原 理 简 述
机械特性是指其转速与转矩间的关系，一般表示为
。由
于三相异步电动机的机械特性呈非线性关系，所以函数表达式以转速为自变量，转矩为因变量，写为
更为方便。又因转差率s也可以用来
表征转速，而且用s表示的机械特性表达式更为简洁，所以对三相异步电动机一般用
来表示机械特性，同时将作为横坐标，这样和原
的图形是一致的。
一、三相异步电动机机械特性的表达式
三相异步电动机机械特性的表达式一般有三种： 1．物理表达式
其中
为转子电流的折算值； 2．参数表达式
为异步电机的转矩常数；为转子回路的功率因数。
为每极磁通；
其中。
3．实用表达式 其中
为最大转矩，
为发生最大转矩时的转差率。
三种表达式其应用场合各有不同，一般物理表达式适用于定性分析与
及
间的关系，参数表达式可以分析各参数变化对电动机
运行性能的影响，而实用表达式最适合用于进行机械特性的工程计算。 二、三相异步电动机的机械特性
第 1 页
1．固有机械特性
固有机械特性是指异步电动机在额定电压、额定频率下，电动机按规定方法接线，定子及转子回路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性
，如图15-1所示。
图 15-1 三相异步电动机的固有机械特性
下面对机械特性上反映其特点的几个特殊点进行分析：
（1）起动点：其特点是：
；
（2）额定运行点：其特点是： （3）同步速点
：其特点是：
，
，
；
，
，起动电流
点是电动状态与回馈制动的转折点；
，
（4）最大转矩点：电动状态最大转矩点，其特点是：
；回馈制动最大转矩点以看出
，
，其特点是：。
，
；由公式可
2．人为机械特性
由三相异步电动机机械特性的参数表达式可见，异步电动机的电磁转矩在某一转速下的数值，是由电源电压、频率、极对数及定转子电路的电阻、电抗
、
、
、
决定的。因此人为的改变这些参数，就
可得到不同的人为机械特性。现介绍改变某些参数时人为机械特性的变
第 2 页
化：
（1）降低电压 降低电压
不变，
不变，因为、
，
，
，所以
时，、均减小，其人为机械特性见图15-2。
（2）转子回路串联对称电阻
图15-2 三相异步电动机降低电压时的人为机械特性图
15-3 三相异步电动机转子回路串联对称电阻时的人为机械特性 适用绕线式电机，不变，当增大，
增大，即串入
，
增大，
不变，其人为机械特性见图15-3。
（3）定子回路串联对称电抗
一般用于鼠笼式异步电动机降压起动，不变，串电抗
值的增大而减小，其人为机械特性见图15-4。
、
、
随所
（4）定子回路串联对称电阻 同定子回路串联对称电抗，不变，值的增大而减小，其人为机械特性见图15-5。
、
、
随所串电阻
第 3 页
图 15-4 三相异步电动机定子回路串联 对称电抗时的人为机械特性
图 15-5 三相异步电动机定子回路串联对称电阻时的人为机械特性 （5）转子回路接入并联电阻和电抗
图15-6 三相异步电动机转子回路接入并联电阻和电抗时的人为机械特性
适用于绕线式电机。转子回路接入并联电阻和电抗如图15-6a 所示，起动过程中，电抗值随转子回路的频率变化，转速较低即频率较高时电抗值较大，转子电流大部分流过电阻，随着转速升高，电抗逐步减小，流过电阻的电流逐步减小，流过电抗的电流逐步增大，起动结束后，几乎全部转子电流都流过电抗，近乎将并联的电阻开路。如果参数配合适当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩，绕线式异步电动机转子串联频敏变阻器起动即应用了上述原理。其人为机械特性不变，低速时由
第 4 页
于电阻流过的电流大，转矩比固有特性大，曲线见图15-6b。
由于电抗的串入略有减小，
对于改变电源频率和电动机极对数的人为机械特性，在《电机学》有关章节中专门讨论，因本次实验不包括这些内容，此处就不再介绍。 三、三相异步电动机的各种运行状态
