Co se stane s motorem v případě výpadku fáze a jednofázového provozu

Ztrátou fáze rozumíme jednofázový režim provozu elektromotoru v důsledku odpojení napájení jednoho z vodičů třífázové soustavy.

Důvody ztráty fáze z elektromotoru mohou být: přerušení jednoho z vodičů, spálení jedné z pojistek; porucha kontaktu v jedné z fází.

V závislosti na okolnostech, za kterých došlo ke ztrátě fáze, mohou existovat různé režimy provozu elektromotoru a důsledky doprovázející tyto režimy. V tomto případě je třeba vzít v úvahu následující faktory: schéma zapojení vinutí elektromotoru ("hvězda" nebo "trojúhelník"), provozní stav motoru v okamžiku ztráty fáze (může dojít ke ztrátě fáze před nebo po zapnutí motoru, při zátěžovém provozu), stupeň zatížení motoru a mechanické vlastnosti pracovního stroje, počet elektromotorů pracujících s fázovou ztrátou a jejich vzájemné ovlivnění.

Zde byste měli věnovat pozornost vlastnostem uvažovaného režimu. V třífázovém režimu protéká každá fáze vinutí proudem posunutým v čase o jednu třetinu periody. Při ztrátě fáze tečou oběma vinutími přibližně stejný proud, ve třetí fázi žádný proud není. Navzdory skutečnosti, že konce vinutí jsou připojeny ke dvěma fázovým vodičům třífázového systému, proudy ve dvou vinutích se časově shodují. Tento provozní režim se nazývá jednofázový.

Magnetické pole generované jednofázovým proudem, na rozdíl od točivého pole generovaného třífázovým systémem proudů, pulzuje. Časem se mění, ale po obvodu statoru se nepohybuje. Obrázek 1a ukazuje vektor magnetického toku vytvořený v motoru v jednofázovém režimu. Tento vektor se neotáčí, mění pouze velikost a znaménko. Kruhové pole je zploštěno na přímku.

Obrázek 1. Charakteristika indukčního motoru v jednofázovém režimu: a — grafické znázornění pulzujícího magnetického pole; b — rozklad pulsujícího pole na dvě rotující; c-mechanická charakteristika asynchronního motoru v třífázovém (1) a jednofázovém (2) provozním režimu.

Pulzující magnetické pole lze považovat za sestávající ze dvou polí stejné velikosti rotujících k sobě (obr. 1, b). Každé pole interaguje s vinutím rotoru a generuje točivý moment. Jejich společné působení vytváří točivý moment na hřídeli motoru.

V případě, že dojde k výpadku fáze před připojením motoru k síti, působí na stacionární rotor dvě magnetická pole, která tvoří dva momenty opačného znaménka, ale stejné velikosti. Jejich součet bude nula.Proto, když spustíte motor v jednofázovém režimu, nemůže reverzovat, i když není na hřídeli žádné zatížení.

Pokud dojde ke ztrátě fáze, když se rotor motoru otáčí, pak se na jeho hřídeli generuje točivý moment. To lze vysvětlit následovně. Rotující rotor různými způsoby interaguje s poli rotujícími směrem k sobě. Jeden z nich, jehož rotace se shoduje s rotací rotoru, tvoří kladný (směrově se shodující) moment, druhý - záporný. Na rozdíl od stacionární skříně rotoru budou tyto momenty různé velikosti. Jejich rozdíl bude roven momentu hřídele motoru.

Obrázek 1, c ukazuje mechanické charakteristiky motoru v jednofázovém a třífázovém provozu. Při nulových otáčkách je točivý moment nulový; když se otáčí v libovolném směru, na hřídeli motoru vzniká krouticí moment.

Pokud dojde k odpojení jedné z fází za chodu motoru, kdy se jeho otáčky blížily jmenovité hodnotě, krouticí moment často stačí k pokračování provozu s mírným snížením otáček. Oproti třífázovému symetrickému režimu se objevuje charakteristický brum. U zbytku neexistují žádné vnější projevy nouzového režimu. Osoba, která nemá zkušenosti s asynchronními motory, nemusí zaznamenat změnu v charakteru provozu elektromotoru.

