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摘 要：从物理（电学）原理上分析，是在电机定子与转子的能量传递关系上，分析是“转子增大转差的方式，以达到补足定子因电压降低而减小了转子电流”，定子磁场的转速是不变的，转子转速降低也是有限的。当定子电压降低太多时，定子铁芯中磁场强度降低也会太多，传递给转子的电流就会太大，使电机定子电流超过额定值太多，烧电机。本文分析了电源电压的波动对异步电动机几个重要电气参数的影响。
关键词：异步电动机；电网电压；电磁转矩；机械特性
0 前言
负载为恒转矩时，我们知道“直流电机的机械特性中，电流大小取决于负载转矩，电压高低决定电机转速”，三相异步电机也一样，负载转矩不变时，转子上的电流也不变！但是，当定子上的电压降低时。我们知道，电机转矩乘以转速等于功率，转速降低，电机输出功率也有所降低；那么，如果电机定子的电流没变，电压降低，输入功率也降低，这符合能量守恒定律。
以上分析是有条件的，条件是“在一定范围内”，这个范围又是什么呢？这个课题十分值得我们去探讨。
1 异步电动机基本原理
当在异步电机定子绕组中通入三相正弦交流电时，即会产生一个旋转磁场，由于转子导体与此旋转磁场间存在相对运动，转子导体即切割此旋转磁场而产生感应电动势。转子导体是被端环短路的，所以在感应电动势的作用下，转子导体内将产生与感应电动势方向一致的感应电流。从异步电机基本原理上可以看出，定子绕组上所通三相正弦交流电即电源电压，会直接对电机的定子电流、转子电流、电磁转矩等参数产生直接的影响，从而改变电机的机械特性，使电机的性能产生变化。下面我们分别从电源电压偏高和偏低 2 个方面进行具体阐述。
2 电源电压偏高时
2.1 对定子电流的影响
定子电流I1由激磁电流分量 Im和负载电流分量 I1L2部分构成，而I1L= -I2′（I2′为归算到定子边时转子电流的归算值），因此有I1=Im+（-I2′），所以对定子电流的影响必须从Im和 I2′2 个方面进行。
（1）对激磁电流的影响：电机输出电压的平均值与激磁电流和转速的乘积成正比，若使电机在不同转速工作时其输出电压的平均值保持不变，则须通过电压调节器对其激磁电流进行相应的控制，且要求电机的激磁电流与转速成反比。当电机工作时，其输出电压和激磁电流随转速和负载而变化。
式中，Z1σ和Zm分别为定子漏阻抗和定子激磁阻抗，此时均为定值。
（2）对转子电流的影响：在空载开度不变的情况下增加励磁电流会使机端电压升高，频率降低，转子电流增加。
正在运行的电动机如果负载即电磁转矩M不变，电源电压偏高时磁通φm上升，电机转子电流会有所减小。其中，CT代表电流互感器。可见电源电压偏高时激磁电流分量增加，而负载电流分量减小，定子电流的变化取决于负载的大小。
空载或轻载时，U1偏高会使定子电流增加，重载时会使定子电流减小。
2.2 对电机转矩的影响
当定子磁链幅值和磁通角（定、转子磁链夹角）变化发生矛盾时，磁通角变化决定转矩变化的传统观点是在一定前提条件下成立的，否则，在某些情况下，转矩的变化与磁通角变化相反，导致控制实际效果与开关表设定相反，增大了转矩脉动。
式中，m1为定子绕组相数；p 为极对数；r2′为转子绕组电阻；s 为转差率；f1为定子电压的频率；r1为定子绕组电阻；x1和 x20′分别为定、转子绕组漏抗。
起动转矩Mst与电源电压U1的平方成正比，电源电压偏高时电机电磁转矩增加，对电机的起动和运行有利。
2.3 使电机铁损增加
U1↑—→铁芯损耗 pFe↑
（1）从磁通密度的角度分析如下：
式中，CFe为铁芯损耗系数；f 为频率；G 为铁芯重量。
（2）从激磁电流角度分析如下：
式中，m1为定子绕组相数；Rm为激磁电阻。
铁芯损耗p 过大会造成铁芯过热。
3 电源电压偏低时
3.1 对电动机起动转矩的影响
起动转矩Mst与电源电压U1的平方成正比，电源电压过低时起动转矩显著下降，电动机起动困难甚至不能起动。
式中，m1为定子绕组相数；p 为极对数；r2′为转子绕组电阻；f1为定子电压的频率；r1为定子绕组电阻；x1和x20′分别为定、转子绕组漏抗。
3.2 对定子电流的影响
与分析电压偏高时一样，电压偏低时对定子电流的影响也从激磁电流Im和转子电流I2′2 个方面进行。
（1）对激磁电流的影响所下：
式中，Z1σ和Zm分别为定子漏阻抗和定子激磁阻抗，此时均为定值。
（2）对转子电流的影响如下：
