O que acontece com o motor em caso de perda de fase e operação monofásica

Por perda de fase, entendemos o modo de funcionamento monofásico do motor elétrico como resultado do corte da alimentação de um dos condutores do sistema trifásico.

Os motivos da perda de uma fase de um motor elétrico podem ser: quebra de um dos fios, queima de um dos fusíveis; falha de contato em uma das fases.

Dependendo das circunstâncias em que ocorreu a perda de fase, pode haver diferentes modos de operação do motor elétrico e as consequências que acompanham esses modos. Nesse caso, os seguintes fatores devem ser levados em consideração: o esquema de conexão dos enrolamentos do motor elétrico ("estrela" ou "delta"), o estado operacional do motor no momento da perda de fase (pode ocorrer perda de fase antes ou depois de ligar o motor, durante a operação de carga), o grau de carga do motor e as características mecânicas da máquina de trabalho, o número de motores elétricos operando com perda de fase e sua influência mútua.

Aqui você deve prestar atenção aos recursos do modo em consideração. No modo trifásico, cada fase do enrolamento flui com uma corrente deslocada no tempo em um terço do período. Quando uma fase é perdida, ambos os enrolamentos fluem sobre a mesma corrente, não há corrente na terceira fase. Apesar de as extremidades dos enrolamentos estarem conectadas a dois condutores de fase de um sistema trifásico, as correntes nos dois enrolamentos coincidem no tempo. Este modo de operação é chamado monofásico.

O campo magnético gerado por uma corrente monofásica, ao contrário do campo rotativo gerado por um sistema trifásico de correntes, pulsa. Ele muda com o tempo, mas não se move em torno da circunferência do estator. A Figura 1a mostra o vetor de fluxo magnético criado no motor no modo monofásico. Este vetor não gira, apenas muda de magnitude e sinal. O campo circular é achatado em uma linha reta.

Imagem 1. Características de um motor de indução no modo monofásico: a — representação gráfica de um campo magnético pulsante; b — decomposição do campo pulsante em dois rotativos; c-características mecânicas de um motor de indução em modo de operação trifásico (1) e monofásico (2).

Pulsante campo magnético pode ser considerado como consistindo de dois campos de igual magnitude girando um em direção ao outro (Fig. 1, b). Cada campo interage com o enrolamento do rotor e gera um torque. Sua ação combinada cria torque no eixo do motor.

No caso de ocorrer uma perda de fase antes de o motor ser conectado à rede, dois campos magnéticos atuam em um rotor estacionário, que formam dois momentos de sinais opostos, mas iguais em magnitude. A soma deles será zero.Portanto, quando você liga o motor no modo monofásico, ele não pode reverter mesmo que não haja carga no eixo.

Se ocorrer uma perda de fase enquanto o rotor do motor estiver girando, um torque será gerado em seu eixo. Isso pode ser explicado da seguinte forma. O rotor rotativo interage de várias maneiras com os campos girando um em direção ao outro. Um deles, cuja rotação coincide com a rotação do rotor, forma um momento positivo (coincidindo na direção), o outro - negativo. Ao contrário do caso do rotor estacionário, esses momentos serão diferentes em magnitude. Sua diferença será igual ao momento do eixo do motor.

A Figura 1, c mostra as características mecânicas do motor em operação monofásica e trifásica. Na velocidade zero, o torque é zero; quando ele gira em qualquer direção, ocorre um torque no eixo do motor.

Se uma das fases for desconectada com o motor em funcionamento, quando sua velocidade estava próxima do valor nominal, muitas vezes o torque é suficiente para continuar a operação com uma leve redução da velocidade. Em contraste com o modo simétrico trifásico, aparece um zumbido característico. De resto, não há manifestações externas do modo de emergência. Uma pessoa que não tenha experiência com motores assíncronos pode não notar uma mudança na natureza da operação de um motor elétrico.

