Proč nefunguje jedna fáze?
Ztráta fáze se týká jednofázového provozu elektromotoru v důsledku výpadku napájení podél jednoho z vodičů třífázového systému.
Důvody ztráty fáze v elektromotoru mohou být: přerušení jednoho z vodičů, vyhoření jedné z pojistek; porucha kontaktu v jedné z fází.
V závislosti na okolnostech, za kterých došlo ke ztrátě fáze, mohou existovat různé provozní režimy 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 době ztráty fáze (ztráta fáze může nastat před nebo po zapnutí motoru při provozu pod zátěží), stupeň zatížení motoru a mechanické vlastnosti pracovního stroje, počet elektromotorů pracujících při ztrátě fáze a jejich vzájemné ovlivnění.
Zde byste měli věnovat pozornost zvláštnosti uvažovaného režimu. V třífázovém režimu je každá fáze vinutí protékána proudem posunutým v čase o jednu třetinu periody. Při ztrátě fáze teče stejný proud kolem dvou vinutí a ve třetí fázi není žádný proud. Navzdory skutečnosti, že konce vinutí jsou připojeny ke dvěma fázovým vodičům třífázového systému, proudy v obou vinutích se časově shodují. Tento režim provozu se nazývá jednofázový.
Magnetické pole tvořené jednofázovým proudem je na rozdíl od točivého pole tvořeného třífázovým proudovým systémem pulzující. Časem se mění, ale po obvodu statoru se nepohybuje. Obrázek 1, a ukazuje vektor magnetického toku vytvořeného v motoru v jednofázovém režimu. Tento vektor se neotáčí, ale mění pouze velikost a znaménko. Kruhové pole je zploštěno na přímku.
Obrázek 1. Charakteristika asynchronního motoru v jednofázovém režimu: a – grafické znázornění pulzujícího magnetického pole; b – rozklad pulsujícího pole na dvě rotující; c – mechanické vlastnosti asynchronního motoru v třífázovém (1) a jednofázovém (2) provozním režimu.
Pulzující magnetické pole lze považovat za složené 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 došlo k výpadku fáze před připojením motoru k síti, působí na stacionární rotor dvě magnetická pole, která vytvářejí dva točivé momenty opačné ve znaménku, ale stejné velikosti. Jejich součet bude nula. Proto se při spouštění motoru v jednofázovém režimu nemůže otočit, i když není hřídel zatížena.
Pokud dojde ke ztrátě fáze, když se rotor motoru otáčí, pak se na jeho hřídeli generuje točivý moment. To lze vysvětlit následovně. Rotující rotor interaguje odlišně 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 případu se stacionárním rotorem budou tyto momenty různé velikosti. Jejich rozdíl se bude rovnat momentu na hřídeli motoru.
Obrázek 1, c ukazuje mechanické charakteristiky motoru v jednofázovém a třífázovém provozním režimu. Při nulové rychlosti je točivý moment nulový, když dojde k rotaci v libovolném směru, na hřídeli motoru se objeví točivý moment.
Pokud dojde k výpadku fáze za chodu motoru, když se jeho otáčky blíží jmenovité hodnotě, krouticí moment často postačuje k pokračování provozu s mírným snížením otáček. Oproti třífázovému symetrickému režimu se objevuje charakteristický brum. Jinak nejsou pozorovány vnější projevy nouzového režimu. Osoba, která nemá zkušenosti s prací 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 do hvězdy, pak se po ztrátě fáze vytvoří obvod znázorněný na obrázku 2. Dvě sériově zapojená vinutí motoru jsou připojena k síťovému napětí Uab a motor je v jednofázovém provozu režimu.
Udělejme si malý výpočet, určíme proudy protékající vinutím motoru a porovnáme je s proudy s třífázovým výkonem.
Obrázek 2. Zapojení vinutí motoru podle obvodu „hvězda“ po ztrátě fáze
Protože odpory Zа a Zв jsou zapojeny do série, napětí na fázích A a B se budou rovnat polovině lineárního:
Přibližnou hodnotu proudu lze určit na základě následujících úvah.
Zapínací proud fáze A v případě ztráty fáze
Náběhový proud fáze A v třífázovém režimu
kde U ao je fázové napětí sítě.
Poměr startovacího proudu:
Ze vztahu vyplývá, že při ztrátě fáze je rozběhový proud 86 % rozběhového proudu při třífázovém výkonu. Vezmeme-li v úvahu, že rozběhový proud asynchronního motoru nakrátko je 6 – 7x větší než jmenovitý, vyjde nám, že vinutím motoru protéká proud Ii f = 0,86 x 6 = 5,16 I n, tzn. více než pětinásobek nominální hodnoty. V krátké době takový proud přehřeje vinutí.
Z výše uvedeného výpočtu je zřejmé, že uvažovaný provozní režim je pro motor velmi nebezpečný a v případě jeho výskytu by měla být ochrana vypnuta s krátkou časovou prodlevou.
Fázová ztráta může nastat i po zapnutí motoru, kdy jeho rotor má otáčky odpovídající provoznímu režimu. Uvažujme proudy a napětí vinutí v případě přechodu do jednofázového režimu s rotujícím rotorem.
Hodnota Z a 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 se vyvíjí v třífázovém i jednofázovém režimu. stejnou moc. Bez ohledu na spínací obvod elektromotoru vyžaduje pracovní stroj stejný výkon, jaký je nutný k dokončení technologického procesu.
