Cosa succede al motore in caso di mancanza di fase e funzionamento monofase

Per perdita di fase, si intende la modalità di funzionamento monofase del motore elettrico a seguito della disconnessione dell'alimentazione di uno dei conduttori del sistema trifase.

I motivi della perdita di una fase da un motore elettrico possono essere: rottura di uno dei fili, bruciatura di uno dei fusibili; guasto del contatto in una delle fasi.

A seconda delle circostanze in cui si è verificata la perdita di fase, possono esserci diverse modalità di funzionamento del motore elettrico e le conseguenze che accompagnano queste modalità. In questo caso occorre tenere conto dei seguenti fattori: lo schema di collegamento degli avvolgimenti del motore elettrico ("stella" o "triangolo"), lo stato di funzionamento del motore al momento della mancanza di fase (può verificarsi una mancanza di fase prima o dopo l'accensione del motore, durante il funzionamento sotto carico), il grado di carico del motore e le caratteristiche meccaniche della macchina operatrice, il numero di motori elettrici funzionanti con perdita di fase e la loro reciproca influenza.

Qui dovresti prestare attenzione alle caratteristiche della modalità in esame. In modalità trifase, ogni fase dell'avvolgimento scorre con una corrente spostata nel tempo di un terzo del periodo. Quando una fase viene persa, entrambi gli avvolgimenti scorrono intorno alla stessa corrente, non c'è corrente nella terza fase. Nonostante il fatto che le estremità degli avvolgimenti siano collegate a due conduttori di fase di un sistema trifase, le correnti nei due avvolgimenti coincidono nel tempo. Questa modalità di funzionamento è chiamata monofase.

Il campo magnetico generato da una corrente monofase, a differenza del campo rotante generato da un sistema di correnti trifase, pulsa. Cambia nel tempo, ma non si muove lungo la circonferenza dello statore. La figura 1a mostra il vettore di flusso magnetico creato nel motore in modalità monofase. Questo vettore non ruota, cambia solo in grandezza e segno. Il campo circolare è appiattito in una linea retta.

Immagine 1. Caratteristiche di un motore asincrono in modalità monofase: a — rappresentazione grafica di un campo magnetico pulsante; b — decomposizione del campo pulsante in due rotanti; c-caratteristiche meccaniche di un motore asincrono in modalità di funzionamento trifase (1) e monofase (2).

Pulsante campo magnetico può essere considerato come costituito da due campi di uguale grandezza che ruotano l'uno verso l'altro (Fig. 1, b). Ogni campo interagisce con l'avvolgimento del rotore e genera una coppia. La loro azione combinata crea coppia sull'albero motore.

Nel caso in cui si verifichi una perdita di fase prima che il motore sia collegato alla rete, su un rotore fermo agiscono due campi magnetici che formano due momenti di segno opposto ma di uguale intensità. La loro somma sarà zero.Pertanto, quando si avvia il motore in modalità monofase, non può invertire anche se non c'è carico sull'albero.

Se si verifica una perdita di fase durante la rotazione del rotore del motore, viene generata una coppia sul suo albero. Questo può essere spiegato come segue. Il rotore rotante interagisce in vari modi con i campi che ruotano l'uno verso l'altro. Uno di essi, la cui rotazione coincide con la rotazione del rotore, forma un momento positivo (coincidente nella direzione), l'altro negativo. A differenza della cassa del rotore stazionario, questi momenti saranno di grandezza diversa. La loro differenza sarà uguale al momento dell'albero motore.

La figura 1, c mostra le caratteristiche meccaniche del motore nel funzionamento monofase e trifase. A velocità zero, la coppia è zero; quando ruota in entrambe le direzioni, si verifica una coppia sull'albero motore.

Se una delle fasi viene disconnessa mentre il motore è in funzione, quando la sua velocità era vicina al valore nominale, la coppia è spesso sufficiente per continuare il funzionamento con una leggera riduzione della velocità. Contrariamente alla modalità simmetrica trifase, appare un caratteristico ronzio. Per il resto non ci sono manifestazioni esterne della modalità emergenziale. Una persona che non ha esperienza con i motori asincroni potrebbe non notare un cambiamento nella natura del funzionamento di un motore elettrico.

