Какво се случва с двигателя в случай на загуба на фаза и еднофазна работа

Под загуба на фаза разбират еднофазния режим на работа на електродвигателя в резултат на изключване на захранването на един от проводниците на трифазната система.

Причините за загубата на фаза от електродвигател могат да бъдат: прекъсване на един от проводниците, изгаряне на един от предпазителите; нарушение на контакта в една от фазите.

В зависимост от обстоятелствата, при които е настъпила загубата на фаза, може да има различни режими на работа на електродвигателя и последствията, придружаващи тези режими. В този случай трябва да се вземат предвид следните фактори: схемата на свързване на намотките на електродвигателя («звезда» или «триъгълник»), работното състояние на двигателя в момента на загуба на фаза (загубата на фаза може да възникне преди или след включване на двигателя, по време на работа при натоварване), степента на натоварване на двигателя и механичните характеристики на работната машина, броя на електродвигателите, работещи с фазова загуба, и тяхното взаимно влияние.

Тук трябва да обърнете внимание на особеностите на разглеждания режим. В трифазен режим всяка фаза на намотката тече с ток, изместен във времето с една трета от периода. При загуба на фаза двете намотки текат около един и същ ток, в третата фаза няма ток. Въпреки факта, че краищата на намотките са свързани към два фазови проводника на трифазна система, токовете в двете намотки съвпадат във времето. Този режим на работа се нарича еднофазен.

Магнитното поле, генерирано от еднофазен ток, за разлика от въртящото се поле, генерирано от трифазна система от токове, пулсира. Той се променя с течение на времето, но не се движи по обиколката на статора. Фигура 1, а показва вектора на магнитния поток, създаден в двигателя в еднофазен режим. Този вектор не се върти, а само се променя по величина и знак. Кръговото поле е сплескано до права линия.

Снимка 1. Характеристики на асинхронен двигател в еднофазен режим: а — графично представяне на пулсиращо магнитно поле; б — разлагане на пулсиращото поле на две въртящи се; в-механични характеристики на асинхронен двигател в трифазен (1) и еднофазен (2) режим на работа.

Пулсиращ магнитно поле могат да се разглеждат като състоящи се от две полета с еднаква величина, въртящи се едно към друго (фиг. 1, б). Всяко поле взаимодейства с намотката на ротора и генерира въртящ момент. Тяхното комбинирано действие създава въртящ момент върху вала на двигателя.

В случай, че загуба на фаза е настъпила преди свързването на двигателя към мрежата, на неподвижен ротор действат две магнитни полета, които образуват два момента с противоположен знак, но равни по величина. Тяхната сума ще бъде нула. Следователно, когато стартирате двигателя в еднофазен режим, той не може да се обърне, дори ако няма натоварване на вала.

Ако nвъзникна загуба на фаза, докато роторът на двигателя се въртеше, тогава на вала му се генерира въртящ момент. Това може да се обясни по следния начин. Въртящият се ротор взаимодейства по различни начини с полетата, въртящи се едно към друго. Единият от тях, въртенето на който съвпада с въртенето на ротора, образува положителен (съвпадащ по посока) момент, другият — отрицателен. За разлика от случая с неподвижен ротор, тези моменти ще бъдат различни по величина. Тяхната разлика ще бъде равна на момента на вала на двигателя.

Фигура 1, в показва механични характеристики на двигателя в еднофазен и трифазен режим на работа. При нулева скорост въртящият момент е нулев; когато се върти във всяка посока, на вала на двигателя се появява въртящ момент.

Ако една от фазите е изключена, докато двигателят работи, когато скоростта му е била близо до номиналната стойност, въртящият момент често е достатъчен за продължаване на работата с леко намаляване на скоростта. За разлика от трифазния симетричен режим се появява характерно бръмчене. За останалите не се наблюдават външни прояви на аварийния режим. Лице, което няма опит с асинхронни двигатели, може да не забележи промяна в характера на работа на електродвигател.

