Wykrywanie zaniku fazy w silnikach trójfazowych — dlaczego sam przekaźnik przeciążeniowy termiczny bywa za wolny

Poradnik o przekaźnikach przeciążeniowych silnika i klasie wyzwalania opisuje, jak termiczny przekaźnik przeciążeniowy chroni silnik przed długotrwałym nadmiernym prądem. Ten artykuł opisuje szczególny scenariusz awarii, w którym ta ochrona termiczna nie zawsze reaguje wystarczająco szybko: zanik jednej fazy zasilania już pracującego silnika trójfazowego.

Zjawisko: praca na dwóch fazach

Jeśli w pracującym silniku trójfazowym zaniknie jedna z trzech faz zasilania — na przykład z powodu poluzowanego zacisku przyłączeniowego, przepalonego bezpiecznika lub przerwanego przewodu — silnik, dzięki własnej bezwładności mechanicznej i pozostałemu polu wirującemu z dwóch pozostałych faz, często po prostu pracuje dalej. Silnik działa wtedy faktycznie jako mocno niezrównoważona maszyna: prąd w pozostałych uzwojeniach wyraźnie wzrasta w porównaniu z normalnym, zrównoważonym prądem roboczym. W silniku połączonym w trójkąt prąd w uzwojeniu nadal zasilanym poprzez obie pozostałe fazy może wzrosnąć do rzędu dwukrotności normalnego prądu fazowego, z odpowiednio zwiększonym prądem liniowym w pozostałych przewodach zasilających.

Dlaczego jest to niebezpieczne dla silnika

Ten zwiększony, niezrównoważony prąd powoduje nierównomierne, miejscowo zwiększone nagrzewanie uzwojeń silnika — z realnym ryzykiem uszkodzenia izolacji (zwarcie międzyzwojowe), jeśli sytuacja utrzymuje się zbyt długo. Ponieważ silnik często nadal wydaje się funkcjonować mechanicznie (czasem ze słyszalnym buczeniem i zmniejszonym momentem, ale niekoniecznie z wyraźnie widoczną usterką), zanik fazy bez osobnej detekcji może pozostać niezauważony przez dłuższy czas.

Dlaczego termiczny przekaźnik przeciążeniowy nie zawsze jest tu wystarczająco szybki

Termiczny przekaźnik przeciążeniowy (zob. poradnik o klasie wyzwalania) chroni przed nadmiernym prądem, symulując nagrzewanie elementu bimetalicznego (lub jego elektronicznego odpowiednika), i wyzwala dopiero gdy ta symulowana temperatura przekroczy ustawioną granicę. Działa to dobrze przy stopniowym, symetrycznym przeciążeniu, ale przy zaniku fazy reaguje dopiero po czasie potrzebnym do zgromadzenia wystarczającej energii cieplnej — okresie, w którym nierównomierne, skoncentrowane nagrzewanie najbardziej obciążonego uzwojenia może już spowodować uszkodzenie, zanim średnia, symulowana temperatura przekaźnika osiągnie próg wyzwolenia.

Przekaźniki zaniku fazy i kontroli napięcia: bezpośrednia detekcja asymetrii

Osobny przekaźnik zaniku fazy lub kontroli napięcia, wykonany zwykle zgodnie z IEC 60947-5-1 (urządzenia obwodów sterowniczych) — nie należy go mylić z IEC 60947-4-1, która reguluje czułość na zanik fazy termicznego przekaźnika przeciążeniowego zintegrowanego w rozruszniku silnika — w sposób ciągły monitoruje trzy fazy zasilania (napięcie i/lub prąd) pod kątem wzajemnej asymetrii oraz całkowitego zaniku fazy, i wyłącza silnik bezpośrednio, gdy przekroczony zostanie ustawiony próg asymetrii lub zaniku fazy — często w ułamku czasu, jaki potrzebowałby termiczny przekaźnik przeciążeniowy do wykrycia tej samej usterki. Wiele z tych przekaźników jednocześnie monitoruje także odwrócenie kolejności faz (zob. poradnik o rozpoznawaniu pola wirującego) oraz pod-/przenapięcie, jako dodatkowe funkcje ochronne w tym samym urządzeniu.

Praktyczne znaczenie

W przypadku silników krytycznych dla procesu (np. w przemyśle lub ogrodnictwie, zob. też poradnik o metodach rozruchu silnika) lub w instalacjach, gdzie poluzowany zacisk lub przepalony bezpiecznik fazowy nie jest w praktyce od razu widoczny, osobny przekaźnik zaniku fazy stanowi cenne uzupełnienie standardowej termicznej ochrony przeciążeniowej — nie jako jej zamiennik, lecz jako szybsza detekcja ukierunkowana specjalnie na ten scenariusz awarii.

Częste błędy

1. Poleganie wyłącznie na termicznym przekaźniku przeciążeniowym jako ochronie przed zanikiem fazy, mimo że ten przekaźnik reaguje dopiero po znacznym nagromadzeniu ciepła.
2. Niebezpośrednie rozpoznanie silnika pracującego na dwóch fazach — brak wyraźnie widocznej usterki (silnik nadal się obraca) może sprawiać wrażenie, że nic się nie dzieje, podczas gdy uzwojenia tymczasem nierównomiernie się przegrzewają.
3. Ustawienie przekaźnika zaniku fazy tylko na monitorowanie napięcia w sytuacji lepiej wykrywanej poprzez asymetrię prądu (lub odwrotnie), bez uwzględnienia konkretnego trybu awarii instalacji — właściwa monitorowana wielkość zależy od miejsca w łańcuchu zasilania, w którym faza może zaniknąć.
4. Nieuwzględnianie konfiguracji uzwojeń (gwiazda czy trójkąt) przy ocenie ryzyka — w silniku połączonym w trójkąt asymetria prądu w najbardziej obciążonym uzwojeniu przy zaniku fazy może być znacznie większa, niż sugerowałby sam wzrost średniego prądu liniowego.

Powiązane

• Przekaźniki przeciążeniowe silnika — klasa wyzwalania 10A/10/20/30
• Porównanie metod rozruchu silnika
• Perilex/CEEform i rozpoznawanie pola wirującego
• Bezpieczna wymiana silnika 3-fazowego