淺論三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線

高光

摘 要：三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線表明了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系，對掌握電動機(jī)工作原理有著重要的意義，本文簡要分析了機(jī)械特性曲線的意義、相關(guān)公式和各量值之間的關(guān)系，以及在電動機(jī)選用和檢修中如何應(yīng)用特性曲線解決問題。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機(jī) 機(jī)械特性

三相異步電動機(jī)機(jī)械特性曲線是指在其他輸入量均保持為規(guī)定的恒定值時(shí)，儀器儀表輸出量與一個(gè)輸入量之間函數(shù)關(guān)系曲線。比如二極管的伏安特性曲線是以電壓U為橫坐標(biāo)、電流I為縱坐標(biāo)畫出的U/I關(guān)系曲線，這種圖像常被用來研究元件的變化特點(diǎn)。還有在電動機(jī)與變壓器課中常見的水泵特性曲線、電焊變壓器特性曲線、同步電動機(jī)特性曲線以及直流電動機(jī)特性曲線等等，這些特性曲線在機(jī)械設(shè)備的選用、元件的分析以及設(shè)備的運(yùn)行檢修等情況中都起到了極其重要的作用，如圖1、圖2所示。

在電動機(jī)與變壓器課的教學(xué)中，學(xué)生如果能夠理解機(jī)械特性曲線的意義，明白各個(gè)數(shù)值的含義及曲線上各個(gè)量值之間的關(guān)系，則對于理解三相異步電動機(jī)的工作原理是很有幫助的。

一、對三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線的認(rèn)知

1.公式的認(rèn)知

根據(jù)認(rèn)知規(guī)律，學(xué)生首先學(xué)習(xí)三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)知識，然后分析旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生，再進(jìn)一步了解轉(zhuǎn)動特點(diǎn)及轉(zhuǎn)差率，學(xué)習(xí)三相異步電動機(jī)主要參數(shù)及相互關(guān)系，最后通過對機(jī)械特性的分析，達(dá)到全面了解電動機(jī)工作原理的目的。

三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線是用橫坐標(biāo)表示電磁轉(zhuǎn)矩T、縱坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n畫出的關(guān)系曲線，公式表示為：

T=9550PN/nN

用函數(shù)表示為：n=f（T）。該曲線表明了電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，表明了電動機(jī)的主要性能指標(biāo)，是選擇電動機(jī)的依據(jù)。

2.公式細(xì)化

三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以有三種表達(dá)形式：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：T=CTфI2cosφ2

此式說明了電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的物理本質(zhì)，是由轉(zhuǎn)子電流有功分量與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的。

（2）參數(shù)表達(dá)式：T=CSr2U12/f1{n22+（SX0） 2}

此式說明了電磁轉(zhuǎn)矩與電源參數(shù)及電動機(jī)參數(shù)之間的關(guān)系，利用該式可以方便地分析各參數(shù)變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響。

（3）實(shí)用表達(dá)式：T=9550PN/nN

此式簡單、便于記憶，是工程計(jì)算中常采用的形式。

根據(jù)學(xué)生的理解能力，前兩種表達(dá)式只需介紹給學(xué)生，讓他們有初步的認(rèn)識和了解即可。對于第三種實(shí)用表達(dá)式則一定要記住，便于計(jì)算電動機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩。

3.對機(jī)械特性曲線的理解

三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性是一條非線性曲線，一般情況下，以最大轉(zhuǎn)矩（或臨界轉(zhuǎn)差率）為分界點(diǎn)。如圖所示，其中a點(diǎn)為臨界點(diǎn)，a點(diǎn)到n1點(diǎn)曲線為電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，a點(diǎn)到c點(diǎn)曲線為電動機(jī)非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。

一般電動機(jī)都工作在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，只有極少數(shù)電動機(jī)（風(fēng)機(jī)型負(fù)載）是在不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)工作。

