Was passiert mit dem Motor bei Phasenausfall und Einphasenbetrieb?

Unter Phasenausfall verstehen wir die einphasige Funktionsweise des Elektromotors infolge der Unterbrechung der Stromversorgung eines der Leiter des Drehstromsystems.

Die Gründe für den Verlust einer Phase eines Elektromotors können sein: Bruch eines der Drähte, Durchbrennen einer der Sicherungen; Kontaktausfall in einer der Phasen.

Abhängig von den Umständen, unter denen der Phasenausfall aufgetreten ist, kann es zu unterschiedlichen Betriebsarten des Elektromotors und den mit diesen Betriebsarten einhergehenden Folgen kommen. Dabei sind folgende Faktoren zu berücksichtigen: das Anschlussschema der Wicklungen des Elektromotors („Stern“ oder „Dreieck“), der Betriebszustand des Motors zum Zeitpunkt des Phasenausfalls (Phasenverlust kann auftreten). vor oder nach dem Einschalten des Motors, im Lastbetrieb), der Grad der Motorbelastung und die mechanischen Eigenschaften der Arbeitsmaschine, die Anzahl der mit Phasenausfall arbeitenden Elektromotoren und deren gegenseitige Beeinflussung.

Dabei sollten Sie auf die Besonderheiten des jeweiligen Modus achten. Im Dreiphasenbetrieb fließt durch jede Phase der Wicklung ein zeitlich um ein Drittel der Periode verschobener Strom. Bei Ausfall einer Phase fließt in beiden Wicklungen etwa der gleiche Strom, in der dritten Phase fließt kein Strom. Obwohl die Enden der Wicklungen mit zwei Phasenleitern eines Drehstromsystems verbunden sind, stimmen die Ströme in den beiden Wicklungen zeitlich überein. Diese Betriebsart wird als einphasig bezeichnet.

Das von einem einphasigen Strom erzeugte Magnetfeld pulsiert im Gegensatz zum rotierenden Feld, das von einem dreiphasigen Stromsystem erzeugt wird. Es verändert sich im Laufe der Zeit, bewegt sich jedoch nicht um den Umfang des Stators. Abbildung 1a zeigt den magnetischen Flussvektor, der im Motor im Einphasenmodus erzeugt wird. Dieser Vektor dreht sich nicht, er ändert sich nur in Betrag und Vorzeichen. Das kreisförmige Feld wird zu einer geraden Linie abgeflacht.

Bild 1. Eigenschaften eines Induktionsmotors im Einphasenmodus: a – grafische Darstellung eines pulsierenden Magnetfelds; b – Zerlegung des pulsierenden Feldes in zwei rotierende Felder; c-mechanische Eigenschaften eines Induktionsmotors im dreiphasigen (1) und einphasigen (2) Betriebsmodus.

Pulsierend Magnetfeld kann man sich vorstellen, dass es aus zwei zueinander rotierenden Feldern gleicher Größe besteht (Abb. 1, b). Jedes Feld interagiert mit der Rotorwicklung und erzeugt ein Drehmoment. Ihre kombinierte Wirkung erzeugt ein Drehmoment an der Motorwelle.

Tritt ein Phasenausfall auf, bevor der Motor an das Netz angeschlossen wird, wirken auf einen stehenden Rotor zwei Magnetfelder, die zwei Momente mit entgegengesetztem Vorzeichen, aber gleicher Größe bilden. Ihre Summe wird Null sein.Wenn Sie den Motor daher im Einphasenmodus starten, kann er nicht umkehren, selbst wenn die Welle nicht belastet wird.

Wenn bei rotierendem Motorrotor ein Phasenverlust auftritt, wird an seiner Welle ein Drehmoment erzeugt. Dies lässt sich wie folgt erklären. Der rotierende Rotor interagiert auf verschiedene Weise mit den zueinander rotierenden Feldern. Einer von ihnen, dessen Drehung mit der Drehung des Rotors zusammenfällt, bildet ein positives (in der Richtung übereinstimmendes) Moment, der andere ein negatives. Im Gegensatz zum stationären Rotorgehäuse sind diese Momente unterschiedlich groß. Ihre Differenz entspricht dem Moment der Motorwelle.

Abbildung 1, c zeigt die mechanischen Eigenschaften des Motors im Einphasen- und Dreiphasenbetrieb. Bei Drehzahl Null ist das Drehmoment Null; Wenn es sich in beide Richtungen dreht, entsteht ein Drehmoment an der Motorwelle.

Wenn bei laufendem Motor eine der Phasen abgeschaltet wird, während die Drehzahl nahe am Nennwert lag, reicht das Drehmoment oft aus, um den Betrieb mit einer leichten Reduzierung der Drehzahl fortzusetzen. Im Gegensatz zum dreiphasigen symmetrischen Modus tritt ein charakteristisches Brummen auf. Im Übrigen gibt es keine äußeren Erscheinungsformen des Notfallmodus. Eine Person, die keine Erfahrung mit Asynchronmotoren hat, bemerkt möglicherweise keine Änderung in der Funktionsweise eines Elektromotors.