A transição de um motor elétrico para um modo monofásico é acompanhada por uma redistribuição de correntes e tensões entre as fases. Se os enrolamentos do motor estiverem conectados de acordo com o esquema "estrela", após a perda de fase, um circuito é formado, mostrado na figura 2. Dois enrolamentos do motor conectados em série são conectados à tensão de linha Uab, então o motor está em single- operação de fase.

Vamos fazer um pequeno cálculo, determinar as correntes que passam pelos enrolamentos do motor e compará-las com as correntes com uma alimentação trifásica.

Figura 2. Conexão em estrela dos enrolamentos do motor após perda de fase

Como as resistências Za e Zb estão conectadas em série, as tensões das fases A e B serão iguais à metade da linear:

O valor aproximado da corrente pode ser determinado com base nas seguintes considerações.

Corrente de irrupção da fase A na perda de fase

Corrente inicial da fase A no modo trifásico

onde Uao — tensão de fase da rede.

Taxa de corrente de irrupção:

A partir da relação, conclui-se que, em caso de perda de fase, a corrente de partida é de 86% da corrente de partida na alimentação trifásica. Se levarmos em conta que a corrente de partida do motor de indução de gaiola de esquilo é 6-7 vezes maior que a nominal, verifica-se que uma corrente flui pelos enrolamentos do motor Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, ou seja, mais de cinco vezes o nominal. Em um curto período de tempo, essa corrente superaquecerá a bobina.

Pelo cálculo acima, percebe-se que o modo de operação considerado é muito perigoso para o motor e, caso ocorra, a proteção deve ser desligada em pouco tempo.

A perda de fase também pode ocorrer após o motor ser ligado, quando seu rotor terá uma velocidade de rotação correspondente ao modo de operação. Considere as correntes e tensões dos enrolamentos no caso de uma transição para o modo monofásico com um rotor girando.

O valor de Za depende da velocidade de rotação. Na partida, quando a velocidade do rotor é zero, ela é a mesma para os modos trifásico e monofásico. No modo de operação, dependendo da carga e das características mecânicas do motor, a velocidade de rotação pode ser diferente.Portanto, uma abordagem diferente é necessária para analisar as cargas atuais.

Assumiremos que o motor funciona tanto no modo trifásico quanto no modo monofásico. mesmo poder. Independentemente do esquema de conexão do motor elétrico, a máquina de trabalho requer a mesma energia necessária para realizar o processo tecnológico.

Supondo que a potência do eixo do motor seja a mesma para ambos os modos, teremos:

em modo trifásico

em modo monofásico

onde Uа — tensão de fase da rede; Uаo — tensão da fase A no modo monofásico, cos φ3 e cos φ1 coeficientes de potência para os modos trifásico e monofásico, respectivamente.

Experimentos com um motor de indução mostram que, de fato, a corrente quase dobra. Com alguma margem é possível considerar I1a / I2a = 2.

Para avaliar o grau de perigo da operação monofásica, você também deve conhecer a carga do motor.

Como primeira aproximação, vamos considerar a corrente do motor elétrico no modo trifásico proporcional à sua carga no eixo. Esta suposição é válida para cargas acima de 50% do valor nominal. Então você pode escrever Azf = Ks NS Azn, onde Ks — fator de carga do motor, Azn — corrente nominal do motor.

Corrente monofásica I1f = 2KsNS Azn, ou seja, a corrente no modo monofásico vai depender da carga do motor. Em carga nominal, é igual a duas vezes a corrente nominal. Com uma carga inferior a 50%, a perda de fase ao conectar os enrolamentos do motor a uma «estrela» não cria uma sobrecorrente perigosa para os enrolamentos. Na maioria dos casos, o fator de carga do motor é menor que um. Com seus valores da ordem de 0,6 — 0,75, deve-se esperar um ligeiro excesso de corrente (em 20 — 50%) em relação ao nominal.Isso é essencial para o funcionamento da proteção, pois é justamente nessa área de sobrecarga que ela não atua com clareza suficiente.

Para analisar alguns métodos de proteção, é necessário conhecer a tensão das fases do motor. Quando o rotor está travado, a tensão das fases A e B será igual à metade da tensão da rede Uab, e a tensão da fase C será zero.