Za předpokladu, že výkon na hřídeli motoru je stejný pro oba režimy, budeme mít:
v třífázovém režimu
v jednofázovém režimu
kde U a je fázové napětí sítě; U ao je napětí na fázi A v jednofázovém režimu, cos φ 3 a cos φ 1 jsou účiníky v třífázovém a jednofázovém režimu.
Pokusy s asynchronním motorem ukazují, že ve skutečnosti se proud téměř zdvojnásobí. S určitou rezervou můžeme předpokládat I1a / I2a = 2.
Abyste mohli posoudit stupeň nebezpečí jednofázového provozu, musíte také znát zatížení motoru.
Jako první přiblížení budeme považovat proud elektromotoru v třífázovém režimu za úměrný jeho zatížení na hřídeli. Tento předpoklad platí pro zatížení větší než 50 % jmenovité hodnoty. Pak můžete napsat I f = K z x I n, kde K z je faktor zatížení motoru, I n je jmenovitý proud motoru.
Proud v jednofázovém režimu I1 f = 2 K з x I n, tj. proud v jednofázovém režimu bude záviset na zatížení motoru. Při jmenovité zátěži se rovná dvojnásobku jmenovitého proudu. Při zatížení menším než 50 % nevytváří fázové ztráty při zapojení vinutí motoru do hvězdy nebezpečný nadproud 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 přebytkem proudu (o 20 – 50%) oproti nominálnímu. To je nezbytné pro fungování ochrany, protože právě v této oblasti přetížení nefunguje dostatečně jasně.
Pro analýzu některých metod ochrany je nutné znát napětí na fázích motoru. Když je rotor zablokován, napětí na fázích A a B se bude rovnat polovině lineárního napětí U ab a napětí na fázi C bude nulové.
Jinak se při otáčení rotoru rozloží napětí. Faktem je, že jeho rotace je doprovázena tvorbou rotujícího magnetického pole, které v nich, působící na vinutí statoru, indukuje elektromotorickou sílu. Velikost a fáze této elektromotorické síly jsou takové, že při rychlosti otáčení blízké synchronnímu se na vinutí obnoví symetrický třífázový napěťový systém a hvězdicové neutrální napětí (bod 0) se stane nulovým. Když se tedy rychlost otáčení rotoru změní z nuly na synchronní v jednofázovém provozu, změní se napětí na fázích A a B z hodnoty rovné polovině lineární na hodnotu rovnou fázovému napětí sítě. Například v systému 380/220 V se napětí na fázích A a B pohybuje mezi 190 – 220 V. Napětí Uco se mění z nuly při zablokovaném rotoru na fázové napětí 220 V při synchronní rychlosti. Pokud jde o napětí v bodě 0, mění se při synchronních otáčkách z hodnoty Uab/2 na nulu.
Pokud jsou vinutí motoru zapojena do trojúhelníkového obvodu, pak po ztrátě fáze budeme mít schéma zapojení znázorněné na obrázku 3. V tomto případě je vinutí motoru s odporem Z ab připojeno k síťovému napětí U ab a vinutí s odpory Z fc a Z bc – zapojeno do série a připojeno ke stejnému síťovému napětí.
Obrázek 3. Zapojení vinutí elektromotoru do trojúhelníku po ztrátě fáze
Ve spouštěcím režimu bude vinutím AB protékat stejný proud jako u třífázové verze a vinutím AC a BC bude protékat proud dvakrát méně, 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 Iab
V uvažovaném případě, pokud dojde ke ztrátě fáze, bude tedy rozběhový proud v jedné z fází roven rozběhovému proudu při třífázovém napájení a lineární proud se zvýší méně intenzivně.
Pro výpočet proudů v případě ztráty fáze po zapnutí motoru se používá stejná metoda jako pro zapojení do hvězdy. Budeme předpokládat, že motor vyvine stejný výkon v třífázovém i jednofázovém režimu.
V tomto provozním režimu se proud v nejvíce zatížené fázi při ztrátě fáze zdvojnásobí ve srovnání s proudem při třífázovém napájení. Proud v lineárním vodiči se bude rovnat I’A = 3 Iab a při třífázovém výkonu Ia = 1 Iab.
Zde je důležité poznamenat, že zatímco fázový proud se zvýší o faktor 2, proud ve vedení se zvýší pouze o faktor 1,73. To je důležité, protože proudová ochrana reaguje na proudy ve vedení. Výpočty a závěry týkající se vlivu zatěžovatele na jednofázový proud při zapojení do hvězdy zůstávají v platnosti pro případ zapojení do trojúhelníku.
Napětí na fázích AC a BC bude záviset na rychlosti otáčení rotoru. Se zablokovaným rotorem U a c’ = U bc ‘ = Uab/2
Při rychlosti otáčení rovné synchronní se obnoví symetrický napěťový systém, tj. U a c’ = U bc ‘ = Uab.
Napětí na fázích AC a BC se tedy při změně rychlosti otáčení z nuly na synchronní změní z hodnoty rovné polovině lineárního napětí na hodnotu rovnou lineárnímu napětí.
Proudy a napětí na fázích motoru v jednofázovém režimu také závisí na počtu motorů.
Často dochází ke ztrátě fáze v důsledku spálení jedné z pojistek na napájecím přívodu rozvodny nebo rozváděče. V důsledku toho je skupina spotřebitelů v jednofázovém režimu a vzájemně se ovlivňují. Rozložení proudů a napětí závisí na výkonu jednotlivých motorů a jejich zatížení. Zde jsou možné různé možnosti. Pokud je výkon elektromotorů stejný a jejich zatížení stejné (například skupina odsávacích ventilátorů), pak lze celou skupinu motorů vyměnit za jeden ekvivalentní.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: