電壓波動對電動機性能影響分析

概述
我司的五大系列產品，都有三相非同步電動機的應用，尤其是大型粉碎機上面的大功率電機，帶動負載較重，對電壓品質，起動轉矩等各方面參數要求較高。但是由於種種原因，電源電壓不恒定，常出現電壓升高或降低的現象，本文就電壓波動對三相非同步電動機性能的影響進行分析。
 

 電源電壓降低

• 對轉矩T及轉速n的影響

電磁轉矩公式：

               (1)

 

對於一般鼠籠式電動機，在穩定區正常工作範圍內，轉差率S<<1，所以SX20<

 

                    (2)

 式中，為常數。

 

(2)式說明，當電源電壓下降時，電動機的電磁轉矩T將與U2成正比下降。當電源電壓降低a時，只有轉差率增加a2倍，才能使電動機保持原有電磁轉矩與負載轉矩相平衡，這一過程可用圖1所示的機械特性曲線來說明。

 

非同步電動機機械特性曲線

 

圖中曲線1代表電源電壓為U1時的機械特性，它與恒負載轉矩Tf的交點A所對應的S為穩定運行時的轉差率，當電源電壓突然降低為U1＇，U1＇＝U1/a時，對應機械特性曲線2。在電壓降低瞬間，由於慣性，電動機轉速來不及變化，其電磁轉矩為B點所對應的T＇。由於電磁轉矩T＇小於負載轉矩Tf，所以電動機開始減速，從而S增加。隨著轉差率的S的升高，電磁轉矩也不斷回升，直到C點，電磁轉矩重新與負載轉矩平衡，也即T=Tf。此時電動機將帶動負載在較低的轉速下運行，轉速由原來的n=(1-S)nS下降到n＇=(1-S＇)nS。

 如果電壓U下降很多，以致使電動機的最大轉矩比負載轉矩小，電動機就會因帶不動負載而停止轉動。此時轉子和定子電流都將大大超出額定值，如短時間內不斷電，將會燒毀電機。

 

• 對轉子繞組以及定子繞組中電流的影響

三相非同步電動機轉子電流公式為：
 

              (3)

 

式中，E20為S＝1時的轉子每相電動勢，與定子電壓U1成正比。
設E20＝βU1，由於電動機正常運行時SX20<

 

            (4)

式中， 為常數。

 

當電源電壓U1降低a時，若要保持電動機輸出力矩不變，只有S增加a2倍，因此轉子電流為：

 

       (5)

 

即轉子每相電流增加a倍。由於三相非同步電動機的定子繞組與轉子繞組的電流的關係類似變壓器的原、副繞組中電流關係，所以轉子電流的增加，必然導致電動機定子繞組中電流的增加，從而造成電動機過熱、溫度升高，長此下去就會導致電動機的使用壽命短，嚴重的甚至燒毀電機。

當電動機空載運行時，轉子轉速接近於旋轉磁場的轉速，兩者之間的相對轉速很小，所以，轉子電流近似為零，而此時的定子電流幾乎全部為建立旋轉磁場的勵磁電流。電源電壓降低時，定子繞組中感應的反電動勢減小，電動機中用來產生反電動勢的旋轉磁場減弱，因而產生的勵磁電流減小，也即定子電流減小。

 

• 對啟動電流Iq的影響

在剛剛啟動的瞬間n=0，S＝1，因此旋轉磁場對靜止的轉子有著很大的相對速度，磁力線切割轉子導體的速度很快，這時轉子中感應出的電動勢和產生的轉子電流很大，如果此時電源電壓下降，旋轉磁場相對於靜止轉子的轉速未下降，電動機的等值阻抗基本不變，所經當電源電壓下降時，啟動電流也相應下降。

 

• 對功率因素cosφ的影響

由於U1的下降，使定子繞組中的主磁通減弱，導致主磁通在定子每相繞組中產生的感應電動勢E也隨之下降，那麼根據公式(6)

 

                (6)

 

又因為在輸出轉矩不變的情況下，I1隨U1的值下降而增加，所以 的值將減小，那麼根據公式(7)

 

            (7)

 

cosφ將增大（式中R1為定子每相繞組的電阻值，為定值）。

• 對效率η的影響

對效率的影響從兩方面分析：一方面是滿載時，一方面是半載時。由效率公式：

 

               (8)

 

式中：Pω1，Pω2——定子、轉子繞組的銅耗；
PFe——鐵損；
Pm ——總的機械損耗；
Pθ——附加損耗。
可知滿載時：

 

     (9)

 

式中I1＇和I2＇分別為電源電壓降低後，定子和轉子繞組的電流。由於電源電壓降低後定子與轉子的繞組電流均增大，所以η1<η。
半載時：

         (10)

 

因為P2>>PFe，且定子電流與轉子電流不可能增加到原來的√2倍時，所以η2>η。

綜上所述，在電網電壓下降時，可導致三相非同步電動機的轉速、轉矩、啟動電流以及滿載時的效率降低，但同時也使轉子繞組和定子繞組的電流、功率因數以及半載時的效率有所升高。

 

電源電壓升高
當電源電壓升高時，三相非同步電動機的各個參數將發生與上述相反的變化。根據三相非同步電動機定子電路公式：

 

              (11)

 

可知，主磁通φ將會隨電源電壓U1的增加而成正比的增加，由於勵磁特性的非線性使勵磁電流分量急劇增加，從而使定子總電流增加，鐵芯損耗增加，導致電動機繞組過熱，甚至燒毀。

由上述可知，電源電壓的波動將會三相非同步電動機的性能產生較大影響，所以一般規定三相非同步電動機的電源電壓在95%~105%額定電壓範圍內波動，電動機可輸出額定功率。