Що відбувається з електродвигуном при втраті фази і однофазному режимі роботи

Під втратою фази розуміють однофазовий режим роботи електродвигуна в результаті відключення живлення по одному з проводів трифазної системи.

Причинами втрати фази електродвигуном можуть бути: обрив 1-го з проводів, згоряння 1-го з предохранітелей- порушення контакту в одній з фаз.

Залежно від подій, при яких сталася втрата фази, можуть бути різні режими роботи електродвигуна і наслідки, супутні цим режимам. При цьому слід брати до уваги такі чинники: схему з`єднання обмоток електродвигуна ( «зірка» або «трикутник»), робочий стан мотора в момент втрати фази (втрата фази може відбутися до або після включення мотора, під час роботи під навантаженням), ступінь завантаження мотора і механічну характеристику робочої машини, число електродвигунів, що працюють при втраті фази, і їх взаємний вплив.

Тут слід звернути увагу на особливість розглянутого режиму. У трифазному режимі будь-яка фаза обмотки обтекается струмом, зсунутим в часі на одну третину періоду. При втраті фази дві обмотки обтекаются одним і тим же струмом, в третій фазі струм відсутній. Незважаючи на те, що кінці обмоток приєднані до 2-мя фазним проводам трифазної системи, струми в обох обмотках збігаються за часом. Такий режим роботи називається однофазовий.

Магнітне поле, утворене однофазовий струмом, на відміну від обертового поля, утвореного трифазною системою струмів, є пульсуючим. Воно змінюється в часі, але не переміщається по окружності статора. На малюнку 1, а показаний вектор магнітного потоку, створюваного в движку при однофазних режимі. Цей вектор не крутиться, а тільки змінюється по величині і знаку. Радіальне поле сплющується до прямої лінії.

Малюнок 1. Властивості асинхронного мотора в однофазних режимі: а - графічне зображення пульсуючого магнітного поля-б - розкладання пульсуючого поля на два крутящіхся- в - механічні властивості асинхронного мотора в трифазному (1) і однофазних (2) режимах роботи.

Пульсуюче магнітне поле можна розглядати що складається з 2-ух крутяться назустріч один одному рівних за величиною полів (рис. 1, б). Кожне поле взаємодіє з обмоткою ротора і утворює крутний момент. Їх сумарна дія робить крутний момент на валу двигуна.

У цьому випадку, коли втрата фази сталася до включення мотора в мережу, на нерухомий ротор діють два магнітних поля, які утворюють два зворотних по знаку, але рівних за величиною моменту. Їх сума буде дорівнює нулю. Тому при пуску двигуна в однофазних режимі він не може розвернутися навіть при відсутності навантаження на валу.

Якщо втрата фази сталася в той час, коли ротор двигуна крутився, то на його валу з`являється крутний момент. Це можна пояснити наступним чином. Крутиться ротор по різному взаємодіє з обертовими назустріч один одному полями. Одне з них, обертання якого збігається з обертанням ротора, утворює позитивний (що співпадає з напрямком) момент, інше - негативний. На відміну від варіанту з нерухомим ротором ці моменти будуть різними за величиною. Їх різниця буде дорівнює моменту на валу двигуна.

На малюнку 1, в показана механічна риса мотора в однофазних та трифазні режимах роботи. При нульовій швидкості момент дорівнює нулю, при виникненні обертання в будь-яку сторону на валу мотора з`являється момент.

Якщо відключення однієї з фаз вийшло під час роботи мотора, коли його швидкість була близька до номінального значення, крутний момент нерідко буває достатнім для продовження роботи з маленьким зниженням швидкості. На відміну від трифазного симетричного режиму виникає властиве гудіння. В іншому зовнішні прояви аварійного режиму не спостерігаються. Людина, що не має досвіду роботи з асинхронними двигунами, може не побачити зміни характеру роботи електродвигуна.