Der Übergang eines Elektromotors in einen einphasigen Modus geht mit einer Umverteilung von Strömen und Spannungen zwischen den Phasen einher. Werden die Motorwicklungen nach dem „Stern“-Schema geschaltet, entsteht nach dem Phasenverlust ein Stromkreis, dargestellt in Abbildung 2. Zwei in Reihe geschaltete Motorwicklungen werden an die Netzspannung Uab angeschlossen, dann befindet sich der Motor in Einzelschaltung. Phasenbetrieb.

Machen wir eine kleine Rechnung, ermitteln wir die Ströme, die durch die Motorwicklungen fließen, und vergleichen sie mit den Strömen bei einer dreiphasigen Versorgung.

Abbildung 2. Sternschaltung der Motorwicklungen nach Phasenverlust

Da die Widerstände Za und Zb in Reihe geschaltet sind, sind die Spannungen der Phasen A und B gleich der Hälfte der linearen Spannung:

Der ungefähre Wert des Stroms kann anhand der folgenden Überlegungen ermittelt werden.

Einschaltstrom der Phase A bei Phasenausfall

Anlaufstrom der Phase A im Dreiphasenbetrieb

wobei Uao die Phasenspannung des Netzwerks ist.

Einschaltstromverhältnis:

Aus dem Verhältnis ergibt sich, dass bei Phasenausfall der Anlaufstrom 86 % des Anlaufstroms bei dreiphasiger Versorgung beträgt. Wenn wir berücksichtigen, dass der Anlaufstrom des Käfigläufer-Induktionsmotors 6-7 mal höher ist als der Nennstrom, ergibt sich, dass durch die Motorwicklungen ein Strom Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn fließt, d. mehr als das Fünffache des Nennwertes. In kurzer Zeit führt ein solcher Strom zu einer Überhitzung der Spule.

Aus der obigen Berechnung ist ersichtlich, dass die betrachtete Betriebsart für den Motor sehr gefährlich ist und in diesem Fall der Schutz in kurzer Zeit abgeschaltet werden muss.

Ein Phasenverlust kann auch nach dem Einschalten des Motors auftreten, wenn sein Rotor eine der Betriebsart entsprechende Drehzahl aufweist. Berücksichtigen Sie die Ströme und Spannungen der Wicklungen beim Übergang in den Einphasenmodus mit rotierendem Rotor.

Der Wert von Za hängt von der Drehzahl ab. Beim Start, wenn die Rotordrehzahl Null ist, ist sie sowohl im Dreiphasen- als auch im Einphasenmodus gleich. Im Betriebsmodus kann die Drehzahl je nach Belastung und mechanischen Eigenschaften des Motors unterschiedlich sein.Daher ist ein anderer Ansatz erforderlich, um aktuelle Lasten zu analysieren.

Wir gehen davon aus, dass der Motor sowohl im Dreiphasen- als auch im Einphasenmodus läuft. gleiche Macht. Unabhängig vom Anschlussschema des Elektromotors benötigt die Arbeitsmaschine die gleiche Leistung, die für die Durchführung des technologischen Prozesses erforderlich ist.

Unter der Annahme, dass die Motorwellenleistung für beide Modi gleich ist, ergibt sich:

im Dreiphasenbetrieb

im Einphasenbetrieb

wobei Uа die Phasenspannung des Netzwerks ist; Uаo – Spannung der Phase A im Einphasenmodus, cos φ3 und cos φ1 – Leistungskoeffizienten für den Dreiphasen- bzw. Einphasenmodus.

Experimente mit einem Induktionsmotor zeigen, dass sich der Strom tatsächlich fast verdoppelt. Mit etwas Spielraum ist es möglich, I1a / I2a = 2 anzunehmen.

Um die Gefährlichkeit des Einphasenbetriebs beurteilen zu können, muss auch die Belastung des Motors bekannt sein.

In erster Näherung betrachten wir den Strom des Elektromotors im Drehstrombetrieb proportional zu seiner Belastung der Welle. Diese Annahme gilt für Belastungen über 50 % des Nennwertes. Dann können Sie Azf = Ks NS Azn schreiben, wobei Ks der Lastfaktor des Motors und Azn der Nennstrom des Motors ist.

Einphasenstrom I1f = 2KsNS Azn, d. h. der Strom im Einphasenmodus hängt von der Motorlast ab. Bei Nennlast beträgt er das Doppelte des Nennstroms. Bei einer Last von weniger als 50 % führt der Phasenausfall beim Anschluss der Motorwicklungen zu einem „Stern“ nicht zu einem für die Wicklungen gefährlichen Überstrom. In den meisten Fällen beträgt der Motorlastfaktor weniger als eins. Mit seinen Werten in der Größenordnung von 0,6 – 0,75 ist mit einer leichten Überschreitung des Stroms (um 20 – 50 %) gegenüber dem Nennwert zu rechnen.Dies ist für die Funktion des Schutzes unerlässlich, da dieser gerade in diesem Überlastbereich nicht deutlich genug wirkt.

