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电机三相电流不平原因究竟是什么?

内容简介:对称三相绕组内流过三相对称电流时,三相合成磁势波是一个正弦分布、波幅恒定的旋转磁势波——圆形旋转磁势波。若因电网因素或电机本身缺陷三相电流不对称或不平衡了,三相合成磁势基波仍按正弦规律分布,也是旋转磁势,但波幅随时间变化,因此波幅的轨迹就不是圆的了。
      在市场经济条件下,企业之间的PK,服务占到了很大比例的份额。事实是一起典型的因线路问题导致电流不平的案例,触发了小编对三相电机电流不平衡问题整理分析的兴致。
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      研究、应用交流电机,三相平衡问题始终是个绕不开的话题。为合成圆形旋转磁势,三相绕组必须设计为空间上互差120°电角度分布、阻抗值相等。实际应用工况中,若出现三相电流不平衡问题,或弹指一挥瞬间可以搞定,或情形恶化导致严重事故,其中缘由总是一言难尽。今天Ms.专题讨论三相电流平衡问题,旨在破解三相不平衡电流及其成因,用好、把控好三相交流电机。

三相电流不平衡时发生了什么?
      对称三相绕组内流过三相对称电流时,三相合成磁势波是一个正弦分布、波幅恒定的旋转磁势波——圆形旋转磁势波。设相电流有效值为I、每相串联匝数为W、基波绕组系数为kw1、极对数为p,则相绕组的基波磁势幅值为
      FФ1=0.9·IW/p·kW1……(1)

三相合成磁势幅值为
      F1=1.35·IW/p·kW1……(2)

      若因电网因素或电机本身缺陷三相电流不对称或不平衡了,三相合成磁势基波仍按正弦规律分布,也是旋转磁势,但波幅随时间变化,因此波幅的轨迹就不是圆的了。利用对称分量法,将一组不对称的三相电流IA、IB、IC分解为正序分量、负序分量和零序分量,其有效值分别用I+、I-、I0表示,于是三相电流可表示为
      iA=√2 I+sinωt+√2 I-sinωt+√2 I0sinωt   ………………………(3)
      iB=√2 I+sin(ωt-2π/3)+√2 I-sinωt(ωt-4π/3)+√2 I0sinωt……(4)
      iC=√2 I+sin(ωt-4π/3)+√2 I-sinωt(ωt-2π/3)+√2 I0sinωt……(5)
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      正序电流I+产生正向旋转磁势,按式(2)幅值F+=1.35·I+W/p·kW1,负序电流I-产生反向旋转磁势,按式(2)幅值F-=1.35·I-W/p·kW1,零序电流产生的三个脉振磁势在时间上同相位,故合成磁势为零。于是,不对称的三相电流流过对称的三相绕组时,产生的基波旋转磁势为
      f1(t,x)=1.35·I+W/p·kW1·sin(ωt-α)+ 1.35·I-W/p·kW1·sin(ωt+α) …(6)
      式(6)表明,两种磁势幅值不等、方向相反,合成为一幅值变化的椭圆形旋转磁势,如图1所示。

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图1

      图2中用空间矢量表示正向、反向旋转磁势及其合成磁势。取两相同向时的方向作为x轴方向,并以这一瞬间为时间起点(t=0时)。当经过任何一段时间t之后,正向旋转磁势F+沿反时针方向转了ωt角度,而反向旋转磁势F-沿顺时针方向转了ωt角度。从图中不难看出,当F+和F-沿相反方向旋转时,合成磁势F的大小和位置也随之变化。

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图2

      设F的横轴分量为x、纵轴分量为y,则
      x=F+cosωt+F-cosωt=(F++F-)cosωt……(7)
      y=F+sinωt-F-sinωt=(F+-F-)sinωt……(8)
      将式(7)、(8)平方后相加,可得
      x2/(F++F-)2+y2/(F+-F-)2=1……(9)
      式(9)是一个椭圆方程,表面合成磁势F旋转一圈时,矢量端点轨迹为椭圆,故称之为椭圆形旋转磁势(如图1所示)。

为何三相电流会不平衡?
      论上电网三相对称电压施加电机上时,三相交流电机电枢绕组内应流过三相对称电流。但实际上远远没这么简单:电网非单纯三相负载,加上电机因本身质量、负荷情况及维护保养等造成的不确定因素,三相电流可能会不平衡而引发发热、异常噪声振动问题或烧毁电机的严重事故。

电网电压对电机电流的影响
      对于三相电机,若供电电压不平,电机内就会有逆序电流磁场,并产生较大的逆序转矩,导致电流不平。当电源电压不平衡度达5%时,电机相电流可能会出现高达20%的不平度。

导致电源电压不平的原因很多,常见的原因有:
      (1)变压器绕组故障,导致输出电压不平。
      (2)输电线路过长、输电线质量不佳导致线路压降存在差异性,导致终端电压不平。
      (3)动力、照明混用,工厂、企业存在单相负载,致使各相负荷分布不均,造成电网三相电压可能存在一定程度的不对称。

电机过载
      电动机处于过载运行状态,如小马拉大车,特别是电机起动时,定、转子电流局部发热情况加重,容易出现严重电流不平情况。

定子、转子绕组故障
      电机绕组出现匝间、对地、相间等电气故障,都会引起某一相或两相电流过大。
      (1)绕组中有导电异物进入,导致匝间故障。
      (2)定子绕组有断线。
      (3)因绕组受潮出现漏电问题。
      (4)定转子气隙不匀或扫膛。
      (5)转子绕组有断线或铸铝转子电机有瘦条或断条事实。

其他一些人为性的因素
      (1)接线错误。
      (2)电机引线或客户电源线对地。
      (3)电气连接部分出现松动、氧化等。
      (4)保护器断开。
      (5)绕组绝缘局部老化。

原因分析检查程序实例
      检查电源符合性。(1)试验线路熔断丝接触不良或熔断;(2)电源电压检查;(3)电机与电源的连接是否完好。

检查电机

      (1)内部接线,这主要是在电机生产过程或修理电机过程中会出现的问题,运行中的电机不会存在该类故障。(2)电机绕组出现电气故障;(3)绕组极性问题;(4)电机与电源连接可靠性;(5)绕组重绕后三相绕组匝数不对称。

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