Перехід електродвигуна в однофазовий режим супроводжується перерозподілом струмів і напруг між фазами. Якщо обмотки мотора з`єднані за схемою «зірка», то після втрати фази з`являється схема, показана на малюнку 2. Дві черзі з`єднані обмотки мотора виявляютьсявключеними на лінійну напругу Uаb, движок при цьому виявляється в однофазних режимі роботи.

Створимо маленький розрахунок, визначимо струми, що протікають по обмотках двигуна і порівняємо їх з струмами при трифазному харчуванні.

Малюнок 2. З`єднання обмоток мотора за схемою «зірка» після потерн фази

Тому що опору Zа і Zв з`єднані по черзі, напруги на фазах А і В будуть рівні половині лінійного:

Наближено величину струму можна знайти виходячи з наступних міркувань.

Пусковий струм фази А при втраті фази

Пусковий струм фази А при трифазному режимі

де Uao - фазовий напруга мережі.

Ставлення пускових струмів:

Зі співвідношення випливає, що при втраті фази пусковий струм складає 86% від величини пускового струму при трифазному харчуванні. Якщо враховувати, що пусковий струм короткозамкнутого асинхронного мотора в 6 - 7 разів більше номінального, то виходить, що за обмоткам мотора протікає струм IIф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн, т. Е. В 5 з гаком разів перевершує номінальний . За короткий проміжок часу такий струм перегріє обмотку.

З наведеного розрахунку видно, що даний режим роботи дуже небезпечний для мотора і в разі його появи захист повинен відключити з незначною витримкою часу.

Втрата фази може статися і після включення мотора, коли його ротор буде мати швидкість обертання, відповідну робочого режиму. Розглянемо струми і напруги обмоток в разі переходу в однофазовий режим при роторі.

Величина Za залежить від швидкості обертання. При пуску, коли швидкість обертання ротора дорівнює нулю, вона схожа як для трифазного, так і для однофазового режиму. У робочому режимі залежно від навантаження і механічної характеристики двигуна швидкість обертання може бути різною. Тому для аналізу струмових навантажень потрібен інший підхід.

Будемо вважати, що як в трифазному, так і в однофазних режимі двигун розвиває. схожу потужність. Незалежно від схеми включення електродвигуна робоча машина просить ту ж саму потужність, яка потрібна для виконання технологічного процесу.

Вважаючи потужності на валу двигуна рівними для обох режимів, матимемо:

при трифазному режимі

при однофазних режимі

де Ua - фазовий напруга мережі-Uao - напруга на фазі А в однофазних режимі, cos φ3 і cos φ1 - коефіцієнти потужності при трифазному і однофазних режимах відповідно.

Досліди з асинхронним двигуном демонструють, що практично ток зростає практично в два рази. З таким собі запасом можна вважати I1a / I2a = 2.

Для того щоб судити про ступінь загрози однофазового режиму роботи, необхідно також знати завантаження мотора.

У першому наближенні будемо вважати струм електродвигуна в трифазному режимі пропорційним його навантаженні на валу. Таке припущення справедливо при навантаженнях більше 50% від номінального значення. Тоді можна написати Iф = Kз х Iн, де Kз - коефіцієнт завантаження двигуна, Iн - номінальний струм двигуна.

Струм при однофазних режимі I1ф = 2Kзх Iн, т. Е. Струм при однофазних режимі буде залежати від завантаження мотора. При номінальному навантаженні він дорівнює подвійному номінального струму. При навантаженні менше 50% втрата фази при з`єднанні обмоток двигуна в «зірку» робить небезпечного для обмоток перевищення струму. У більшості випадків коефіцієнт завантаження двигуна менше одиниці. При його значеннях близько 0,6 - 0,75 слід чекати маленького перевищення струму (на 20- 50%) в порівнянні з номінальним. Це значно для роботи захисту, тому що конкретно в цій області перевантажень вона діє недостатньо чітко.

Для аналізу деяких методів захисту слід знати напруга на фазах мотора. При загальмованому роторі напруга на фазах А і В буде дорівнює половині лінійного напруги Uab, а напруга на фазі С дорівнюватиме нулю.

