تحقیق مقاله بررسی قطع شدگی فاز در موتورها و نحوه حفاظت آن ها

مقدمه :

در صورت قطعی فاز در مدار تغذیه موتورها ی سه فاز یا در اتصالات سیم پیچی استاتور موجب نامتعادلی جریان خط و ایجاد مولفه  منفی جیان در سیم پیچی موتور می گردد که بدترین نوع این حالت از نظر نامتعادلی نامتعادل شدن ولتاژ تغذیه موتور می باشد که منجر به ایجاد مولفه منفی جریان و در نتیجه بالا رفتن جریان در سیم پیچی موتور و تولیدات حرارت در سطح روتور می گردد که در صورت ازدیاد این جریان از میزان مجاز آن منجر به صدمه دیدن روتور می گردد لذا در موتورهای با قدرت زیاد که از نظر اقتصادی نیز حائز اهمیت می باشد می بایست حتی المقدرو در هنگام وقوع قطعی فاز در موتور آنرا از مدار خارج  تا  از صدمات احتمالی بعدی که ناشی از افزایش حرارت در اثر عبور جریان نامتعادل می باشد جلوگیری  نمود لذا  این فصل در ابتدا سعی نموده است قطعی  فاز در موتورها را هم از نظر قطعی فاز در  منبع تغذیه و هم در سیم پیچی (فاز) موتورها مورد بررسی قرار دهد و سپس با ارائه نحوه حفاظتهای مختلف مناسبترین رله جهت تشخیص (Phase fauure  ) قطعی فاز را با توجه به شرایط فنی واقتصادی معرفی نماید .

هنگامیکه قطعی فازی در موتورهای اندوکسیونی یا سنکرون در منعب تغذیه با سیم پیچی موتور اتفاق می یافتد یک جریان شامل مولفه منفی در ماشین جاری خواهد شد که این جریان مولفه منفی در داخل ماشین میدانی ایجاد خواهد نمود که در جهت عکس چرخش ماشین عمل نموه و یک جریان زیاد فوکو در سطح روتور بوجود می آورد این جریان مولفه منفی موجب دوبرابر شدن فرکاس جریان روتور می گردد و در اثر جاری شدن جریان در سطح روتور و لبه های غیر مغناطیسی آن بعلت افت RI2 به سرعت باعث افزایش حرارت در ماشین می شود و اگر درجه حرارت از میزان حد مجاز ماشین فراتر رود و یا بیش از حد مجاز جریان مولفه منفی جاری شود هسته آهن روترو ذوب خواهد شد و به ساختمان آن خسارت وارد می شود ساده ترین قطعی فاز در موتور ها قطع یکی از فیوزهای موتور در اثر جریان ضربه ای ناشی از راه اندازی ممکن است باشد که موجب نامتعادلی ولتاژ خواهد شد و در این نامتعادلی ولتاژ هیچگونه ارتباطی بین مولفه مثبت جریان و مولفه منفی جریان نمی توان بین نمود و در اصل بستگی به میزان نامتعادل بودن ولتاژ همچنین نسبت مولفه های منفی به مولفه های مثبت ولتاژ در  ماشین دارد این نسبت می تواند از مدار معادل موتورهای اندوکسیونی بدست آید که در شکل زیر مدار متعادل مولفه مثبت و منفی در یک موتور اندوکسیونی سه فاز را هنگامیکه موتور دو فاز شده است را نشان می دهد .

لازم به یادآویست که میزان مولفه  منفی جریان بستگی به میزان نامتعادلی ولتاژ با نسبت مولفه منفی امپدانس به مولفه مثبت امپدانس دارد که جهت میزان مولفه مثبت امپدانس ماشینها در لغزشهای مختلف و درحالت ایستاده و همچنین مولفه منفی امپدانس در لغزشهای مختلف و حتی درحالت سرعت نامی هنگامیکه لغزش کم باشد می توان از فرمولهای ذیل تعیین نمود :

مولفه مثبت امپدانس در لغزشهای مختلف :

مولفه مثبت امپدانس در حالت

توقف (S= 1)

مولفه  منفی امپدانس در لغزشهای مختلف :

مولفه  منفی امپدانس در سرعت نامی هنگامیکه لغزش کوچک می باشد .

از آنجائیکه در موتورهای اندوکسیونی میزان مقاومت تقریبا در مقابل راکتاس کوچک می باشد . منفی امپدانس در سرعت نامی تقریبا برابر مولفه مثبت امپدانس در حالت ایستاده می باشد Z 20 = Z10  و نسبت مولفه مثبت به مولفه منفی امپدانس ماشین در حالت سرعت  نامی می تواند تقریبا برابر جریان راه اندازی به جریان نامی باشد :

به عنوان مثال در ماشینهایی که جریان راه اندازی آنها تقریبا 6 برابر جریان نامی روتور می باشد در 5% مولفه منفی ولتاژ تغذیه تقریبا به اندازه (6) به میزان 30% مولفه منفی جریان خواهیم داشت بنابراین جریان منفی در روتور ایجاد می کند که فرکانس موثر آن تقریبا دو برابر فرکانس نامی خواهد شد (100H Z )

از آنجاییکه نسبت مقاومت AC روتور در فرکانس    به مولفه dc آن تحت گردش نامی معمولا بین 3 تا 6 برابر خواهد بود بنابراین مولفه منفی جریان بیشتری از مولفه مثبت ایجاد می نماید این نابرابری حرارت در طراحی رله ها می بایست به حساب آید که در آن جهت حفاظت مطمئنی را در مقابل نامتعادی داشته باشیم که از فرمول زیر بدست می آید:

I1  : مولفه مثبت جریان تغذیه

I2 : مولفه منفی جریان تغذیه

Ieq : جریان عملکرد

ضریب 6 در فرمول فوق برای جریان I2 به علت انتخاب ستینک مناسب برای رله می باشد که  برای تماس موتور های می توان در نظر گرفت .

قطعی فاز در موتور های اندوکسیونی :

مولفه منفی امپدان در موتورهای اندوکسیونی متاثر از میزان مولفه مثبت جریان در هنگام قطیع فاز می باشند بنابراین در هنگام وقوع خطا مولفه مثبت جریان کاهش یافته و در نتیجه موجب پایین آمدن گشتاور قدرت خروجی خواهد شد و همچنین لغزش افزایش ناچیزی می باید در نتیجه ضریب  کاهش و مولفه مثبت جریان افزایش می یابد و این تا جایی ادامه دارد که موتور بتوان گشتاور مورد نیاز بار را تامین نماید در چنین حالتی ممکن است لغزش 50% تغییر نموده و در حالیکه سرعت 0.5 %  تغییر یافته باشد برای تمام لغزشهای محدود بین 0 تا 1 مولفه منفی امپدانس بر اساس فاکتور  تغییرات ناچیزی می یابد یک روش قابل تخمین منظور نمودن قطعی فاز در هنگام وقوع خطا و قبل از وقوع خطا می باشد که در آنصورت ماکزیمم خطا ی جریان حدودا 10% بار کامل می باشد جهت بررسی دقیقتر لازمست قطعی فاز در تغذیه ورودی موتوری با اتصال مثلث را مورد بررسی قرار دهیم هنگام وقوع قطعی فاز در فاز c منبع تغذیه درصد افزایش جریان سیم پیچی سالم A افزایش و میزان آن بیشتر از افزایش جریان در خط می باشد و در نتیجه رله ازدیاد جریان O/C  مطابق دیاگرام ذیل قادر به تشیص تکفازه شدن موتور نمی باشد لذا حفاظت مطمئنی را ارائه نخواهد داد وضعیت جریان خط و فاز برای اتصال موتورهای بصورت مثلث و هنگامیکه قطعی فاز در منبع تغذیه یا در سیم پیجی  فاز رخ دهد بصورت ذیل می باشد .

چنانچه ملاحظه می شود جریان در فازها نامتعادل شده و یا نامتعادل شدن جریان در خطوط سه فاز زاویه فازها بعلت این قطعی به اندازه 60 درجه جابجا می شوند و موجب افزایش جریان  فازهای سالم به میزان 50% می گردد در این حالت رله جریان زاید تکفازه می تواند جریان در دو خط سیم پیچی استاتور را حفاظت نماید و همچنین رله جریان زیاد در خط سوم حفاظت کمکی را بعهده داشته باشد .

لازم به یادآوریست مولفه منفی جریان نمی تواند سهمی در گشتاور داشته باشد و در حقیقت یک گشتاور منفی را بوجود خوهد آورد میزان این گشتاور مولفه منفی جریان حدوداد کمتر از 0.5 گشتاور با ر می باشد هنگامیکه یک ولتاژ نامعادلی در حدود 10% وجود داشته باشد ) اثرات مولفه منفی بیشتر در افزایش تلفات موتور نقش دارد (تلفات مس ) بنابراین منجر به کاهش قدرت خروجی موتور می گردد که از ایجاد این حرارت در سیم پیچی بعلت مسائل اشاره شده در فوق دقیقا می بایست خود داری نمود .

بررسی حالت تکفازه شدن موتورها در وضعیت های مختلف

هنگامیکه موتورهای سه فاز تکفازه یم شوند مسائل الکتریکی و مکانیکی مختلفی بروز خواهند نمود که در سه حالت بارکامل بدون بار حالت و راه اندازی به شرح ذیل می باشد :

حالت بار کامل :

جریان در یکی از فازها مشخصا به صفر می رسد

سرعت افزایش ناچیزی می یابد .

ضریب قدرت کاهش می یابد

مولفه مثبت امپدانس کاهش قابل ملاحظه ای می یابد

مولفه منفی امپدانس در سرعت نامی ثابت می ماند

جریانی با فرکانس دوبل (100 HZ ) در روتور ظاهر می گردد

مقاومت مولفه منفی افزایش و اثرات پوستی ظاهر می گردد .

جریان فازها بیشتر از جریان فازها در حالیکه موتور تکفازه شده است خواهد شد

مولفه منفی ولتاژ در موتور ایجاد می گرد د

جریان مولفه منفی از صفر تا جریان نامی یا حتی بیشتر افزایش می یابد

گشتاور FULL OUT  ایجاد شده وکمتر از گشتاور FULL OUT   هنگام بار کامل می باشد .

تلفات  روتور در حدود 5 الی 6 برابر حالت نرمال خود می گردد

تلفاس مس استاتور بیش از 3 برابر از موتور و فازه ای می باشد که بصورت ستاره بسته شده است.

2- حالت بار ناچیز

- قطعی فاز در موتورهایسه فاز با بار ناچیز تقریبا مطابق با حالت بار کامل اشاره شده در فوق می باشد .

3- در حالت استارت

- جریان راه اندازی 86% جریان راه اندازی حالت نرمال در فازهای سالم خواهد بود .

- مولفه منفی امپدانس برابر مولفه مثبت امپدانس موتور می باشد .

-گشتاور مولفه مثبت براب گشتاور مولفه منفی می باشد .

- مجموع تلفات مس 50 تا 70% تلفات هنگام راه اندازی می باشد .

- مولفه منفی جریان 50% جریان راه اندازی در حالت نرمال خواهد بود .

- مولفه منفی ولتاژ برابر مولفه مثبت ولتاژ می گردد .

مقایسه قطع شدن فاز در موتورهای بار تورسیم پیچی شده و قفسه ای

جهت حفاظت موتورها با روتورسیم پیچی شده در برابر قطعی فاز می بایست توجه بیشتری به آنها نسبت به موتورهای روتورقفه ای مبذول داشت زیرا که نسبت  جریان راه اندازی به جریان بار کامل ارتباطی با مولفه صنفی امپدانس نداشته و میزان مولفه مثبت جریان تخمین زده شده در هنگام وقوع قطع شدگی فاز معمولا ثابت می باشد و تنها عاملی که در این مقایسه حائز اهمیت می باشد این است که تمرکز حرارت در موتورهای باروتور سیم پیچی شده در مقایسه با روتور قفه ای به میزانی می باشد که موجب وقوع شکست عایقی در روتور و صدمه دیدن آن خواهد شد و این زمان در موتورهای اندوکسیونی نصف زمان موتور مشابه خود باروتور قفسه ای می باشد لذا این زمان در اینگونه موتورها از اهمیت خاصی در هنگام حفاظت برخوردار می باشد.

روشهای مختلف حفاظت :

جهت حفاظت موتورهای اندوکسیونی و سنکرون در مقابل قطعی فاز شرح ذیل می باشد:

رله تعادل فاز ها Phase blanc relay  

رله تعادل فازها جهت تشخیص قطعی فاز در یک موتور یا گروهی از موتورها بکار می رود و این رله هنگامی عمل می نماید که نامتعادلی جریان خط بیشتر از جریانی که موتور تحت گردش نامی یا نامتعادلی در ولتاژ تغذیه خود می تواند کار نماید بدون آنکه آسیبی به آن برسد معایب این رله به شرح ذیل می باشد :

این رله بر اسا س اختلاف جریان در خط عمل نموده ومیزان اختلاف جریان در فازهای موتور را نمی بیند .

رله فوق بدون توجه به در نظر گرفتن جریان مولفه منفی که عامل اصلی حرارت در سطح روتور موتوری که تحت این نامتعادلی کار می کند عمل نمود .

بازاء کوچکترین نامتعادلی در جریان خط یا بعلت قطع شدگی فاز عمل می نماید .

رله مولفه منفی جریان زیاد لحظه ای instantaonus neqative sequencc over current  این رله با فیلتر نمودن مولفه های منفی جریان و در صورت افزایش این مولفه  از مقدار تنظیم شده عمل می نماید این رله محدودیت در مقابل حفاظت موتورها در برابر قطع شدگی فاز دار دو بیشتر برای حفاظت ژنراتورها در مقابل اتصالهایی که منجر به متعادل شدن جریان و یا بههر علتی که منجر به جاری شدن مولفه منفی جریان که بیشتر از جریان نمی باشد بکار برده می شود .

رله جریان زیاد ovcr current relay with the delay  

این رله برای حفاظت موتورهای در مقابل ازدیاد جریان ناشی از بار زیاد و یا در صورت وقوع اتصالهای مختلف در موتورها بکار برده ی می شود و بر طبق استاندارد NEC می بایست  این رله اضافه بار را برای هر فاز موتور یا حداقل برای دو فاز از موتور بکار برده شود زیرا در صورت قطع شدن یکی از فازهای منبع تغذیه موتوری که متصل به ترانس قدرت یا اتصال مثلث – ستاره پدید آید جریان سه فاز موتور بصورت 1: 1: 2 خواهد بود که در یکی از فازها ممکن است جریان دو برابر شود و در آنصورت موتور بدون حفاظت خواهد ماند لذا بکار بردن حداقل دو رله اضافه بار برای موتورهای پرقدرت ضروری می باشد .

همانطور که در صفحات قبل مطرح گردید در صورتیکه یکی از فازهای منبع تغذیه موتوری یا اتصال مثلث قطع گردد و درصد افزایش جریان در سیم پیچی مربوط به دو سیم پیچ سالم بیشتر از افزایش جریان در خط می باشد و در نتیجه رله جریان زیاد o/c برای تکفازه شدن نمی تواند حفاظت کاملا مطمئنی را برای موتورهای پرقدرت انجام دهد .

رله حرارتی thermal relay  

موتورهای سه فاز در اثر بار زیاد از حد موتور و یا ناشی از نامتعادلی ولتاژ جریان زیادی از شبکه کشیده می شود که جهت حفاظت آن می توان از سه نوع رله حرارتی که بشرح ذیل می باشد استفاده نمودار اولین نوع آن پل و ستون که از مقاومتهای حرارتی RTD  که در شیارهای استاتور تعبیه می کردند می باشد و هنگامیکه میزان حرارت تشخیص داده شده توسط RTD  بالا رو مقاومت آن افزایش و موجب نامتعادلی در پل میگردد و گشتاور ایجاد شده نیز موجب عملکرد رله خواهد بود همانطور که در شکل ذیل مشاهده می شود این پل از طریق ترانسفورماتور AC  تغذیه می شود .

نوع دیگر رله حرارتی از نوع CP  می باشد که بر خلاف نوع اول از دومقاومت RTD  تشکیل شده است و جریان عبوریاز یک فاز ماشین انرژی لازم پل را تامین می نماید رله مزبور هنگامیکه درجه حرارت سیم پیچ استاتور به اندازه ای بالا بود که جریان ناشی از مقاومتهای حرارتی بیشتر از میزان جریان عبور نموده از طریق ترانس جریان باشد رله مربوط عمل نموده و کنتاکتهای آن بسته خواهد شد