影響三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行電流大小的因素

發(fā)布時(shí)間:2024-02-25
三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行,嚴(yán)格地說,可分為定子缺相和轉(zhuǎn)子缺相兩種。常見的是定子缺相。本文將對(duì)這兩類情況的運(yùn)行電流變化規(guī)律進(jìn)行討論。
1、定子缺相運(yùn)行
(1)定子y接法缺相運(yùn)行
如圖1所示,正常y接法運(yùn)行的定子,無論是一相繞組斷線,還是一相電源線斷線,都形成另兩相繞組反串聯(lián)接在電源單相線電壓ue下,如圖4所示。每相繞組承擔(dān)的電壓為0.5ue。
三相正常運(yùn)行輸入功率pe為:
pe= ueiecosφ
式中ie為電機(jī)的額定電流。
設(shè)cosφ=常數(shù),缺相運(yùn)行電機(jī)允許輸入功率pd為:
pd=2×(0.5ueiecosφ)=ueiecosφ
pd/ pe=1/ =0.577 (1)
從(1)式可看出,在保證電流不超過額定值ie的條件下,正常y接法缺相運(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率只能達(dá)到三相運(yùn)行時(shí)的57.7%。帶有某一負(fù)載的電機(jī)運(yùn)行中突然缺相運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速會(huì)稍微下降,軸負(fù)載功率由兩相繞組承擔(dān),缺相運(yùn)行電流增大到三相正常運(yùn)行電流的 倍(注意不是大 倍),此時(shí),電機(jī)往往工作于過負(fù)載狀態(tài)。
(施涼奎先生認(rèn)為:缺相運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)空載或負(fù)載電流,一般都要比正常運(yùn)行時(shí)約大 倍。準(zhǔn)確地說,三相異步電動(dòng)機(jī)正常y接法的定子缺相運(yùn)行時(shí)空載或負(fù)載電流,約是正常運(yùn)行時(shí)的 倍。)
事實(shí)上,在低壓小型電動(dòng)機(jī)中,僅4kw以下電動(dòng)機(jī)定子采用y接法,而大量小型電動(dòng)機(jī)采用的是△接法。
(2)定子△接法缺相運(yùn)行
①定子一相電源線斷線
如圖2所示,正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子,當(dāng)一相電源線斷線時(shí),電機(jī)定子形成兩相相繞組順串聯(lián)(簡稱支路1)和第三相相繞組(簡稱支路2)并聯(lián)接在電源單相線電壓下,如圖5所示。
由于支路2(第三相相繞組)允許流過的電流僅為額定電流ie的1/ ,根據(jù)并聯(lián)電路工作原理,支路1允許流過的電流與其阻抗成反比,只有額定電流ie的1/(2 ),則此時(shí)電機(jī)允許輸入電流id1為:
id1=(1/ )ie+1/(2 )ie=( /2)ie
三相正常運(yùn)行輸入功率pe為:
pe= ueiecosφ
設(shè)cosφ=常數(shù),缺相運(yùn)行電機(jī)允許輸入功率pd1為:
pd1=(ie / )uecosφ+2×(0.5ue)×[ie/(2 )]cosφ
=( /2)ueiecosφ
pd/pe=1/2=0.5 (2)
從(2)式可看出,在保證電流不超過額定值的條件下,正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子,當(dāng)一相電源線斷線時(shí),電機(jī)缺相運(yùn)行時(shí)的功率只能達(dá)到三相運(yùn)行時(shí)的一半。帶有某一負(fù)載的電機(jī)運(yùn)行中突然缺相運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速會(huì)稍微下降,電流表顯示定子運(yùn)行電流為三相正常運(yùn)行顯示電流(線電流)的(2/ )倍(注意不是大 倍),此時(shí),電機(jī)往往工作于過負(fù)載狀態(tài)。
由于兩個(gè)并聯(lián)支路的阻抗不相等,造成兩個(gè)支路電流不同相,這兩個(gè)單相脈振磁勢合成一個(gè)極壞的橢圓磁勢,其效果也接近單相脈振磁勢。
②定子一相相繞組斷線
如圖3所示,正常△接法運(yùn)行的定子,當(dāng)一相相繞組斷線時(shí),電機(jī)定子形成一相相電流為0,另兩相相繞組有互差1200電角度的兩相電流存在,如圖6所示。
三相正常運(yùn)行輸入功率pe為:
pe= ueiecosφ
設(shè)cosφ=常數(shù),每相繞組允許流過的電流仍為額定電流ie的1/ ,則缺相運(yùn)行電機(jī)允許輸入功率pd2為:
pd2=(ie/ )uecosφ+(ie/ )uecosφ=(2/ )ueiecosφ
pd2/pe=2/ / =2/3=0.667 (3)
從(2)式可看出,在保證電流不超過額定值的條件下,正?!鹘臃ǘㄗ尤毕噙\(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率只能達(dá)到三相運(yùn)行時(shí)的66.7%。帶有某一負(fù)載的電機(jī)運(yùn)行中突然缺相運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速會(huì)稍微下降,軸負(fù)載功率由兩相繞組承擔(dān),缺相運(yùn)行電流增大到三相正常運(yùn)行電流iz的1.5倍(注意不是大 倍),如圖6所示,ia=1.5 iz,ib= ic=1.5×(iz/ )=( /2)iz=0.866iz。
③定子兩相相繞組斷線
