Sobrecàrregues de corrent i el seu efecte sobre el funcionament i la vida útil dels motors elèctrics
L'anàlisi de les avaries de motors asíncrons mostra que la principal causa de la seva fallada és l'avaria de l'aïllament per sobreescalfament.
Sobrecàrrega d'un producte elèctric (dispositiu): superació del valor real de la potència o corrent d'un producte elèctric (dispositiu) per sobre del valor nominal. (GOST 18311-80).
La temperatura d'escalfament dels bobinatges del motor elèctric depèn de les característiques tèrmiques del motor i dels paràmetres ambientals. Una part de la calor generada al motor va a escalfar les bobines, i la resta s'allibera al medi. El procés de calefacció es veu afectat per paràmetres físics com la capacitat calorífica i la dissipació de calor.
Depenent de l'estat tèrmic del motor elèctric i de l'aire circumdant, el grau d'influència pot variar.Si la diferència de temperatura entre el motor i l'entorn és petita i l'energia alliberada és significativa, la part principal és absorbida pel bobinatge, l'estator i l'acer del rotor, la carcassa del motor i les seves altres parts. Hi ha un augment intens de la temperatura de l'aïllament... Amb l'escalfament, l'efecte de l'intercanvi de calor es manifesta cada cop més. El procés s'estableix després d'arribar a un equilibri entre la calor generada i la calor alliberada a l'ambient.
Augmentar el corrent per sobre del valor permès no comporta immediatament una condició d'emergència... L'estator i el rotor triguen un temps a arribar a la seva temperatura extrema. Per tant, no cal que la protecció reaccioni a cada sobreintensitat. Només hauria d'apagar la màquina quan hi hagi perill de deteriorament ràpid de l'aïllament.
Des del punt de vista de la calefacció d'aïllament, la magnitud i la durada del flux de corrent que supera el valor nominal són de gran importància. Aquests paràmetres depenen principalment de la naturalesa del procés tecnològic.
Sobrecàrrega d'un motor elèctric d'origen tecnològic
Sobrecàrrega del motor elèctric provocada per un augment periòdic del parell a l'eix de la màquina accionada. En aquestes màquines i instal·lacions, la potència del motor elèctric canvia constantment. És difícil observar un llarg període de temps durant el qual el corrent es manté inalterable en magnitud. Periòdicament apareixen grans moments de resistència a curt termini a l'eix del motor, creant sobretensions de corrent.
Aquestes sobrecàrregues no solen provocar un sobreescalfament dels bobinatges del motor, que tenen una inèrcia tèrmica relativament elevada.Tanmateix, amb una durada prou llarga i repeticions repetides, escalfament perillós del motor elèctric... La defensa ha de "distingir" entre aquests règims. No ha de reaccionar a cops de càrrega a curt termini.
Altres màquines poden experimentar sobrecàrregues relativament petites però a llarg termini. Els bobinatges del motor s'escalfen gradualment fins a una temperatura propera al valor màxim permès. Normalment, el motor elèctric té una certa reserva d'escalfament i petites sobreintensitats, malgrat la durada de l'acció, no poden crear una situació perillosa. En aquest cas, l'aturada no és necessària. D'aquesta manera, també aquí, la protecció del motor ha de "distingir" entre sobrecàrregues perilloses i no perilloses.
Sobrecàrregues d'emergència del motor elèctric
amb l'excepció de sobrecàrregues d'origen tecnològic, potser sobrecàrregues d'emergència que es van produir per altres motius (danys a la línia d'alimentació, embussos d'aparells de treball, caiguda de tensió, etc.). Creen maneres particulars de funcionament d'un motor d'inducció i ofereixen els seus requisits per als dispositius de seguretat... Considereu el comportament d'un motor d'inducció en els modes d'emergència típics.
Sobrecàrregues en funcionament continu amb càrrega constant
Els motors elèctrics solen triar-se amb una certa reserva d'energia. A més, la majoria de vegades les màquines funcionen sota càrrega. Com a resultat, el corrent del motor sovint està molt per sota del valor nominal. Les sobrecàrregues es produeixen, per regla general, en el cas de violacions tecnològiques, avaries, embussos i embussos a la màquina de treball.
Màquines com ventiladors, bombes centrífugues, cintes transportadores i cargols tenen una càrrega silenciosa, constant o lleugerament variable.Els canvis a curt termini en el flux de material pràcticament no tenen cap efecte sobre l'escalfament del motor elèctric. Es poden ignorar. Una altra cosa és si les violacions de les condicions normals de treball es mantenen durant molt de temps.
