Trójfazowe silniki asynchroniczne stanowią grupę odbiorników o największym zużyciu energii elektrycznej w większości obiektów przemysłowych i komunalnych. Niezawodna praca tych urządzeń stanowi warunek normalnego funkcjonowania tych zakładów. Według zagranicznych badań statystycznych przyczyny awaryjności silników są następujące: przeciążenia (30%), zanieczyszczenie (19%), utrata fazy (14%), niesprawność łożysk (13%), zestarzenie (10%), uszkodzenie wirnika (5%), inne (9%).

Z powyższych danych wynika, że przyczyną aż 44% wszystkich przypadków niesprawności silników indukcyjnych jest nadmierny wzrost temperatury wywoływany przez przepływ prądów w uzwojeniach, prądy wirowe w stali stojana i wirnika, tarcie w łożyskach itp. Stwierdzono, że trwałe przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy izolacji uzwojeń o 10^oC skraca żywotność maszyny o połowę, a każdy następny przyrost temperatury o kolejne 10 stopni powoduje dalsze dwukrotne skrócenie tego okresu.

Asymetria napięć zasilania źródłem zagrożeń dla silników

Szczególne zagrożenie dla trójfazowych silników stwarza niesymetryczne obciążenie prądowe, któremu towarzyszy przepływ prądów składowej przeciwnej. Powodem tego anormalnego stanu pracy bywa najczęściej asymetria napięć zasilających. Za wskaźnik asymetrii układu trójfazowych napięć przyjmuje się – obok procentowej wartości składowej przeciwnej – parametr obliczany jako największą odchyłkę napięcia fazowego od średniej arytmetycznej napięć fazowych odniesioną do wartości tej średniej. Niektóre normy podają dopuszczalną asymetrię napięć maszyn trójfazowych (np. NEMA – 1%). Z kolei wytwórcy maszyn zalecają obniżanie pobieranej mocy przy wzroście asymetrii. Przegrzewanie maszyny przez przepływ prądów składowej przeciwnej sprawia, że wzrost asymetrii napięciowej prowadzi pośrednio do skrócenia żywotności izolacji uzwojeń. Redukcja ta w przypadku silników osiągających temperaturę dopuszczalną przy znamionowym obciążeniu jest bardzo znaczna i określa ją uproszczona zależność: procentowy przyrost temperatury jest dwa razy większy od procentowej asymetrii napięć ( zestawienie w tabeli 1).

Asymetria trójfazowego układu napięć polega na wystąpieniu różnic między wartościami skutecznymi napięć międzyfazowych i przesunięć kątowych między tymi napięciami, różnych od 120^o. W takich warunkach wektory tych trzech napięć nie tworzą trójkąta równobocznego. Zdeformowany układ napięć zasilających wywołuje niekorzystne zmiany stanu pracy maszyn trójfazowych. Na rysunku 1 przedstawiono zależność parametrów roboczych typowego asynchronicznego silnika klatkowego niskiego napięcia od odchyłki kąta przesunięcia fazowego (względem stanu pełnej symetrii) napięcia fazy C sieci zasilającej przy założeniu stałego momentu oporowego na wale. Pokazane przebiegi ilustrują wzrost prądów silnika (dla uproszczenia podano największy z prądów fazowych) i narastające składowe przeciwne prądu i napięcia. Moment napędowy wytwarzany przez prądy składowej przeciwnej hamuje ruch wirnika, o czym świadczy zwiększający się poślizg. Dodatkowo asymetria prądów wywołuje wzrost strat cieplnych w uzwojeniach maszyny (straty w rdzeniu pozostają w przybliżeniu stałe).

