3）额定负载转矩TN。有：TN?9550PN （1.51） nN4）三相线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。
1.6三相异步电动机的机械特性
三相异步电动机机械特性指的是电源电压U、电源频率f及定转子电路的外接电阻和电抗不变时，转速n与电磁转矩T之间的函数关系。因为s=(n0-n)/n0，同步转速是一定值，三相异步电动机的转速与转差率之间存在一一对应关系，因此，通常也把电磁转矩和转差率之间的函数关系称为异步电动机的机械特性曲线，T=f(s)和n=f(T)都称为三相异步电动机的机械特性方程。与直流电动机一样，它也有固有机械特性和人为机械特性之分。
1．固有机械特性
三相异步电动机的固有机械特性指的是在额定电压和额定频率下，定转子电路中没有接入任何附加电阻及电抗时，转速n和转矩T之间的函数关系。
由式(1.49)可知，当电源电压、频率不变及定转子电路中没有串入附加电阻及电抗时，电磁转矩T只与转差率s，即转速n有关。对应于不同的转速n，有不同的转差率s，根据式(1.49)算出相应的电磁转矩T。把T随n变化的关系用曲线描绘出来，即得到异步电动机的机械特性曲线，如图1.25所示。
图1.25 异步电动机的固有机械特性
异步电动机的固有机械特性曲线上有四个特殊点可以基本决定它的性能。 1)起动点
对应这一点的转速n=0，s=1，电磁转矩为起动转矩Tst：
KR2U12 (1.52) Tst?22R2?X2m起动转矩反应电动机直接起动时的带负载能力。通常用起动转矩与额定转矩之比λst=Tst/TN来衡量异步电动
机的起动能力。λst越大，电动机的起动能力越强。此时的定子电流为起动电流，用Ist表示，一般为额定电流的4~7倍。 2)额定工作点
这一点为异步电动机在额定条件下的工作点，对应的电磁转矩为额定电磁转矩TN，对应的转差率和转速分别称为额定转差率sN和额定转速nN，对应的电流也为额定电流IN。额定转矩和额定转差率分别为：
9550PN TN?nNsN?21
n0?nN (1.53) n0
其中，PN，nN分别为额定功率和额定转速，这两者都标注在电动机的铭牌上。 3)最大电磁转矩点
这是电磁转矩最大的工作点，相应的转矩称为最大转矩或临界转矩Tmax，是电动机所能提供的极限转矩。对应的转差率为临界转矩率sm，临界转矩率可由dT/ds=0求得。即：
sm?R2/X2m (1.54)
将式（1.53）代入式（1.49）得最大转矩Tmax为：
TmaxKU12 (1.55) ?2X2m最大转矩是衡量异步电动机过载能力的一个重要参数。当异步电动机受到短时冲击载荷，出现过载时，只要负载小于电动机的最大转矩，电动机仍能运转。冲击载荷消失后，电动机能自动回到额定工作点稳定运行。通常用最大转矩与额定转矩之比λst=Tst/TN来衡量异步电动机的过载能力，λst越大，过载能力越强，λst一般在1.6~2.2之间，起重、冶金机械用的电动机过载能力较大，可达2~3左右。 4)理想空载点
在理想空载点，相应的转速为同步转速n0，转差率s=0。事实上这一点是永远不可能达到的。 2 人为机械特性
由式（1.49）可知，当电动机结构固定时，人为地改变某些参数，如定子相电压U1，电源频率f即定子频率f1，转子电路中串接三相对称电阻及电抗、磁极对数p等时，都能得到不同的机械特性，这就是三相异步电动机的人为机械特性。
1)降低定子相电压时的人为机械特性
由式(1.22)、(1.49)、 (1.55)可看出，电磁转矩T与定子相电压U1的平方成正比，而同步转速n0及临界转差率sm与定子相电压U1无关。因此，由三相异步电动机的固有机械特性曲线，可得到不同电压时的人为机械特性曲线如图1.26所示。很明显，和固有机械特性曲线相比，改变电压时的人为机械特性曲线理想空载点不变，临界工作点所对应的转速不变，而转矩与电源电压的平方成正比；起动点所对应的转矩也与电源电压的平方成正比。三相异步电动机只能在额定电压以下进行工作，因此只有降低定子相电压时的人为机械特性曲线。降低电源电压或在定子电路中串接电阻或电抗时都能使定子相电压降低。