与直流电动机相同，三相异步电动机也可工作于两大运行状态，即电动运行状态和制动运行状态。在交流电力拖动系统运行时，拖动不同负载的条件下，改变异步电动机电源电压的大小、相序及频率，或者改变绕线式异步电动机转子回路所串电阻等参数，三相异步电动机可以运行在四个象限的各种不同状态。 1．电动运行状态
图15-7 电动运行状态下异步电动机的机械特性
电动运行状态的特点是电动机转矩的方向与旋转的方向相同，在图15-7的第I及第III象限绘出了电动状态下电动机的机械特性。第I象限电动机工作在正向电动状态，第III象限相当于电动机改变相序后，工作在反向电动状态。在电动状态下运行，电动机由电网吸取电能，变换为机械能带动负
载。
第 5 页
2．制动运行状态
与直流电动机相同，异步电动机也可工作于回馈制动、反接制动及能耗制动三种制动状态。其共同的特点是电动机转矩与转速的方向相反，以实现制动。此时电动机由轴上吸收机械能，并转换为电能，或消耗在电阻中，或反馈回电网。 （1）回馈制动
当异步电动机由于某种原因，例如位能性负载的作用，使其转速高于同步速，转差率量
，转子感应电势
反向，转子电流的有功分
也反向，而转子电流的无功分量方向则不变，由相量图可以看
和间的相位差角
，此时定子功率
，电
出，定子电流也相应改变，
为负，即定子绕组将电能回馈电网。同时转差率
磁转矩
，电磁转矩的方向和转向相反，在转子轴上产生制动转矩。
综上所述，当转速高于同步速时，电动机处于回馈制动运行状态。回馈制动状态一般用于位能性负载下放，以获得稳定的下放速度，或异步电动机变极调速由少极数变为多极数时发生。
(a) (b)
图15-8 异步电动机回馈制动的机械特性 (a) 正向回馈制动 (b) 反向回馈制动
当电动机处于正向电动运行时，转速高于同步速为正向回馈制动，如图15-8a所示；当电动机处于反向电动运行时，转速高于同步速为
第 6 页
反向回馈制动，如图15-8b所示。本次实验做的是正向回馈制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其转速高于同步速。 （2）反接制动状态
实现反接制动可有转速反向和定子两相反接两种方法，分别讨论如下：
① 转速反向的反接制动（或称倒拉反转制动）
转速反向的反接制动与直流电动机的电势反接制动相似。异步电动机带位能性负载，按正转接线，转子回路串入较大电阻
，机械特性的
最大转矩点到了第IV象限。当接通电源，电动机的起动转矩的方向与重物产生的负载转矩相反，而且反
，在重物的作用下，迫使电动机
的方向旋转，并在重物下降的方向加速。此时转差率
，随着
至
，转速稳定为
的增加，、及均增大，直到转矩增
，此时重物以等速下降，稳定运行点在第IV象
限的点，如图15-9b所示，图中机械特性在第IV象限的部分（用实线表示）即为异步电动机转速反向的反接制动。
(a)
第 7 页
(b)
图15-9 三相绕线式异步电动机转速反向的反接制动电路图和机械特性 (a) 电路图 (b) 机械特性 这种制动与前述回馈制动一样，可用于起重机的重物下放，这也属于一种稳定运行状态。
电动机在反接制动状态时，它由轴上输入机械功率（
为
负），同时，定子又通过气隙向转子输送电功率，这两部分合起来消耗在转子电路的总电阻
中。
② 定子两相反接的反接制动
异步电动机带动生产机械原在正向电动状态稳定运行（图15-10b中的点），为了迅速停车或反向，可将定子两相反接（如为绕线式转子，可同时在转子回路中串联电阻
，见图15-10a），定子相序改变，旋转磁
场方向也改变，转子转向未变，转差率变为，、、
及均与正向电动运行时相反，从而得到反向的机械特性如图15-10b所示。定子绕组刚反接瞬间，工作点由转移到，然后在电动机的转矩和负载转矩
共同作用下，电动机转速很快下降，相当于机械特性的
段。在转速为零的点，如不切断电源，电动机将反向加速，进入反向电动运行状态，如果是位能性负载，将继续加速进入反向回馈运行。
第 8 页
(a) (b)
图15-10 定子两相反接的反接制动的电路图与机械特性