至于△接法定子兩相相繞組斷線(這種現(xiàn)象較少見),則只出現(xiàn)一個(gè)相繞組單獨(dú)工作。每相繞組允許流過的電流仍為額定電流ie的1/ ,則缺相運(yùn)行電機(jī)允許輸入功率pd3為:
pd=ue(1/ )iecosφ=(1/ )ueiecosφ
pd/ pe=1/3=0.333 (4)
從(3)式可看出,在保證電流不超過額定值ie的條件下,正?!鹘臃ǘㄗ尤眱上噙\(yùn)行時(shí)電機(jī)的功率只能達(dá)到三相運(yùn)行時(shí)的33.3%。帶有某一負(fù)載的電機(jī)運(yùn)行中突然缺相運(yùn)行時(shí),軸負(fù)載功率由一相繞組承擔(dān),缺兩相運(yùn)行,一相繞組電流增大到三相正常運(yùn)行相電流的3倍(注意不是大 倍),電流表顯示定子運(yùn)行電流為三相正常運(yùn)行顯示電流(線電流)的 倍,此時(shí),電機(jī)工作于過負(fù)載狀態(tài)。
2、轉(zhuǎn)子缺相運(yùn)行
在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)子缺相運(yùn)行也較常見。繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)三相電路,三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)多相電路,每一根導(dǎo)體為一相。無論哪一種轉(zhuǎn)子,正常運(yùn)行時(shí),三相或多相的轉(zhuǎn)子繞組,都將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢。
當(dāng)繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一相斷線后,正常y接法的轉(zhuǎn)子電路就變成了單相電路。轉(zhuǎn)子磁勢此時(shí)為單相脈振磁勢。根據(jù)雙磁場旋轉(zhuǎn)理論,單相脈振磁勢可以分解為幅值相等、轉(zhuǎn)向相反的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢,轉(zhuǎn)子上面就出現(xiàn)兩個(gè)大小相等、轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁勢。由于反轉(zhuǎn)磁勢切割定子導(dǎo)體,在定子上產(chǎn)生了附加電勢,形成定子附加電流,其附加電流頻率f2為:
f2=pn0(1—2se)/60=(1—2se)f1
式中:p為電機(jī)的極對(duì)數(shù);n0為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速;se為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率,一般為0.03左右;f1為電機(jī)定子電流頻率。
取se=0.03,則f2=(1—2×0.03)f1=0.94f1
從上式可以看出,附加電流頻率f2與定子電流頻率f1極為接近,這兩部分電流復(fù)合成一個(gè)低頻“浪涌”電流,使定子側(cè)電流表指針擺動(dòng),電機(jī)出現(xiàn)低頻噪聲。
鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子缺相,即發(fā)生鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂或開焊故障時(shí),電動(dòng)機(jī)定子電流的電流表指針將作周期性擺動(dòng),同時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降,低于額定值,電機(jī)振動(dòng)增大。
需要指出的是,我們所說的三相異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行,如果不特別說明,一般是指定子缺相運(yùn)行。
3、影響電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行電流大小的其它因素
① 負(fù)載的機(jī)械特性
前面的分析假定電機(jī)所帶負(fù)載為恒功率負(fù)載,即缺相前后,電機(jī)輸出功率保持不變。而事實(shí)上,電機(jī)缺相后,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)稍微下降。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍微下降電動(dòng)機(jī)的輸出功率也稍微下降,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流增大倍數(shù)的影響很小可忽略。但對(duì)于離心風(fēng)機(jī)類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載,由于功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍微下降電動(dòng)機(jī)的輸出功率將明顯下降,如當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降5%,電動(dòng)機(jī)的輸出功率將下降14.4%,平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流增大倍數(shù)的影響不能忽略。此時(shí),電動(dòng)機(jī)的電流增大倍數(shù)將低于前面敘述的計(jì)算值,特別是在電動(dòng)機(jī)分析定子△接法一相相繞組斷線故障中要引起注意??梢?,電動(dòng)機(jī)的電流增大倍數(shù)與負(fù)載的機(jī)械特性有關(guān)。
② 電網(wǎng)電壓與負(fù)載率