图1.26 降低定子相电压时的人为机械特性 图1.27 改变电源频率时的人为机械特性
2)改变电源频率的人为机械特性
改变电源频率时，同步转速、转矩、转差率等参数与频率之间存在如下关系：n0∝f1,X2m∝f1,Tmax、Tst∝1/f1,sm∝1/f1。因此，当电源频率升高时，理想空载转速升高，临界转差率降低，所对应的临界转速升高，最大转矩和起动转矩降低。由固有机械特性所得到的人为机械特性曲线如图1.27所示。
22
2
3)转子电路串三相对称电阻R时的人为机械特性
在转子电路中串三相对称电阻R时，理想空载转速不变，临界转差率与电阻成正比，最大转矩不变，起动转矩与电阻近似成反比。由固有机械特性曲线，所得到的串不同转子电阻时相对应的人为机械特性曲线如图1.28所示。转子电阻R越大，临界转差率sm越大，临界转速nm越小，起动转矩Tst越小，理想空载转速n0不变，最大转矩Tmax不变。
4）改变定子磁极对数的人为机械特性
一台三相异步电动机的磁极对数p是由其结构决定的，一般的三相异步电动机磁极对数固定不变的。但有时为了满足生产机械的特定要求，专门生产磁极对数可变的多速异步电动机，通常有双速，三速，四速异步电动机。
当改变磁极对数p时，同步转速n0与p成反比，起动转矩和最大转矩与p成正比，临界转差率与p无关。由固有机械特性所得到的人为机械特性曲线如图1.29所示。
nR22R22>R21>R20=0R20R21n2n0pn0nm0nm1nm2OTOT
图1.28 转子电路中串电阻R时的人为机械特性 图1.29 改变定子磁极对数p时的人为机械特性
n02p1.2.5三相异步电动机的起动、制动与调速
1．三相异步电动机的起动
三相异步电动机的起动和直流电动机一样，要求起动转矩尽可能大，而起动电流尽可能小。异步电动机在起动时，如果直接接入电网中，在起动的瞬间，由于转子与旋转磁场之间的相对速度非常大，在转子绕组中产生的感应电动势及感应电流也相当大，从而在定子绕组中产生很大的起动电流。一般来说，此时的起动电流为额定电流的5~7倍，这种直接起动的方法只适用于小容量电动机的起动；而对于中、大容量的电动机，通常必须采取措施来限制其起动电流。
鼠笼式异步电动机的起动通常采用直接起动和降压起动两种方法。线绕式异步电动机由于其转子绕组中可以串入电阻，一般采用转子串电阻分级起动或在转子回路中串频敏变阻器起动。 1）三相鼠笼式异步电动机的直接起动
直接起动就是利用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到具有额定电压的电源上，在额定电压下直接进行起动，如图1.30所示。
23
图1.30 异步电动机的直接起动
这种起动方法的优点是操作和起动设备简单可靠，不需要附加起动设备。鼠笼式异步电动机能否直接起动，主要取决于电动机容量与变压器容量之比。一般规定：用电单位如有独立的变压器，则在电动机起动频繁时，其容量小于变压器容量的20%时允许直接起动；在电动机不经常起动时，其容量小于变压器容量的30%时允许 直接启动。随着电力系统容量的不断增大，鼠笼式异步电动机采用直接起动的日益增多，数百千瓦的异步电动机也常可以采用直接起动。
2)三相鼠笼式异步电动机的降压起动
降压起动指的是起动时，降低定子电压U1，从而限制它的起动电流。由异步电动机的工作原理可知，起动电流Ist=N2I2/N1∝U1，由式(1.50)可知起动转矩与定子电压U1的平方成正比。当降低定子电压时，起动电流会下降，但起动转矩下降得更多，因此，降压起动的方法其带负载能力较差，只适合于轻载起动。降压起动的方法很多，有在定子绕组中串电阻或电抗器起动，Y—Δ换接降压起动，自耦变压器降压起动等。 (1)定子绕组串电阻或电抗降压起动
这种降压起动方法的接线原理图如图1.31所示。起动时，1KM接通，2KM断开，在定子绕组电路中串入一个三相电阻器或电抗器R，使电动机起动时一部分电压降落在电阻或电抗R上，于是加在电动机定子上的电压就低于电网电压，从而减小起动电流。待电动机起动到接近额定转速时，2KM接通，将电阻器或电抗器短接，使电动机在额定电压下正常运行。