Преходът на електродвигател към еднофазен режим е придружен от преразпределение на токове и напрежения между фазите. Ако намотките на двигателя са свързани съгласно схемата «звезда», след загубата на фаза се образува верига, показана на фигура 2. Две последователно свързани моторни намотки са свързани към линейното напрежение Uаб, тогава моторът е в еднофазна работа.

Нека направим малко изчисление, да определим токовете, протичащи през намотките на двигателя, и да ги сравним с токовете с трифазно захранване.

Фигура 2. Връзка звезда на намотките на двигателя след загуба на фаза

Тъй като съпротивленията Za и Zb са свързани последователно, напреженията на фази А и В ще бъдат равни на половината от линейната:

Приблизителната стойност на тока може да бъде определена въз основа на следните съображения.

Пусков ток на фаза А при загуба на фаза

Стартиращ ток на фаза А в трифазен режим

където Uао — фазово напрежение на мрежата.

Съотношение на пусковия ток:

От съотношението следва, че при загуба на фаза пусковият ток е 86% от началния ток при трифазно захранване. Ако вземем предвид, че пусковият ток на асинхронния двигател с катерица е 6-7 пъти по-висок от номиналния, се оказва, че през намотките на двигателя тече ток Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Азn, тоест повече от пет пъти номиналното. За кратък период от време такъв ток ще прегрее намотката.

От горното изчисление може да се види, че разглежданият режим на работа е много опасен за двигателя и ако възникне, защитата трябва да се изключи с кратко време.

Загубата на фаза може да възникне и след включване на двигателя, когато роторът му ще има скорост на въртене, съответстваща на режима на работа. Помислете за токовете и напреженията на намотките в случай на преход към еднофазен режим с въртящ се ротор.

Стойността на Zа зависи от скоростта на въртене. При стартиране, когато скоростта на ротора е нула, тя е еднаква както за трифазен, така и за еднофазен режим. В режим на работа, в зависимост от натоварването и механичните характеристики на двигателя, скоростта на въртене може да бъде различна. Следователно е необходим различен подход за анализ на текущите натоварвания.

Ще приемем, че двигателят се развива както в трифазен, така и в еднофазен режим. същата сила. Независимо от схемата на свързване на електродвигателя, работната машина изисква същата мощност, която е необходима за извършване на технологичния процес.

Ако приемем, че мощността на вала на двигателя е еднаква и за двата режима, ще имаме:

в трифазен режим

в еднофазен режим

където Uа — фазово напрежение на мрежата; Uаo — напрежение на фаза А в еднофазен режим, cos φ3 и cos φ1-коефициенти на мощност съответно за трифазни и еднофазни режими.

Експериментите с асинхронен двигател показват, че всъщност токът почти се удвоява. С известен марж е възможно да се обмисли I1a / I2a = 2.

За да прецените степента на опасност от еднофазна работа, трябва също да знаете натоварването на двигателя.

Като първо приближение ще разгледаме тока на електродвигателя в трифазен режим пропорционален на натоварването му върху вала. Това предположение е валидно при натоварвания над 50% от номиналната стойност. След това можете да пишете Азf = Кс NS Азn, където Кs — коефициент на натоварване на двигателя, Азn — номинален ток на двигателя.

Еднофазен ток I1f = 2КсNS Азn, т.е.токът в еднофазен режим ще зависи от натоварването на двигателя. При номинално натоварване той е равен на два пъти номиналния ток. При натоварване по -малко от 50%, загубата на фаза при свързване на намотките на двигателя към «звезда» не създава свръхток, опасен за намотките. В повечето случаи коефициентът на натоварване на двигателя е по -малък от един. При неговите стойности от порядъка на 0.6 — 0.75 трябва да се очаква леко превишаване на тока (с 20 — 50%) в сравнение с номиналния. Това е от съществено значение за функционирането на защитата, тъй като именно в тази област на претоварване тя не действа достатъчно ясно.

За да се анализират някои методи за защита, е необходимо да се знае напрежението на фазите на двигателя. Когато роторът е заключен, напрежението на фази А и В ще бъде равно на половината от напрежението на мрежата Uab, а напрежението на фаза С ще бъде нула.

