Przeciążenia prądowe i ich wpływ na pracę i żywotność silników elektrycznych

Analiza awarii silników asynchronicznych wskazuje, że główną przyczyną ich awarii jest przebicie izolacji na skutek przegrzania.

Przeciążenie wyrobu (urządzenia) elektrycznego — przekroczenie rzeczywistej wartości mocy lub prądu wyrobu (urządzenia) elektrycznego ponad wartość znamionową. (GOST 18311-80).

Temperatura nagrzewania uzwojeń silnika elektrycznego zależy od charakterystyki cieplnej silnika oraz parametrów środowiskowych. Część ciepła wytwarzanego w silniku idzie na ogrzewanie cewek, a reszta jest uwalniana do otoczenia. Na proces nagrzewania mają wpływ takie parametry fizyczne jak pojemność cieplna i rozpraszanie ciepła.

W zależności od warunków termicznych silnika elektrycznego i otaczającego powietrza stopień ich oddziaływania może być różny.Jeśli różnica temperatur między silnikiem a otoczeniem jest niewielka, a wydzielana energia jest znaczna, to główna jej część jest absorbowana przez uzwojenie, stal stojana i wirnika, obudowę silnika i inne jego części. Następuje intensywny wzrost temperatury izolacji... Przy ogrzewaniu efekt wymiany ciepła objawia się coraz bardziej. Proces ten ustala się po osiągnięciu równowagi między wytwarzanym ciepłem a ciepłem oddawanym do otoczenia.

Zwiększenie prądu powyżej dopuszczalnej wartości nie prowadzi od razu do stanu awaryjnego... Osiągnięcie ekstremalnej temperatury przez stojan i wirnik zajmuje trochę czasu. Nie ma więc potrzeby, aby zabezpieczenie reagowało na każde przetężenie. Powinna wyłączać maszynę tylko wtedy, gdy istnieje niebezpieczeństwo szybkiego pogorszenia stanu izolacji.

Z punktu widzenia nagrzewania się izolacji duże znaczenie ma wielkość i czas trwania przepływu prądu przekraczającego wartość nominalną. Parametry te zależą przede wszystkim od charakteru procesu technologicznego.

Przeciążenie silnika elektrycznego pochodzenia technologicznego

Przeciążenie silnika elektrycznego spowodowane okresowym wzrostem momentu obrotowego na wale napędzanej maszyny. W takich maszynach i instalacjach moc silnika elektrycznego zmienia się cały czas. Trudno jest zaobserwować długi okres czasu, w którym prąd pozostaje niezmieniony. Na wale silnika okresowo pojawiają się krótkotrwałe duże momenty oporu, powodujące skoki prądu.

Takie przeciążenia zwykle nie powodują przegrzania uzwojeń silnika, które mają stosunkowo dużą bezwładność cieplną.Jednak przy wystarczająco długim czasie trwania i wielokrotnym powtarzaniu, niebezpieczne nagrzewanie się silnika elektrycznego… Obrona musi „rozróżniać” te reżimy. Nie powinien reagować na krótkotrwałe skoki obciążenia.

Inne maszyny mogą doświadczać stosunkowo niewielkich, ale długotrwałych przeciążeń. Uzwojenia silnika stopniowo nagrzewają się do temperatury zbliżonej do maksymalnej dopuszczalnej wartości. Zwykle silnik elektryczny ma pewną rezerwę ciepła i niewielkie przetężenia, pomimo czasu trwania działania, nie mogą stworzyć niebezpiecznej sytuacji. W takim przypadku wyłączenie nie jest konieczne. W ten sposób również tutaj ochrona silnika musi „rozróżniać” niebezpieczne i niegroźne przeciążenia.

Awaryjne przeciążenia silnika elektrycznego

z wyjątkiem przeciążeń pochodzenia technologicznego, ewentualnie przeciążeń awaryjnych powstałych z innych przyczyn (uszkodzenie linii zasilającej, zakleszczenie pracujących urządzeń, spadek napięcia itp.). Tworzą określone tryby pracy silnika indukcyjnego i stawiają wymagania dotyczące urządzeń zabezpieczających... Rozważ zachowanie silnika indukcyjnego w typowych trybach awaryjnych.

Przeciążenia w pracy ciągłej przy stałym obciążeniu

Silniki elektryczne są zwykle wybierane z pewną rezerwą mocy. Ponadto przez większość czasu maszyny pracują pod obciążeniem. W rezultacie prąd silnika jest często znacznie niższy od wartości znamionowej. Przeciążenia występują z reguły w przypadku naruszeń technologicznych, awarii, zacięć i zakleszczeń w pracującej maszynie.

Maszyny takie jak wentylatory, pompy odśrodkowe, przenośniki taśmowe i ślimaki mają ciche, stałe lub nieznacznie zmienne obciążenie.Krótkotrwałe zmiany w przepływie materiału praktycznie nie mają wpływu na nagrzewanie się silnika elektrycznego. Można je zignorować. Inną sprawą jest to, czy naruszenia normalnych warunków pracy utrzymują się przez długi czas.