由于电动机的转矩与电压的平方成正比，所以电动机的起动转矩较小；同时，如果采用串电阻降压起动，则在电阻上的功率损耗较大，如采用串电抗器降压起动，当2KM短接电抗器时，电抗器储存的能量将产生较大的短路电流。这种方法仅用于要求起动转矩不大，起动不太频繁，但要求平稳起动的中等容量的电动机。 (2) Y—Δ换接降压起动
Y—Δ换接起动的线路如图1.32所示。当1KM和2KM同时接通时，定子绕组为Δ接法，当1KM和3KM同时接通时，定子绕组为Y接法。电动机起动时，1KM、3KM接通，采用Y接法，则实际加在定子绕组上的电压为相电压U1；当电动机速度上升到接近额定速度nN时，1KM、2KM接通，采用Δ接法，则实际加在定子绕组上的电压为电源线电压3U1，相当于降低了电动机起动时加在定子绕组上的电压。
采用Y形连接起动时，定子绕组上的起动电流（线电流）与相电流相等，IstY=U1/Z。直接起动时定子绕组上的起动电流（线电流）是相电流的3倍，即IstY=3U1/Z。由此可看出，采用Y—Δ换接起动时，起动电流为直接起动时的1/3。起动转矩与电压的平方成正比，因此，采用Y—Δ换接起动时，起动转矩也为直接起动时的1/3。由此可看出，Y—Δ换接起动只适用于轻载或空载的场合，并只用于正常运行时为Δ连接的电动机。
24
L1 L2 L31KM2KMRL1 L2 L31KM2KMU1 V1 W1ZU2 V2 W23KM3KM M3
图1.31 定子串电阻或电抗器的降压起动 图1.32 Y—Δ换接起动
3）三相线绕式异步电动机的起动
三相鼠笼式异步电动机通常采用降压起动的办法，这种方法在限制起动电流的同时，更多地降低了起动转矩，因此，鼠笼式异步电动机通常用在空载和轻载的场合，而对于大功率重载的情况，一般不能满足要求。线绕式异步电动机由于其转子绕组中可以串入电阻，可以在限制起动电流的同时，获得较大的起动转矩，因此，其起动性能好，常用在大功率重载的场合。线绕式异步电动机常用的起动方法有两种，转子回路中串电阻分级起动及转子回路中串频敏变阻器起动。 （1)转子回路中串电阻分级起动
三相线绕式异步电动机转子回路中串电阻分级起动的接线如图1.33(a)所示。步骤如下：
(1)起动时，KM闭合，1KM、2KM、3KM断开，起动电阻Rst1、Rst2、Rst3全部接入转子回路中，其人为机械特性曲线如图1.33 (b)中曲线1所示，由于起动转矩Tst1大于负载转矩TL，电动机从起动点A开始在加速转矩的作用下升速。
(2)当电磁转矩减小到Tst2时，即在工作点B处，将3KM闭合，短接起动电阻Rst3，起动电阻Rst1、Rst2接入转子回路中，人为机械特性曲线如图1.33(b)中曲线2所示。由于机械惯性的作用，转速不可能产生突变，因此，工作点从B点平移到曲线2上的C点，然后，沿机械特性曲线2升速运行。
(3)同理，当电磁转矩减小到Tst2时，即C点，将KM2闭合，起动电阻Rst1接入转子回路中，人为机械特性如图1.33 (b)中曲线3所示。工作点从C点移到D点，再向F点运行。
(4)当电磁转矩减小到Tst2时，即F点，将1KM闭合，短接起动电阻Rst1，所有起动电阻都不接入转子回路中，机械特性如图1.33 (b)中固有机械特性曲线1所示，工作点从F点平移到G点，然后沿着固有机械特性曲线从G点运行到额定工作点F点，最终稳定运行在F点，起动过程结束。
在速度不断升高的过程中，电磁转矩慢慢减小，加速度也慢慢减小。为了获得较大的加速度，使电动机能快速升高到额定转速nN，缩短起动过程，线绕式异步电动机的起动通常分多级进行，且级数越多，转子电流及电磁转矩冲击越小，起动越平稳；但随着级数的增多，需要的控制设备设备也越多，维修越困难，在实际应用中通常采用三级或四级。如果串入转子中的电阻能够在起动过程中，随着速度的升高而自动减小，当速度达到额定转速时，串入转子中的电阻为零的话，就可以达到即不需要控制设备，又能使起动平稳的效果，而转子回路中串频敏变阻器的起动方法就能满足这两方面的要求。
25