Інакше розподіляється напруга при роторі. Справа в тому, що його обертання супроводжується утворенням обертового магнітного поля, яке, діючи на обмотки статора, наводить в їх електрорушійну силу. Величина і фаза цієї електрорушійної сили такі, що при швидкості обертання, близької до синхронної, на обмотках відновлюється симетрична система трифазного напруги, а напруга нейтралі зірки (точка 0) стає рівним нулю. Таким чином, при зміні швидкості обертання ротора від нуля до синхронної в однофазних режимі роботи напруга на фазах А і В змінюється від значення, рівного половині лінійного, до значення, рівного фазового напрузі мережі. Наприклад, в системі напруги 380/220 В напруга на фазах А і В змінюється в межах 190 - 220 В. Напруга Uco змінюється від нуля при загальмованому роторі до фазового напруги 220 В при синхронної швидкості. Що все-таки стосується напруги в точці 0, то воно змінюється від значення Uab / 2 - до нуля при синхронної швидкості.

Якщо обмотки мотора з`єднані за схемою «трикутник», то після втрати фази ми будемо мати схему з`єднань, показану на малюнку 3. У даному випадку обмотка двигуна з опором Zab виявляється включеною на лінійну напругу Uab, а обмотка з опорами Zfc і Zbc - з`єднаної черзі і включеної на те ж саме лінійну напругу.

У пусковому режимі по обмоткам АВ буде протікати такий же струм, як і при трифазному варіанті, а по обмоткам АС і ВС буде протікати струм удвічі менший, тому що ці обмотки з`єднані послідовно.

Токи в лінійних проводах I`a = I`b дорівнюватимуть сумі струмів в паралельних гілках: I`А = I`ab + I`bc = 1,5 Iab

Таким чином, в даному випадку при втраті фази пусковий струм в одній з фаз буде дорівнює пусковому току при трифазному харчуванні, а лінійний струм зростає найменш активно.

Для розрахунку струмів в разі втрати фази після включення мотора в роботу застосуємо той же спосіб, що і для схеми «зірка». Будемо вважати, що як в трифазному, так і в однофазних режимах двигун розвиває схожу потужність.

В цьому режимі роботи струм в більш навантаженої фазі при втраті фази зростає в два рази в порівнянні з струмом при трифазному харчуванні. Струм в лінійному проводі буде дорівнює I`А = 3Iab, а при трифазному харчуванні Ia = 1,73 Iab.

Тут важливо відзначити, що в той час як фазовий ток зростає в 2 рази, лінійний струм зростає виключно в 1,73 рази. Це значно, тому що струмовий захист реагує на лінійні струми. Розрахунки і висновки щодо впливу коефіцієнта завантаження на ток однофазового режиму при з`єднанні «зірка» залишаються в силі і для варіанту схеми «трикутник».

Напруги на фазах АС і ВС будуть залежати від швидкості обертання ротора. При загальмованому роторі Uac `= Ubc` = Uab / 2

При швидкості обертання, рівній синхронної, відновлюється симетрична система напруг, т. Е. Uac `= Ubc` = Uab.

Таким чином, напруги на фазах АС і ВС при змінах швидкості обертання від нуля до синхронної будуть змінюватися від значення, рівного половині лінійного, до значення, рівного лінійному напрузі.

Токи і напруги на фазах мотора при однофазних режимі залежать також і від числа двигунів.

Нерідко обрив фази відбувається через перегорання 1-го із запобіжників на живильному фідері підстанції або розподільного пристрою. У підсумку в однофазних режимі виявляється група споживачів, взаємно впливають один на одного. Розподіл струмів і напруг залежить від потужності окремих движків і їх навантаження. Тут можливі різні варіанти. Якщо потужності електродвигунів рівні, а їх навантаження схожа (наприклад, група витяжних вентиляторів), то всю групу двигунів можна поміняти одним еквівалентним.

Аварійні режими асинхронних електродвигунів і методи їх захисту