Większość napędów elektrycznych ma pewną rezerwę mocy. Przeciążenia mechaniczne powodują przede wszystkim uszkodzenia części maszyn. Ze względu na losowy charakter ich występowania nie można mieć pewności, że w pewnych okolicznościach nastąpi również przeciążenie silnika elektrycznego. Na przykład może się to zdarzyć w przypadku silników śrubowych. Zmiany właściwości fizycznych i mechanicznych transportowanego materiału (wilgotność, wielkość cząstek itp.) mają natychmiastowe odzwierciedlenie w sile potrzebnej do jego przemieszczenia. Zabezpieczenie powinno wyłączyć silnik elektryczny w przypadku przeciążenia powodującego niebezpieczne przegrzanie uzwojeń.

Z punktu widzenia wpływu przetężeń długotrwałych na izolację należy wyróżnić dwa rodzaje przeciążeń: stosunkowo małe (do 50%) i duże (powyżej 50%).

Efekt pierwszego nie pojawia się natychmiast, ale stopniowo, podczas gdy efekty drugiego pojawiają się po krótkim czasie. Jeśli wzrost temperatury powyżej dopuszczalnej wartości jest niewielki, starzenie się izolacji następuje powoli. Drobne zmiany w strukturze materiału izolacyjnego kumulują się stopniowo. Wraz ze wzrostem temperatury proces starzenia znacznie przyspiesza.

Myślę, że przegrzanie powyżej dopuszczalnego na każde 8 — 10 ° C skraca o połowę żywotność izolacji uzwojeń silnika.Dlatego przegrzanie o 40°C skraca żywotność izolacji 32-krotnie! Choć to dużo, to widać po wielu miesiącach pracy.

Przy dużych przeciążeniach (powyżej 50%) izolacja szybko zapada się pod wpływem wysokich temperatur.

Do analizy procesu nagrzewania wykorzystamy uproszczony model silnika. Wzrost prądu prowadzi do wzrostu strat zmiennych. Cewka zaczyna się nagrzewać. Temperatura izolacji zmienia się zgodnie z wykresem na rysunku. Szybkość wzrostu temperatury w stanie ustalonym zależy od wielkości prądu.

Po pewnym czasie od wystąpienia przeciążenia temperatura uzwojeń osiąga wartość dopuszczalną dla danej klasy izolacji. Przy wysokich siłach G będzie krótszy, przy niskich siłach G będzie dłuższy. Zatem każda wartość przeciążenia będzie miała swój własny dopuszczalny czas, który można uznać za bezpieczny do wyizolowania.

Nazywa się zależność dopuszczalnego czasu trwania przeciążenia od jego wielkości charakterystyka przeciążeniowa silnika elektrycznego... Właściwości termofizyczne silniki elektryczne różnych typów mają pewne różnice, a ich cechy również się różnią. Jedna z tych cech jest pokazana na rysunku linią ciągłą.

Charakterystyka przeciążenia silnika (linia ciągła) i pożądana charakterystyka zabezpieczenia (linia przerywana)

Na podstawie podanych cech możemy sformułować jedno z głównych wymagań do zależnego od prądu zabezpieczenia przed przeciążeniem… Należy go podnieść w zależności od wielkości przeciążenia.Dzięki temu możliwe jest wykluczenie fałszywych alarmów z niegroźnymi skokami prądu, występującymi np. podczas uruchamiania silnika. Zabezpieczenie powinno zadziałać tylko wtedy, gdy znajdzie się w strefie niedopuszczalnych wartości prądu i czasu jego przepływu. Jego żądana charakterystyka, pokazana na rysunku linią przerywaną, musi zawsze leżeć poniżej charakterystyki przeciążeniowej silnika.

Na działanie zabezpieczenia ma wpływ szereg czynników (niedokładność nastaw, rozrzut parametrów itp.), w wyniku których obserwuje się odchylenia od średnich wartości czasu reakcji. Dlatego przerywaną linię na wykresie należy traktować jako pewnego rodzaju średnią charakterystykę. Aby nie przekroczyć charakterystyk w wyniku działania czynników losowych, co doprowadzi do nieprawidłowego zatrzymania silnika, konieczne jest zapewnienie pewnego marginesu. W rzeczywistości należy pracować nie z osobną charakterystyką, ale ze strefą ochronną, uwzględniając rozkład czasu reakcji zabezpieczenia.

Jeśli chodzi o dokładne działania ochronne silnika, pożądane jest, aby obie charakterystyki były jak najbardziej zbliżone do siebie. Pozwoli to uniknąć niepotrzebnych wyzwoleń przy przeciążeniach zbliżonych do dopuszczalnych. Jeśli jednak istnieje duży rozrzut obu cech, nie można tego osiągnąć. Aby nie wpaść w strefę niedopuszczalnych wartości prądu w przypadku przypadkowych odchyleń od obliczonych parametrów, konieczne jest zapewnienie pewnego marginesu.

Charakterystyka ochronna musi znajdować się w pewnej odległości od charakterystyki przeciążeniowej silnika, aby wykluczyć ich wzajemne krzyżowanie się.Prowadzi to jednak do utraty dokładności działania zabezpieczenia silnika.

