Qu'advient-il du moteur en cas de perte de phase et de fonctionnement monophasé

Par perte de phase, on entend le mode de fonctionnement monophasé du moteur électrique suite à la déconnexion de l'alimentation de l'un des conducteurs du système triphasé.

Les raisons de la perte d'une phase d'un moteur électrique peuvent être : la rupture d'un des fils, la combustion d'un des fusibles ; rupture de contact dans l'une des phases.

Selon les circonstances dans lesquelles la perte de phase s'est produite, il peut y avoir différents modes de fonctionnement du moteur électrique et les conséquences qui accompagnent ces modes. Dans ce cas, les facteurs suivants doivent être pris en compte : le schéma de connexion des enroulements du moteur électrique ("étoile" ou "triangle"), l'état de fonctionnement du moteur au moment de la perte de phase (la perte de phase peut se produire avant ou après la mise en marche du moteur, pendant le fonctionnement en charge), le degré de charge du moteur et les caractéristiques mécaniques de la machine de travail, le nombre de moteurs électriques fonctionnant avec perte de phase et leur influence mutuelle.

Ici, vous devez faire attention aux caractéristiques du mode considéré. En mode triphasé, chaque phase de l'enroulement circule avec un courant décalé dans le temps d'un tiers de la période. Lorsqu'une phase est perdue, les deux enroulements circulent à peu près au même courant, il n'y a pas de courant dans la troisième phase. Malgré le fait que les extrémités des enroulements sont connectées à deux conducteurs de phase d'un système triphasé, les courants dans les deux enroulements coïncident dans le temps. Ce mode de fonctionnement est appelé monophasé.

Le champ magnétique généré par un courant monophasé, contrairement au champ tournant généré par un système triphasé de courants, est pulsé. Il change avec le temps, mais ne bouge pas autour de la circonférence du stator. La figure 1a montre le vecteur de flux magnétique créé dans le moteur en mode monophasé. Ce vecteur ne tourne pas, il ne change que de magnitude et de signe. Le champ circulaire est aplati en une ligne droite.

Image 1. Caractéristiques d'un moteur à induction en mode monophasé : a — représentation graphique d'un champ magnétique pulsé ; b — décomposition du champ pulsatoire en deux champs tournants ; c-caractéristiques mécaniques d'un moteur à induction en mode de fonctionnement triphasé (1) et monophasé (2).

Palpitant champ magnétique peut être considéré comme constitué de deux champs d'amplitude égale tournant l'un vers l'autre (Fig. 1, b). Chaque champ interagit avec l'enroulement du rotor et génère un couple. Leur action combinée crée un couple sur l'arbre du moteur.

Dans le cas où une perte de phase se produit avant que le moteur ne soit connecté au réseau, deux champs magnétiques agissent sur un rotor à l'arrêt, qui forment deux moments de signe opposé mais d'amplitude égale. Leur somme sera nulle.Par conséquent, lorsque vous démarrez le moteur en mode monophasé, il ne peut pas s'inverser même s'il n'y a pas de charge sur l'arbre.

Si une perte de phase se produit alors que le rotor du moteur tourne, alors un couple est généré sur son arbre. Ceci peut être expliqué comme suit. Le rotor en rotation interagit de diverses manières avec les champs tournant l'un vers l'autre. L'un d'eux, dont la rotation coïncide avec la rotation du rotor, forme un moment positif (coïncidant en direction), l'autre - négatif. Contrairement au cas du rotor stationnaire, ces moments seront d'amplitude différente. Leur différence sera égale au moment de l'arbre moteur.

La figure 1, c montre les caractéristiques mécaniques du moteur en fonctionnement monophasé et triphasé. A vitesse nulle, le couple est nul ; lorsqu'il tourne dans les deux sens, un couple se produit sur l'arbre du moteur.

Si l'une des phases est déconnectée alors que le moteur tourne, alors que sa vitesse était proche de la valeur nominale, le couple est souvent suffisant pour continuer le fonctionnement avec une légère réduction de vitesse. Contrairement au mode symétrique triphasé, un bourdonnement caractéristique apparaît. Pour le reste, il n'y a pas de manifestations extérieures du mode d'urgence. Une personne qui n'a aucune expérience avec les moteurs asynchrones peut ne pas remarquer un changement dans la nature du fonctionnement d'un moteur électrique.

Le passage d'un moteur électrique à un mode monophasé s'accompagne d'une redistribution des courants et des tensions entre les phases. Si les enroulements du moteur sont connectés selon le schéma "étoile", après la perte de phase, un circuit est formé, illustré à la figure 2. Deux enroulements de moteur connectés en série sont connectés à la tension de ligne Uab, puis le moteur est en mono- fonctionnement par phases.

Faisons un petit calcul, déterminons les courants circulant dans les enroulements du moteur et comparons-les aux courants avec une alimentation triphasée.

Figure 2. Connexion en étoile des enroulements du moteur après perte de phase

Les résistances Za et Zb étant connectées en série, les tensions des phases A et B seront égales à la moitié de la tension linéaire :

La valeur approximative du courant peut être déterminée sur la base des considérations suivantes.

Courant d'appel de la phase A à la perte de phase

Courant de démarrage de la phase A en mode triphasé

où Uao — tension de phase du réseau.

Rapport de courant d'appel :

Du rapport, il s'ensuit qu'en cas de perte de phase, le courant de démarrage est de 86% du courant de démarrage en alimentation triphasée. Si l'on tient compte du fait que le courant de démarrage du moteur à induction à cage d'écureuil est 6 à 7 fois supérieur au courant nominal, il s'avère qu'un courant traverse les enroulements du moteur Iif = 0,86 x 6 = 5,16 Azn, c'est-à-dire plus de cinq fois la valeur nominale. Dans un court laps de temps, un tel courant surchauffera la bobine.

D'après le calcul ci-dessus, on peut voir que le mode de fonctionnement considéré est très dangereux pour le moteur, et s'il se produit, la protection doit être désactivée en peu de temps.

La perte de phase peut également se produire après la mise sous tension du moteur, lorsque son rotor aura une vitesse de rotation correspondant au mode de fonctionnement. Considérez les courants et les tensions des enroulements dans le cas d'un passage en mode monophasé avec un rotor en rotation.

La valeur de Za dépend de la vitesse de rotation. Au démarrage, lorsque la vitesse du rotor est nulle, il en est de même pour les modes triphasé et monophasé. En mode de fonctionnement, selon la charge et les caractéristiques mécaniques du moteur, la vitesse de rotation peut être différente.Par conséquent, une approche différente est nécessaire pour analyser les charges de courant.

Nous supposerons que le moteur fonctionne à la fois en mode triphasé et monophasé. même puissance. Quel que soit le schéma de connexion du moteur électrique, la machine de travail nécessite la même puissance que celle nécessaire pour mener à bien le processus technologique.

En supposant que la puissance de l'arbre moteur est la même pour les deux modes, nous aurons :

en mode triphasé

en mode monophasé

où Uа — tension de phase du réseau ; Uаo — tension de la phase A en mode monophasé, cos φ3 et cos φ1-coefficients de puissance pour les modes triphasé et monophasé, respectivement.

Des expériences avec un moteur à induction montrent qu'en fait le courant double presque. Avec une certaine marge, il est possible de considérer I1a / I2a = 2.

Pour évaluer le degré de dangerosité d'un fonctionnement monophasé, vous devez également connaître la charge du moteur.

En première approximation, on considérera le courant du moteur électrique en mode triphasé proportionnel à sa charge sur l'arbre. Cette hypothèse est valable pour des charges supérieures à 50 % de la valeur nominale. Ensuite, vous pouvez écrire Azf = Ks NS Azn, où Ks — facteur de charge du moteur, Azn — courant nominal du moteur.

Courant monophasé I1f = 2KsNS Azn, c'est-à-dire que le courant en mode monophasé dépendra de la charge du moteur. A charge nominale, il est égal au double du courant nominal. A une charge inférieure à 50%, la perte de phase lors du raccordement des bobinages du moteur à une «étoile» ne crée pas de surintensité dangereuse pour les bobinages. Dans la plupart des cas, le facteur de charge du moteur est inférieur à un. Avec ses valeurs de l'ordre de 0,6 — 0,75, il faut s'attendre à un léger excès de courant (de 20 — 50 %) par rapport au nominal.C'est essentiel pour le fonctionnement de la protection, puisque c'est justement dans ce domaine de surcharge qu'elle n'agit pas assez clairement.

Pour analyser certaines protections, il est nécessaire de connaître la tension des phases du moteur. Lorsque le rotor est verrouillé, la tension des phases A et B sera égale à la moitié de la tension du réseau Uab, et la tension de la phase C sera nulle.

Sinon, la tension est distribuée lorsque le rotor tourne. Le fait est que sa rotation s'accompagne de la formation d'un champ magnétique tournant qui, agissant sur les enroulements du stator, y provoque une force électromotrice. L'amplitude et la phase de cette force électromotrice sont telles qu'à une vitesse de rotation proche du synchronisme, un système de tension triphasée symétrique est rétabli sur les bobinages et la tension du neutre étoile (point 0) devient nulle. Ainsi, lorsque la vitesse du rotor passe de zéro à synchrone en mode de fonctionnement monophasé, la tension des phases A et B passe d'une valeur égale à la moitié de la ligne à une valeur égale à la tension de phase du réseau. Par exemple, dans un système avec une tension de 380/220 V, la tension des phases A et B varie entre 190 et 220 V. La tension Uco passe de zéro avec un rotor bloqué à une tension de phase de 220 V avec une vitesse synchrone. Quant à la tension au point 0, elle passe de la valeur Uab / 2 — à zéro à vitesse synchrone.

Si les enroulements du moteur sont connectés en triangle, après une perte de phase, nous aurons le schéma de connexion illustré à la figure 3. Dans ce cas, l'enroulement du moteur avec la résistance Zab s'avère être connecté à la tension de ligne Uab, et l'enroulement avec des résistances Zfc et Zpr.— connectés en série et connectés à la même tension de ligne.

Figure 3. Connexion en triangle des enroulements du moteur après perte de phase

En mode de démarrage, le même courant circulera dans les enroulements AB que dans la version triphasée, et la moitié du courant circulera dans les enroulements AC et BC, car ces enroulements sont connectés en série.

Les courants dans les conducteurs linéaires I'a =I'b seront égaux à la somme des courants dans les branches parallèles : I'A = I'ab + I'bc = 1,5 Iab

Ainsi, dans le cas considéré, avec une perte de phase, le courant de démarrage dans l'une des phases sera égal au courant de démarrage avec une alimentation triphasée, et le courant de ligne augmente moins intensément.

Pour calculer les courants en cas de perte de phase après le démarrage du moteur, on utilise la même méthode que pour le circuit "étoile". Nous supposerons que le moteur développe la même puissance en mode triphasé et monophasé.

Dans ce mode de fonctionnement, le courant dans la phase la plus chargée avec une perte de phase est doublé par rapport au courant avec une alimentation triphasée. Le courant dans le conducteur de ligne sera Ia 'A = 3Iab, et avec une alimentation triphasée Ia = 1,73 Iab.

Il est important de noter ici que si le courant de phase augmente d'un facteur 2, le courant de ligne n'augmente que d'un facteur 1,73. Ceci est essentiel car la protection contre les surintensités réagit aux courants de ligne. Les calculs et conclusions concernant l'influence du facteur de charge sur le courant monophasé avec un montage « étoile » restent valables pour le cas d'un circuit « triangle ».

Les tensions de phase AC et BC dépendront de la vitesse du rotor. Lorsque le rotor est bloqué Uac '= Ub° C' = Uab / 2

A une vitesse de rotation égale à la synchrone, le système symétrique des tensions est rétabli, c'est-à-dire ac' = Ub° C' = Uab.

Ainsi, les tensions des phases AC et BC, lorsque la vitesse de rotation passe de zéro à synchrone, passeront d'une valeur égale à la moitié de la tension de ligne à une valeur égale à la tension de ligne.

Les courants et les tensions des phases du moteur en fonctionnement monophasé dépendent également du nombre de moteurs.

Une perte de phase se produit souvent lorsque l'un des fusibles de l'alimentation secteur de la sous-station ou de l'appareillage a sauté. En conséquence, un groupe d'utilisateurs est en mode monophasé et interagit les uns avec les autres. La répartition des courants et des tensions dépend de la puissance des moteurs individuels et de leur charge. Différentes options sont possibles ici. Si la puissance des moteurs électriques est égale et leur charge est la même (par exemple, un groupe de ventilateurs d'extraction), alors l'ensemble du groupe de moteurs peut être remplacé par un équivalent.

Modes d'urgence des moteurs électriques asynchrones et méthodes de leur protection