Prúdové preťaženia a ich vplyv na prevádzku a životnosť elektromotorov

Analýza porúch asynchrónnych motorov ukazuje, že hlavnou príčinou ich zlyhania je porušenie izolácie v dôsledku prehriatia.

Preťaženie elektrického výrobku (prístroja) — prekročenie skutočnej hodnoty výkonu alebo prúdu elektrického výrobku (prístroja) nad menovitú hodnotu. (GOST 18311-80).

Teplota ohrevu vinutia elektromotora závisí od tepelných charakteristík motora a parametrov prostredia. Časť tepla generovaného v motore ide na ohrev cievok a zvyšok sa uvoľňuje do okolia. Proces ohrevu ovplyvňujú také fyzikálne parametre, ako je tepelná kapacita a odvod tepla.

V závislosti od tepelného stavu elektromotora a okolitého vzduchu sa stupeň ich vplyvu môže meniť.Ak je teplotný rozdiel medzi motorom a prostredím malý a uvoľnená energia je významná, tak jej hlavnú časť pohltí oceľ vinutia, statora a rotora, kryt motora a jeho ostatné časti. Dochádza k intenzívnemu nárastu teploty izolácie... Pri vykurovaní sa čoraz viac prejavuje efekt výmeny tepla. Proces nastáva po dosiahnutí rovnováhy medzi vytvoreným teplom a teplom uvoľneným do okolia.

Zvýšenie prúdu nad prípustnú hodnotu nevedie okamžite k havarijnému stavu... Trvá určitý čas, kým stator a rotor dosiahnu svoju extrémnu teplotu. Preto nie je potrebné, aby ochrana reagovala na každý nadprúd. Stroj by mala vypínať len vtedy, keď hrozí nebezpečenstvo rýchleho poškodenia izolácie.

Z hľadiska ohrevu izolácie má veľký význam veľkosť a trvanie toku prúdu presahujúceho menovitú hodnotu. Tieto parametre závisia predovšetkým od charakteru technologického procesu.

Preťaženie elektromotora technologického pôvodu

Preťaženie elektromotora spôsobené periodickým zvyšovaním krútiaceho momentu na hriadeli hnaného stroja. V takýchto strojoch a zariadeniach sa výkon elektromotora neustále mení. Je ťažké pozorovať dlhé časové obdobie, počas ktorého zostáva prúd nezmenený. Na hriadeli motora sa periodicky objavujú krátkodobé veľké momenty odporu, ktoré vytvárajú prúdové rázy.

Takéto preťaženia zvyčajne nespôsobujú prehriatie vinutí motora, ktoré majú pomerne veľkú tepelnú zotrvačnosť.Avšak s dostatočne dlhým trvaním a opakovaným opakovaním, nebezpečné zahrievanie elektromotora… Obrana musí „rozlišovať“ medzi týmito režimami. Nemalo by reagovať na krátkodobé nárazy záťaže.

Iné stroje môžu zaznamenať relatívne malé, ale dlhodobé preťaženie. Vinutia motora sa postupne zahrievajú na teplotu blízku maximálnej prípustnej hodnote. Elektromotor má zvyčajne určitú rezervu ohrevu a malé nadprúdy napriek trvaniu pôsobenia nemôžu vytvoriť nebezpečnú situáciu. V tomto prípade vypnutie nie je potrebné. Týmto spôsobom aj tu musí ochrana motora „rozlišovať“ medzi nebezpečným a nie nebezpečným preťažením.

Núdzové preťaženie elektromotora

s výnimkou preťaženia technologického pôvodu, prípadne havarijných preťažení, ktoré vznikli z iných príčin (poškodenie napájacieho vedenia, zaseknutie pracovných zariadení, pokles napätia a pod.). Vytvárajú konkrétne režimy prevádzky indukčného motora a ponúkajú svoje požiadavky na bezpečnostné zariadenia... Zvážte správanie asynchrónneho motora v typických núdzových režimoch.

Preťaženia v nepretržitej prevádzke s konštantným zaťažením

Elektromotory sa zvyčajne vyberajú s určitou výkonovou rezervou. Tiež väčšinu času stroje bežia pod záťažou. V dôsledku toho je prúd motora často výrazne pod menovitou hodnotou. Preťaženia sa spravidla vyskytujú v prípade technologických porušení, porúch, zaseknutia a zaseknutia v pracovnom stroji.

Stroje ako ventilátory, odstredivé čerpadlá, dopravníkové pásy a závitovky majú tiché, konštantné alebo mierne sa meniace zaťaženie.Krátkodobé zmeny materiálového toku nemajú prakticky žiadny vplyv na zahrievanie elektromotora. Môžu byť ignorované. Iná vec je, ak porušovanie bežných pracovných podmienok pretrváva dlhodobo.