Rys. 1. Zależność parametrów roboczych 3-fazowego silnika indukcyjnego od odchyłki kąta fazowego napięcia fazowego Uc źródła od stanu symetrii kątowej arg Ua = arg Ub + 120o = arg Uc + 240o przy Ua = Ub = Uc oraz znamionowym momencie oporowym na wale. Oznaczenia: Un, In – znamionowe napięcie i prąd fazowy silnika, Imax – największy z prądów fazowych, U2, I2 – składowa przeciwna napięcia i prądu, s – poślizg

Utrata fazy – skrajny przypadek niesymetrii zasilania

Najgroźniejszym przypadkiem asymetrii napięć zasilających jest tzw. praca niepełnofazowa polegająca na przerwaniu przewodu jednej z trzech faz sieci zasilającej. Najczęstszą przyczyną przerwy w fazie jest niesprawność styku głównego stycznika (lub innego łącznika) wskutek jego wypalenia czy zwiększenia oporności. Innym powodem bywa przepalenie jednego bezpiecznika. Przerwa w torze głównym może wystąpić również w połączeniach przewodów oraz w uzwojeniach transformatora lub silnika. W najbardziej niekorzystnym przypadku, gdy przerwa wystąpi w jednej z faz strony średniego napięcia transformatora zasilającego SN/nn o układzie połaczeń Yd, poszczególne prądy silnika wzrastają odpowiednio do około 115, 115 i 230% wartości przedzakłóceniowej. Natomiast przy przerwie w fazie samego silnika prądy pozostałych faz wzrosną o ponad 70%. Gdy utrata fazy nastąpi w trakcie pracy maszyny, pobór prądu wzrośnie w przybliżeniu dwukrotnie (jeżeli silnik nie zatrzyma się), a silnik będzie kontynuował pracę aż do zadziałania zabezpieczeń lub spalenia izolacji. Zależność prądu faz „zdrowych” i momentu rozwijanego przez silnik od poślizgu przy utracie fazy przedstawia rysunku 2. W stanie pracy niepełnofazowej maksymalny moment elektromagnetyczny silnika jest zatem bardzo ograniczony. Jednocześnie maszyna ulega znacznemu przeciążeniu prądowemu wielokrotnie zwiększającemu straty cieplne. Z tych względów wszystkie przypadki niepełnofazowego zasilania silników asynchronicznych muszą być szybko i niezawodnie wykrywane.

Rys. 2. Zależność prądu i momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego przy pracy niepełnofazowej od poślizgu