I2cosφ2为转子电流的有功分量。当负载不变时，电源电压下降，气隙主磁通下降，为保证输出转矩，转子电流有功分量必然增加，其定子边归算值也随之增加。
电源电压偏高时激磁电流分量减小，而负载电流分量增大，定子电流的变化取决于负载的大小。
空载或轻载时，U1偏高会使定子电流减小，重载时会使定子电流增大。
定子、转子电流都增大时，定子铜耗和转子铜耗都增大，导致电机发热，会缩短电机使用寿命，严重的可能烧毁电机。
（3）从功率角度分析如下：
某厂房的5000kW异步电动机在试验时基本运行于满载工况下，即使加载前其功率也可达到 1200～1300kW之间，电压偏低时，电机定子电流必然增大。对于这一结论可从功率的角度进行分析而得到印证。
明显有功功率P 和功率因数 cosφ 一定时，U1和I1成反比。对于正在运行的电动机，如果负载不变，电源电压偏低时为了保证输出功率，电机定子电流会明显增大；电源电压偏高时电机定子电流会随之减小。
4 对电机机械特性的影响
异步电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比，电源电压偏高或偏低都可能改变电动机的机械特性。但是由于异步电动机在额定电压下运行时，磁路已经饱和。因此，电源电压高于额定电压时并不能改变机械特性。这里只讨论电源电压高于额定电压时电机的机械特性。
当电源电压U1降低时，电磁转矩M（包括最大电磁转矩 Mmax和起动转矩Mst）与U12成正比减小，如图 1 所示，曲线 1 为额定电压 Un时，电机的机械特性，曲线 2 和曲线 3 分别为电源电压降为0.8Un和0.5U时电机的人为机械特性。
由图 1 可见，电源电压偏低时的人为机械特性，其线性段的斜率變大，机电机械特性变软。起动转矩 Mst和最大电磁转矩 Mmax均按U12关系减小，即电动机的起动转矩倍数和过载能力均显著下降。而且电压下降过多时，可能出现最大转矩小于负载转矩，这时电动机将堵转。
5 结论
从以上分析可知，电动机在电源电压偏高下运行的条件比在电压偏低下运行要好一些，所产生的不利影响小一些。电压降低时，定、转子电流都增加，从而使损耗增大，电机温升增高，而且由于力矩减小，起动条件变坏。所以，电源电压偏高不超过10％的范围对电机性能不会产生不利影响，而电源电压偏低的情况则应该尽量避免。
［参考文献］
［1］汤蕴璆，史乃.电机学［M］.机械工业出版社，2004
［2］蔡方耀.电动机应用计算指南［M］.中国计划出版社，1998
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：异步电动机；电网电压；电磁转矩；机械特性
0 前言
负载为恒转矩时，我们知道“直流电机的机械特性中，电流大小取决于负载转矩，电压高低决定电机转速”，三相异步电机也一样，负载转矩不变时，转子上的电流也不变！但是，当定子上的电压降低时。我们知道，电机转矩乘以转速等于功率，转速降低，电机输出功率也有所降低；那么，如果电机定子的电流没变，电压降低，输入功率也降低，这符合能量守恒定律。
以上分析是有条件的，条件是“在一定范围内”，这个范围又是什么呢？这个课题十分值得我们去探讨。
1 异步电动机基本原理
当在异步电机定子绕组中通入三相正弦交流电时，即会产生一个旋转磁场，由于转子导体与此旋转磁场间存在相对运动，转子导体即切割此旋转磁场而产生感应电动势。转子导体是被端环短路的，所以在感应电动势的作用下，转子导体内将产生与感应电动势方向一致的感应电流。从异步电机基本原理上可以看出，定子绕组上所通三相正弦交流电即电源电压，会直接对电机的定子电流、转子电流、电磁转矩等参数产生直接的影响，从而改变电机的机械特性，使电机的性能产生变化。下面我们分别从电源电压偏高和偏低 2 个方面进行具体阐述。
2 电源电压偏高时
2.1 对定子电流的影响
定子电流I1由激磁电流分量 Im和负载电流分量 I1L2部分构成，而I1L= -I2′（I2′为归算到定子边时转子电流的归算值），因此有I1=Im+（-I2′），所以对定子电流的影响必须从Im和 I2′2 个方面进行。
（1）对激磁电流的影响：电机输出电压的平均值与激磁电流和转速的乘积成正比，若使电机在不同转速工作时其输出电压的平均值保持不变，则须通过电压调节器对其激磁电流进行相应的控制，且要求电机的激磁电流与转速成反比。当电机工作时，其输出电压和激磁电流随转速和负载而变化。
式中，Z1σ和Zm分别为定子漏阻抗和定子激磁阻抗，此时均为定值。