Il passaggio di un motore elettrico a una modalità monofase è accompagnato da una ridistribuzione di correnti e tensioni tra le fasi. Se gli avvolgimenti del motore sono collegati secondo lo schema "a stella", dopo la perdita di fase si forma un circuito, mostrato in figura 2. Due avvolgimenti del motore collegati in serie sono collegati alla tensione di linea Uab, quindi il motore è in single- operazione di fase.

Facciamo un piccolo calcolo, determiniamo le correnti che scorrono negli avvolgimenti del motore e confrontiamole con le correnti con alimentazione trifase.

Figura 2. Collegamento a stella degli avvolgimenti del motore dopo la perdita di fase

Poiché le resistenze Za e Zb sono collegate in serie, le tensioni delle fasi A e B saranno pari alla metà di quella lineare:

Il valore approssimativo della corrente può essere determinato sulla base delle seguenti considerazioni.

Corrente di spunto della fase A alla perdita di fase

Corrente di avviamento della fase A in modalità trifase

dove Uao — tensione di fase della rete.

Rapporto corrente di spunto:

Dal rapporto segue che in caso di mancanza di fase la corrente di avviamento è l'86% della corrente di avviamento in alimentazione trifase. Se teniamo conto che la corrente di avviamento del motore a induzione a gabbia di scoiattolo è 6-7 volte superiore a quella nominale, risulta che negli avvolgimenti del motore scorre una corrente Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, ovvero, più di cinque volte il nominale. In un breve periodo di tempo, una tale corrente surriscalderà la bobina.

Dal calcolo di cui sopra si può vedere che la modalità di funzionamento considerata è molto pericolosa per il motore e, se si verifica, la protezione deve essere disattivata in breve tempo.

La perdita di fase può verificarsi anche dopo l'accensione del motore, quando il suo rotore avrà una velocità di rotazione corrispondente alla modalità operativa. Considerare le correnti e le tensioni degli avvolgimenti nel caso di passaggio alla modalità monofase con rotore rotante.

Il valore di Za dipende dalla velocità di rotazione. All'avviamento, quando la velocità del rotore è zero, è la stessa per entrambe le modalità trifase e monofase. In modalità operativa, a seconda del carico e delle caratteristiche meccaniche del motore, la velocità di rotazione può essere diversa.Pertanto, è necessario un approccio diverso per analizzare i carichi di corrente.

Supponiamo che il motore funzioni sia in modalità trifase che monofase. stesso potere. Indipendentemente dallo schema di connessione del motore elettrico, la macchina funzionante richiede la stessa potenza necessaria per eseguire il processo tecnologico.

Supponendo che la potenza all'albero motore sia la stessa per entrambe le modalità, avremo:

in modalità trifase

in modalità monofase

dove Uа — tensione di fase della rete; Uаo — tensione della fase A in modalità monofase, cos φ3 e cos φ1-coefficienti di potenza rispettivamente per le modalità trifase e monofase.

Esperimenti con un motore a induzione mostrano che in effetti la corrente quasi raddoppia. Con un certo margine è possibile considerare I1a / I2a = 2.

Per valutare il grado di pericolosità del funzionamento monofase è necessario conoscere anche il carico sul motore.

In prima approssimazione considereremo la corrente del motore elettrico in modalità trifase proporzionale al suo carico sull'albero. Questa ipotesi è valida per carichi superiori al 50% del valore nominale. Quindi puoi scrivere Azf = Ks NS Azn, dove Ks - fattore di carico del motore, Azn - corrente nominale del motore.

Corrente monofase I1f = 2KsNS Azn, ovvero la corrente in modalità monofase dipenderà dal carico del motore. Al carico nominale, è pari al doppio della corrente nominale. Con un carico inferiore al 50%, la perdita di fase durante il collegamento degli avvolgimenti del motore a una «stella» non crea una sovracorrente pericolosa per gli avvolgimenti. Nella maggior parte dei casi, il fattore di carico del motore è inferiore a uno. Con i suoi valori dell'ordine di 0,6 - 0,75, ci si dovrebbe aspettare un leggero eccesso della corrente (del 20 - 50%) rispetto al nominale.Ciò è essenziale per il funzionamento della protezione, poiché è proprio in quest'area di sovraccarico che non agisce in modo abbastanza chiaro.

Per analizzare alcuni metodi di protezione è necessario conoscere la tensione delle fasi del motore. Quando il rotore è bloccato, la tensione delle fasi A e B sarà pari alla metà della tensione di rete Uab e la tensione della fase C sarà zero.