三相異步電動(dòng)機(jī)在缺相運(yùn)行時(shí),是否會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過電流?在實(shí)際工作中,與電網(wǎng)電壓高低有很大關(guān)系。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)定子允許在其額定電壓的-5%~+10%范圍內(nèi)長期運(yùn)行,而測試數(shù)據(jù)表明,當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率為額定功率,電動(dòng)機(jī)定子電壓超過其額定電壓的7%時(shí), y系列電動(dòng)機(jī)定子電流下降4.8%;當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率為額定功率的70%,電動(dòng)機(jī)定子電壓超過其額定電壓的7%時(shí), y系列電動(dòng)機(jī)定子電流下降26.4%。一般情況下,工業(yè)用電動(dòng)機(jī)通常在50%~60%額定功率下工作。此時(shí),電動(dòng)機(jī)定子電壓高低對(duì)電動(dòng)機(jī)的缺相運(yùn)行電流大小有很大影響。而電網(wǎng)電壓高低往往決定著電動(dòng)機(jī)定子電壓的高低。
正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子,電動(dòng)機(jī)輸出功率為額定功率的70%,三相正常運(yùn)行電流iz為額定電流的75%左右,當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子電壓超過其額定電壓的7%,一相相繞組斷線時(shí),如圖6所示,ia=1.5×(1-0.264)iz=1.104×0.75ie=0.828ie,ib=ic=0.866iz=0.866×0.75ie=0.6495ie。由于工業(yè)用電動(dòng)機(jī)通常在50%~60%額定功率下工作,電動(dòng)機(jī)定子電壓超過其額定電壓的7%時(shí),正常△接法運(yùn)行的定子,當(dāng)一相相繞組斷線時(shí),電流表顯示的電動(dòng)機(jī)定子運(yùn)行電流將不會(huì)超過電動(dòng)機(jī)定子的額定電流。正因?yàn)槿绱耍妱?dòng)機(jī)的熱繼電器過載保護(hù)對(duì)正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子缺相運(yùn)行保護(hù)往往失效。這一點(diǎn)要引起特別注意。
需要指出的是,正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子缺相運(yùn)行,盡管電流表顯示的電動(dòng)機(jī)定子運(yùn)行電流不超過電動(dòng)機(jī)定子的額定電流,但只要其中一相繞組流過的電流超過其允許流過的電流(額定電流ie的1/ ),該電動(dòng)機(jī)即為工作于過載狀態(tài)。如,1臺(tái)交流380v、75kw三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),額定電流為150a。采用y/△啟動(dòng),電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)正常,運(yùn)轉(zhuǎn)10min左右,電動(dòng)機(jī)明顯發(fā)熱,且運(yùn)轉(zhuǎn)聲沉悶。此時(shí)測得電動(dòng)機(jī)三相電流分別為ia=112.8a、ib=64.5a、ic=65.2a,從測量結(jié)果可以看出,b、c相電流偏小,且基本相等,而a相電流是b、c相電流的 倍。我們知道,對(duì)△接法運(yùn)行的三相電動(dòng)機(jī),正常時(shí)各相的線電流為各繞組相電流的 倍。由此推定為ia為線電流,ib、ic為相電流,故障原因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)缺相運(yùn)行所致。后經(jīng)查實(shí),故障為主接觸器一相觸點(diǎn)接觸不良。從表面上看三相電流均不超過電動(dòng)機(jī)的額定電流150a,但事實(shí)上,電動(dòng)機(jī)已經(jīng)過載,明顯發(fā)熱。由于ia=112.8a大于額定電流ie/ =150/ =86.6 a,且a相電流是b、c相電流的 倍,根據(jù)前面的分析可知,電機(jī)已過載。
4、結(jié)束語
三相異步電動(dòng)機(jī)正常y接法運(yùn)行的定子,無論是一相繞組斷線,還是一相電源線斷線,缺相運(yùn)行電流增大到三相正常運(yùn)行電流的 倍;正?!鹘臃ㄟ\(yùn)行的定子,當(dāng)一相電源線斷線時(shí),每相繞組電流增大到三相正常運(yùn)行時(shí)相電流的2倍,電流表顯示定子運(yùn)行電流為三相正常運(yùn)行顯示電流(線電流)的(2/ )倍;正常△接法運(yùn)行的定子,當(dāng)一相相繞組斷線時(shí),一相電流增大到三相正常運(yùn)行電流的1.5倍,另兩相電流為三相正常運(yùn)行電流的0.866倍;正常△接法運(yùn)行的定子,缺兩相運(yùn)行,一相繞組電流增大到三相正常運(yùn)行相電流的3倍,電流表顯示定子運(yùn)行電流為三相正常運(yùn)行顯示電流(線電流)的 倍;轉(zhuǎn)子缺相運(yùn)行,定子側(cè)電流表指針擺動(dòng)。缺相運(yùn)行是否會(huì)過電流與電網(wǎng)電壓、負(fù)載的機(jī)械特性、負(fù)載率有很大關(guān)系。
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