Proudové přetížení a jejich vliv na provoz a životnost elektromotorů

Analýza poruch asynchronních motorů ukazuje, že hlavní příčinou jejich selhání je porušení izolace v důsledku přehřátí.

Přetížení elektrického výrobku (zařízení) — překročení skutečné hodnoty výkonu nebo proudu elektrického výrobku (zařízení) nad jmenovitou hodnotu. (GOST 18311-80).

Teplota ohřevu vinutí elektromotoru závisí na tepelných charakteristikách motoru a okolních parametrech. Část tepla generovaného v motoru jde na ohřev cívek a zbytek se uvolňuje do prostředí. Proces ohřevu ovlivňují takové fyzikální parametry, jako je tepelná kapacita a odvod tepla.

V závislosti na tepelném stavu elektromotoru a okolního vzduchu se může míra jejich vlivu lišit.Pokud je rozdíl teplot mezi motorem a okolím malý a uvolněná energie je významná, pak je její hlavní část pohlcena vinutím, ocelí statoru a rotoru, skříní motoru a jeho dalšími částmi. Dochází k intenzivnímu nárůstu teploty izolace... S vytápěním se stále více projevuje efekt výměny tepla. Proces nastává po dosažení rovnováhy mezi vytvořeným teplem a teplem uvolněným do okolí.

Zvýšení proudu nad přípustnou hodnotu nevede okamžitě k havarijnímu stavu... Nějakou dobu trvá, než stator a rotor dosáhnou extrémní teploty. Proto není potřeba, aby ochrana reagovala na každý nadproud. Stroj by měla vypínat pouze v případě nebezpečí rychlého poškození izolace.

Z hlediska ohřevu izolace má velký význam velikost a doba trvání průtoku proudu překračujícího jmenovitou hodnotu. Tyto parametry závisí především na charakteru technologického procesu.

Přetěžování elektromotoru technologického původu

Přetížení elektromotoru způsobené periodickým nárůstem točivého momentu na hřídeli hnaného stroje. U takových strojů a zařízení se výkon elektromotoru neustále mění. Je obtížné pozorovat dlouhé časové období, během kterého proud zůstává nezměněn na velikosti. Na hřídeli motoru se periodicky objevují krátkodobé velké odporové momenty, které vytvářejí proudové rázy.

Taková přetížení obvykle nezpůsobují přehřátí vinutí motoru, která mají poměrně velkou tepelnou setrvačnost.Při dostatečně dlouhém trvání a opakovaném opakování však nebezpečné zahřívání elektromotoru… Obrana musí mezi těmito režimy „rozlišovat“. Neměl by reagovat na krátkodobé otřesy zátěže.

Jiné stroje mohou zaznamenat relativně malé, ale dlouhodobé přetížení. Vinutí motoru se postupně zahřeje na teplotu blízkou maximální dovolené hodnotě. Elektromotor má většinou určitou rezervu ohřevu a malé nadproudy i přes dobu působení nemohou vytvořit nebezpečnou situaci. V tomto případě není vypnutí nutné. Tímto způsobem i zde musí ochrana motoru „rozlišovat“ mezi nebezpečným a bezpečným přetížením.

Nouzové přetížení elektromotoru

s výjimkou přetížení technologického původu, snad havarijních přetížení vzniklých z jiných důvodů (poškození napájecího vedení, zablokování pracovních zařízení, pokles napětí apod.). Vytvářejí konkrétní režimy provozu asynchronního motoru a nabízejí své požadavky na bezpečnostní zařízení... Zvažte chování asynchronního motoru v typických nouzových režimech.

Přetížení v trvalém provozu s konstantním zatížením

Elektromotory se většinou volí s určitou výkonovou rezervou. Také většinu času stroje běží pod zátěží. V důsledku toho je proud motoru často výrazně pod jmenovitou hodnotou. K přetížení dochází zpravidla v případě technologických porušení, poruch, zaseknutí a zaseknutí v pracovním stroji.

Stroje jako jsou ventilátory, odstředivá čerpadla, dopravní pásy a šneky mají tiché, konstantní nebo mírně proměnlivé zatížení.Krátkodobé změny toku materiálu nemají prakticky žádný vliv na ohřev elektromotoru. Lze je ignorovat. Jiná věc je, pokud porušování běžných pracovních podmínek trvá dlouhou dobu.

