Токові перевантаження та їх вплив на роботу та термін служби електродвигунів, Онлайн журнал електрика
Статті з електроремонту та електромонтажу
Токові перевантаження та їх вплив на роботу та термін служби електродвигунів
Аналіз ушкоджень асинхронних двигунів показує, що основною причиною їх виходу з ладу є руйнація ізоляції через перегрівання.
Температура нагрівання обмоток електродвигуна залежить від теплотехнічних характеристик двигуна і параметрів середовища. Частина тепла, що виділяється в двигуні, йде на нагрівання обмоток, а решта віддається в навколишнє середовище. На процес нагрівання впливають такі фізичні характеристики, як теплоємність і тепловтрата.
Залежно від термічного стану електродвигуна та навколишнього повітря ступінь їх впливу може бути різним. Якщо різниця температур мотора і середовища невелика, а енергія, що виділяється значна, то її основна частина поглинається обмоткою, сталлю статора і ротора, корпусом мотора та іншими його частинами. Відбувається насичене зростання температури ізоляції. У міру нагрівання більше проявляється вплив тепловтрати. Процес встановлюється після досягнення рівноваги між виділеним теплом і теплом, що віддаються в довкілля.
Збільшення струму понад допустиме значення не відразу призводить до аварійного стану. Потрібно деякий час, перш ніж статор і ротор нагріються до граничної температури. Тому немає необхідності у тому, щоб захист реагувала кожне перевищення струму. Вона повинна відключати машину тільки в тих випадках, коли виникає небезпека швидкого зносу ізоляції.
З точки зору нагрівання ізоляції велике значення мають величина і тривалість перебігу струмів, що перевищують номінальне значення. Ці показники залежать в першу чергу від характеру технологічного.процесу.
Перевантаження електродвигуна технологічного походження
Перевантаження електродвигуна, викликані повторюваним підвищенням моменту на валу робочої машини. У таких верстатах та установках потужність електродвигуна завжди змінюється. Важко побачити скільки-небудь довгий проміжок часу, протягом якого струм залишався б постійним за величиною. На валу двигуна часом виникають короткострокові великі моменти опору, що створюють кидки струму.
Такі навантаження зазвичай не викликають перегріву обмоток електродвигуна, що мають порівняно величезну термічну інерцію. Але за досить великої тривалості і багаторазової повторності створюється страшне нагрівання. Захист повинен розрізняти ці режими. Вона має реагувати на короткострокові поштовхи навантаження.
В інших машинах можуть виникати порівняно невеликі, але тривалі навантаження. Обмотки електродвигуна рівномірно гріються до температури, близької максимально допустимого значення. Зазвичай електродвигун має певний запас по нагріванню, і малі перевищення струму, незважаючи на тривалість дії, не можуть створити небезпечної ситуації. У разі відключення не обов'язково. Таким чином, і тут захист електродвигуна повинна «розрізняти» страшне навантаження від безпечного.
Аварійне перевантаження електродвигуна
Крім перевантажень технологічного походження, можуть бути аварійні навантаження, що виникають з інших причин (катастрофа в живильній лінії, заклинювання робочих органів, зниження напруги та ін). Вони роблять типові режими роботи асинхронного мотора і висувають свої вимоги до засобів захисту. Розглянемо поведінку асинхронного двигуна у відповідних аварійних режимах.
Перевантаження при триваломурежим роботи з незмінним навантаженням
Зазвичай електродвигуни вибирають із деяким запасом за потужністю. Крім того, більшу частину часу машини працюють з недовантаженням. У результаті струм двигуна часто значно нижче номінального значення. Перевантаження виникають, як правило, при порушеннях технології, поломках, заїданні та заклинюванні в робочій машині.
Такі машини, як вентилятори, відцентрові насоси, стрічкові і шнекові транспортери, мають розмірене постійне або слабке навантаження. Короткострокові зміни подачі матеріалу мало впливають на нагрівання электродвигателя. Їх можна не брати до уваги. Інша річ, якщо порушення нормальних умов роботи залишаються на довгий час.
Більшість електроприводів має певний запас потужності. Механічні навантаження спочатку викликають поломки деталей машини. Однак, зважаючи на випадковий характер їх появи, не можна бути впевненим, що за певних обставин виявиться перевантаженим і електродвигун. Наприклад, це може статися з двигунами шнекових транспортерів. Зміна фізико-механічних параметрів матеріалу, що транспортується (вологість, крупність частинок і т. д.) негайно відбивається на потужності, необхідної на його переміщення. Захист повинен відключати електродвигун при появі перевантажень, що викликають страшний перегрів обмоток.
З точки зору впливу тривалих перевищень струму на ізоляцію слід розрізняти два види навантажень за величиною: порівняно дрібні (до 50%) і великі (понад 50%).
Дія перших проявляється не відразу, а поступово, тоді як наслідки других виникають через короткий час. Якщо перевищення температури над допустимим значенням невелике, старіння ізоляції відбуваєтьсяповільно. Невеликі зміни у структурі ізолюючого матеріалу накопичуються поступово. У міру підвищення температури процес старіння значно прискорюється.
Вважають, що перегрів понад допустимий на кожні 8 - 10 ° С зменшує термін служби ізоляції обмоток електродвигуна вдвічі. Таким чином, перегрів на 40 ° С зменшує термін служби ізоляції в 32 рази! Хоч це і багато, але воно знаходиться після багатьох місяців експлуатації.
При великих перевантаженнях (понад 50%) ізоляція швидко руйнується під впливом високої температури.
Для аналізу процесу нагрівання скористаємося полегшеною моделлю двигуна. Збільшення струму викликає підвищення змінних втрат. Обмотка починає грітися. Температура ізоляції змінюється відповідно до графіком малюнку. Величина перевищення температури, що встановилося, залежить від величини струму.
Через деякий час після появи навантаження температура обмоток досягає допустимого для даного класу ізоляції значення. При величезних навантаженнях воно буде коротшим, при малих — довшим. Таким чином, кожному значенню навантаження буде відповідати своє допустиме час, яке можна вважати безпечним для ізоляції.
Залежність допустимої тривалості навантаження від її величини називається перевантажувальною характеристикою електродвигуна. Теплофізичні властивості електродвигунів різних типів мають деякі відмінності, також відрізняються та його характеристики. На малюнку суцільною лінією показано одну з таких характеристик.
Перевантажувальна характеристика електродвигуна (суцільна лінія) і перевага захисту (пунктирна лінія)
З наведеної якості можна сформулювати одне з основних вимог захисту перевантажень, що діє залежно від струму. Вона має спрацьовуватив залежності від величини навантаження. Е дає можливість виключити неправильні спрацювання
при безпечних кидках струму, що виникають, наприклад, при запуску двигуна. Захист повинен спрацьовувати тільки при попаданні в область неприпустимих значень струму та тривалості його протікання. Її риса, показана на малюнку пунктирною лінією, повинна завжди розміщуватися під перевантажувальною рисою мотора.
На роботу захисту впливає ряд чинників (некоректність налаштування, розкид показників та інших.), внаслідок дії яких спостерігаються відхилення від середніх значень часу спрацьовування. Тому пунктирну криву на графіку слід як деяку середню характеристику. Щоб у результаті дії випадкових чинників якості не перетнулися, що викличе неправильне відключення двигуна, необхідно забезпечити певний запас. Практично доводиться мати справу не з окремою рисою, а із захисною зоною, що враховує розкид часу спрацьовування захисту.
Характеристика захисту повинна розміщуватися на певній відстані від перевантажувальної якості двигуна, щоб виключити їх взаємне схрещення. Але при цьому виходить програш в точності дії захисту електродвигуна.
В області струмів, близьких до номінального значення, виникає зона невизначеності. При попаданні в цю зону не можна точно сказати, спрацює захист чи ні.
Такий недолік відсутня у захисту, що у функції температури обмоток. На відміну від струмового захисту вона діє залежно від причини, що викликає старіння ізоляції, її нагрівання. При досягненні небезпечної для обмотки температури вона відключає двигун незалежно від причини, що спричинила нагрівання. Це - одне з основних плюсів температурного захисту.
Але не слід гіперболізувати нестачу струмового захисту. Справа в тому, що двигуни мають певний запас по струму. Номінальний струм електродвигуна завжди нижче за той струм, при якому температура обмоток досягає допустимого значення. Його встановлюють, керуючись економічними розрахунками. Тому при номінальному навантаженні температура обмоток двигуна нижче допустимого значення. Через це і створюється тепловий резерв двигуна, який до певної міри компенсує недолік теплових реле.
Чимало причин, від яких залежить термічний стан ізоляції, мають випадкові відмінності. У зв'язку з цим уточнення характеристик не завжди дають бажаний результат.
Перевантаження при змінному тривалому режимі роботи
Процес нагрівання електродвигуна при змінному навантаженні відрізняється від процесу нагрівання при постійному чи слабко вираженої змінної навантаженні. Відмінність проявляється як у процесі конфігураціїтемператури, і у характері нагрівання окремих елементів машини.
Прямо за змінами навантаження змінюється температура обмоток. Внаслідок термічної інерції двигуна коливання температури мають найменший розмах. При досить високій частоті навантаження температуру обмоток вважатимуться практично незмінною. Такий режим роботи буде еквівалентний довготривалому режиму з постійним навантаженням. При низькій частоті (порядку сотих дещицею герца і нижче) коливання температури стають відчутними. Перегріви обмотки, що повторюються, можуть зменшити термін служби ізоляції.
При великих коливаннях навантаження з низькою частотою електродвигун постійно перебуває у перехідному процесі. Температура його обмотки змінюється за коливаннями навантаження. Так як окремі частини машини мають різні теплофізичні властивості, то кожна з них гріється по-своєму.
Протікання термічних перехідних процесів при змінному навантаженні - явище складне і не завжди піддається розрахунку. Тому про температуру обмоток двигуна не можна судити по струму, що протікає зараз. Зважаючи на те, що окремі частини електродвигуна гріються по-різному, усередині електродвигуна відбуваються перетікання тепла з однієї її частини до інших. Можливо і так, що після відключення електродвигуна температура обмоток статора зростатиме за рахунок тепла, що надходить від ротора. Таким чином, величина струму може і не відображати ступінь нагрівання ізоляції. Слід також взяти до уваги, що з деяких режимах ротор грітиметься найактивніше, а охолоджуватися найменш активно, ніж статор.
Складність процесів термообміну ускладнює контроль нагрівання електродвигуна. Навіть конкретне вимірювання температури обмоток може за певних умов дати похибку. Справа в тому,що при термічних процесах, що не встановилися, температура нагрівання різних частин машини може бути різною і вимірювання в одній точці не може дати справжньої картини. Проте порівняно коїться з іншими методами вимірювання температури обмотки дає чіткіший результат.
Повторно-короткочасний режим роботи можна зарахувати до найбільш несприятливому з погляду дії захисту. Періодичне включення в роботу передбачає можливість короткострокового навантаження двигуна. При цьому величина навантаження повинна бути обмежена за умовою нагрівання обмоток не вище за допустиме значення.
Захист, що «стежить» за станом нагріву обмотки, повинен отримувати відповідний сигнал. Так як в перехідних режимах струм і температура можуть не відповідати один одному, то захист, дія якої заснована на вимірюванні струму, не може виконувати свою роль належним чином.