电机三相电流不平原因究竟是什么？

Ms.参的好友小Z是一个电机企业的老总，闲聊中小Z讲了一件对待客户、服务客户的事：有一客户配套他们单位的一台大功率电机，因客户急需，企业派专车送达使用现场，第二天一安装，客户却打电话过来说电流严重不平——这个突如其来的信息让参与电机出厂试验的所有人都感觉不可思议，所有人手里也都捏了一把汗。

在与客户沟通未果的情况下，企业第一时间派人到达客户使用现场，现场排查获取的信息是客户配电柜与电机之间的连接线严重对地，导致了这次所谓的电机故障。

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。小Z所述事实是一起典型的因线路问题导致电流不平的案例，Ms.参为这个企业服务急客户所急点赞的同时，触发了对三相电机电流不平衡问题整理分析的兴致。

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

F_Ф1=0.9·IW/p·k_W1……（1）

三相合成磁势幅值为

F₁=1.35·IW/p·k_W1……（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I_A、I_B、I_C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）

正序电流I₊产生正向旋转磁势，按式（2）幅值F₊=1.35·I₊W/p·k_W1，负序电流I_-产生反向旋转磁势，按式（2）幅值F_-=1.35·I_-W/p·k_W1，零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·k_W1·sin(ωt-α)+ 1.35·I_-W/p·k_W1·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。

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。

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？

理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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