La majoria d'accionaments elèctrics tenen una certa reserva d'energia. Les sobrecàrregues mecàniques causen principalment danys a les peces de la màquina. Donada la naturalesa aleatòria de la seva aparició, no es pot assegurar que en determinades circumstàncies el motor elèctric també es sobrecarregui. Per exemple, això pot passar amb els motors de cargol. Els canvis en les propietats físiques i mecàniques del material transportat (humitat, mida de partícules, etc.) es reflecteixen immediatament en la potència necessària per moure'l. La protecció ha d'aturar el motor elèctric en cas d'una sobrecàrrega que provoqui un perillós sobreescalfament dels bobinats.
Des del punt de vista de la influència de les sobreintensitats a llarg termini sobre l'aïllament, s'han de distingir dos tipus de sobrecàrregues: relativament petites (fins al 50%) i grans (més del 50%).
L'efecte del primer no apareix immediatament, sinó gradualment, mentre que els efectes del segon apareixen al cap de poc temps. Si l'augment de temperatura per sobre del valor permès és petit, l'envelliment de l'aïllament es produeix lentament. Petits canvis en l'estructura del material aïllant s'acumulen gradualment. A mesura que augmenta la temperatura, el procés d'envelliment s'accelera significativament.
Crec que el sobreescalfament per sobre del permès per cada 8-10 ° C redueix a la meitat la vida útil de l'aïllament dels bobinatges del motor.Per tant, el sobreescalfament de 40 ° C redueix la vida útil de l'aïllament 32 vegades! Tot i que això és molt, es veu després de molts mesos de feina.
Amb sobrecàrregues elevades (més del 50%), l'aïllament es col·lapsa ràpidament sota la influència de les altes temperatures.
Per analitzar el procés de calefacció, utilitzarem un model de motor simplificat. Un augment del corrent comporta un augment de les pèrdues variables. La bobina comença a escalfar-se. La temperatura d'aïllament varia segons el gràfic de la figura. La velocitat d'augment de la temperatura en estat estacionari depèn de la magnitud del corrent.
Un temps després que es produeixi una sobrecàrrega, la temperatura dels bobinatges arriba al valor permès per a la classe d'aïllament donada. Amb forces G altes serà més curt, amb forces G baixes serà més llarg. Així, cada valor de sobrecàrrega tindrà el seu propi temps permès que es pot considerar segur d'aïllar.
La dependència de la durada permesa de la sobrecàrrega de la seva magnitud s'anomena característica de sobrecàrrega del motor elèctric... Propietats termofísiques motors elèctrics de diversos tipus tenen algunes diferències i les seves característiques també difereixen. Una d'aquestes característiques es mostra a la figura amb una línia sòlida.
Característica de sobrecàrrega del motor (línia continua) i característica de protecció desitjada (línia discontínua)
A partir de les característiques donades, podem formular un dels requisits principals a la protecció de sobrecàrrega depenent del corrent… S'ha d'elevar en funció de la magnitud de la sobrecàrrega.Això permet excloure falses alarmes amb pics de corrent no perillosos, que es produeixen, per exemple, quan s'engega el motor. La protecció només hauria de funcionar quan cau a la zona de valors actuals inacceptables i la durada del seu flux. La seva característica desitjada, mostrada a la figura amb una línia discontínua, ha d'estar sempre per sota de la característica de sobrecàrrega del motor.
El funcionament de la protecció es veu afectat per una sèrie de factors (inexactitud de la configuració, dispersió de paràmetres, etc.), com a resultat dels quals s'observen desviacions dels valors mitjans del temps de resposta. Per tant, la línia discontínua del gràfic s'ha de veure com una mena de característica mitjana. Per no creuar les característiques com a conseqüència de l'acció de factors aleatoris, que provocaran una parada incorrecta del motor, cal proporcionar un cert marge. De fet, s'ha de treballar no amb una característica separada, sinó amb una zona de protecció, tenint en compte la distribució del temps de reacció de la protecció.
Pel que fa a les accions exactes de protecció del motor, és desitjable que ambdues característiques estiguin el més properes possibles entre si. Això evitarà ensopegada innecessària a prop de les sobrecàrregues permeses. Tanmateix, si hi ha una gran dispersió d'ambdues característiques, això no es pot aconseguir. Per no caure a la zona de valors actuals inacceptables en cas de desviacions aleatòries dels paràmetres calculats, cal proporcionar un cert marge.
La característica de protecció s'ha de situar a una certa distància de la característica de sobrecàrrega del motor per excloure el seu encreuament mutu.Però això comporta la pèrdua de la precisió de l'acció de protecció del motor.
A la regió de corrents properes al valor nominal apareix una zona d'incertesa. En entrar en aquesta zona, és impossible dir amb certesa si la protecció funcionarà o no.