Väčšina elektrických pohonov má určitú výkonovú rezervu. Mechanické preťaženie spôsobuje predovšetkým poškodenie častí stroja. Vzhľadom na náhodný charakter ich výskytu nie je isté, že za určitých okolností dôjde aj k preťaženiu elektromotora. To sa môže stať napríklad pri skrutkových motoroch. Zmeny fyzikálnych a mechanických vlastností prepravovaného materiálu (vlhkosť, veľkosť častíc atď.) sa okamžite prejavia na výkone potrebnom na jeho pohyb. Ochrana by mala vypnúť elektromotor v prípade preťaženia, ktoré spôsobí nebezpečné prehriatie vinutí.

Z hľadiska vplyvu dlhodobých nadprúdov na izoláciu treba rozlišovať dva typy preťažení: relatívne malé (do 50 %) a veľké (viac ako 50 %).

Účinok prvého sa nedostaví okamžite, ale postupne, zatiaľ čo účinky druhého sa dostavia po krátkom čase. Ak je nárast teploty nad prípustnú hodnotu malý, dochádza k starnutiu izolácie pomaly. Malé zmeny v štruktúre izolačného materiálu sa hromadia postupne. So zvyšujúcou sa teplotou sa proces starnutia výrazne zrýchľuje.

Myslím si, že prehriatie nad povolených každých 8 — 10 °C znižuje životnosť izolácie vinutia motora na polovicu.Preto prehriatie o 40 °C znižuje životnosť izolácie 32-krát! Aj keď je to veľa, ukáže sa to po mnohých mesiacoch práce.

Pri vysokých preťaženiach (viac ako 50%) sa izolácia pod vplyvom vysokých teplôt rýchlo zrúti.

Na analýzu procesu ohrevu použijeme zjednodušený model motora. Zvýšenie prúdu vedie k zvýšeniu premenlivých strát. Cievka sa začne zahrievať. Teplota izolácie sa mení podľa grafu na obrázku. Rýchlosť zvyšovania teploty v ustálenom stave závisí od veľkosti prúdu.

Po určitom čase po vzniku preťaženia dosiahne teplota vinutia hodnotu prípustnú pre danú triedu izolácie. Pri vysokých G-silách bude kratší, pri nízkych G-silách bude dlhší. Každá hodnota preťaženia teda bude mať svoj vlastný povolený čas, ktorý možno považovať za bezpečný na izoláciu.

Závislosť prípustnej doby trvania preťaženia od jeho veľkosti sa nazýva charakteristika preťaženia elektromotora... Termofyzikálne vlastnosti elektromotory rôznych typov majú určité rozdiely a líšia sa aj ich vlastnosti. Jedna z týchto vlastností je na obrázku znázornená plnou čiarou.

Charakteristika preťaženia motora (plná čiara) a požadovaná ochranná charakteristika (prerušovaná čiara)

Z uvedených charakteristík môžeme sformulovať jednu z hlavných požiadaviek na prúdovo závislú ochranu proti preťaženiu… Mala by byť zvýšená v závislosti od veľkosti preťaženia.To umožňuje vylúčiť falošné poplachy s nie nebezpečnými prúdovými špičkami, ku ktorým dochádza napríklad pri naštartovaní motora. Ochrana by mala fungovať iba vtedy, keď spadne do zóny neprijateľných hodnôt prúdu a trvania jeho toku. Jeho požadovaná charakteristika, znázornená na obrázku prerušovanou čiarou, musí vždy ležať pod charakteristikou preťaženia motora.

Činnosť ochrany je ovplyvnená množstvom faktorov (nepresnosť nastavení, rozptyl parametrov atď.), V dôsledku čoho sa pozorujú odchýlky od priemerných hodnôt času odozvy. Preto by sa prerušovaná čiara na grafe mala považovať za nejaký druh priemernej charakteristiky. Aby nedošlo k prekročeniu charakteristík v dôsledku pôsobenia náhodných faktorov, ktoré povedú k nesprávnemu zastaveniu motora, je potrebné poskytnúť určitú rezervu. V skutočnosti by sa nemalo pracovať so samostatnou charakteristikou, ale s ochrannou zónou, berúc do úvahy rozloženie reakčného času ochrany.

Pokiaľ ide o presné pôsobenie ochrany motora, je žiaduce, aby obe charakteristiky boli čo najbližšie k sebe. Tým sa zabráni zbytočnému vypnutiu pri takmer prípustnom preťažení. Ak však existuje veľké rozšírenie oboch charakteristík, nemožno to dosiahnuť. Aby sa v prípade náhodných odchýlok od vypočítaných parametrov nedostali do zóny neprijateľných aktuálnych hodnôt, je potrebné poskytnúť určitú rezervu.

Ochranná charakteristika musí byť umiestnená v určitej vzdialenosti od charakteristiky preťaženia motora, aby sa vylúčilo ich vzájomné kríženie.To však vedie k strate presnosti činnosti ochrany motora.

