Qué sucede con el motor en caso de pérdida de fase y funcionamiento monofásico

Por pérdida de fase entendemos el modo de funcionamiento monofásico del motor eléctrico como consecuencia de la desconexión de la alimentación de uno de los conductores del sistema trifásico.

Las razones de la pérdida de una fase de un motor eléctrico pueden ser: romper uno de los cables, quemar uno de los fusibles; fallo de contacto en una de las fases.

Dependiendo de las circunstancias en las que se produjo la pérdida de fase, pueden existir diferentes modos de funcionamiento del motor eléctrico y las consecuencias que acompañan a estos modos. En este caso, se deben tener en cuenta los siguientes factores: el esquema de conexión de los devanados del motor eléctrico ("estrella" o "triángulo"), el estado de funcionamiento del motor en el momento de la pérdida de fase (la pérdida de fase puede ocurrir antes o después de encender el motor, durante la operación de carga), el grado de carga del motor y las características mecánicas de la máquina de trabajo, el número de motores eléctricos que funcionan con pérdida de fase y su influencia mutua.

Aquí debe prestar atención a las características del modo en consideración. En modo trifásico, cada fase del devanado fluye con una corriente desplazada en el tiempo por un tercio del período. Cuando se pierde una fase, ambos devanados fluyen con la misma corriente, no hay corriente en la tercera fase. A pesar de que los extremos de los devanados están conectados a conductores bifásicos de un sistema trifásico, las corrientes en los dos devanados coinciden en el tiempo. Este modo de funcionamiento se denomina monofásico.

El campo magnético generado por una corriente monofásica, a diferencia del campo giratorio generado por un sistema trifásico de corrientes, pulsa. Cambia con el tiempo, pero no se mueve alrededor de la circunferencia del estator. La figura 1a muestra el vector de flujo magnético creado en el motor en modo monofásico. Este vector no gira, solo cambia de magnitud y signo. El campo circular se aplana a una línea recta.

Foto 1. Características de un motor de inducción. en modo monofásico: a — representación gráfica de un campo magnético pulsante; b — descomposición del campo pulsante en dos campos giratorios; c-Características mecánicas de un motor de inducción en modo de funcionamiento trifásico (1) y monofásico (2).

pulsante campo magnético se puede considerar que consta de dos campos de igual magnitud que giran uno hacia el otro (Fig. 1, b). Cada campo interactúa con el devanado del rotor y genera un par. Su acción combinada crea par en el eje del motor.

En el caso de que se produzca una pérdida de fase antes de conectar el motor a la red, sobre un rotor estacionario actúan dos campos magnéticos que forman dos momentos de signo opuesto pero de igual magnitud. Su suma será cero.Por lo tanto, cuando arranca el motor en modo monofásico, no puede invertirse incluso si no hay carga en el eje.

Si se produce una pérdida de fase mientras el rotor del motor está girando, se genera un par en su eje. Esto se puede explicar de la siguiente manera. El rotor giratorio interactúa de varias maneras con los campos que giran uno hacia el otro. Uno de ellos, cuya rotación coincide con la rotación del rotor, forma un momento positivo (que coincide en la dirección), el otro, negativo. A diferencia de la caja del rotor estacionario, estos momentos serán de diferente magnitud. Su diferencia será igual al momento del eje del motor.

La figura 1, c muestra las características mecánicas del motor en funcionamiento monofásico y trifásico. A velocidad cero, el par es cero; cuando gira en cualquier dirección, se produce un par en el eje del motor.

Si una de las fases se desconecta con el motor en marcha, cuando su velocidad estaba próxima al valor nominal, el par suele ser suficiente para continuar el funcionamiento con una ligera reducción de la velocidad. En contraste con el modo simétrico trifásico, aparece un zumbido característico. Por lo demás, no hay manifestaciones externas del modo de emergencia. Es posible que una persona que no tenga experiencia con motores asíncronos no note un cambio en la naturaleza del funcionamiento de un motor eléctrico.

