电动机缺相运行电流探讨

电动机缺相运行电流探讨

三相异步电动机缺相运行，是低压三相异步电动机最常见的故障。但遗憾的是，教科书和电工手册中对其电流变化情况，只是笼统地定性描述，缺乏具体数据和详细地技术分析。（2004年第10期《电世界》杂志的第44页读者信箱栏目，刊登了施凉奎先生的答重庆侠平问《三相异步电动机在缺相运行时，会导致电动机过电流否？》一文，施凉奎先生认为：缺相运行时的电动机空载或负载电流，一般都要比正常运行时约大√3倍。笔者认为施凉奎先生对三相异步电动机缺相运行电流的分析欠全面，在不同的运行状态下的情况是不一样的。）为了让广大读者对该问题有一个正确的认识，有必要对三相异步电动机缺相运行电流变化规律进行较全面、科学、准确地分析。

三相异步电动机缺相运行，严格地说，可分为定子缺相和转子缺相两种。常见的是定子缺相。本文将对这两类情况的运行电流变化规律进行讨论。

1 定子缺相运行

（1）定子Y接法缺相运行

如图1所示，正常Y接法运行的定子，无论是一相绕组断线，还是一相电源线断线，都形成另两相绕组反串联接在电源单相线电压Ue下，如图4所示。每相绕组承担的电压为0.5Ue。

三相正常运行输入功率Pe为：

Pe＝3×（Ue/√3）×Ie×cosφ=√3UeIecosφ

式中Ie为电机的额定相电流。

设cosφ＝常数，在保证电流不超过额定值Ie的条件下，缺相运行电机允许输入功率Pd为：

Pd＝2×（0.5UeIecosφ）＝UeIecosφ

Pd／Pe＝1／√3＝0.577 （1）

从（1）式可看出，在保证电流不超过额定值Ie的条件下，正常Y接法缺相运行时电机的功率只能达到三相运行时的57.7％。带有某一负载的电机运行中突然缺相运行时，转速会稍微下降，轴负载功率由两相绕组承担，缺相运行电流增大到三相正常运行电流的√3倍（注意不是大√3倍），此时，电机往往工作于过负载状态。（施凉奎先生认为：缺相运行时的电动机空载或负载电流，一般都要比正常运行时约大√3倍。准确地说，三相异步电动机正常Y接法的定子缺相运行时空载或负载电流，约是正常运行时的√3倍。）

注：为保证功率不变，即Pe=Pd,假设正常运行时电流为Ie，缺相时电流为I′，则有√3UeIecosφ=2×（0.5UeI′cosφ）=UeI′cosφ，可得I′=√3Ie。

事实上，在低压小型电动机中，仅4kW以下电动机定子采用Y接法，而大量小型电动机采用的是△接法。

（2）定子△接法缺相运行

①定子一相电源线断线

如图2所示，正常△接法运行的定子，当一相电源线断线时，电机定子形成两相相绕组顺串联（简称支路1）和第三相相绕组（简称支路2）并联接在电源单相线电压下，如图5所示。

A ）第一种分析方法

支路2绕组电压不变（仍为额定线电压），支路1两相绕组中每相绕组电压下降为额定线电压的一半。设电动机的负载不变，则电动机正常运行时的额定相电流为Ip=PN/（3Ulcos φ），额定线电流Il=√3Ip 。缺相后，设支路2绕组相电流为I 'p ，则根据并联回路电压相等可知支路1绕组相电流为I 'p/2，额定功率为：

???cos cos 2

3cos 21cos P l P l P l N I U I U I U P '='+'= 由I 'p=2PN/(3Ulcos φ），从而得I 'p=2Ip=2Il/√3、I 'l=3I 'p/2=√3Il 。根据分析得知，在额定负载下三角形接线的电动机在缺相运行时的线电流为额定电流的√3倍，支路2绕组相电流为正常额定相电流的2倍，支路1每相绕组的相电流与正常额定相电流相等。

B ）第二种分析方法

由于支路2（第三相相绕组）允许流过的电流仅为额定电流Ie 的1/√3，根据并联电路工作原理，支路1允许流过的电流与其阻抗成反比，只有额定电流Ie 的1/（2√3），则此时电机允许输入电流Id1为：