Aquest inconvenient està absent protecció que funciona en funció de la temperatura del bobinat... A diferència de la protecció contra sobreintensitat, actua en funció de la causa de l'envelliment de l'aïllament, el seu escalfament. Quan s'arriba a una temperatura perillosa per al bobinat, s'apaga el motor, independentment del motiu que ha provocat l'escalfament. Aquest és un dels principals avantatges de la protecció de la temperatura.
Tanmateix, no s'ha d'exagerar la manca de protecció contra sobreintensitat. El cas és que els motors tenen una certa reserva de corrent. El corrent nominal del motor és sempre inferior al corrent al qual la temperatura dels bobinatges arriba al valor admissible. S'estableix, guiat per càlculs econòmics. Per tant, a la càrrega nominal, la temperatura dels bobinats del motor està per sota del valor permès. A causa d'això, es crea una reserva tèrmica del motor, que en certa mesura compensa la mancança relés tèrmics.
Molts factors dels quals depèn la condició tèrmica de l'aïllament tenen desviacions aleatòries. En aquest sentit, l'especificació de les característiques no sempre dóna el resultat desitjat.
Sobrecàrregues en funcionament continu variable
Alguns cossos i mecanismes de treball creen càrregues que varien en un ampli rang, com ara la trituració, la mòlta i altres operacions similars. Aquí, les sobrecàrregues periòdiques van acompanyades de subcàrregues al ralentí.Qualsevol augment de corrent, considerat per separat, no comporta un augment perillós de la temperatura. Tanmateix, si n'hi ha molts i es repeteixen amb prou freqüència, l'efecte de l'augment de la temperatura sobre l'aïllament s'acumula ràpidament.
El procés d'escalfament del motor elèctric amb una càrrega variable difereix del procés d'escalfament amb una càrrega constant o lleugerament variable. La diferència es manifesta tant en el curs dels canvis de temperatura com en la naturalesa de l'escalfament de les parts individuals de la màquina.
A mesura que la càrrega canvia, també ho fa la temperatura de les bobines. A causa de la inèrcia tèrmica del motor, les fluctuacions de temperatura són menys generalitzades. A una freqüència de càrrega prou alta, la temperatura dels bobinatges es pot considerar pràcticament sense canvis. Això equivaldrà a un funcionament continu amb càrrega constant. A baixa freqüència (de l'ordre de centèsimes d'hertz i inferior) les fluctuacions de temperatura es fan notables. El sobreescalfament periòdic del bobinatge pot escurçar la vida útil de l'aïllament.
Amb grans fluctuacions de càrrega a baixa freqüència, el motor es troba constantment en un procés transitori. La temperatura de la seva bobina canvia després de les fluctuacions de càrrega. Com que les parts individuals de la màquina tenen diferents paràmetres termofísics, cadascuna d'elles s'escalfa a la seva manera.
El curs dels transitoris tèrmics sota càrrega variable és un fenomen complex i no sempre està subjecte a càlcul. Per tant, la temperatura dels bobinatges del motor no es pot estimar a partir del corrent que flueix en un moment donat. A causa del fet que les parts individuals del motor elèctric s'escalfen de diferents maneres, la calor passa d'una part a una altra en el motor elèctric.També és possible que després d'apagar el motor elèctric, la temperatura dels bobinatges de l'estator augmenti a causa de la calor subministrada pel rotor. Per tant, la magnitud del corrent pot no reflectir el grau d'escalfament de l'aïllament. També s'ha de tenir en compte que en alguns modes el rotor s'escalfarà de manera més intensa i es refredarà menys que l'estator.
La complexitat dels processos de transferència de calor dificulta el control de l'escalfament del motor... Fins i tot la mesura directa de la temperatura dels bobinatges pot donar un error en algunes condicions. El fet és que en els processos de calor inestables, la temperatura d'escalfament de diferents parts de la màquina pot ser diferent i la mesura alhora no pot donar una imatge real. Tanmateix, la mesura de la temperatura de la bobina és més precisa que altres mètodes.
Treball periòdic es pot referir al més desfavorable des del punt de vista de l'actuació de la protecció. La inclusió periòdica en el treball implica la possibilitat de sobrecàrrega del motor a curt termini. En aquest cas, la magnitud de la sobrecàrrega s'ha de limitar per la condició d'escalfament dels bobinatges, que no supera el valor permès.
La protecció "controlant" l'estat de calefacció de la bobina ha de rebre el senyal corresponent. Com que el corrent i la temperatura poden no coincidir entre si en condicions transitòries, la protecció basada en la mesura de corrent no pot exercir correctament el seu paper.