Většina elektropohonů má určitou výkonovou rezervu. Mechanická přetížení způsobují především poškození částí stroje. Vzhledem k nahodilosti jejich výskytu nelze s jistotou, že za určitých okolností dojde také k přetížení elektromotoru. To se může stát například u šroubových motorů. Změny fyzikálních a mechanických vlastností dopravovaného materiálu (vlhkost, velikost částic atd.) se okamžitě projeví na výkonu potřebném k jeho pohybu. Ochrana by měla vypnout elektromotor v případě přetížení způsobujícího nebezpečné přehřátí vinutí.

Z hlediska vlivu dlouhodobých nadproudů na izolaci je třeba rozlišovat dva typy přetížení: relativně malé (do 50 %) a velké (více než 50 %).

Účinek prvního se nedostavuje okamžitě, ale postupně, zatímco účinky druhého se dostavují po krátké době. Pokud je nárůst teploty nad přípustnou hodnotu malý, dochází ke stárnutí izolace pomalu. Malé změny ve struktuře izolačního materiálu se kumulují postupně. S rostoucí teplotou se proces stárnutí výrazně zrychluje.

Myslím, že přehřátí nad přípustné každých 8 — 10 °C zkracuje životnost izolace vinutí motoru na polovinu.Proto přehřátí o 40 °C snižuje životnost izolace 32krát! I když je to hodně, ukazuje se to po mnoha měsících práce.

Při vysokém přetížení (více než 50 %) se izolace vlivem vysokých teplot rychle zhroutí.

Pro analýzu procesu ohřevu použijeme zjednodušený model motoru. Zvýšení proudu vede ke zvýšení proměnných ztrát. Cívka se začne zahřívat. Teplota izolace se mění podle grafu na obrázku. Rychlost nárůstu teploty v ustáleném stavu závisí na velikosti proudu.

Po nějaké době po přetížení dosáhne teplota vinutí hodnoty přípustné pro danou třídu izolace. Při vysokých G-sílech bude kratší, při nízkých G-sílech delší. Každá hodnota přetížení tedy bude mít svůj vlastní povolený čas, který lze považovat za bezpečný pro izolaci.

Závislost dovoleného trvání přetížení na jeho velikosti se nazývá charakteristika přetížení elektromotoru... Termofyzikální vlastnosti elektromotory různých typů mají určité rozdíly a liší se i jejich vlastnosti. Jedna z těchto vlastností je na obrázku znázorněna plnou čarou.

Charakteristika přetížení motoru (plná čára) a požadovaná ochranná charakteristika (přerušovaná čára)

Z uvedených charakteristik můžeme formulovat jeden z hlavních požadavků na proudově závislou ochranu proti přetížení… Měl by být zvýšen v závislosti na velikosti přetížení.To umožňuje vyloučit falešné poplachy s nebezpečnými proudovými špičkami, ke kterým dochází například při nastartování motoru. Ochrana by měla fungovat pouze tehdy, když spadne do zóny nepřijatelných hodnot proudu a trvání jeho toku. Jeho požadovaná charakteristika, znázorněná na obrázku přerušovanou čarou, musí vždy ležet pod charakteristikou přetížení motoru.

Činnost ochrany je ovlivněna řadou faktorů (nepřesnost nastavení, rozptyl parametrů atd.), v důsledku čehož jsou pozorovány odchylky od průměrných hodnot doby odezvy. Přerušovaná čára na grafu by proto měla být chápána jako nějaký druh průměrné charakteristiky. Aby nedošlo ke zkřížení charakteristik v důsledku působení náhodných faktorů, které povedou k nesprávnému zastavení motoru, je nutné poskytnout určitou rezervu. Ve skutečnosti by se nemělo pracovat se samostatnou charakteristikou, ale s ochrannou zónou, s ohledem na rozložení reakční doby ochrany.

Z hlediska přesného působení ochrany motoru je žádoucí, aby obě charakteristiky byly co nejblíže sobě. Tím se zabrání zbytečnému vypínání při téměř povoleném přetížení. Pokud však existuje velké rozšíření obou charakteristik, nelze toho dosáhnout. Aby se v případě náhodných odchylek od vypočtených parametrů nedostalo do zóny nepřijatelných aktuálních hodnot, je nutné zajistit určitou rezervu.

Ochranná charakteristika musí být umístěna v určité vzdálenosti od přetěžovací charakteristiky motoru, aby bylo vyloučeno jejich vzájemné křížení.To však vede ke ztrátě přesnosti činnosti ochrany motoru.