Id1＝（1／√3）Ie+1／（2√3）Ie ＝（√3／2）Ie

三相正常运行输入功率Pe 为：

Pe ＝√3UeIecos φ

设cos φ＝常数，缺相运行电机允许输入功率Pd1为： ???cos 23cos 3

2)5.0(2cos 31e e e e e e d I U I U U I P =??+?= Pd ／Pe ＝1／2＝0.5 （2）

从（2）式可看出，在保证电流不超过额定值的条件下，正常△接法运行的定子，当一相电源线断线时，电机缺相运行时的功率只能达到三相运行时的一半。带有某一负载的电机运行中突然缺相运行时，转速会稍微下降，电流表显示定子运行电流（相电流）为三相正常运行显示电流（线电流）的（2/√3）倍（注意不是大√3倍），此时，电机往往工作于过负载状态。

由于两个并联支路的阻抗不相等，造成两个支路电流不同相，这两个单相脉振磁势合成一个极坏的椭圆磁势，其效果也接近单相脉振磁势。

②定子一相相绕组断线

如图3所示，正常△接法运行的定子，当一相相绕组断线时，电机定子形成一相相电流为0，另两相相绕组有互差1200电角度的两相电流存在，如图6所示。

三相正常运行输入功率Pe 为：

Pe ＝√3UeIecos φ

设cos φ＝常数，每相绕组允许流过的电流仍为额定电流Ie 的1／√3，则缺相运行电机允许输入功率Pd2为：

???cos 3

2cos 3cos 32e e e e e e d I U U I U I P =+?= Pd2／Pe ＝（2／√3）／√3＝2／3=0.667 （3） 从（3）式可看出，在保证电流不超过额定值的条件下，正常△接法定子缺相运行时电机的功率只能达到三相运行时的66.7％。带有某一负载的电机运行中突然缺相运行时，转速会稍微下降，轴负载功率由两相绕组承担，缺相运行电流增大到三相正常运行电流Iz 的1.5倍（注意不是大√3倍），如图6所示，IA=1.5Iz ，IB=IC=1.5×（Iz ／√3）=（√3／2）Iz=0.866Iz 。

③定子两相相绕组断线

至于△接法定子两相相绕组断线（这种现象较少见），则只出现一个相绕组单独工作。每相绕组允许流过的电流仍为额定电流Ie 的1／√3，则缺相运行电机允许输入功率Pd3为：

Pd ＝Ue （1／√3）Iecos φ＝（1／√3）UeIecos φ

Pd ／Pe ＝1／3=0.333 （4）

从（4）式可看出，在保证电流不超过额定值Ie 的条件下，正常△接法定子缺两相运行时电机的功率只能达到三相运行时的33.3％。带有某一负载的电机运行中突然缺相运行时，轴负载功率由一相绕组承担，缺两相运行，一相绕组电流增大到三相正常运行相电流的3倍（注意不是大√3倍），电流表显示定子运行电流为三相正常运行显示电流（线电流）的√3倍，此时，电机工作于过负载状态。 2 转子缺相运行

在实际工作中转子缺相运行也较常见。绕线型异步电动机转子是一个三相电路，三相鼠笼型异步电动机转子是一个多相电路，每一根导体为一相。无论哪一种转子，正常运行时，三相或多相的转子绕组，都将产生一个旋转磁势。

当绕线型异步电动机转子一相断线后，正常Y接法的转子电路就变成了单相电路。转子磁势此时为单相脉振磁势。根据双磁场旋转理论，单相脉振磁势可以分解为幅值相等、转向相反的两个旋转磁势，转子上面就出现两个大小相等、转向相反的旋转磁势。由于反转磁势切割定子导体，在定子上产生了附加电势，形成定子附加电流，其附加电流频率f2为:

