Co dzieje się z silnikiem w przypadku zaniku fazy i pracy jednofazowej

Przez zanik fazy rozumiemy jednofazowy tryb pracy silnika elektrycznego w wyniku odłączenia zasilania jednego z przewodów układu trójfazowego.

Przyczynami utraty fazy z silnika elektrycznego mogą być: zerwanie jednego z przewodów, spalenie jednego z bezpieczników; awaria styku w jednej z faz.

W zależności od okoliczności, w jakich nastąpił zanik fazy, mogą występować różne tryby pracy silnika elektrycznego i towarzyszące im konsekwencje. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę następujące czynniki: schemat połączeń uzwojeń silnika elektrycznego („gwiazda” lub „trójkąt”), stan pracy silnika w momencie zaniku fazy (może wystąpić zanik fazy przed lub po włączeniu silnika, podczas pracy z obciążeniem), stopień obciążenia silnika i charakterystykę mechaniczną pracującej maszyny, liczbę silników elektrycznych pracujących z zanikiem fazy i ich wzajemny wpływ.

Tutaj należy zwrócić uwagę na cechy rozważanego trybu. W trybie trójfazowym każda faza uzwojenia płynie z prądem przesuniętym w czasie o jedną trzecią okresu. W przypadku utraty fazy oba uzwojenia przepływają mniej więcej tym samym prądem, w trzeciej fazie nie ma prądu. Pomimo tego, że końce uzwojeń są podłączone do dwóch przewodów fazowych układu trójfazowego, prądy w obu uzwojeniach pokrywają się w czasie. Ten tryb działania nazywany jest jednofazowym.

Pole magnetyczne generowane przez prąd jednofazowy, w przeciwieństwie do pola wirującego generowanego przez trójfazowy układ prądów, pulsuje. Zmienia się w czasie, ale nie porusza się po obwodzie stojana. Na rysunku 1a przedstawiono wektor strumienia magnetycznego tworzony w silniku w trybie jednofazowym. Ten wektor nie obraca się, zmienia się tylko wielkość i znak. Okrągłe pole jest spłaszczone do linii prostej.

Obrazek 1. Charakterystyka silnika indukcyjnego w trybie jednofazowym: a — graficzne przedstawienie pulsującego pola magnetycznego; b — rozkład pulsującego pola na dwa wirujące; c-charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego w trybie pracy trójfazowym (1) i jednofazowym (2).

Tętniący pole magnetyczne można uznać, że składa się z dwóch pól o równej wielkości obracających się względem siebie (ryc. 1, b). Każde pole oddziałuje z uzwojeniem wirnika i generuje moment obrotowy. Ich połączone działanie wytwarza moment obrotowy na wale silnika.

W przypadku zaniku fazy przed podłączeniem silnika do sieci, na nieruchomy wirnik działają dwa pola magnetyczne, które tworzą dwa momenty o przeciwnych znakach, ale równej wielkości. Ich suma będzie zerowa.Dlatego po uruchomieniu silnika w trybie jednofazowym nie można go odwrócić, nawet jeśli wał nie jest obciążony.

W przypadku zaniku fazy podczas obracania się wirnika silnika, na jego wale generowany jest moment obrotowy. Można to wyjaśnić w następujący sposób. Obracający się wirnik oddziałuje na różne sposoby z polami obracającymi się ku sobie. Jeden z nich, którego obrót pokrywa się z obrotem wirnika, tworzy moment dodatni (zbieżny w kierunku), drugi - ujemny. W przeciwieństwie do stacjonarnej obudowy wirnika, momenty te będą miały różną wielkość. Ich różnica będzie równa momentowi wału silnika.

Rysunek 1, c przedstawia charakterystykę mechaniczną silnika w trybie jednofazowym i trójfazowym. Przy zerowej prędkości moment obrotowy wynosi zero; gdy obraca się w dowolnym kierunku, na wale silnika pojawia się moment obrotowy.

W przypadku odłączenia jednej z faz podczas pracy silnika, gdy jego prędkość obrotowa była zbliżona do wartości znamionowej, moment obrotowy jest często wystarczający do kontynuowania pracy z niewielkim zmniejszeniem prędkości obrotowej. W przeciwieństwie do trójfazowego trybu symetrycznego pojawia się charakterystyczny szum. Co do reszty, nie ma zewnętrznych przejawów trybu awaryjnego. Osoba nie mająca doświadczenia z silnikami asynchronicznymi może nie zauważyć zmiany w charakterze pracy silnika elektrycznego.