La transición de un motor eléctrico a un modo monofásico va acompañada de una redistribución de corrientes y tensiones entre las fases. Si los devanados del motor están conectados de acuerdo con el esquema de "estrella", después de la pérdida de fase, se forma un circuito, como se muestra en la figura 2. Dos devanados del motor conectados en serie están conectados al voltaje de línea Uab, luego el motor está en un solo- operación de fase.

Hagamos un pequeño cálculo, determinemos las corrientes que fluyen a través de los devanados del motor y comparémoslas con las corrientes con un suministro trifásico.

Figura 2. Conexión en estrella de los devanados del motor después de la pérdida de fase

Como las resistencias Za y Zb están conectadas en serie, las tensiones de las fases A y B serán iguales a la mitad de la lineal:

El valor aproximado de la corriente se puede determinar en base a las siguientes consideraciones.

Corriente de irrupción de la fase A en pérdida de fase

Corriente de arranque de la fase A en modo trifásico

donde Uao — tensión de fase de la red.

Relación de corriente de entrada:

De la relación se deduce que en caso de pérdida de fase, la corriente de arranque es el 86% de la corriente de arranque en un suministro trifásico. Si tenemos en cuenta que la corriente de arranque del motor de inducción jaula de ardilla es 6-7 veces mayor que la nominal, resulta que por los devanados del motor circula una corriente Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, es decir, más de cinco veces el nominal. En un corto período de tiempo, dicha corriente sobrecalentará la bobina.

Del cálculo anterior, se puede ver que el modo de operación considerado es muy peligroso para el motor, y si ocurre, la protección debe apagarse en poco tiempo.

La pérdida de fase también puede ocurrir después de encender el motor, cuando su rotor tendrá una velocidad de rotación correspondiente al modo de operación. Considere las corrientes y voltajes de los devanados en el caso de una transición al modo monofásico con un rotor giratorio.

El valor de Za depende de la velocidad de rotación. En el arranque, cuando la velocidad del rotor es cero, es la misma para los modos trifásico y monofásico. En modo de funcionamiento, dependiendo de la carga y de las características mecánicas del motor, la velocidad de rotación puede ser diferente.Por lo tanto, se necesita un enfoque diferente para analizar las cargas actuales.

Supondremos que el motor funciona tanto en modo trifásico como monofásico. mismo poder Independientemente del esquema de conexión del motor eléctrico, la máquina de trabajo requiere la misma potencia que se necesita para llevar a cabo el proceso tecnológico.

Suponiendo que la potencia del eje del motor es la misma para ambos modos, tendremos:

en modo trifásico

en modo monofásico

donde Uа — tensión de fase de la red; Uаo — voltaje de la fase A en modo monofásico, cos φ3 y cos φ1-coeficientes de potencia para modos trifásicos y monofásicos, respectivamente.

Los experimentos con un motor de inducción muestran que, de hecho, la corriente casi se duplica. Con cierto margen es posible considerar I1a / I2a = 2.

Para evaluar el grado de peligrosidad del funcionamiento monofásico, también debe conocer la carga del motor.

Como primera aproximación, consideraremos la corriente del motor eléctrico en modo trifásico proporcional a su carga sobre el eje. Esta suposición es válida para cargas superiores al 50% del valor nominal. Entonces puede escribir Azf = Ks NS Azn, donde Ks — factor de carga del motor, Azn — corriente nominal del motor.

Corriente monofásica I1f = 2KsNS Azn, es decir, la corriente en modo monofásico dependerá de la carga del motor. A carga nominal, es igual al doble de la corriente nominal. Con una carga inferior al 50%, la pérdida de fase al conectar los devanados del motor a una «estrella» no crea una sobrecorriente peligrosa para los devanados. En la mayoría de los casos, el factor de carga del motor es menor que uno. Con sus valores del orden de 0,6 — 0,75, se debe esperar un ligero exceso de la corriente (en un 20 — 50 %) con respecto a la nominal.Esto es fundamental para el funcionamiento de la protección, ya que es precisamente en esta zona de sobrecarga donde no actúa con la suficiente claridad.

Para analizar algunos métodos de protección, es necesario conocer la tensión de las fases del motor. Cuando el rotor está bloqueado, la tensión de las fases A y B será igual a la mitad de la tensión de red Uab, y la tensión de la fase C será cero.