W obszarze prądów bliskich wartości nominalnej pojawia się strefa niepewności. Wchodząc w tę strefę, nie można z całą pewnością stwierdzić, czy ochrona zadziała, czy nie.

Ta wada jest nieobecna w zabezpieczenie działające w zależności od temperatury uzwojenia... W przeciwieństwie do zabezpieczenia nadprądowego działa w zależności od przyczyny starzenia się izolacji, jej nagrzania. Gdy zostanie osiągnięta temperatura niebezpieczna dla uzwojenia, wyłącza silnik, niezależnie od przyczyny, która spowodowała przegrzanie. Jest to jedna z głównych zalet ochrony przed temperaturą.

Nie należy jednak przeceniać braku zabezpieczenia nadprądowego. Faktem jest, że silniki mają pewną rezerwę prądu. Prąd znamionowy silnika jest zawsze niższy od prądu, przy którym temperatura uzwojeń osiąga dopuszczalną wartość. Jest ustalana, kierując się kalkulacją ekonomiczną. Dlatego przy obciążeniu znamionowym temperatura uzwojeń silnika jest poniżej dopuszczalnej wartości. Dzięki temu powstaje rezerwa termiczna silnika, która w pewnym stopniu rekompensuje brak przekaźniki termiczne.

Wiele czynników, od których zależy stan cieplny izolacji, ma przypadkowe odchylenia. Pod tym względem specyfikacja cech nie zawsze daje pożądany rezultat.

Przeciążenia w zmiennej pracy ciągłej

Niektóre ciała robocze i mechanizmy wytwarzają obciążenia, które zmieniają się w szerokim zakresie, na przykład podczas kruszenia, szlifowania i innych podobnych operacji. Tutaj okresowym przeciążeniom towarzyszą niedociążenia do biegu jałowego.Każdy wzrost prądu rozpatrywany osobno nie prowadzi do niebezpiecznego wzrostu temperatury. Jeśli jednak jest ich dużo i powtarzają się wystarczająco często, wpływ podwyższonej temperatury na izolację szybko się kumuluje.

Proces nagrzewania silnika elektrycznego przy zmiennym obciążeniu różni się od procesu nagrzewania przy stałym lub nieznacznie zmiennym obciążeniu. Różnica przejawia się zarówno w przebiegu zmian temperatury, jak iw charakterze nagrzewania się poszczególnych części maszyny.

Wraz ze zmianą obciążenia zmienia się również temperatura cewek. Ze względu na bezwładność cieplną silnika wahania temperatury są mniej powszechne. Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości obciążenia temperaturę uzwojeń można uznać za praktycznie niezmienioną. Będzie to równoważne ciągłej pracy ze stałym obciążeniem. Przy niskich częstotliwościach (rzędu setnych części herca i niższych) zauważalne są wahania temperatury. Okresowe przegrzewanie się uzwojenia może skrócić żywotność izolacji.

Przy dużych wahaniach obciążenia przy niskiej częstotliwości silnik jest stale w stanie przejściowym. Temperatura jego cewki zmienia się po wahaniach obciążenia. Ponieważ poszczególne części maszyny mają różne parametry termofizyczne, każda z nich nagrzewa się na swój sposób.

Przebieg termicznych stanów nieustalonych pod zmiennym obciążeniem jest zjawiskiem złożonym i nie zawsze podlega obliczeniom. Dlatego temperatury uzwojeń silnika nie można oszacować na podstawie prądu płynącego w danym momencie. Ze względu na to, że poszczególne części silnika elektrycznego nagrzewają się w różny sposób, w silniku elektrycznym ciepło przechodzi z jednej części do drugiej.Możliwe jest również, że po wyłączeniu silnika elektrycznego temperatura uzwojeń stojana wzrośnie pod wpływem ciepła dostarczanego przez wirnik. Zatem wielkość prądu może nie odzwierciedlać stopnia nagrzania izolacji. Należy również pamiętać, że w niektórych trybach wirnik będzie się intensywniej nagrzewał i słabiej ochładzał niż stojan.

Złożoność procesów wymiany ciepła utrudnia kontrolowanie nagrzewania silnika... Nawet bezpośredni pomiar temperatury uzwojeń może w pewnych warunkach dawać błąd. Faktem jest, że w niestabilnych procesach cieplnych temperatura nagrzewania różnych części maszyny może być różna, a pomiar w jednym czasie nie może dać prawdziwego obrazu. Jednak pomiar temperatury cewki jest dokładniejszy niż inne metody.

Praca okresowa można zaliczyć do najbardziej niekorzystnych z punktu widzenia działania ochronnego. Okresowe włączanie do pracy implikuje możliwość krótkotrwałego przeciążenia silnika. W takim przypadku wielkość przeciążenia musi być ograniczona stanem nagrzewania uzwojeń, który nie przekracza wartości dopuszczalnej.

Zabezpieczenie „monitorujące” stan nagrzania cewki musi otrzymać odpowiedni sygnał. Ponieważ prąd i temperatura mogą nie odpowiadać sobie w stanach przejściowych, zabezpieczenie oparte na pomiarze prądu nie może prawidłowo spełniać swojej roli.