二、幾個(gè)量值的分析

在機(jī)械特性曲線中，有幾個(gè)參數(shù)必須要分析清楚：最大轉(zhuǎn)矩Tm、啟動轉(zhuǎn)矩Tst、額定轉(zhuǎn)矩TN，如圖3所示。最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩是反映電動機(jī)的過載能力和啟動性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，最大轉(zhuǎn)矩和啟動轉(zhuǎn)矩越大，則電動機(jī)的過載能力越強(qiáng)，啟動性能越好。

額定轉(zhuǎn)矩TN=9.55PN/nN，指電動機(jī)在額定電壓下，以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，輸出額定功率時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩。

啟動轉(zhuǎn)矩Tst，是衡量電動機(jī)啟動性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一，啟動轉(zhuǎn)矩大，則電動機(jī)加速度大，啟動過程短，同時(shí)說明帶重載啟動的能力大，體現(xiàn)了電動機(jī)帶重載啟動的能力。且只有在Tst>T2（T2是轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩）時(shí)，電動機(jī)才能啟動。

最大轉(zhuǎn)矩Tm=CU12/f1（2X02），是電動機(jī)帶動最大負(fù)載的能力，異步電動機(jī)從啟動到正常運(yùn)行過程中電磁轉(zhuǎn)矩是不斷變化的，其中有一個(gè)最大值稱為最大轉(zhuǎn)矩。

轉(zhuǎn)差率S：旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率S，S=（n1-n）/n1，Sm稱為臨界轉(zhuǎn)差率。

如果電動機(jī)帶動負(fù)載工作發(fā)生短時(shí)過載現(xiàn)象，即Tm< T2，電動機(jī)就會停轉(zhuǎn)，發(fā)生“悶車”現(xiàn)象，此時(shí)電流將劇增，嚴(yán)重時(shí)會燒毀電動機(jī)，這是要盡量避免的。當(dāng)然在電動機(jī)啟動時(shí)T2要小于Tm，否則將不能啟動。

過載系數(shù)：λ=Tm/TN，表示電動機(jī)的過載能力。一般為1.83～2.5，特殊用途電動機(jī)的λ可達(dá)3.4。

啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Km=Tst/TN，表示電動機(jī)的啟動能力。一般要求啟動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.7～2.2倍，特殊電動機(jī)可達(dá)到2.6～3.1倍。

三、詳細(xì)解讀機(jī)械特性曲線

第一，電動機(jī)啟動瞬間，n=0，即轉(zhuǎn)差率S=1，此時(shí)轉(zhuǎn)軸得到的啟動轉(zhuǎn)矩是Tst。異步電動機(jī)在啟動時(shí)電流很大，但因轉(zhuǎn)子繞組功率因數(shù)COSφ2很小，所以轉(zhuǎn)矩不大。

第二，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，即n=n1時(shí)，轉(zhuǎn)差率S=0，此時(shí)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T=0，這實(shí)際上是一種理想狀態(tài)，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)差率等于零時(shí)，轉(zhuǎn)子和磁場沒有形成相對運(yùn)動，沒有切割磁力線，也就沒有轉(zhuǎn)動力矩了。所以在電動機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速要小于同步轉(zhuǎn)速。

第三，轉(zhuǎn)矩Tm對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率Sm叫臨界轉(zhuǎn)差率，此時(shí)的轉(zhuǎn)速既不是最大，也不是最小，只是電動機(jī)在從啟動到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)過程中經(jīng)歷的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

有些學(xué)生對轉(zhuǎn)差率的公式比較容易接受，為了便于理解，我們在縱軸上轉(zhuǎn)速對應(yīng)位置標(biāo)上轉(zhuǎn)差率。如圖4所示，在坐標(biāo)原點(diǎn)處轉(zhuǎn)差率S最大，S=1；在n1處轉(zhuǎn)差率S=0。這樣我們可以在縱軸利用S把曲線分成兩段來解讀。

