。 

【例3-4】  有一台三相异步电动机，其额定数据如下：  ＝40kW，n＝1470r/min，

U1＝380V，η＝0.9，             ， λ＝2，λq＝1.2。 试求：（1）额定电流；（2）

转差率；（3）额定转矩、最大转矩，起动转矩。

解  （1） 

（2）由n＝1470r/min，n≈n0可知，电动机是四极的，p＝2， 

                                            ，所以  

（3）

Tq＝λq   ＝1.2×259.9＝311.9N·m

四、三相异步电动机的工作特性

为了正确合理地使用电动机，提高运行效率，节约能源，应利用电动机的工作特性了解不同负载情况下电动机的运行情况。

在电源电压   和频率   为额定值时，电动机的转速n、定子电流   功率因数 

       电磁转矩T以及效率η与输出功率    之间的关系，称为电动机的工作特性。即 

                   时， 的关系。上述关系曲线可以通过直接给异步电动机加负载测得，也可以利用等值电路的参数计算得出。图3-18为三相异步

电动机的工作特性曲线。

图3-18 异步电动机的工作特性 

1．转速特性 

三相异步电动机空载时，转子的转速n接近于同步转速   。随着负载的增加，

转速n要略微降低，这时转子电动势增大，从而使转子电流增大，以产生较大

的电磁转矩来平衡负载转矩。因此，随着  的增加，转子转速n下降， 转差 

增大。转速特性是一条硬特性。

2．定子电流特性 

异步电动机定子电流  ，随输出负载的增大而增大，其原理与变压器一次侧电流

                                                        比变压器大得多，约为

额定电流的20%～50%。当  >   时，由于       降低， 增加更快。 

3．定子功率因数特性 

异步电动机空载电流  是产生工作磁通的励磁电流，是感性的，所以空载时的功率因数很低，一般在0.2左右，电动机轴上带机械负载后，随着输出功率的增大，功率因数逐渐提高，到额定负载时一般为0.7-0.9左右。超过额定负载时，由于转差率较大，转子的功率因数下降较多，引起定子电流中的无功分量也增大，因此功率因数        趋于下降。

4．电磁转矩特性 

5．效率特性 

电动机的效率η是指其输出机械功率  与输入电功率   的比值，即: 

其中：  为铜损耗；  为铁损耗；  为机械损耗；  为附加损耗。空载时   =0，而 

  >0，故η=O；随着负载的增大，η开始时上升很快，后因铜损耗迅速增大 (铁损和机械损耗基本不变)，η反而有所减小，η的最大值一般出现在额

定负载的80%附近，中小型异步电动机的最高效率约为80%～90%。 

由图3-18可见，三相异步电动机在其额定负载的70%～100%运行时，其功率因数和效率都比较高，因此应该合理选用电动机的额定功率，使它运行在满载或接近满载的状态，尽量避免或减少轻载和空载运行的时间。