V oblasti proudů blízkých jmenovité hodnotě se objeví zóna nejistoty. Při vstupu do této zóny nelze s jistotou říci, zda bude ochrana fungovat nebo ne.

Tato nevýhoda chybí ochrana fungující v závislosti na teplotě vinutí... Na rozdíl od nadproudové ochrany působí v závislosti na příčině stárnutí izolace, jejím zahřívání. Když je dosaženo teploty nebezpečné pro vinutí, vypne motor bez ohledu na důvod, který způsobil zahřívání. To je jedna z hlavních výhod ochrany před teplotou.

Nedostatek nadproudové ochrany by však neměl být přeceňován. Faktem je, že motory mají určitou rezervu proudu. Jmenovitý proud motoru je vždy nižší než proud, při kterém teplota vinutí dosáhne přípustné hodnoty. Je stanovena, vedena ekonomickými výpočty. Proto je při jmenovité zátěži teplota vinutí motoru pod přípustnou hodnotou. Díky tomu vzniká tepelná rezerva motoru, která nedostatek do jisté míry kompenzuje tepelná relé.

Mnoho faktorů, na kterých závisí tepelný stav izolace, má náhodné odchylky. V tomto ohledu specifikace charakteristik ne vždy poskytuje požadovaný výsledek.

Přetížení v proměnlivém nepřetržitém provozu

Některá pracovní tělesa a mechanismy vytvářejí zátěže, které se mění v širokém rozsahu, například při drcení, mletí a dalších podobných operacích. Zde jsou periodická přetížení doprovázena nedostatečným zatížením na volnoběh.Jakékoli zvýšení proudu, brané samostatně, nevede k nebezpečnému nárůstu teploty. Pokud je jich však mnoho a dostatečně často se opakují, vliv zvýšené teploty na izolaci se rychle kumuluje.

Proces ohřevu elektromotoru při proměnném zatížení se liší od procesu ohřevu při konstantní nebo mírně proměnné zátěži. Rozdíl se projevuje jak v průběhu teplotních změn, tak i v charakteru ohřevu jednotlivých částí stroje.

Se změnou zátěže se mění i teplota cívek. Díky tepelné setrvačnosti motoru jsou výkyvy teplot méně rozšířené. Při dostatečně vysoké frekvenci zatížení lze teplotu vinutí považovat za prakticky nezměněnou. To bude ekvivalentní nepřetržitému provozu s konstantní zátěží. Při nízké frekvenci (řádově setiny hertzů a nižší) jsou patrné teplotní výkyvy. Pravidelné přehřívání vinutí může zkrátit životnost izolace.

Při velkých výkyvech zatížení při nízké frekvenci je motor neustále v přechodném procesu. Teplota jeho cívky se mění po kolísání zátěže. Vzhledem k tomu, že jednotlivé části stroje mají různé termofyzikální parametry, každý z nich se zahřívá svým vlastním způsobem.

Průběh tepelných přechodů při proměnném zatížení je složitý jev a není vždy předmětem výpočtu. Proto nelze teplotu vinutí motoru odhadnout z proudu protékajícího v daném okamžiku. Díky tomu, že se jednotlivé části elektromotoru ohřívají různým způsobem, přechází v elektromotoru teplo z jedné části na druhou.Je také možné, že po vypnutí elektromotoru se vlivem tepla dodávaného rotorem zvýší teplota vinutí statoru. Velikost proudu tedy nemusí odrážet stupeň zahřátí izolace. Je také třeba mít na paměti, že v některých režimech se rotor zahřeje intenzivněji a ochladí se méně než stator.

Složitost procesů přenosu tepla znesnadňuje řízení zahřívání motoru... I přímé měření teploty vinutí může za určitých podmínek způsobit chybu. Faktem je, že při nestabilních tepelných procesech může být teplota ohřevu různých částí stroje různá a měření v jednom okamžiku nemůže poskytnout věrný obraz. Měření teploty cívky je však přesnější než jiné metody.

Periodická práce lze označit za nejnepříznivější z hlediska působení ochrany. Pravidelné zařazení do práce implikuje možnost krátkodobého přetížení motoru. V tomto případě musí být velikost přetížení omezena podmínkou ohřevu vinutí, která nepřekročí přípustnou hodnotu.

Ochrana "monitorující" stav ohřevu spirály musí dostat odpovídající signál. Vzhledem k tomu, že proud a teplota si v přechodových podmínkách nemusí odpovídat, ochrana založená na měření proudu nemůže správně plnit svou roli.