Um einige Schutzmethoden zu analysieren, ist es notwendig, die Spannung der Motorphasen zu kennen. Bei blockiertem Rotor beträgt die Spannung der Phasen A und B die Hälfte der Netzspannung Uab und die Spannung der Phase C Null.

Andernfalls verteilt sich die Spannung, wenn sich der Rotor dreht. Tatsache ist, dass seine Drehung mit der Bildung eines rotierenden Magnetfelds einhergeht, das auf die Statorwicklungen einwirkt und in diesen eine elektromotorische Kraft verursacht. Größe und Phase dieser elektromotorischen Kraft sind so, dass bei einer Drehzahl nahezu synchron ein symmetrisches dreiphasiges Spannungssystem an den Wicklungen wiederhergestellt wird und die Sternsternspannung (Punkt 0) Null wird. Wenn sich also die Rotordrehzahl im einphasigen Betriebsmodus von Null auf Synchron ändert, ändert sich die Spannung der Phasen A und B von einem Wert, der der Hälfte der Leitung entspricht, auf einen Wert, der der Phasenspannung des Netzwerks entspricht. Beispielsweise schwankt in einem System mit einer Spannung von 380/220 V die Spannung der Phasen A und B zwischen 190 und 220 V. Die Spannung Uco ändert sich von Null bei blockiertem Rotor auf eine Phasenspannung von 220 V bei synchroner Drehzahl. Die Spannung am Punkt 0 ändert sich bei synchroner Drehzahl vom Wert Uab / 2 — auf Null.

Wenn die Motorwicklungen in Dreieck geschaltet sind, erhalten wir nach einem Phasenausfall das in Abbildung 3 gezeigte Anschlussdiagramm. In diesem Fall stellt sich heraus, dass die Motorwicklung mit dem Widerstand Zab an die Netzspannung Uab angeschlossen ist, und die Wicklung mit Widerständen Zfc und Zpr. ist.— in Reihe geschaltet und an die gleiche Netzspannung angeschlossen.

Abbildung 3. Dreieckschaltung der Motorwicklungen nach Phasenausfall

Im Startmodus fließt durch die Wicklungen AB der gleiche Strom wie bei der Drehstromversion und durch die Wicklungen AC und BC fließt der halbe Strom, da diese Wicklungen in Reihe geschaltet sind.

Ströme in linearen Leitern I'a =I'b entsprechen der Summe der Ströme in parallelen Zweigen: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Somit ist im betrachteten Fall bei Phasenausfall der Anlaufstrom in einer der Phasen gleich dem Anlaufstrom bei dreiphasiger Einspeisung und der Netzstrom steigt weniger stark an.

Zur Berechnung der Ströme bei Phasenausfall nach dem Starten des Motors wird die gleiche Methode wie bei der „Stern“-Schaltung verwendet. Wir gehen davon aus, dass der Motor sowohl im Dreiphasen- als auch im Einphasenbetrieb die gleiche Leistung entwickelt.

In dieser Betriebsart verdoppelt sich der Strom in der am stärksten belasteten Phase bei Phasenausfall im Vergleich zum Strom bei dreiphasiger Einspeisung. Der Strom im Außenleiter beträgt Ia 'A = 3Iab, bei dreiphasiger Versorgung Ia = 1,73 Iab.

Hierbei ist zu beachten, dass der Phasenstrom zwar um den Faktor 2 ansteigt, der Leitungsstrom jedoch nur um den Faktor 1,73. Dies ist unbedingt erforderlich, da der Überstromschutz auf die Netzströme reagiert. Die Berechnungen und Schlussfolgerungen zum Einfluss des Belastungsfaktors auf den Einphasenstrom bei einer „Stern“-Schaltung bleiben auch für den Fall einer „Dreieck“-Schaltung gültig.

Die AC- und BC-Phasenspannungen hängen von der Rotorgeschwindigkeit ab. Bei blockiertem Rotor ist Uac '= Ub° C' = Uab / 2

Bei einer Drehzahl gleich der Synchrondrehzahl stellt sich das symmetrische Spannungssystem wieder ein, d.h. ac '= Ub° C' = Uab.

Somit ändern sich die AC- und BC-Phasenspannungen, wenn die Drehzahl von Null auf Synchron geändert wird, von einem Wert, der der halben Netzspannung entspricht, auf einen Wert, der der Netzspannung entspricht.

Die Ströme und Spannungen der Motorphasen im Einphasenbetrieb hängen auch von der Anzahl der Motoren ab.

Ein Phasenausfall tritt häufig auf, wenn eine der Sicherungen in der Netzversorgung des Umspannwerks oder der Schaltanlage durchgebrannt ist. Dadurch interagiert eine Gruppe von Benutzern im einphasigen Modus miteinander. Die Verteilung der Ströme und Spannungen hängt von der Leistung der einzelnen Motoren und deren Belastung ab. Hier sind verschiedene Optionen möglich. Wenn die Leistung der Elektromotoren gleich ist und ihre Belastung gleich ist (z. B. eine Gruppe von Abluftventilatoren), kann die gesamte Motorengruppe durch eine gleichwertige ersetzt werden.

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