(a) 电路图 (b) 机械特性 定子两相反接的反接制动就是指机械特性的
段。
本次实验要做的是转速反向的反接制动，由一直流电动机拖动异步电动机使其反向旋转，模拟位能性负载。 （3）能耗制动状态
异步电动机原在图15-11b所示的点运行，相应于图15-11a电路图中闭合，
断开。为了迅速停车，开关转换，即当断开，电动机脱
接通，则在定子两相绕组中通入直流电流，在定子内
离电网时，立即将
形成一固定磁场。当转子由于惯性而仍在旋转时，其导体即切割该磁场，在转子中产生感应电动势和转子电流。根据左手定则，可以确定出转矩方向与转速方向相反，即为制动转矩。
可以证明，能耗制动的机械特性与定子接三相交流电源运行时的机械特性很相似，是一条具有正、负最大值，过
点的曲线，如图15-11b
中的曲线1、2和3。能耗制动的机械特性曲线在第II象限。如果以转子
第 9 页
不外串电阻，定子直流励磁电流为某一定值时的曲线1为基准，如果增大转子回路所串电阻而直流励磁电流不变时，最大转矩不变，产生最大转矩的转速增加，如图15-11b曲线3所示。如果转子回路所串电阻不变而直流励磁电流增大时，最大转矩增大，产生最大转矩的转速不变，如图15-11b曲线2所示。
除图15-11a所示的两相绕组通入直流电流外，根据绕组接法的不同，还可以有其它的方法给定子绕组通入直流电流。
(a) (b)
图15-11 异步电动机能耗制动的电路图与机械特性 (a) 电路图 (b) 机械特性
若三相异步电动机带动反抗性恒转矩负载运行时，采用能耗制动停车，电动机的运行点在第II象限，如图15-11b所示，从停在
处。
，最后准确
实验十五 三相绕线式异步电机在各种运行状态下的机械特性实验 一、实验目的
第 10 页
了解三相绕线式异步电动机在各种运行状态下的机械特性。 二、实验内容
1．测定三相绕线异步电动机在电动运行状态下的机械特性。 2．测定三相绕线异步电动机在正向回馈（也叫再生发电）制动运行状态下的机械特性。
3．测定三相绕线异步电动机在转速反向的反接制动运行状态下的机械特性。
三、实验说明及操作步骤
实验线路如图15-12所示，图中
，其额定值为：为作为负载用的直流电机联接(图虚线所示)。 三相电阻接成接法，即
上的
实际接线为
选用挂件
端短接，
（考虑到电枢电流端短接，
端短接，
上的上的三只
、
的可调电阻，选用挂件
）,端分别接端，即
，
为被试三相绕线式异步电动机，
，
，
用联轴器直接
，安装时和涡流测攻机
端接转子端；，故采用
端短接，
(接
向开关和电流表一端；两只
串联)。
选用挂件
异步电动机定子回路测量用的交流表和选用主控屏左侧的交流电压表、电流表。 直流电流表
选用直流稳压电源上的电流表（）；直流电流表
）；直流电压表选用
上
选用直流电机励磁电源上的电流表（
第 11 页
的电压表，量程为 开关、
。 为挂件
上的、
。
1．测定三相绕线转子异步电动机在电动运行状态下的机械特性 操作前三相调压器输出调至最小（即“交流电源输出调节”黑色旋钮逆时针旋到底）； 电阻
调至最小，电阻
、
调至最大；
主控屏左侧的交流电压表、电流表、功率表的红色开关至“ON”位置。各仪表的量程选择：若各表的“自动/手动”按钮选择“自动”（即红色按钮按下位置），那么各表量程选择按钮（白色）可不选择；若选择“手动”（即红色按钮弹出位置），那么应选择各表量程。本次实验各表量程选择为：电流表用档； 挂件
上的红色开关至“ON”位置，电压表选择
上的红色开关置“ON”位置，“
量程档；
量程档（
选用
量程档（
选用
按钮按下），电压表选
量程档和
量程
按钮按下），功率表
”开关搬向上
方，“转速控制/转矩控制”转换开关搬向“转矩控制”端，“转矩设定”旋钮逆时针调到头，即负载最小位置； 开关、
断开。
第 12 页
图15-12 异步电机机械特性接线图 操作步骤如下：
（1）合上电源开关（实验台左侧端面），按下“闭合”按钮（左下方绿色按钮），调节“交流电源输出调节”黑色旋钮，使三相调压器输出电压升高至