De lo contrario, el voltaje se distribuye a medida que gira el rotor. El hecho es que su rotación va acompañada de la formación de un campo magnético giratorio que, al actuar sobre los devanados del estator, provoca una fuerza electromotriz en ellos. La magnitud y la fase de esta fuerza electromotriz son tales que a una velocidad de rotación cercana a la síncrona, se restablece un sistema de voltaje trifásico simétrico en los devanados y el voltaje del neutro estrella (punto 0) se vuelve cero. Así, cuando la velocidad del rotor cambia de cero a síncrono en modo de operación monofásico, el voltaje de las fases A y B cambia de un valor igual a la mitad de la línea a un valor igual al voltaje de fase de la red. Por ejemplo, en un sistema con un voltaje de 380/220 V, el voltaje de las fases A y B varía entre 190 y 220 V. El voltaje Uco cambia de cero con un rotor bloqueado a un voltaje de fase de 220 V con velocidad síncrona. En cuanto al voltaje en el punto 0, cambia del valor Uab / 2 — a cero a velocidad síncrona.

Si los devanados del motor están conectados en triángulo, después de una pérdida de fase tendremos el diagrama de conexión que se muestra en la Figura 3. En este caso, el devanado del motor con resistencia Zab resulta estar conectado a la tensión de línea Uab, y el devanado con resistencias Zfc y Zpr.es.— conectados en serie y conectados al mismo voltaje de línea.

Figura 3. Conexión en triángulo de los devanados del motor después de la pérdida de fase

En el modo de arranque, por los devanados AB circulará la misma corriente que en la versión trifásica, y por los devanados AC y BC circulará la mitad de la corriente, ya que estos devanados están conectados en serie.

Las corrientes en los conductores lineales I'a =I'b serán iguales a la suma de las corrientes en las ramas paralelas: I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Así, en el caso que nos ocupa, con pérdida de fase, la corriente de arranque en una de las fases será igual a la corriente de arranque con alimentación trifásica, y la corriente de línea aumenta con menor intensidad.

Para calcular las corrientes en caso de pérdida de fase después de arrancar el motor, se utiliza el mismo método que para el circuito "estrella". Supondremos que el motor desarrolla la misma potencia tanto en modo trifásico como monofásico.

En este modo de operación, la corriente en la fase más cargada con una pérdida de fase se duplica en comparación con la corriente con un suministro trifásico. La corriente en el conductor de línea será Ia 'A = 3Iab, y con alimentación trifásica Ia = 1,73 Iab.

Es importante señalar aquí que mientras la corriente de fase aumenta por un factor de 2, la corriente de línea solo aumenta por un factor de 1,73. Esto es esencial porque la protección contra sobrecorriente reacciona a las corrientes de línea. Los cálculos y conclusiones sobre la influencia del factor de carga en la corriente monofásica con conexión en «estrella» siguen siendo válidos para el caso de un circuito en «triángulo».

Los voltajes de fase AC y BC dependerán de la velocidad del rotor. Cuando el rotor está bloqueado Uac '= Ub° C' = Uab / 2

A una velocidad de rotación igual a la síncrona, se restablece el sistema simétrico de tensiones, es decir, ac '= Ub° C' = Uab.

Así, los voltajes de fase AC y BC, cuando la velocidad de rotación cambia de cero a síncrona, cambiará de un valor igual a la mitad del voltaje de línea a un valor igual al voltaje de línea.

Las corrientes y tensiones de las fases del motor en funcionamiento monofásico también dependen del número de motores.

A menudo se produce una pérdida de fase cuando se funde uno de los fusibles de la subestación o de la red eléctrica de distribución. Como resultado, un grupo de usuarios está en modo monofásico interactuando entre sí. La distribución de corrientes y voltajes depende de la potencia de los motores individuales y su carga. Aquí son posibles diferentes opciones. Si la potencia de los motores eléctricos es igual y su carga es la misma (por ejemplo, un grupo de extractores), entonces todo el grupo de motores puede ser reemplazado por uno equivalente.

Modos de emergencia de motores eléctricos asíncronos y métodos para su protección.