Количество просмотров публикации Что происходит с электродвигателем при потере фазы и однофазном режиме работы - 1194
Под потерей фазы понимают однофазный режим работы электродвигателя в результате отключения питания по одному из проводов трехфазной системы.
Причинами потери фазы электродвигателем бывают:
- обрыв одного из проводов,
- сгорание одного из предохранителей;
- нарушение контакта в одной из фаз.
Учитывая зависимость отобстоятельств, при которых произошла потеря фазы, бывают разные режимы работы электродвигателя и последствия, сопутствующие этим режимам.
При этом следует принимать во внимание следующие факторы:
- схему соединения обмоток электродвигателя ("звезда" или "треугольник"),
- рабочее состояние двигателя в момент потери фазы (потеря фазы может произойти до или после включения двигателя, во время работы под нагрузкой),
- степень загрузки двигателя и механическую характеристику рабочей машины, число электродвигателей, работающих при потере фазы, и их взаимное влияние.
Здесь следует обратить внимание на особенность рассматриваемого режима. В трехфазном режиме каждая фаза обмотки обтекается током, сдвинутым во времени на одну треть периода. При потере фазы две обмотки обтекаются одним и тем же током, в третьей фазе ток отсутствует.
Несмотря на то, что концы обмоток присоединены к двумя фазным проводам трехфазной системы, токи в обеих обмотках совпадают по времени. Такой режим работы принято называть однофазным.
Магнитное поле, образованное однофазным током, в отличие от вращающегося поля, образованного трехфазной системой токов, является пульсирующим. Оно изменяется во времени, но не перемещается по окружности статора. На рисунке 1, а показан вектор магнитного потока, создаваемого в двигателе при однофазном режиме. Этот вектор не вращается, а лишь изменяется по величине и знаку. Круговое поле сплющивается до прямой линии.
Рис. 1. Характеристики асинхронного двигателя в однофазном режиме: а — графическое изображение пульсирующего магнитного поля;
б — разложение пульсирующего поля на два вращающихся;
в — механические характеристики асинхронного двигателя в трехфазном (1) и однофазном (2) режимах работы.
Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать состоящим из двух вращающихся навстречу друг другу равных по величине полей (рис. 1, б). Каждое поле взаимодействует с обмоткой ротора и образует вращающий момент. Их суммарное действие создает вращающий момент на валу двигателя.
В том случае, когда потеря фазы произошла до включения двигателя в сеть, на неподвижный ротор действуют два магнитных поля, которые образуют два противоположных по знаку, но равных по величине момента. Их сумма будет равна нулю. По этой причине при пуске двигателя в однофазном режиме он не может развернуться даже при отсутствии нагрузки на валу.
В случае если потеря фазы произошла в то время, когда ротор двигателя вращался, то на его валу образуется вращающий момент. Это можно объяснить следующим образом. Вращающийся ротор по разному взаимодействует с вращающимися навстречу друг другу полями. Одно из них, вращение которого совпадает с вращением ротора, образует положительный (совпадающий по направлению) момент, другое — отрицательный. В отличие от случая с неподвижным ротором эти моменты будут разными по величине. Их разность будет равна моменту на валу двигателя.
На рисунке 1, в показана механическая характеристика двигателя в однофазном и трехфазном режимах работы. При нулевой скорости момент равен нулю, при появлении вращения в любую сторону на валу двигателя возникает момент.
В случае если отключение одной из фаз произошло во время работы двигателя, когда его скорость была близка к номинальному значению, вращающий момент часто бывает достаточным для продолжения работы с небольшим снижением скорости. В отличие от трехфазного симметричного режима появляется характерное гудение. В остальном внешние проявления аварийного режима не наблюдаются. Человек, не имеющий опыта работы с асинхронными двигателями, может не заметить изменения характера работы электродвигателя.
Переход электродвигателя в однофазный режим сопровождается перераспределением токов и напряжений между фазами. В случае если обмотки двигателя соединены по схеме "звезда", то после потери фазы образуется схема, показанная на рисунке 2. Две последовательно соединенные обмотки двигателя оказываются включенными на линейное напряжение Uаb, двигатель при этом оказывается в однофазном режиме работы.
Сделаем небольшой расчет, определим токи, протекающие по обмоткам двигателя и сравним их с токами при трехфазном питании.
Рис. 2. Соединение обмоток двигателя по схеме "звезда" после потерн фазы
Так как сопротивления Zа и Zв соединены последовательно, напряжения на фазах А и В будут равны половине линейного:
Приближенно величину тока можно определить исходя из следующих соображений.
Пусковой ток фазы А при потере фазы
Пусковой ток фазы А при трехфазном режиме
где Uao — фазовое напряжение сети.
Отношение пусковых токов:
из соотношения следует, что при потере фазы пусковой ток составляет 86% от величины пускового тока при трехфазном питании. В случае если учесть, что пусковой ток короткозамкнутого асинхронного двигателя в 6 - 7 раз больше номинального, то получается, что по обмоткам двигателя протекает ток
Iiф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн,
т. е. в пять с лишним раз превышающий номинальный. За короткий промежуток времени такой ток перегреет обмотку.
Из приведенного расчета видно, что рассматриваемый режим работы весьма опасен для двигателя и в случае его возникновения защита должна отключить с незначительной выдержкой времени.
Потеря фазы может произойти и после включения двигателя, когда его ротор будет иметь скорость вращения, соответствующую рабочему режиму. Рассмотрим токи и напряжения обмоток в случае перехода в однофазный режим при вращающемся роторе.
Величина Za зависит от скорости вращения. При пуске, когда скорость вращения ротора равна нулю, она одинакова как для трехфазного, так и для однофазного режима. В рабочем режиме исходя из нагрузки и механической характеристики двигателя скорость вращения должна быть разной. По этой причине для анализа токовых нагрузок необходим другой подход.
Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режиме двигатель развивает. одинаковую мощность. Независимо от схемы включения электродвигателя рабочая машина требует ту же самую мощность, которая необходима для выполнения технологического процесса.
Полагая мощности на валу двигателя равными для обоих режимов, будем иметь:
при трехфазном режиме
при однофазном режиме
где Ua — фазовое напряжение сети;
Uao — напряжение на фазе А в однофазном режиме,
cos φ3 и cos φ1 — коэффициенты мощности при трехфазном и однофазном режимах соответственно.
Опыты с асинхронным двигателем показывают, что фактически ток возрастает почти вдвое. С некоторым запасом можно считать
I1a / I2a = 2.
Для того чтобы судить о степени опасности однофазного режима работы, нужно также знать загрузку двигателя.
В первом приближении будем считать ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональным его нагрузке на валу. Такое допущение справедливо при нагрузках более 50% от номинального значения. Тогда можно написать
Iф = Kз х Iн,
где Kз — коэффициент загрузки двигателя,
Iн — номинальный ток двигателя.
Ток при однофазном режиме
I1ф = 2Kзх Iн,
т. е. ток при однофазном режиме будет зависеть от загрузки двигателя. При номинальной нагрузке он равен двойному номинальному току. При нагрузке менее 50% потеря фазы при соединении обмоток двигателя в "звезду" не создает опасного для обмоток превышения тока. В большинстве случаев коэффициент загрузки двигателя меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 - 0,75 следует ожидать небольшого превышения тока (на 20— 50%) по сравнению с номинальным. Это существенно для работы защиты, так как именно в этой области перегрузок она действует недостаточно четко.
Для анализа некоторых способов защиты крайне важно знать напряжение на фазах двигателя. При заторможенном роторе напряжение на фазах А и В будет равно половине линейного напряжения Uab, а напряжение на фазе С будет равно нулю.
Иначе распределяется напряжение при вращающемся роторе. Дело в том, что его вращение сопровождается образованием вращающегося магнитного поля, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ, действуя на обмотки статора, наводит в них электродвижущую силу. Величина и фаза этой электродвижущей силы таковы, что при скорости вращения, близкой к синхронной, на обмотках восстанавливается симметричная система трехфазного напряжения, а напряжение нейтрали звезды (точка 0) становится равным нулю. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, при изменении скорости вращения ротора от нуля до синхронной в однофазном режиме работы напряжение на фазах А и В изменяется от значения, равного половине линейного, до значения, равного фазовому напряжению сети. К примеру, в системе напряжения 380/220 В напряжение на фазах А и В изменяется в пределах 190 - 220 В. Напряжение Uco изменяется от нуля при заторможенном роторе до фазового напряжения 220 В при синхронной скорости. Что же касается напряжения в точке 0, то оно изменяется от значения Uab/2 - до нуля при синхронной скорости.
Рис. 3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "треугольник" после потери фазы
В случае если обмотки двигателя соединены по схеме "треугольник", то после потери фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рисунке 3. В этом случае обмотка двигателя с сопротивлением Zab оказывается включенной на линейное напряжение Uab, а обмотка с сопротивлениями Zfc и Zbc — соединенной последовательно и включенной на то же самое линейное напряжение.
В пусковом режиме по обмоткам АВ будет протекать такой же ток, как и при трехфазном варианте, а по обмоткам АС и ВС будет протекать ток в два раза меньший, так как эти обмотки соединены последовательно.
Токи в линейных проводах I'a=I'b будут равны сумме токов в параллельных ветвях:
I'А = I'ab + I'bc = 1,5 Iab
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, в рассматриваемом случае при потере фазы пусковой ток в одной из фаз будет равен пусковому току при трехфазном питании, а линейный ток возрастает менее интенсивно.
Для расчета токов в случае потери фазы после включения двигателя в работу применим тот же метод, что и для схемы "звезда". Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазном режимах двигатель развивает одинаковую мощность.
В этом режиме работы ток в наиболее нагруженной фазе при потере фазы увеличивается вдвое по сравнению с током при трехфазном питании. Ток в линейном проводе будет равен I'А = 3Iab, а при трехфазном питании Ia = 1,73 Iab.
Здесь важно отметить, что в то время как фазовый ток возрастает в 2 раза, линейный ток увеличивается только в 1,73 раза. Это существенно, так как токовая защита реагирует на линейные токи. Расчеты и выводы относительно влияния коэффициента загрузки на ток однофазного режима при соединении "звезда" остаются в силе и для случая схемы "треугольник".
Напряжения на фазах АС и ВС будут зависеть от скорости вращения ротора. При заторможенном роторе Uac' = Ubc' = Uab/2
При скорости вращения, равной синхронной, восстанавливается симметричная система напряжений, т. е. Uac' = Ubc' = Uab.
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, напряжения на фазах АС и ВС при изменениях скорости вращения от нуля до синхронной будут меняться от значения, равного половине линейного, до значения, равного линейному напряжению.
Токи и напряжения на фазах двигателя при однофазном режиме зависят также и от числа двигателей.
Часто обрыв фазы происходит из-за перегорания одного из предохранителей на питающем фидере подстанции или распределительного устройства. В результате в однофазном режиме оказывается группа потребителей, взаимно влияющих друг на друга. Распределение токов и напряжений зависит от мощности отдельных двигателей и их нагрузки. Здесь возможны различные варианты. В случае если мощности электродвигателей равны, а их нагрузка одинакова (к примеру, группа вытяжных вентиляторов), то всю группу двигателей можно заменить одним эквивалентным.
Несимметрия напряжения.Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить на симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности (см. гл. 2) и проанализировать влияние каждой из них на работу двигателя. ГОСТ допускает несимметрию напряжения (отношение напряжения обратной последовательности к номинальному напряжению) до 2%.
Система напряжений обратной последовательности создает магнитное поле, вращающееся в противоположную относительно ротора сторону с частотой вращения
nобр = 60f1 р = |n1 |.
Вследствие этого скольжение ротора относительно обратного поля sобр = (n1 - n2 )/n1 = [n1 + n1 (1 - s)]/n1 ≈ 2,
так как скольжение асинхронного двигателя в установившемся режиме
s ≈ (0,01 ÷ 0,05).
Следовательно, обратное поле создает тормозящий момент Мобр, а токи обратной последовательности создают дополнительные потери, увеличивающие нагревание обмоток и снижающие КПД.
Рис. 4. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения.
На рис. 4 показана зависимость моментов асинхронного двигателя от скольжения. Из нее следует, что под влиянием токов обратной последовательности результирующий момент двигателя Мрез снижается и скольжение при том же нагрузочном моменте Мн на валу возрастает.
Рис. 5. Зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт.
На рис. 5 показаны зависимости КПД от асимметрии напряжения для одного из двигателей общего применения мощностью 5,5 кВт. При несимметрии напряжения 2% КПД снижается примерно на 2%, а при 4% почти на 5,5%. Следовательно, несимметрия питающего напряжения крайне нежелательна.
Обрыв фазы обмотки статора. При пуске трехфазного асинхронного двигателя с оборванной фазой создаются такие условия, как и в однофазном двигателе (см. § 4.17), т. е. его результирующий момент Мрез = Мпр — Мобр = 0. В случае если ротор двигателя в момент обрыва находится во вращении, то Мпр > Мо6р и при Мрез > Мн двигатель продолжает вращаться, однако максимальный момент Мmax оказывается существенно меньшим, чем при неповрежденной фазе. При переходе двигателя в однофазный режим частота вращения практически не изменяется, в связи с этим мощность на валу также остается приблизительно одинаковой.
Но отношение токов в этих режимах
I1 /I3 = (3η3 cos φ3 )/(2η1 cos φ1 ),
где индекс 1 относится к однофазному режиму, а 3 — к трехфазному. По этой причине при условии
η1 = η3 и cos φ1 = cos φ3
ток I1 в однофазном режиме в 1,5 раза больше, чем в трехфазном. В действительности КПД и cos φ в однофазном режиме уменьшаются по сравнению с трехфазным, вследствие чего ток I1 возрастает в еще большей степени. В случае если двигатель работает при нагрузке, близкой к номинальной, то при обрыве фазы его ток становится значительно больше номинального и двигатель быстро перегревается и ʼʼвыходит из строяʼʼ.
Рис. 6. Зависимости моментов асинхронного двигателя от скольжения при обрыве фазы обмотки ротора
Обрыв фазы обмотки ротора. При несимметрии сопротивлений фаз ротора возникает эффект одноосного демпфирования. В результате этого кривая момента двигателя в области s = 0,5 имеет провал. Значение этого провала может оказаться настолько большим, что двигатель при пуске под нагрузкой не достигает номинальной частоты вращения и ʼʼзастреваетʼʼ при n2 ≈ 0,5п1 . При обрыве одной из фаз ротора электромагнитный момент в области s = 0,5 отрицательный (рис. 6), вследствие чего двигатель не разгоняется до номинальной частоты вращения даже при пуске без нагрузки.
Работа электродвигателей в неполнофазном режиме в большинстве случаев заканчивается выходом их из строя. Этот аварийный режим работы, возникающий при обрыве или отгорании одной из питающих фаз, характеризуется большим увеличением тока потребления других статорных обмоток, что является причиной их перегрева и межвиткового пробоя, вследствие повреждения изоляции.
Нередко, выход из строя 3х-фазных электродвигателей по причине их эксплуатации в неполнофазном режиме, связан с возникновением последнего, именно во время работы двигателя - когда частота вращения его вала достигла номинального значения.
Так, асинхронный двигатель, мощностью более 1 кВт, включенный в сеть с одной отсутствующей “фазой”, просто не запустится - что будет, наверняка, визуально заметно и явится причиной для проверки питающих фазных напряжений.
В случае-же, возникновения неполнофазности электропитания находящегося в работе двигателя, последний продолжит вращение и единственным внешним признаком неполадок питания можеть быть лишь изменившийся шум, издаваемый электромотором и обнаружить "на слух" неисправность не всегда представляется возможным, даже опытному обслуживащему персоналу.
Преимущество предложенной схемы защиты состоит, прежде всего, в простоте ее реализации; состоящая из 2х магнитных пускателей, она не уступает в надежности своим электронным аналогам.
Отключение питания электродвигателя при возникновении его неполнофазности во время пуска или во время работы в данной схеме обеспечивается отсутствием управляющего напряжения в цепи питания катушки магнитного пускателя KM1.
Без фазного напряжения L1 или L2 не невозможно срабатывание KM2, через один из главных контактов которого (вместо него должна быть задействован нормально разомкнутый блок-контакт) подается питание на KM1 (“фаза” L3).
Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, отсутствие или исчезновение любой из питающих фаз в сети гарантированно исключит возможность срабатывания KM1 или вернет главные контакты этого пускателя в исходное разомкнутое состояние, отключив двигатель - если одна из “фаз” пропала во время его работы.
Обязательным условием схемы является использование в ней, по крайней мере, одного из магнитных пускателей с катушкой, рабочее напряжение которой составляет 380 В. Это позволит контролировать наличие двух фазных напряжений в сети. Напряжение питания катушки второго пускателя может 220 В. (его для контроля третьей “фазы” будет достаточно) или 380 В.
9 Защита электродвигателя от неполнофазных режимов
9.1 Требования ПУЭ к защите от неполнофазных режимов
9.1.1 Как известно, неполнофазные режимы работы трехфазных электродвигателей приводит к недопустимому разогреву зубцов ротора, пазовых клиньев и бандажных колец.
Согласно требованиям ПУЭ [1] для электродвигателей, которые защищены от токов КЗ предохранителями, не имеющими вспомогательных контактов для сигнализации об их перегорании, должна быть предусмотрена защита от перегрузки в двух фазах.
Защиту от неполнофазного режима рекомендуется применять для всех двигателей в связи с возможностью обрыва фазы на линии внешнего электроснабжения.
9.2 Защита от неполнофазных режимов в терминалах БМРЗ
9.2.1 При работе электродвигателя в неполнофазном режиме значения токов прямой и обратной последовательности равны, а ток в каждой из двух рабочих фаз в данном режиме составляет от 1,6 до 2,5 .
Защита от неполнофазных режимов срабатывает при выполнении двух условий:
· токи в двух фазах питания двигателя превышают 1,6 Iном.дв;
· значение тока обратной последовательности превышает 30% от тока прямой последовательности.
Время срабатывания защиты на отключение электродвигателя выбирают из диапазона от 0,5 с до 1 с и отстраивают от времени ликвидации неполнофазного режима системами защиты и автоматики внешнего электроснабжения.
В терминалах БМРЗ-ДА и БМРЗ-ДД значение тока определяется по значениям фазных токов. Для использования защиты от неполнофазных режимов, предусмотренных в этих терминалах, крайне важно наличие ТТ в каждой фазе питания двигателя.
В терминалах БМРЗ-УЗД и БМРЗ-ДВА предусмотрена возможность вычисления тока по токам двух фаз и току
. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, защиту от неполнофазного режима в этих терминалах можно реализовать при наличии ТТ в двух фазах питания двигателя.
В случае если значение тока превышает 30% от тока прямой последовательности, а значения фазных токов электродвигателя не превышают 1,6 Iном.дв , то это свидетельствует о наличии нарушений во вторичных токовых цепях ТТ.
Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) неодинаковые нагрузки в различных фазах,
2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети,
3) различные параметры линий в разных фазах.
Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-за неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях 0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном подключением однофазных осветительных и бытовых электроприемников малой мощности. Количество таких однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распределять по фазам для уменьшения несимметрии.
В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных электроприемников, а в ряде случаев и трехфазных электроприемников с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ — это однофазные термические установки, руднотермические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные нагревательные установки. Вместе с тем, несимметричные электроприемники — это сварочные аппараты различной мощности. Тяговые подстанции электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта являются мощным источником несимметрии, так как электровозы — однофазные электроприемники. Мощность отдельных однофазных электроприемников в настоящее время достигает нескольких мегаватт.
Различают два вида несимметрии: систематическую и вероятностную, или случайную. Систематическая несимметрия обусловлена неравномерной постоянной перегруз- кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе- регружаются разные фазы исходя из случайных факторов (перемежающаяся несимметрия).
Неполнофазная работа элементов сети вызывается кратковременным отключением одной или двух фаз при коротких замыканиях либо более длительным отключением при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно оборудовать устройствами пофазного управления, которые отключают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда действие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого короткого замыкания.
В подавляющем большинстве устойчивые короткие замыкания однофазные. При этом отключение поврежденной фазы приводит к со-хранению двух других фаз линии в работе.
В сети с заземленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режимы могут возникать и при отключении трансформаторов.
В некоторых случаях для группы, составленной из однофазных трансформаторов, при аварийном отключении одной фазы может оказаться допустимым электроснабжение по двум фазам. В этом случае не требуется установка резервной фазы, особенно при наличии двух групп однофазных трансформаторов на подстанции.
Неравенство параметров линий по фазам имеет место, к примеру, при отсутствии транспозиции на линиях или удлиненных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны и являются источниками аварий. Уменьшение числа транспозиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость и повышает надежность. В этом случае ухудшается выравнивание параметров фаз линии, для которого обычно и при-меняется транспозиция.
referatwork.ru
| Задача механизма газораспределения — обеспечитьнаивысшую эффективность наполнения и очистки цилиндраво время работы двигателя. От того, насколько грамотноподобраны фазы газораспределения,зависит экономичностьмотора, мощность и развиваемый момент. Kачество работы двигателя — его КПД, мощность, крутящий момент и экономичность зависят от многих факторов, в том числе и от фаз газораспределения, то есть от своевременности открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. В обычном четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания клапаны приводятся в действие кулачками распределительного вала. Профиль этих кулачков определяет момент и продолжительность открытия (то есть ширину фаз), а также величину хода клапанов.В большинстве современных двигателей фазы меняться не могут. И работа таких двигателей не отличается высокой эффективностью. Дело в том, что характер поведения газов (горючей смеси и выхлопа) в цилиндре, а также во впускном и выпускном трактах меняется в зависимости от режимов работы двигателя. Постоянно изменяется скорость течения, возникают различного рода колебания упругой газовой среды, которые приводят к полезным резонансным или, наоборот, паразитным застойным явлениям. Из-за этого скорость и эффективность наполнения цилиндров при различных режимах работы двигателя неодинаковы. Фазы газораспределения в поршневых двигателях внутреннего сгорания — это моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов (окон). Фазы газораспределения обычно выражаются в градусах поворота коленчатого вала и отмечаются по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов. Тюнеры часто мудрят со сдвигом фаз при помощи таких сборных звёздочек. Заменив штатный распредвал на «спортивный» с другими фазами, можно добиться существенной прибавки мощности. Хондовская VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) так же, как и тойотовская VVT-I (Variable Valve Timing with intelligence), позволяет плавно изменять фазы газораспределения фазовращателем с гидравлическим управлением. Это достигается путём поворота распределительного вала впускных клапанов относительно вала выпускных клапанов в диапазоне 40—60° (по углу поворота коленчатого вала). Но конструкторы такие задачи уже давно щёлкают как семечки и способны при помощи сдвига и изменения ширины фаз газораспределения менять характеристики двигателя до неузнаваемости. Поднять момент? Пожалуйста. Повысить мощность? Не вопрос. Снизить расход? Не проблема. Правда, подчас получается так, что при улучшении одних показателей приходится жертвовать другими. Doppel-VANOS (Doppel Variable Nockenwellen Steuerung) от BMW умеет двигать фазы плавно от начального до конечного значения. При помощи гидравлики система заведует как процессами впуска, так и выпуска. Но неуёмные инженеры не остановились на этом и разработали ряд систем, способных не только двигать фазы, но и расширять или сужать их. В зависимости от конструкции это может достигаться несколькими способами. Например, в тойотовской системе VVTL-i после достижении определённых оборотов (6000 об/мин) вместо обычного кулачка в работу начинает вступать дополнительный — с изменённым профилем. Профиль этого кулачка задаёт иной закон движения клапана, более широкие фазы и, кстати, обеспечивает больший ход. При раскрутке коленчатого вала до максимальных оборотов (около 8500 об/мин) на частоте вращения в 6000—6500 об/мин у двигателя словно открывается второе дыхание, которое способно придать автомобилю резкий и мощный подхват при ускорении. Система Valvetronic позволила отказаться от дроссельной заслонки, система меняет и степень открытия клапанов и фазы. Применяется она на моторах BMW с 2001 года. Ход клапана меняется при помощи электродвигателя и сложной кинематической схемы и пределах 0,2–12 мм. Чем вредна заслонка? Она ухудшает наполнение цилиндров на низких и средних оборотах. Ведь во впускном тракте под прикрытым дросселем при работе двигателя создаётся сильное разрежение. К чему оно приводит? К большой инертности разреженной газовой среды (топливовоздушной смеси), ухудшению качества наполнения цилиндра свежим зарядом, снижению отдачи и уменьшению скорости отклика на нажатие педали газа. Система Variable Valve Event and Lift System (VEL), разработанная Ниссаном, напоминает баварский Valvetronic. Специальный эксцентрик, который приводится от электродвигателя, смещает точку опоры коромысла, и за счёт этого изменяет ход клапана. Высота подъёма варьируется в пределах 0,5–2 мм. Так работает «трёхступенчатый» i-VTEC (Intelligent Variable Valve Timing and Lift Electronic Control). На низкой частоте вращения топливо экономится благодаря тому, что половина впускных клапанов практически дезактивирована. При переходе на средние обороты ранее «дремавшие» клапаны включаются в работу, но их амплитуда не максимальна. На мощностных режимах впускные клапаны начинают работать от единственного центрального кулачка. Он обеспечивает максимальный подъём клапанов, кроме того, его профиль специально заточен под мощностные режимы. Управление режимами осуществляется гидравликой и электроникой. Осенью 2007 года Toyota запустит в производство моторы с газораспределительным механизмом Valvematic, который будет изменять не только фазы газораспределения, но и высоту подъёма впускных клапанов. Не секрет, что многие производители достаточно давно применяют подобные системы. Но Toyota в серию такую систему запускает впервые. Мощность двухлитрового атмосферника 1AZ-FE, благодаря новому газораспределительному механизму, удалось поднять со 152 до 158 сил, а момент — с 194 до 196 Нм. А это схема работы механизма VVTL-i, предложенная компанией Toyota. Здесь высота подъёма и продолжительность открытия обоих впускных клапанов изменяются скачкообразно. При работе двигателя на частотах вращения коленчатого вала до 6000 об/мин высота подъёма и продолжительность открытия обоих клапанов задаются кулачком (1), который через рокер (5) воздействует на оба клапана. На оборотах выше 6000 закон движения клапанов задаётся более высоким кулачком (2). Чтобы ввести его в строй, нужно переместить сухарь (3) вправо (сухарь перемещается под давлением масла, которое в нужный момент повышается в управляющей магистрали). После того как сухарь переместился вправо, кулачок (2) через шток (4), который до этого времени свободно качался, начинает воздействовать на клапаны через рокер. Пожалуй, дальнейшее увеличение эффективности работы мотора за счёт ГРМ уже невозможно. Выжать ещё больше мощности и момента с того же объёма при меньшем расходе можно будет только с применением иных средств. Например, комбинированного наддува или конструкций, изменяющих степень сжатия, других видов топлива. Но это — уже совсем другой разговор.
|
autohistoriq.ru
Под потерей фазы понимают однофазовый режим работы электродвигателя в итоге отключения питания по одному из проводов трехфазной системы.
Причинами утраты фазы электродвигателем могут быть: обрыв 1-го из проводов, сгорание 1-го из предохранителей; нарушение контакта в одной из фаз.
Зависимо от событий, при которых произошла утрата фазы, могут быть различные режимы работы электродвигателя и последствия, сопутствующие этим режимам. При всем этом следует принимать во внимание последующие причины: схему соединения обмоток электродвигателя («звезда» либо «треугольник»), рабочее состояние мотора в момент утраты фазы (утрата фазы может произойти до либо после включения мотора, во время работы под нагрузкой), степень загрузки мотора и механическую характеристику рабочей машины, число электродвигателей, работающих при потере фазы, и их обоюдное воздействие.
Тут следует направить внимание на особенность рассматриваемого режима. В трехфазном режиме любая фаза обмотки обтекается током, сдвинутым во времени на одну третья часть периода. При потере фазы две обмотки обтекаются одним и этим же током, в третьей фазе ток отсутствует. Невзирая на то, что концы обмоток присоединены к 2-мя фазным проводам трехфазной системы, токи в обеих обмотках совпадают по времени. Таковой режим работы именуется однофазовым.
Магнитное поле, образованное однофазовым током, в отличие от вращающегося поля, образованного трехфазной системой токов, является пульсирующим. Оно меняется во времени, но не перемещается по окружности статора. На рисунке 1, а показан вектор магнитного потока, создаваемого в движке при однофазовом режиме. Этот вектор не крутится, а только меняется по величине и знаку. Радиальное поле сплющивается до прямой полосы.
Набросок 1. Свойства асинхронного мотора в однофазовом режиме: а — графическое изображение пульсирующего магнитного поля; б — разложение пульсирующего поля на два крутящихся; в — механические свойства асинхронного мотора в трехфазном (1) и однофазовом (2) режимах работы.
Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать состоящим из 2-ух крутящихся навстречу друг дружке равных по величине полей (рис. 1, б). Каждое поле ведет взаимодействие с обмоткой ротора и образует крутящий момент. Их суммарное действие делает крутящий момент на валу мотора.
В этом случае, когда утрата фазы произошла до включения мотора в сеть, на недвижный ротор действуют два магнитных поля, которые образуют два обратных по знаку, но равных по величине момента. Их сумма будет равна нулю. Потому при пуске мотора в однофазовом режиме он не может развернуться даже при отсутствии нагрузки на валу.
Если потеря фазы произошла в то время, когда ротор мотора крутился, то на его валу появляется крутящий момент. Это можно разъяснить последующим образом. Крутящийся ротор по различному ведет взаимодействие с вращающимися навстречу друг дружке полями. Одно из их, вращение которого совпадает с вращением ротора, образует положительный (совпадающий по направлению) момент, другое — отрицательный. В отличие от варианта с недвижным ротором эти моменты будут различными по величине. Их разность будет равна моменту на валу мотора.
На рисунке 1, в показана механическая черта мотора в однофазовом и трехфазном режимах работы. При нулевой скорости момент равен нулю, при возникновении вращения в всякую сторону на валу мотора появляется момент.
Если отключение одной из фаз вышло во время работы мотора, когда его скорость была близка к номинальному значению, крутящий момент нередко бывает достаточным для продолжения работы с маленьким понижением скорости. В отличие от трехфазного симметричного режима возникает свойственное гудение. В остальном наружные проявления аварийного режима не наблюдаются. Человек, не имеющий опыта работы с асинхронными движками, может не увидеть конфигурации нрава работы электродвигателя.
Переход электродвигателя в однофазовый режим сопровождается перераспределением токов и напряжений меж фазами. Если обмотки мотора соединены по схеме «звезда», то после утраты фазы появляется схема, показанная на рисунке 2. Две поочередно соединенные обмотки мотора оказываются включенными на линейное напряжение Uаb, движок при всем этом оказывается в однофазовом режиме работы.
Создадим маленький расчет, определим токи, протекающие по обмоткам мотора и сравним их с токами при трехфазном питании.
Набросок 2. Соединение обмоток мотора по схеме «звезда» после потерн фазы
Потому что сопротивления Zа и Zв соединены поочередно, напряжения на фазах А и В будут равны половине линейного:
Приближенно величину тока можно найти исходя из последующих суждений.
Пусковой ток фазы А при потере фазы
Пусковой ток фазы А при трехфазном режиме
где Uao — фазовое напряжение сети.
Отношение пусковых токов:
Из соотношения следует, что при потере фазы пусковой ток составляет 86% от величины пускового тока при трехфазном питании. Если учитывать, что пусковой ток короткозамкнутого асинхронного мотора в 6 — 7 раз больше номинального, то выходит, что по обмоткам мотора протекает ток Iiф = 0,86 х 6 = 5,16 Iн, т. е. в 5 с излишним раз превосходящий номинальный. За маленький просвет времени таковой ток перегреет обмотку.
Из приведенного расчета видно, что рассматриваемый режим работы очень небезопасен для мотора и в случае его появления защита должна отключить с малозначительной выдержкой времени.
Утрата фазы может произойти и после включения мотора, когда его ротор будет иметь скорость вращения, подобающую рабочему режиму. Разглядим токи и напряжения обмоток в случае перехода в однофазовый режим при вращающемся роторе.
Величина Za находится в зависимости от скорости вращения. При пуске, когда скорость вращения ротора равна нулю, она схожа как для трехфазного, так и для однофазового режима. В рабочем режиме зависимо от нагрузки и механической свойства мотора скорость вращения может быть разной. Потому для анализа токовых нагрузок нужен другой подход.
Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазовом режиме движок развивает. схожую мощность. Независимо от схемы включения электродвигателя рабочая машина просит ту же самую мощность, которая нужна для выполнения технологического процесса.
Полагая мощности на валу мотора равными для обоих режимов, будем иметь:
при трехфазном режиме
при однофазовом режиме
где Ua — фазовое напряжение сети; Uao — напряжение на фазе А в однофазовом режиме, cos φ3 и cos φ1 — коэффициенты мощности при трехфазном и однофазовом режимах соответственно.
Опыты с асинхронным движком демонстрируют, что практически ток растет практически в два раза. С неким припасом можно считать I1a / I2a = 2.
Для того чтоб судить о степени угрозы однофазового режима работы, необходимо также знать загрузку мотора.
В первом приближении будем считать ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональным его нагрузке на валу. Такое допущение справедливо при нагрузках более 50% от номинального значения. Тогда можно написать Iф = Kз х Iн, где Kз — коэффициент загрузки мотора, Iн — номинальный ток мотора.
Ток при однофазовом режиме I1ф = 2Kзх Iн, т. е. ток при однофазовом режиме будет зависеть от загрузки мотора. При номинальной нагрузке он равен двойному номинальному току. При нагрузке наименее 50% утрата фазы при соединении обмоток мотора в «звезду» не делает небезопасного для обмоток превышения тока. Почти всегда коэффициент загрузки мотора меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 — 0,75 следует ждать маленького превышения тока (на 20— 50%) по сопоставлению с номинальным. Это значительно для работы защиты, потому что конкретно в этой области перегрузок она действует недостаточно верно.
Для анализа неких методов защиты следует знать напряжение на фазах мотора. При заторможенном роторе напряжение на фазах А и В будет равно половине линейного напряжения Uab, а напряжение на фазе С будет равно нулю.
По другому распределяется напряжение при вращающемся роторе. Дело в том, что его вращение сопровождается образованием вращающегося магнитного поля, которое, действуя на обмотки статора, наводит в их электродвижущую силу. Величина и фаза этой электродвижущей силы таковы, что при скорости вращения, близкой к синхронной, на обмотках восстанавливается симметричная система трехфазного напряжения, а напряжение нейтрали звезды (точка 0) становится равным нулю. Таким макаром, при изменении скорости вращения ротора от нуля до синхронной в однофазовом режиме работы напряжение на фазах А и В меняется от значения, равного половине линейного, до значения, равного фазовому напряжению сети. К примеру, в системе напряжения 380/220 В напряжение на фазах А и В меняется в границах 190 — 220 В. Напряжение Uco меняется от нуля при заторможенном роторе до фазового напряжения 220 В при синхронной скорости. Что все-таки касается напряжения в точке 0, то оно меняется от значения Uab/2 — до нуля при синхронной скорости.
Если обмотки мотора соединены по схеме «треугольник», то после утраты фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рисунке 3. В данном случае обмотка мотора с сопротивлением Zab оказывается включенной на линейное напряжение Uab, а обмотка с сопротивлениями Zfc и Zbc — соединенной поочередно и включенной на то же самое линейное напряжение.
Набросок 3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме «треугольник» после утраты фазы
В пусковом режиме по обмоткам АВ будет протекать таковой же ток, как и при трехфазном варианте, а по обмоткам АС и ВС будет протекать ток вдвое наименьший, потому что эти обмотки соединены поочередно.
Токи в линейных проводах I’a=I’b будут равны сумме токов в параллельных ветвях: I‘А = I‘ab + I‘bc = 1,5 Iab
Таким макаром, в рассматриваемом случае при потере фазы пусковой ток в одной из фаз будет равен пусковому току при трехфазном питании, а линейный ток растет наименее активно.
Для расчета токов в случае утраты фазы после включения мотора в работу применим тот же способ, что и для схемы «звезда». Будем считать, что как в трехфазном, так и в однофазовом режимах движок развивает схожую мощность.
В этом режиме работы ток в более нагруженной фазе при потере фазы возрастает в два раза по сопоставлению с током при трехфазном питании. Ток в линейном проводе будет равен I’А = 3Iab, а при трехфазном питании Ia = 1,73 Iab.
Тут принципиально отметить, что в то время как фазовый ток растет в 2 раза, линейный ток возрастает исключительно в 1,73 раза. Это значительно, потому что токовая защита реагирует на линейные токи. Расчеты и выводы относительно воздействия коэффициента загрузки на ток однофазового режима при соединении «звезда» остаются в силе и для варианта схемы «треугольник».
Напряжения на фазах АС и ВС будут зависеть от скорости вращения ротора. При заторможенном роторе Uac’ = Ubc‘ = Uab/2
При скорости вращения, равной синхронной, восстанавливается симметричная система напряжений, т. е. Uac’ = Ubc‘ = Uab.
Таким макаром, напряжения на фазах АС и ВС при конфигурациях скорости вращения от нуля до синхронной будут изменяться от значения, равного половине линейного, до значения, равного линейному напряжению.
Токи и напряжения на фазах мотора при однофазовом режиме зависят также и от числа движков.
Нередко обрыв фазы происходит из-за перегорания 1-го из предохранителей на питающем фидере подстанции либо распределительного устройства. В итоге в однофазовом режиме оказывается группа потребителей, взаимно влияющих друг на друга. Рассредотачивание токов и напряжений находится в зависимости от мощности отдельных движков и их нагрузки. Тут вероятны разные варианты. Если мощности электродвигателей равны, а их нагрузка схожа (к примеру, группа вытяжных вентиляторов), то всю группу движков можно поменять одним эквивалентным.
Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и методы их защиты
elektrica.info
Так, например, для работы на холостом ходу уместны узкие фазы газораспределения с поздним открытием и ранним закрытием клапанов без перекрытия фаз (время, когда впускной и выпускной клапаны открыты одновременно). Почему? Потому что так удаётся исключить заброс выхлопных газов во впускной коллектор и выброс части горючей смеси в выхлопную трубу.
При работе на максимальной мощности ситуация сильно меняется. С повышением оборотов время открытия клапанов закономерно сокращается, но для обеспечения высоких крутящего момента и мощности через цилиндры необходимо прогнать куда больший объём газов, нежели на холостом ходу. Как решить столь непростую задачу? Открывать клапаны чуть раньше и увеличивать продолжительность их открытия, иными словами, сделать фазы максимально широкими. При этом для лучшей продувки цилиндров фазу перекрытия обычно делают тем шире, чем выше обороты.
Так что при разработке и доводке двигателей конструкторам приходится увязывать ряд взаимоисключающих требований и идти на сложные компромиссы. Посудите сами. С одними и теми же фиксированными фазами двигатель должен обладать неплохой тягой на низких и средних оборотах, приемлемой мощностью — на высоких. И плюс ко всему устойчиво работать на холостом ходу, быть максимально экономичным и экологичным. Вот так задачка!
А что если научить газораспределительный механизм подстраиваться под различные режимы работы двигателя? Запросто. Благо способов для этого придумана масса. Один из них — применение фазовращателя — специальной муфты, которая способна под действием управляющей электроники и гидравлики поворачивать распределительный вал на определённый угол относительно его первоначального положения. Наиболее часто такая система устанавливается на впуске. С повышением оборотов муфта проворачивает вал по ходу вращения, что ведёт за собой более раннее открытие впускных клапанов и как следствие — лучшее наполнение цилиндров на высоких оборотах. 
Механизм газораспределения 3,2-литровой «шестёрки» FSI от Audi приводится цепями со стороны маховика. У каждого распределительного вала свой фазовращатель.
Изменять момент и продолжительность открытия — это замечательно. А что если попробовать изменять высоту подъёма? Ведь такой подход позволяет избавиться от дроссельной заслонки и переложить процесс управления режимами работы двигателем на газораспределительный механизм (ГРМ).
Поэтому идеальным вариантом было бы открывать впускной клапан только на время, необходимое для достижения нужного наполнения цилиндра горючей смесью. Ответ инженеров — механическая система управления подъёмом впускных клапанов. В таких системах высота подъёма и, соответственно, продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. По разным данным, экономия от применения системы бездроссельного управления может составлять от 8% до 15%, прирост мощности и момента в пределах 5—15 %. Но и это не последний рубеж.
Несмотря на то что количество и размеры клапанов приблизились к максимально возможным, эффективность наполнения и очищения цилиндров можно сделать ещё выше. За счёт чего? За счёт скорости открытия клапанов. Правда, механический привод здесь сдаёт позиции электромагнитному.
В чём ещё плюс электромагнитного привода? В том, что закон (ускорение в каждый момент времени) подъёма клапана можно довести до идеала, а продолжительность открытия клапанов позволяется менять в очень широких пределах. Электроника согласно прописанной программе время от времени ненужные клапаны может не открывать, а цилиндры отключать вовсе. Зачем? В целях экономии, например, на холостом ходу, при движении в установившемся режиме или при торможении двигателем. Да что режимы — прямо во время работы электромагнитный ГРМ способен превратить обычный четырёхтактный мотор в шеститактный. Интересно, скоро ли появятся такие системы на конвейере?
Опытный образец четырёхцилиндрового мотора с электромагнитным приводом клапанов и непосредственным впрыском был создан компанией BMW. Здесь количество воздуха, поступающего в цилиндр, регулируется продолжительностью открытия клапана, ход при этом не регулируется. Якорь подпружиненного клапана помещён между двумя мощными электромагнитами, которые призваны удерживать его только в крайних положениях. Чтобы предотвратить ударные нагрузки, каждый раз при приближении к крайнему положению клапан тормозится. Положение и скорость перемещения клапана фиксируются специальным датчиком.