Přechod elektromotoru do jednofázového režimu je doprovázen redistribucí proudů a napětí mezi fázemi. Pokud jsou vinutí motoru zapojena podle schématu "hvězda", po ztrátě fáze se vytvoří obvod, jak je znázorněno na obrázku 2. Dvě sériově zapojená vinutí motoru jsou připojena k síťovému napětí Uab, pak je motor v jedno- fázový provoz.

Udělejme si malý výpočet, určíme proudy protékající vinutím motoru a porovnáme je s proudy při třífázovém napájení.

Obrázek 2. Hvězdicové zapojení vinutí motoru po ztrátě fáze

Protože odpory Za a Zb jsou zapojeny do série, budou napětí fází A a B rovna polovině lineárního:

Přibližnou hodnotu proudu lze určit na základě následujících úvah.

Náběhový proud fáze A při ztrátě fáze

Náběhový proud fáze A v třífázovém režimu

kde Uao — fázové napětí sítě.

Poměr zapínacího proudu:

Z poměru vyplývá, že při ztrátě fáze je rozběhový proud 86 % rozběhového proudu u třífázového napájení. Pokud vezmeme v úvahu, že startovací proud indukčního motoru s kotvou nakrátko je 6-7krát vyšší než jmenovitý, ukáže se, že vinutím motoru protéká proud Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, tj. více než pětinásobek nominální hodnoty. V krátké době takový proud přehřeje cívku.

Z výše uvedeného výpočtu je vidět, že uvažovaný způsob provozu je pro motor velmi nebezpečný a pokud k němu dojde, musí být ochrana v krátké době vypnuta.

Ke ztrátě fáze může dojít i po zapnutí motoru, kdy jeho rotor bude mít otáčky odpovídající provoznímu režimu. Zvažte proudy a napětí vinutí v případě přechodu do jednofázového režimu s rotujícím rotorem.

Hodnota Za závisí na rychlosti otáčení. Při rozběhu, kdy jsou otáčky rotoru nulové, jsou stejné pro třífázový i jednofázový režim. V provozním režimu, v závislosti na zatížení a mechanických vlastnostech motoru, může být rychlost otáčení různá.Proto je zapotřebí jiný přístup k analýze proudového zatížení.

Budeme předpokládat, že motor běží jak v třífázovém, tak v jednofázovém režimu. stejnou moc. Bez ohledu na schéma zapojení elektromotoru vyžaduje pracovní stroj stejný výkon, jaký je potřeba k provedení technologického procesu.

Za předpokladu, že výkon hřídele motoru je stejný pro oba režimy, budeme mít:

v třífázovém režimu

v jednofázovém režimu

kde Uа — fázové napětí sítě; Uаo — napětí fáze A v jednofázovém režimu, cos φ3 a cos φ1-koeficienty výkonu pro třífázový a jednofázový režim.

Experimenty s indukčním motorem ukazují, že ve skutečnosti se proud téměř zdvojnásobí. S určitou rezervou je možné uvažovat I1a / I2a = 2.

Pro posouzení stupně nebezpečí jednofázového provozu musíte znát také zatížení motoru.

Jako první přiblížení budeme uvažovat proud elektromotoru v třífázovém režimu úměrný jeho zatížení na hřídeli. Tento předpoklad platí pro zatížení nad 50 % jmenovité hodnoty. Potom můžete napsat Azf = Ks NS Azn, kde Ks — faktor zatížení motoru, Azn — jmenovitý proud motoru.

Jednofázový proud I1f = 2KsNS Azn, tj. proud v jednofázovém režimu bude záviset na zatížení motoru. Při jmenovité zátěži se rovná dvojnásobku jmenovitého proudu. Při zatížení menším než 50 % nevytváří ztráta fáze při připojení vinutí motoru do «hvězdy» nadproud nebezpečný pro vinutí. Ve většině případů je faktor zatížení motoru menší než jedna. Při jeho hodnotách řádově 0,6 — 0,75 je třeba počítat s mírným převýšením proudu (o 20 — 50 %) oproti nominálnímu.To je nezbytné pro fungování ochrany, protože právě v této oblasti přetížení nepůsobí dostatečně jasně.

Aby bylo možné analyzovat některé způsoby ochrany, je nutné znát napětí fází motoru. Když je rotor zablokován, napětí fází A a B se bude rovnat polovině síťového napětí Uab a napětí fáze C bude nulové.

V opačném případě se napětí při otáčení rotoru rozděluje. Faktem je, že jeho rotace je doprovázena tvorbou rotujícího magnetického pole, které působí na vinutí statoru a způsobuje v nich elektromotorickou sílu. Velikost a fáze této elektromotorické síly jsou takové, že při otáčkách blízkých synchronním se na vinutích obnoví symetrický třífázový napěťový systém a hvězdicové neutrální napětí (bod 0) se stane nulovým. Při změně otáček rotoru z nuly na synchronní v jednofázovém režimu provozu se tedy napětí fází A a B změní z hodnoty rovné polovině vedení na hodnotu rovnou fázovému napětí sítě. Například v systému s napětím 380/220 V se napětí fází A a B pohybuje v rozmezí 190 — 220 V. Napětí Uco se mění z nuly při zablokovaném rotoru na fázové napětí 220 V se synchronní rychlostí. Pokud jde o napětí v bodě 0, mění se z hodnoty Uab / 2 — na nulu při synchronních otáčkách.

Pokud jsou vinutí motoru zapojena do trojúhelníku, po ztrátě fáze budeme mít schéma zapojení znázorněné na obrázku 3. V tomto případě se ukáže, že vinutí motoru s odporem Zab je připojeno k síťovému napětí Uab a vinutí s odpory Zfc a Zpr.— zapojeny do série a připojeny ke stejnému síťovému napětí.

Obrázek 3. Zapojení do trojúhelníku vinutí motoru po ztrátě fáze

Ve spouštěcím režimu poteče vinutím AB stejný proud jako u třífázové verze a polovina proudu poteče vinutím AC a BC, protože tato vinutí jsou zapojena do série.

Proudy v lineárních vodičích I'a =I'b se budou rovnat součtu proudů v paralelních větvích: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

V uvažovaném případě se tedy při ztrátě fáze bude rozběhový proud v jedné z fází rovnat rozběhovému proudu s třífázovým napájením a proud ve vedení roste méně intenzivně.

Pro výpočet proudů při ztrátě fáze po nastartování motoru se používá stejná metoda jako u obvodu "hvězda". Budeme předpokládat, že motor vyvine stejný výkon v třífázovém i jednofázovém režimu.

V tomto režimu provozu je proud v nejvíce zatížené fázi s fázovou ztrátou dvojnásobný ve srovnání s proudem při třífázovém napájení. Proud v linkovém vodiči bude Ia 'A = 3Iab a při třífázovém napájení Ia = 1,73 Iab.

Zde je důležité poznamenat, že zatímco fázový proud se zvýší faktorem 2, proud ve vedení se zvýší pouze faktorem 1,73. To je nezbytné, protože nadproudová ochrana reaguje na proudy ve vedení. Výpočty a závěry týkající se vlivu činitele zatížení na jednofázový proud se zapojením «hvězda» zůstávají v platnosti pro případ zapojení «trojúhelník».

Fázová napětí AC a BC budou záviset na rychlosti rotoru. Když je rotor zablokován Uac '= Ub° C' = Uab / 2

Při rychlosti otáčení rovné synchronní se obnoví symetrický systém napětí, tj. ac '= Ub° C' = Uab.

Fázová napětí AC a BC se tedy při změně rychlosti otáčení z nuly na synchronní změní z hodnoty rovné polovině síťového napětí na hodnotu rovnou síťovému napětí.

Proudy a napětí fází motoru v jednofázovém provozu také závisí na počtu motorů.

Ke ztrátě fáze často dochází, když se přepálí jedna z pojistek na rozvodně nebo rozváděči. Výsledkem je, že skupina uživatelů je v jednofázovém režimu a vzájemně komunikuje. Rozložení proudů a napětí závisí na výkonu jednotlivých motorů a jejich zatížení. Zde jsou možné různé možnosti. Pokud jsou výkony elektromotorů stejné a jejich zatížení je stejné (např. skupina odtahových ventilátorů), pak lze celou skupinu motorů nahradit ekvivalentním.

Nouzové režimy asynchronních elektromotorů a způsoby jejich ochrany