В противен случай напрежението се разпределя, когато роторът се върти. Факт е, че въртенето му е придружено от образуването на въртящо се магнитно поле, което, въздействайки върху намотките на статора, предизвиква в тях електродвижеща сила. Величината и фазата на тази електромоторна сила са такива, че при скорост на въртене, близка до синхронната, на намотките се възстановява симетрична трифазна система за напрежение и неутралното напрежение на звездата (точка 0) става нула. По този начин, когато скоростта на ротора се промени от нула до синхронна в еднофазен режим на работа, напрежението на фази А и В се променя от стойност, равна на половината от линейната, до стойност, равна на фазовото напрежение на мрежата. Например в система с напрежение 380/220 V, напрежението на фази А и В варира в рамките на 190 — 220 V. Напрежението Uco се променя от нула със заключен ротор до фазово напрежение 220 V със синхронна скорост. Що се отнася до напрежението в точка 0, то се променя от стойността Uab / 2 — до нула при синхронна скорост.

Ако намотките на двигателя са свързани триъгълно, след загуба на фаза ще имаме схемата на свързване, показана на Фигура 3. В този случай намотката на двигателя с съпротивление Zab се оказва свързан към линейното напрежение Uab, и намотката със съпротивления Zfc и Zпр.н.е. — свързани последователно и свързани към едно и също линейно напрежение.

Фигура 3. Делта връзка на намотките на двигателя след загуба на фаза

В началния режим през намотките АВ ще тече същият ток, както в трифазната версия, а половината ток ще тече през намотките на променлив ток и ВС, тъй като тези намотки са свързани последователно.

Токове в линейни проводници Аз ‘а =Аз ‘b ще бъде равно на сумата от токове в паралелни клони: Аз’А = Аз’аb + I’bc = 1,5 Iab

По този начин, в разглеждания случай, със загуба на фаза, пусковият ток в една от фазите ще бъде равен на началния ток с трифазно захранване, а линейният ток се увеличава по-малко интензивно.

За изчисляване на токовете в случай на загуба на фаза след включване на двигателя се използва същият метод, както за веригата «звезда». Ще приемем, че двигателят развива еднаква мощност както в трифазен, така и в еднофазен режим.

При този режим на работа токът в най-натоварената фаза със загуба на фаза се удвоява в сравнение с тока с трифазно захранване. Токът в линейния проводник ще бъде Аз ‘A = 3Iab, и с трифазно захранване Ia = 1,73 Iab.

Тук е важно да се отбележи, че докато фазовият ток се увеличава с коефициент 2, токът на линията се увеличава само с коефициент 1,73. Това е от съществено значение, тъй като защитата от свръх ток реагира на линейните токове. Изчисленията и заключенията относно влиянието на фактора на натоварване върху еднофазния ток с връзка «звезда» остават валидни за случая на «триъгълна» верига.

Напреженията на фазите AC и BC ще зависят от скоростта на ротора. Когато роторът е заключен Uаc ‘= Uб° С’ = Uab / 2

При скорост на въртене, равна на синхронната, симетричната система от напрежения се възстановява, т.е.аc ‘= Uб° С’ = Uab.

По този начин напреженията на фазите AC и BC, когато скоростта на въртене се промени от нула на синхронно, ще се променят от стойност, равна на половината от линейното напрежение, до стойност, равна на напрежението на линията.

Токовете и напреженията на фазите на двигателя при еднофазна работа също зависят от броя на двигателите.

Загубата на фаза често възниква, когато един от предпазителите на захранващото захранване на подстанцията или разпределителното устройство е изгорял. В резултат на това група потребители са в еднофазен режим, взаимодействащи взаимно. Разпределението на токовете и напреженията зависи от мощността на отделните двигатели и тяхното натоварване. Тук са възможни различни опции. Ако мощностите на електродвигателите са равни и натоварването им е същото (например група от вентилатори за отработени газове), тогава цялата група двигатели може да бъде заменена с една еквивалентна.

Аварийни режими на асинхронни електродвигатели и методи за тяхната защита