Przejściu silnika elektrycznego na tryb jednofazowy towarzyszy redystrybucja prądów i napięć między fazami. Jeżeli uzwojenia silnika są połączone zgodnie ze schematem „gwiazda”, po zaniku fazy tworzy się obwód pokazany na rysunku 2. Dwa połączone szeregowo uzwojenia silnika są podłączone do napięcia sieciowego Uab, wówczas silnik jest w trybie jedno- działanie fazowe.

Zróbmy małe obliczenie, określmy prądy płynące przez uzwojenia silnika i porównajmy je z prądami przy zasilaniu trójfazowym.

Rysunek 2. Połączenie w gwiazdę uzwojeń silnika po zaniku fazy

Ponieważ rezystancje Za i Zb są połączone szeregowo, napięcia faz A i B będą równe połowie napięcia liniowego:

Przybliżoną wartość prądu można określić na podstawie następujących rozważań.

Prąd rozruchowy fazy A przy zaniku fazy

Prąd rozruchowy fazy A w trybie trójfazowym

gdzie Uao — napięcie fazowe sieci.

Stosunek prądu rozruchowego:

Ze stosunku wynika, że ​​w przypadku zaniku fazy prąd rozruchowy wynosi 86% prądu rozruchowego przy zasilaniu trójfazowym. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że prąd rozruchowy silnika indukcyjnego klatkowego jest 6-7 razy większy od nominalnego, to okazuje się, że przez uzwojenia silnika płynie prąd Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, czyli ponad pięciokrotność wartości nominalnej. W krótkim czasie taki prąd przegrzeje cewkę.

Z powyższego wyliczenia widać, że rozpatrywany tryb pracy jest bardzo niebezpieczny dla silnika, a jeśli wystąpi, to zabezpieczenie musi zostać w krótkim czasie wyłączone.

Zanik fazy może również wystąpić po włączeniu silnika, gdy jego wirnik będzie miał prędkość obrotową odpowiadającą trybowi pracy. Rozważ prądy i napięcia uzwojeń w przypadku przejścia do trybu jednofazowego z obracającym się wirnikiem.

Wartość Za zależy od prędkości obrotowej. Podczas rozruchu, gdy prędkość wirnika wynosi zero, jest taka sama zarówno dla trybu trójfazowego, jak i jednofazowego. W trybie pracy, w zależności od obciążenia i właściwości mechanicznych silnika, prędkość obrotowa może być różna.Dlatego potrzebne jest inne podejście do analizy bieżących obciążeń.

Załóżmy, że silnik pracuje zarówno w trybie trójfazowym, jak i jednofazowym. ta sama moc. Niezależnie od schematu podłączenia silnika elektrycznego, pracująca maszyna wymaga takiej samej mocy, jaka jest potrzebna do przeprowadzenia procesu technologicznego.

Zakładając, że moc na wale silnika jest taka sama dla obu trybów, otrzymamy:

w trybie trójfazowym

w trybie jednofazowym

gdzie Uа — napięcie fazowe sieci; Uаo — napięcie fazy A w trybie jednofazowym, współczynniki mocy cos φ3 i cos φ1 odpowiednio dla trybu trójfazowego i jednofazowego.

Eksperymenty z silnikiem indukcyjnym pokazują, że w rzeczywistości prąd prawie się podwaja. Z pewnym marginesem można rozważyć I1a / I2a = 2.

Aby ocenić stopień zagrożenia pracy jednofazowej, należy również znać obciążenie silnika.

Jako pierwsze przybliżenie rozważymy prąd silnika elektrycznego w trybie trójfazowym proporcjonalny do jego obciążenia na wale. Założenie to obowiązuje dla obciążeń powyżej 50% wartości znamionowej. Wtedy można zapisać Azf = Ks NS Azn, gdzie Ks — współczynnik obciążenia silnika, Azn — prąd znamionowy silnika.

Prąd jednofazowy I1f = 2KsNS Azn, czyli prąd w trybie jednofazowym będzie zależał od obciążenia silnika. Przy obciążeniu znamionowym jest równy dwukrotności prądu znamionowego. Przy obciążeniu mniejszym niż 50% zanik fazy podczas podłączania uzwojeń silnika do „gwiazdy” nie powoduje przetężenia niebezpiecznego dla uzwojeń. W większości przypadków współczynnik obciążenia silnika jest mniejszy niż jeden. Przy jego wartościach rzędu 0,6 — 0,75 należy spodziewać się niewielkiego przekroczenia prądu (o 20 — 50%) w stosunku do wartości nominalnej.Jest to niezbędne do funkcjonowania ochrony, ponieważ właśnie w tym obszarze przeciążenia nie działa ona wystarczająco wyraźnie.

Aby przeanalizować niektóre metody zabezpieczeń, konieczna jest znajomość napięć faz silnika. Gdy wirnik jest zablokowany, napięcie faz A i B będzie równe połowie napięcia sieciowego Uab, a napięcie fazy C będzie równe zeru.