f2=Pn0（1—2Se）／60=（1—2Se）f1

式中：P为电机的极对数；n0为电机的同步转速；Se为电机的额定转差率，一般为0.03左右；f1为电机定子电流频率。

取Se=0.03，则f2=（1—2×0.03）f1=0.94f1

从上式可以看出，附加电流频率f2与定子电流频率f1极为接近，这两部分电流复合成一个低频“浪涌”电流，使定子侧电流表指针摆动，电机出现低频噪声。

鼠笼型异步电动机转子缺相，即发生鼠笼转子导条断裂或开焊故障时，电动机定子电流的电流表指针将作周期性摆动，同时电动机转速下降，低于额定值，电机振动增大。

需要指出的是，我们所说的三相异步电动机缺相运行，如果不特别说明，一般是指定子缺相运行。

3 影响电动机缺相运行电流大小的其它因素

①负载的机械特性

前面的分析假定电机所带负载为恒功率负载，即缺相前后，电机输出功率保持不变。而事实上，电机缺相后，电动机的转速会稍微下降。对于恒转矩负载，随着电动机的转速稍微下降电动机的输出功率也稍微下降，电动机的转速下降对电动机的电流增大倍数的影响很小可忽略。但对于离心风机类平方转矩负载，由于功率与转速的立方成正比，随着电动机的转速稍微下降电动机的输出功率将明显下降，如当电动机的转速下降5%，电动机的输出功率将下降14.4%，平方转矩类负载电动机的转速下降对电动机的电流增大倍数的影响不能忽略。此时，电动机的电流增大倍数将低于前面叙述的计算值，特别是在电动机分析定子△接法一相相绕组断线故障中要引起注意。可见，电动机的电流增大倍数与负载的机械特性有关。

②电网电压与负载率

三相异步电动机在缺相运行时，是否会导致电动机过电流？在实际工作中，与电网电压高低有很大关系。因为电动机定子允许在其额定电压的－5%~+10%范围内长期运行，而测试数据表明，当电动机输出功率为额定功率，电动机定子电压超过其额定电压的7%时，Y系列电动机定子电流下降4.8%；当电动机输出功率为额定功率的70%，电动机定子电压超过其额定电压的7%时，Y系列电动机定子电流下降26.4%。一般情况下，工业用电动机通常在50％～60％额定功率下工

作。此时，电动机定子电压高低对电动机的缺相运行电流大小有很大影响。而电网电压高低往往决定着电动机定子电压的高低。

正常△接法运行的定子，电动机输出功率为额定功率的70%，三相正常运行电流Iz为额定电流的75%左右，当电动机定子电压超过其额定电压的7%，一相相绕组断线时，如图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。由于工业用电动机通常在50％～60％额定功率下工作，电动机定子电压超过其额定电压的7%时，正常△接法运行的定子，当一相相绕组断线时，电流表显示的电动机定子运行电流将不会超过电动机定子的额定电流。正因为如此，电动机的热继电器过载保护对正常△接法运行的定子缺相运行保护往往失效。这一点要引起特别注意。

需要指出的是，正常△接法运行的定子缺相运行，尽管电流表显示的电动机定子运行电流不超过电动机定子的额定电流，但只要其中一相绕组流过的电流超过其允许流过的电流（额定电流Ie的1／√3），该电动机即为工作于过载状态。如，1台交流380V、75kW三相鼠笼式异步电动机，额定电流为150A。采用Y/△启动，电动机启动正常，运转10min左右，电动机明显发热，且运转声沉闷。此时测得电动机三相电流分别为IA=112.8A、IB=64.5A、IC=65.2A，从测量结果可以看出，B、C相电流偏小，且基本相等，而A相电流是B、C相电流的√3倍。我们知道，对△接法运行的三相电动机，正常时各相的线电流为各绕组相电流的√3倍。由此推定为IA为线电流，IB、

IC为相电流，故障原因为电动机缺相运行所致。后经查实，故障为主接触器一相触点接触不良。从表面上看三相电流均不超过电动机的额定电流150A，但事实上，电动机已经过载，明显发热。由于

IA=112.8A大于额定电流Ie／√3＝150/√3＝86.6 A，且A相电流是

B、C相电流的√3倍，根据前面的分析可知，电机已过载。

4 结束语

三相异步电动机正常Y接法运行的定子，无论是一相绕组断线，还是一相电源线断线，缺相运行电流增大到三相正常运行电流的√3倍；正常△接法运行的定子，当一相电源线断线时，每相绕组电流增大到三相正常运行时相电流的2倍，电流表显示定子运行电流为三相正常运行显示电流（线电流）的（2／√3）倍；正常△接法运行的定子，当一相相绕组断线时，一相电流增大到三相正常运行电流的1.5倍，另两相电流为三相正常运行电流的0.866倍；正常△接法运行的定子，缺两相运行，一相绕组电流增大到三相正常运行相电流的3倍，电流表显示定子运行电流为三相正常运行显示电流（线电流）的√3倍；转子缺相运行，定子侧电流表指针摆动。缺相运行是否会过电流与电网电压、负载的机械特性、负载率有很大关系。