Caso contrário, a tensão é distribuída à medida que o rotor gira. O fato é que sua rotação é acompanhada pela formação de um campo magnético rotativo que, atuando nos enrolamentos do estator, causa neles uma força eletromotriz. A magnitude e a fase dessa força eletromotriz são tais que, em uma velocidade rotacional próxima à síncrona, um sistema de tensão trifásico simétrico é restaurado nos enrolamentos e a tensão do neutro estrela (ponto 0) torna-se zero. Assim, quando a velocidade do rotor passa de zero para síncrona no modo de operação monofásico, a tensão das fases A e B passa de um valor igual à metade da linha para um valor igual à tensão da fase da rede. Por exemplo, em um sistema com tensão de 380/220 V, a tensão das fases A e B varia de 190 a 220 V. A tensão Uco muda de zero com um rotor travado para uma tensão de fase de 220 V com velocidade síncrona. Quanto à tensão no ponto 0, muda do valor Uab / 2 — para zero na velocidade síncrona.

Se os enrolamentos do motor estiverem conectados em delta, após uma perda de fase teremos o diagrama de conexão mostrado na Figura 3. Nesse caso, o enrolamento do motor com resistência Zab acaba sendo conectado à tensão de linha Uab e o enrolamento com resistências Zfc e Zpr.— conectados em série e conectados à mesma tensão de linha.

Figura 3. Conexão delta dos enrolamentos do motor após perda de fase

No modo de partida, a mesma corrente fluirá pelos enrolamentos AB como na versão trifásica, e metade da corrente fluirá pelos enrolamentos AC e BC, pois esses enrolamentos são conectados em série.

As correntes nos condutores lineares I'a =I'b serão iguais à soma das correntes nos ramos paralelos: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Assim, no caso em questão, com falta de fase, a corrente de partida em uma das fases será igual à corrente de partida com alimentação trifásica, e a corrente de linha aumenta menos intensamente.

Para calcular as correntes em caso de perda de fase após a partida do motor, utiliza-se o mesmo método do circuito "estrela". Assumiremos que o motor desenvolve a mesma potência tanto no modo trifásico quanto no monofásico.

Neste modo de operação, a corrente na fase mais carregada com perda de fase é dobrada em comparação com a corrente com alimentação trifásica. A corrente no condutor da linha será Ia 'A = 3Iab, e com alimentação trifásica Ia = 1,73 Iab.

É importante observar aqui que, enquanto a corrente de fase aumenta por um fator de 2, a corrente de linha aumenta apenas por um fator de 1,73. Isso é essencial porque a proteção de sobrecorrente reage às correntes de linha. Os cálculos e conclusões sobre a influência do fator de carga na corrente monofásica com ligação «estrela» permanecem válidos para o caso de circuito «delta».

As tensões das fases AC e BC dependerão da velocidade do rotor. Quando o rotor está bloqueado Uac '= Ub° C' = Uab / 2

A uma velocidade de rotação igual à síncrona, o sistema simétrico de tensões é restaurado, ou seja, ac '= Ub° C' = Uab.

Assim, as tensões das fases AC e BC, quando a velocidade de rotação for alterada de zero para síncrona, passarão de um valor igual à metade da tensão da rede para um valor igual à tensão da rede.

As correntes e tensões das fases do motor na operação monofásica também dependem do número de motores.

Uma perda de fase geralmente ocorre quando um dos fusíveis da subestação ou da rede elétrica do painel queima. Como resultado, um grupo de usuários está em modo monofásico interagindo entre si. A distribuição de correntes e tensões depende da potência dos motores individuais e de sua carga. Diferentes opções são possíveis aqui. Se a potência dos motores elétricos for igual e sua carga for a mesma (por exemplo, um grupo de exaustores), então todo o grupo de motores pode ser substituído por um equivalente.

Modos de emergência de motores elétricos assíncronos e métodos de sua proteção