Altrimenti, la tensione viene distribuita durante la rotazione del rotore. Il fatto è che la sua rotazione è accompagnata dalla formazione di un campo magnetico rotante che, agendo sugli avvolgimenti dello statore, provoca in essi una forza elettromotrice. L'entità e la fase di questa forza elettromotrice sono tali che a una velocità di rotazione vicina al sincrono, viene ripristinato un sistema di tensione trifase simmetrico sugli avvolgimenti e la tensione neutra della stella (punto 0) diventa zero. Pertanto, quando la velocità del rotore passa da zero a sincrona in modalità di funzionamento monofase, la tensione delle fasi A e B passa da un valore pari alla metà della linea a un valore pari alla tensione di fase della rete. Ad esempio, in un sistema con una tensione di 380/220 V, la tensione delle fasi A e B varia tra 190 e 220 V. La tensione Uco passa da zero con un rotore bloccato a una tensione di fase di 220 V con velocità sincrona. Per quanto riguarda la tensione al punto 0, passa dal valore Uab / 2 — a zero a velocità sincrona.

Se gli avvolgimenti del motore sono collegati a triangolo, dopo una mancanza di fase avremo lo schema di collegamento mostrato in Figura 3. In questo caso, l'avvolgimento del motore con resistenza Zab risulta essere collegato alla tensione di linea Uab, e l'avvolgimento con le resistenze Zfc e Zpr.— collegati in serie e collegati alla stessa tensione di linea.

Figura 3. Collegamento a triangolo degli avvolgimenti del motore dopo la perdita di fase

Nella modalità di avviamento, la stessa corrente scorrerà attraverso gli avvolgimenti AB come nella versione trifase, e metà della corrente scorrerà attraverso gli avvolgimenti AC e BC, poiché questi avvolgimenti sono collegati in serie.

Le correnti nei conduttori lineari I'a =I'b saranno uguali alla somma delle correnti nei rami paralleli: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Pertanto, nel caso in esame, con una perdita di fase, la corrente di avviamento in una delle fasi sarà uguale alla corrente di avviamento con alimentazione trifase e la corrente di linea aumenta meno intensamente.

Per il calcolo delle correnti in caso di mancanza di fase dopo l'avviamento del motore si utilizza lo stesso metodo del circuito "stella". Supponiamo che il motore sviluppi la stessa potenza sia in modalità trifase che monofase.

In questa modalità di funzionamento, la corrente nella fase più caricata con mancanza di fase viene raddoppiata rispetto alla corrente con alimentazione trifase. La corrente nel conduttore di linea sarà Ia 'A = 3Iab, e con alimentazione trifase Ia = 1,73 Iab.

È importante notare qui che mentre la corrente di fase aumenta di un fattore 2, la corrente di linea aumenta solo di un fattore 1,73. Questo è essenziale perché la protezione da sovracorrente reagisce alle correnti di linea. I calcoli e le conclusioni riguardanti l'influenza del fattore di carico sulla corrente monofase con collegamento «stella» restano validi per il caso di circuito «triangolo».

Le tensioni di fase AC e BC dipenderanno dalla velocità del rotore. A rotore bloccato Uac '= Ub° C' = Uab / 2

Ad una velocità di rotazione pari alla sincrona si ripristina il sistema simmetrico delle tensioni, cioè ac '= Ub° C' = Uab.

Pertanto, le tensioni di fase AC e BC, quando la velocità di rotazione viene modificata da zero a sincrona, passeranno da un valore pari alla metà della tensione di linea ad un valore pari alla tensione di linea.

Le correnti e le tensioni delle fasi del motore nel funzionamento monofase dipendono anche dal numero di motori.

Una perdita di fase si verifica spesso quando uno dei fusibili sulla sottostazione o sull'alimentazione di rete del quadro è saltato. Di conseguenza, un gruppo di utenti interagisce tra loro in modalità monofase. La distribuzione delle correnti e delle tensioni dipende dalla potenza dei singoli motori e dal loro carico. Qui sono possibili diverse opzioni. Se la potenza dei motori elettrici è uguale e il loro carico è lo stesso (ad esempio, un gruppo di aspiratori), l'intero gruppo di motori può essere sostituito da uno equivalente.

Modalità di emergenza dei motori elettrici asincroni e metodi della loro protezione