Под потерей фазы понимают однофазный режим работы электродвигателя в результате обрыва питания по одному из проводов трехфазной системы. Причиной этому могут служить срабатывание одного из предохранителей, отсутствие контакта в одной фазе, обрыв провода и т.д.

Обрыв фазы может произойти в разных режимах работы электродвигателя, что приведет к разным последствиям, сопутствующим данный режим. Оценивая последние, необходимо также учитывать соединение обмоток электродвигателя (“звезда” или “треугольник”), его рабочее состояние (до или после запуска), степень загрузки в момент потери фазы, число электродвигателей, работающих в аварийном режиме.

Стоит обратить внимание на особенности такого аварийного режима. В трехфазном режиме каждая обмотка обтекается током, сдвинутым во времени на треть периода. При потере фазы получаем однофазный режим работы, так как в одной обмотке ток отсутствует, а две другие обмотки обтекаются одним и тем же током.

Магнитное поле, образованное однофазным током является пульсирующим, в отличие от вращающегося в трехфазной системе. Вектор магнитного потока не вращается, а лишь изменяется по величине и знаку рис.1а.

Рис.1. Характеристики асинхронного электродвигателя в однофазном режиме:
а) графическое изображение пульсирующего магнитного поля;
б) разложение пульсирующего поля на два вращающихся;
в) механические характеристики асинхронного электродвигателя в трехфазном (1) и однофазном (2) режимах работы.

Пульсирующее магнитное поле можно рассматривать как два вращающихся навстречу друг другу равных по величине поля (рис. 1, б). Каждое поле взаимодействует с ротором и образует свой вращающий момент. Их суммарное действие создает вращающий момент на валу электродвигателя.

Варианты пропадания фазы

Обрыв произошел до включения электродвигателя в сеть. Вал электродвигателя при пуске в однофазном режиме не может провернуться даже при отсутствии нагрузки. Это результат того, что на него действуют два магнитных поля, образующих два противоположных по знаку, но равных по величине момента.

Обрыв произошел во время работы электродвигателя. При этом на его валу образуется вращающий момент, что объясняется разным взаимодействием с вращающимися навстречу друг другу полями. В отличие от случая с неподвижным ротором, эти моменты будут разными по величине, а их разность будет равна моменту на валу электродвигателя. Поэтому, если фаза пропала во время работы электродвигателя, когда его скорость была близка к номинальной, вращающий момент часто бывает достаточным для продолжения работы, но наблюдается небольшое снижение скорости и появление характерного гудения. В остальном внешние проявления аварийного режима не наблюдаются.

Данные режимы представлены на рис.1в, где видим, что при нулевой скорости момент равен нулю, а при появлении вращения в любую сторону на валу электродвигателя возникает момент.

Переход электродвигателя в однофазный режим сопровождается перераспределением токов и напряжений между фазами.

Если обмотки электродвигателя были соединены по схеме “звезда”, то после обрыва фазы две последовательно соединенные обмотки оказываются включенными на линейное напряжение U_AB и электродвигатель при этом оказывается в однофазном режиме работы.

Рис.2. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "звезда" после потери фазы

При потере фазы пусковой ток составляет 87% от величины пускового тока при трехфазном питании. Учитывая то, что пусковой ток асинхронного к.з. электродвигателя в 6 - 7 раз больше номинального, получаем:

I_1ф = 0,87 х 6 = 5,00 Iн ;

то есть по обмоткам электродвигателя протекает ток, примерно в пять раз превышающий номинальный. За короткое время обмотка электродвигателя перегреется. Такой режим работы опасен для электродвигателя и в случае его возникновения защита должна сработать с незначительной выдержкой времени.

Токи и напряжения обмоток электродвигателя при потере фазы
после запуска электродвигателя

Как в трехфазном, так и однофазном режимах работы электродвигатель должен развивать одинаковую мощность, необходимую для выполнения технологического процесса. Ток при обрыве фазы возрастает почти вдвое.

На степень опасности однофазного режима работы влияет и загрузка электродвигателя. Приняв, что ток электродвигателя в трехфазном режиме пропорциональный его нагрузке на валу (справедливо при нагрузках более 50% номинального), получаем:

Iф ≈ Кз х Iн ,

где Кз - коэффициент загрузки электродвигателя, Iн - номинальный ток электродвигателя.

Ток при однофазном режиме Iф ≈ 2Кз х Iн. При нагрузке менее 50% потеря фазы при соединении обмоток электродвигателя в "звезду" не создает опасного для обмоток превышения тока. В большинстве случаев коэффициент загрузки электродвигателя меньше единицы. При его значениях порядка 0,6 - 0,75 следует ожидать небольшого превышения тока (на 20 - 50%) по сравнению с номинальным. Для безопасной работы электродвигателей необходимо обеспечить защиту от таких перегрузок.

Если обмотки электродвигателя были соединены по схеме “треугольник”, то после потери фазы мы будем иметь схему соединений, показанную на рис.3. При этом обмотка электродвигателя Z_AB оказывается включенной на линейное напряжение U_AB, а обмотки Z_AC и Z_BC — соединены последовательно и включены на то же линейное напряжение.

Рис.3. Соединение обмоток электродвигателя по схеме "треугольник" после потери фазы

В пусковом режиме по обмотке 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.

Часто обрыв фазы происходит из-за перегорания предохранителей одной из фазы питающей подстанции или распределительного устройства. При этом в однофазном режиме может оказаться группа электродвигателей взаимно влияющих друг на друга. Распределение токов зависит от мощности отдельных электродвигателей и их загрузки. Здесь возможны различные варианты.