Wykrywanie pracy niepełnofazowe silników elektrycznych

Detekcja utraty fazy silników indukcyjnych bazuje na badaniu wartości dostępnych parametrów roboczych takich jak prądy i napięcia na zaciskach maszyny. Stosowanie tradycyjnych przekaźników termobimetalowych i innych zabezpieczeń odwzorowujących nagrzewanie maszyny napotyka na określone trudności doboru nastawień do obciążeń zmieniających się w szerokich granicach.
Właściwe nastawienie zabezpieczenia od przeciążeń wymaga znajomości prądu roboczego w normalnych warunkach. Dla przykładu po utracie fazy prądy pozostałych faz silnika obciążonego do 60% wartości znamionowej wzrosną do około 110% In. Długotrwały przepływ prądów o tej wartości może nie spowodować zadziałania zabezpieczeń od przeciążeń nastawianych zwykle na tym poziomie, wskutek czego brak zasilania jednej fazy w ogóle nie zostanie wykryty. Z tego powodu wskazane jest, by nastawienie zabezpieczenia od przeciążeń uwzględniało rzeczywiste obciążenie silnika, a nie wynikało jedynie z wartości znamionowej prądu.
Problemy dopasowania charakterystyki działania przekaźników nadprądowych (zarówno czasowej niezależnej jak i zależnej) do parametrów zjawiska doprowadziły do zastosowania trójfazowych zabezpieczeń reagujących na wartość składowej przeciwnej prądu, która pojawia się przy utracie fazy, zaś nie występuje przy symetrycznym obciążeniu. Stosunkowo wysoki koszt użycia takich przekaźników sprawił, że do ochrony mniejszych silników przed skutkami niesymetrycznego zasilania wciąż stosuje się typowe instalacyjne wyłączniki nadprądowe wyposażone w wyzwalacz przeciążeniowy o odpowiednio ukształtowanej charakterystyce zależnej.
Oprócz kontroli prądów, do wykrywania pracy niepełnofazowej silników indukcyjnych stosuje się także badanie napięć na zaciskach maszyny. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem jest przyłączenie przekaźnika kontroli napięć fazowych lub międzyfazowych za stykami łącznika lub bezpiecznikami w torze zasilania. Podstawową przeszkodą dla niezawodnego działania tego prostego i taniego zabezpieczenia jest zjawisko tzw. sztucznej fazy.
Przy pracy niepełnofazowej w uzwojeniu fazy pozbawionej zasilania pole magnetyczne wirujące w szczelinie maszyny indukuje napięcie przemienne o wartości skutecznej zależnej od poślizgu. Na biegu jałowym napięcie doziemne zacisku tego uzwojenia osiąga wartość bliską napięciu znamionowemu, przy czym ze wzrostem obciążenia silnika jego wartość maleje. Wysoki poziom napięcia sztucznej fazy, przekraczający 80% znamionowego napięcia fazowego, w praktyce uniemożliwia skuteczne rozróżnienie tego awaryjnego stanu od warunków normalnej pracy. Jednak z uwagi na przesunięcie kąta fazowego tego napięcia od napięcia źródłowego tej fazy sieci możliwe jest wykorzystanie innej wielkości kryterialnej. Może nią być największa wartość odchyłki kąta między napięciami międzyfazowymi na zaciskach silnika od wzorcowej wartości 120^o. Na rysunku 3 pokazano zależność wybranych parametrów charakterystycznych dla pracy niepełnofazowej silnika od poślizgu. Z wykresu wynika, że do wykrywania utraty fazy można wykorzystać zarówno wspomnianą odchyłkę kąta delta fi, jak i składowe przeciwne prądu I2 i napięcia U2. Natomiast przy obciążeniach niższych od znamionowych do tego celu nie są przydatne – jak zauważono powyżej – prądy i napięcia fazowe silnika.

Rys. 3. Zależności parametrów roboczych 3-fazowego silnika indukcyjnego przy utracie fazy w warunkach znamionowego zasilania pozostałych faz

Rys. 4. Przekaźnik typu PKF-333 produkcji Elektromontex Bydgoszcz

Zabezpieczenia napięciowe od utraty fazy

Zarówno w kraju, jak i za granicą stosuje się rozmaite przekaźniki detekcji pracy niepełnofazowej silników oparte na kontroli napięć na zaciskach maszyny. Większość tych rozwiązań wykorzystuje badanie wartości skutecznych napięć międzyfazowych, co w przypadku wysokiego poziomu napięcia sztucznej fazy nie może oczywiście spełnić postawionego zadania. Spośród krajowych zabezpieczeń napięciowych służących do detekcji utraty fazy można wymienić przekaźnik typu KF3S produkcji P.P.H.U.M. Piórowicz. Zabezpieczenie to realizuje badanie przesunięć kątowych napięć poszczególnych faz sieci. Kontroler faz KF3-S jest całkowicie polskim (opracowanie i produkcja), nowoczesnym urządzeniem badającym najważniejsze parametry napięć sieci pod kątem jej przydatności do zasilania maszyn trójfazowych. KF3-S wykazał swą przydatność do ochrony silników przed awariami powodowanymi anormalnym zasilaniem, w tym pracą niepełnofazową i asymetrią kątową napięć sieci. Innym zabezpieczeniem opartym na badaniu przesunięć kątowych między wektorami napięć jest cyfrowy przekaźnik typu PKF-333 produkcji Elektromontex Bydgoszcz. Użytkownik może wybrać, oprócz progów działania członów podnapięciowych i czasów reakcji, także dopuszczalną asymetrię kątową w zakresie +/-3^o do +/-9^o.

Piotr Olszowiec