V oblasti prúdov blízkych nominálnej hodnote sa objaví zóna neistoty. Pri vstupe do tejto zóny sa nedá s istotou povedať, či bude ochrana fungovať alebo nie.

Táto nevýhoda chýba ochrana fungujúca v závislosti od teploty vinutia... Na rozdiel od nadprúdovej ochrany pôsobí v závislosti od príčiny starnutia izolácie, jej zahrievania. Keď sa dosiahne teplota nebezpečná pre vinutie, vypne motor bez ohľadu na dôvod, ktorý spôsobil zahrievanie. Toto je jedna z hlavných výhod ochrany pred teplotou.

Nedostatok nadprúdovej ochrany by sa však nemal preceňovať. Faktom je, že motory majú určitú rezervu prúdu. Menovitý prúd motora je vždy nižší ako prúd, pri ktorom teplota vinutí dosiahne prípustnú hodnotu. Stanovuje sa podľa ekonomických výpočtov. Preto je pri menovitom zaťažení teplota vinutia motora pod prípustnou hodnotou. Vďaka tomu sa vytvára tepelná rezerva motora, ktorá do určitej miery kompenzuje nedostatok tepelné relé.

Mnoho faktorov, od ktorých závisí tepelný stav izolácie, má náhodné odchýlky. V tomto ohľade špecifikácia charakteristík nie vždy dáva požadovaný výsledok.

Preťaženia pri variabilnej nepretržitej prevádzke

Niektoré pracovné telesá a mechanizmy vytvárajú záťaže, ktoré sa líšia v širokom rozsahu, napríklad pri drvení, mletí a iných podobných operáciách. Tu sú periodické preťaženia sprevádzané podťažením na voľnobeh.Akékoľvek zvýšenie prúdu, brané samostatne, nevedie k nebezpečnému zvýšeniu teploty. Ak je ich však veľa a dostatočne často sa opakujú, vplyv zvýšenej teploty na izoláciu sa rýchlo kumuluje.

Proces ohrevu elektromotora pri premenlivom zaťažení sa líši od procesu ohrevu pri konštantnom alebo mierne premenlivom zaťažení. Rozdiel sa prejavuje ako v priebehu teplotných zmien, tak aj v charaktere zahrievania jednotlivých častí stroja.

So zmenou záťaže sa mení aj teplota cievok. V dôsledku tepelnej zotrvačnosti motora sú teplotné výkyvy menej rozšírené. Pri dostatočne vysokej frekvencii zaťaženia možno teplotu vinutia považovať za prakticky nezmenenú. Bude to ekvivalentné nepretržitej prevádzke s konštantným zaťažením. Pri nízkej frekvencii (rádovo v stotinách hertzov a nižšej) sú pozorovateľné teplotné výkyvy. Pravidelné prehrievanie vinutia môže skrátiť životnosť izolácie.

Pri veľkých výkyvoch zaťaženia pri nízkej frekvencii je motor neustále v prechodnom procese. Teplota jeho cievky sa mení po kolísaní zaťaženia. Keďže jednotlivé časti stroja majú rozdielne termofyzikálne parametre, každý z nich sa zohrieva vlastným spôsobom.

Priebeh tepelných prechodov pri premenlivom zaťažení je zložitý jav a nie je vždy predmetom výpočtu. Preto nie je možné odhadnúť teplotu vinutia motora z prúdu pretekajúceho v danom čase. Vďaka tomu, že sa jednotlivé časti elektromotora ohrievajú rôznym spôsobom, prechádza v elektromotore teplo z jednej časti na druhú.Je tiež možné, že po vypnutí elektromotora dôjde k zvýšeniu teploty vinutia statora vplyvom tepla dodávaného rotorom. Veľkosť prúdu teda nemusí odrážať stupeň ohrevu izolácie. Malo by sa tiež pamätať na to, že v niektorých režimoch sa rotor zahreje intenzívnejšie a ochladí sa menej ako stator.

Zložitosť procesov prenosu tepla sťažuje riadenie zahrievania motora... Aj priame meranie teploty vinutia môže za určitých podmienok spôsobiť chybu. Faktom je, že pri nestabilných tepelných procesoch môže byť teplota ohrevu rôznych častí stroja odlišná a meranie v jednom okamihu nemôže poskytnúť pravdivý obraz. Meranie teploty cievky je však presnejšie ako iné metódy.

Periodická práca možno označiť za najnepriaznivejšie z hľadiska pôsobenia ochrany. Pravidelné zaradenie do práce znamená možnosť krátkodobého preťaženia motora. V tomto prípade musí byť veľkosť preťaženia obmedzená podmienkou zahrievania vinutí, ktorá nepresahuje prípustnú hodnotu.

Ochrana "monitorujúca" stav ohrevu špirály musí dostať zodpovedajúci signál. Keďže prúd a teplota si v prechodných podmienkach nemusia navzájom zodpovedať, ochrana založená na meraní prúdu nemôže správne plniť svoju úlohu.