穩(wěn)定工作區(qū)（曲線a到n1段），Sm>S>0，此時(shí)S較小，SX02比r2小得多可忽略，轉(zhuǎn)矩公式簡化為T=CU12/f1r2。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，則轉(zhuǎn)速下降，對應(yīng)轉(zhuǎn)差率S增大。由轉(zhuǎn)矩公式T=9550PN/nN可知電磁轉(zhuǎn)矩增加，恰好可以平衡增加的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速不會再下降；同理如果負(fù)載減小，則轉(zhuǎn)速上升，對應(yīng)轉(zhuǎn)差率S減小，電磁轉(zhuǎn)矩下降，平衡負(fù)載使其轉(zhuǎn)速不會上升。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)到原來大小時(shí)，轉(zhuǎn)速也回到額定轉(zhuǎn)速nN，達(dá)到一個(gè)動態(tài)的平衡，負(fù)載的波動不會破壞電動機(jī)的穩(wěn)定工作。

非穩(wěn)定工作區(qū)（曲線a到c段），1>S>Sm，此時(shí)S比較大，r2比SX02要小可以忽略，轉(zhuǎn)矩公式簡化為T=Cr2U12/f1SX02。當(dāng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T相應(yīng)減少。如果電動機(jī)工作在非穩(wěn)定區(qū)域的某點(diǎn)，外加負(fù)載突然增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率S將增大，由上式可知驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也隨之下降，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，而恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，最后迫使電動機(jī)停下；如果負(fù)載突然減少，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)差率減少，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩增加，隨之電動機(jī)轉(zhuǎn)速有上升……不斷循環(huán)上升，直到到達(dá)穩(wěn)定工作區(qū)為止。

四、分析機(jī)械特性的硬、軟

1.對“硬”“軟”的理解

在負(fù)載變化時(shí)，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化小則叫“硬機(jī)械特性”，如果電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化大則叫“軟機(jī)械特性”。一般電動機(jī)的機(jī)械特性“軟”或者“硬”，是指電動機(jī)抗“干擾”的能力：即負(fù)載變化時(shí)，電動機(jī)的“應(yīng)變能力”。這里的機(jī)械特性也是指負(fù)載特性，比如負(fù)載突然增加時(shí)，需要的輸入電流增加不是很大，這樣我們稱之為“特性硬”，反之稱為“特性軟”。電動機(jī)的特性的“軟”“硬”與電動機(jī)的電磁設(shè)計(jì)有關(guān)。一般是磁場密度高、氣隙大、繞組匝數(shù)少的電動機(jī)，其特性較硬；相反的則特性軟。

我們可以通過人為的方式改變機(jī)械特性曲線的軟、硬，如增加轉(zhuǎn)子電阻r2使a點(diǎn)下移，如果r2適當(dāng)，會使a點(diǎn)和c點(diǎn)重合，即提高啟動轉(zhuǎn)矩，也可以增加U1。

2.在生活中的應(yīng)用

在選擇電動機(jī)時(shí)，我們首先應(yīng)根據(jù)配套機(jī)械的負(fù)載特性、運(yùn)行方式和使用環(huán)境等因素來選擇，再從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面進(jìn)行綜合考慮，確定使用什么類型的電動機(jī)。

同步電動機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，其次是普通鼠籠式電動機(jī)。對于無特殊變速調(diào)速要求的一般機(jī)械設(shè)備，我們大多選用機(jī)械特性較硬的鼠籠式異步電動機(jī)。對于要求啟動特性好，不在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速的設(shè)備，一般選用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。機(jī)械特性最軟的是串勵(lì)電動機(jī)，這種電動機(jī)輕載轉(zhuǎn)速高，重載轉(zhuǎn)速低，過載能力強(qiáng)，經(jīng)常應(yīng)用于電力機(jī)車、起重機(jī)、電梯等設(shè)備中。串勵(lì)電動機(jī)是不允許空載運(yùn)行的，否則會因轉(zhuǎn)速過高而損壞，因此電動工具的電動機(jī)都裝有減速機(jī)構(gòu)，這樣才不會發(fā)生飛車事故。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐政，張毅剛等.電機(jī)與變壓器[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2012.

（作者單位：浙江省平湖市技工學(xué)校）