W przeciwnym razie napięcie jest rozprowadzane podczas obracania się wirnika. Faktem jest, że jego obrotowi towarzyszy tworzenie wirującego pola magnetycznego, które działając na uzwojenia stojana, powoduje w nich siłę elektromotoryczną. Wielkość i faza tej siły elektromotorycznej są takie, że przy prędkości obrotowej zbliżonej do synchronicznej na uzwojeniach zostaje przywrócony symetryczny trójfazowy układ napięciowy, a napięcie w punkcie neutralnym gwiazdy (punkt 0) staje się zerowe. Tak więc, gdy prędkość wirnika zmienia się od zera do synchronicznej w trybie pracy jednofazowej, napięcie faz A i B zmienia się od wartości równej połowie linii do wartości równej napięciu fazowemu sieci. Na przykład w układzie o napięciu 380/220 V napięcie faz A i B zmienia się w granicach 190 — 220 V. Napięcie Uco zmienia się od zera przy zablokowanym wirniku do napięcia fazowego 220 V przy prędkości synchronicznej. Jeśli chodzi o napięcie w punkcie 0, zmienia się ono od wartości Uab / 2 — do zera przy prędkości synchronicznej.

Jeżeli uzwojenia silnika połączymy w trójkąt, to po zaniku fazy otrzymamy schemat połączeń pokazany na rysunku 3. W tym przypadku okazuje się, że uzwojenie silnika z rezystancją Zab jest podłączone do napięcia sieciowego Uab, a uzwojenie z rezystancjami Zfc i Zpr.— połączone szeregowo i podłączone do tego samego napięcia sieciowego.

Rysunek 3. Połączenie w trójkąt uzwojeń silnika po zaniku fazy

W trybie rozruchu przez uzwojenia AB popłynie ten sam prąd, co w wersji trójfazowej, a połowa prądu przepłynie przez uzwojenia AC i BC, ponieważ uzwojenia te są połączone szeregowo.

Prądy w przewodach liniowych I'a =I'b będą równe sumie prądów w gałęziach równoległych: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Zatem w rozpatrywanym przypadku przy zaniku fazy prąd rozruchowy w jednej z faz będzie równy prądowi rozruchowemu przy zasilaniu trójfazowym, a prąd liniowy narasta mniej intensywnie.

Do obliczenia prądów w przypadku zaniku fazy po uruchomieniu silnika stosuje się taką samą metodę jak dla obwodu „gwiazda”. Założymy, że silnik rozwija tę samą moc zarówno w trybie trójfazowym, jak i jednofazowym.

W tym trybie pracy prąd w najbardziej obciążonej fazie z zanikiem fazy jest podwojony w porównaniu z prądem przy zasilaniu trójfazowym. Prąd w przewodzie liniowym wyniesie Ia 'A = 3Iab, a przy zasilaniu trójfazowym Ia = 1,73 Iab.

Należy tutaj zauważyć, że podczas gdy prąd fazowy wzrasta dwukrotnie, prąd liniowy wzrasta tylko o współczynnik 1,73. Jest to istotne, ponieważ zabezpieczenie nadprądowe reaguje na prądy liniowe. Obliczenia i wnioski dotyczące wpływu współczynnika obciążenia na prąd jednofazowy przy połączeniu „w gwiazdę” zachowują ważność dla obwodu „trójkąt”.

Napięcia fazowe AC i BC będą zależeć od prędkości wirnika. Gdy wirnik jest zablokowany, Uac '= Ub° C' = Uab / 2

Przy prędkości obrotowej równej synchronicznej przywracany jest symetryczny układ napięć, tj. ac '= Ub° C' = Uab.

Zatem napięcia fazowe AC i BC, gdy prędkość obrotowa zostanie zmieniona z zerowej na synchroniczną, zmienią się od wartości równej połowie napięcia sieciowego do wartości równej napięciu sieciowemu.

Prądy i napięcia faz silnika przy pracy jednofazowej zależą również od liczby silników.

Zanik fazy często występuje, gdy przepalił się jeden z bezpieczników na zasilaniu sieciowym podstacji lub rozdzielnicy. W rezultacie grupa użytkowników wchodzi w interakcje ze sobą w trybie jednofazowym. Rozkład prądów i napięć zależy od mocy poszczególnych silników i ich obciążenia. Możliwe są tutaj różne opcje. Jeśli moce silników elektrycznych są równe, a ich obciążenie jest takie samo (np. grupa wentylatorów wyciągowych), to całą grupę silników można zastąpić równoważnym.

Tryby awaryjne asynchronicznych silników elektrycznych i metody ich zabezpieczania