（2）对转子电流的影响：在空载开度不变的情况下增加励磁电流会使机端电压升高，频率降低，转子电流增加。
正在运行的电动机如果负载即电磁转矩M不变，电源电压偏高时磁通φm上升，电机转子电流会有所减小。其中，CT代表电流互感器。可见电源电压偏高时激磁电流分量增加，而负载电流分量减小，定子电流的变化取决于负载的大小。
空载或轻载时，U1偏高会使定子电流增加，重载时会使定子电流减小。
2.2 对电机转矩的影响
当定子磁链幅值和磁通角（定、转子磁链夹角）变化发生矛盾时，磁通角变化决定转矩变化的传统观点是在一定前提条件下成立的，否则，在某些情况下，转矩的变化与磁通角变化相反，导致控制实际效果与开关表设定相反，增大了转矩脉动。
式中，m1为定子绕组相数；p 为极对数；r2′为转子绕组电阻；s 为转差率；f1为定子电压的频率；r1为定子绕组电阻；x1和 x20′分别为定、转子绕组漏抗。
起动转矩Mst与电源电压U1的平方成正比，电源电压偏高时电机电磁转矩增加，对电机的起动和运行有利。
2.3 使电机铁损增加
U1↑—→铁芯损耗 pFe↑
（1）从磁通密度的角度分析如下：
式中，CFe为铁芯损耗系数；f 为频率；G 为铁芯重量。
（2）从激磁电流角度分析如下：
式中，m1为定子绕组相数；Rm为激磁电阻。
铁芯损耗p 过大会造成铁芯过热。
3 电源电压偏低时
3.1 对电动机起动转矩的影响
起动转矩Mst与电源电压U1的平方成正比，电源电压过低时起动转矩显著下降，电动机起动困难甚至不能起动。
式中，m1为定子绕组相数；p 为极对数；r2′为转子绕组电阻；f1为定子电压的频率；r1为定子绕组电阻；x1和x20′分别为定、转子绕组漏抗。
3.2 对定子电流的影响
与分析电压偏高时一样，电压偏低时对定子电流的影响也从激磁电流Im和转子电流I2′2 个方面进行。
（1）对激磁电流的影响所下：
式中，Z1σ和Zm分别为定子漏阻抗和定子激磁阻抗，此时均为定值。
（2）对转子电流的影响如下：
I2cosφ2为转子电流的有功分量。当负载不变时，电源电压下降，气隙主磁通下降，为保证输出转矩，转子电流有功分量必然增加，其定子边归算值也随之增加。
电源电压偏高时激磁电流分量减小，而负载电流分量增大，定子电流的变化取决于负载的大小。
空载或轻载时，U1偏高会使定子电流减小，重载时会使定子电流增大。
定子、转子电流都增大时，定子铜耗和转子铜耗都增大，导致电机发热，会缩短电机使用寿命，严重的可能烧毁电机。
（3）从功率角度分析如下：
某厂房的5000kW异步电动机在试验时基本运行于满载工况下，即使加载前其功率也可达到 1200～1300kW之间，电压偏低时，电机定子电流必然增大。对于这一结论可从功率的角度进行分析而得到印证。
明显有功功率P 和功率因数 cosφ 一定时，U1和I1成反比。对于正在运行的电动机，如果负载不变，电源电压偏低时为了保证输出功率，电机定子电流会明显增大；电源电压偏高时电机定子电流会随之减小。
4 对电机机械特性的影响
异步电动机的电磁转矩与电源电压的平方成正比，电源电压偏高或偏低都可能改变电动机的机械特性。但是由于异步电动机在额定电压下运行时，磁路已经饱和。因此，电源电压高于额定电压时并不能改变机械特性。这里只讨论电源电压高于额定电压时电机的机械特性。
当电源电压U1降低时，电磁转矩M（包括最大电磁转矩 Mmax和起动转矩Mst）与U12成正比减小，如图 1 所示，曲线 1 为额定电压 Un时，电机的机械特性，曲线 2 和曲线 3 分别为电源电压降为0.8Un和0.5U时电机的人为机械特性。
由图 1 可见，电源电压偏低时的人为机械特性，其线性段的斜率變大，机电机械特性变软。起动转矩 Mst和最大电磁转矩 Mmax均按U12关系减小，即电动机的起动转矩倍数和过载能力均显著下降。而且电压下降过多时，可能出现最大转矩小于负载转矩，这时电动机将堵转。
5 结论
从以上分析可知，电动机在电源电压偏高下运行的条件比在电压偏低下运行要好一些，所产生的不利影响小一些。电压降低时，定、转子电流都增加，从而使损耗增大，电机温升增高，而且由于力矩减小，起动条件变坏。所以，电源电压偏高不超过10％的范围对电机性能不会产生不利影响，而电源电压偏低的情况则应该尽量避免。
［参考文献］
［1］汤蕴璆，史乃.电机学［M］.机械工业出版社，2004
［2］蔡方耀.电动机应用计算指南［M］.中国计划出版社，1998
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。