，并保持此电压不变。
（1）电动机起动后，顺时针缓慢调节“转矩设定”旋钮，异步电动机负载增加，定子电流升高，直至电流上升到 （2）从
倍额定电流。
倍额定电流开始，逐渐减小负载直至空载，在这范围
组数据，记录
内读取异步电动机定子电流、转速、转矩，共取于表15-1中。
表15-1 电动运行实验数据
序号
第 13 页
2．测定三相绕线转子异步电动机正向回馈制动机械特性 这里用直流电机
作为电动机运行，和异步电动机同方向旋
转，拖动被试的异步电动机超过同步速旋转。
在回馈制动状态下，异步电动机是由轴上输入转矩，此转矩即为直流电机的输出转矩。由于在本实验中转矩不能直接测量，而在忽略空载转矩后，直流电动机的
，在
不变即不变的条件下，
成正比的
，所以用直流电机电枢电流代替得到和特性曲线。
操作步骤如下：
（1）接线如图15-12不变，各电阻及开关位置同上，的“
上
”开关合向下方，起动异步电动机。调节三相调压器使输出电压，并保持此电压值不变。
（2）合上直流发电机励磁电源开关及直流稳压电源开关，调节磁场调节电阻
，使发电机励磁电流
并保持不变，测量直流发电
机的输出电压与极性。 按下直流稳压电源上的白色“复位”按钮，调节“电压调节”旋钮使电源电压与直流发电机电压大小相等，并且极性相同, 把
合向电源端。
短路）,增加直流稳压电源输出，使
（3）开关接通（即电阻
电枢电压升高，电机转速上升, 当电机转速为同步转速时，异步电机电流达最小值，继续调高电枢电压, 则异步电机从第I象限进入第II象限回
第 14 页
馈制动进行状态，直至异步电机的电流为额定值。
（4）从同步速时的电流到额定电流范围内，测取异步电动机定子电流、转速和直流电机电枢电流，共取中。
表15-2 回馈制动实验数据
序号
组数据记录于表15-2
3．测定三相绕线转子异步电动机转速反向的反接制动运行状态下的机械特性
这里用直流电机转，模拟位能性负载。
在转速反向的反接制动状态下，异步电动机是由轴上输入转矩，此转矩即为直流电机的输出转距。由于在本实验中转矩而在忽略空载转矩后，直流电动机的条件下，曲线。
操作步骤如下：
（1）接线如图15-12不变，电阻
的三只可调电阻各调至
上的“
、
”开关合向下方，调至最大，直流
，所以用代替得到和
，在
不能直接测量，不变即不变的
特性
作为电动机运行，和异步电动机反方向旋
成正比的
, 开关断开，
发电机电枢两端接线对调，使直流发电机输出极性和直流电枢电源极性相
第 15 页
反，开关断开，直流电枢电源调至输出电压为最低值（逆时针到头）。
。合上直流电机并保持不变。把
（2）起动异步电动机，调节并保持电压励磁电源开关及直流稳压电源开关，调节开关
使
合向电源端, 按下直流稳压电源上的白色“复位”按钮，让异步电
动机带上负载运行。 （3）把小
阻值减小, 使异步电动机转速下降，直至为零，继续减
阻值或调高电枢电压值，异步电动机即进入反向运转状态，直至其电
，同时注意：直流电机电枢电流不要超过
。
流接近额定值约
（4）在电动状态到反向运转状态（最大）范围内，测取异步
组数据，记
电动机定子电流、转速和直流电机电枢电流，共取录于表15-3中。
表15-3 反接制动实验数据
序号
四、实验报告
根据表15-1、15-2、15-3实验数据，绘出三相绕线转子异步电机分别在电动运行状态、正向回馈制动运行状态、转速反向的反接制动运行状态下的机械特性曲线五、思考题
1．正向回馈制动实验中，如何判别电动机运行在同步转速点?
第 16 页 或
。
希望以上资料对你有所帮助，附励志名言3条：
1、要接受自己行动所带来的责任而非自己成就所带来的荣耀。 2、每个人都必须发展两种重要的能力适应改变与动荡的能力以及为长期目标延缓享乐的能力。
3、将一付好牌打好没有什么了不起能将一付坏牌打好的人才值得钦佩。
第 17 页
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容