Strömöverbelastningar och deras effekt på elmotorers drift och livslängd

Analys av asynkrona motorfel visar att huvudorsaken till deras fel är isoleringsbrott på grund av överhettning.

Överbelastning av en elektrisk produkt (enhet) — överskridande av det faktiska värdet av effekten eller strömmen för en elektrisk produkt (enhet) över det nominella värdet. (GOST 18311-80).

Uppvärmningstemperaturen för elmotorns lindningar beror på motorns termiska egenskaper och miljöparametrarna. En del av värmen som genereras i motorn går till att värma spolarna, och resten släpps ut i miljön. Uppvärmningsprocessen påverkas av sådana fysiska parametrar som värmekapacitet och värmeavledning.

Beroende på elmotorns termiska tillstånd och den omgivande luften kan graden av deras påverkan variera.Om temperaturskillnaden mellan motorn och miljön är liten och den frigjorda energin är betydande, absorberas huvuddelen av den av lindningen, statorn och rotorstålet, motorhuset och dess andra delar. Det finns en intensiv ökning av temperaturen på isoleringen... Med uppvärmning manifesteras effekten av värmeväxling mer och mer. Processen etableras efter att ha uppnått en jämvikt mellan den värme som genereras och den värme som frigörs till omgivningen.

Att öka strömmen över det tillåtna värdet leder inte omedelbart till ett nödläge... Det tar lite tid för statorn och rotorn att nå sin extrema temperatur. Därför finns det inget behov av att skyddet reagerar på varje överström. Hon bör endast stänga av maskinen när det finns risk för snabb försämring av isoleringen.

Ur isoleringsuppvärmningssynpunkt är storleken och varaktigheten av strömflödet som överstiger det nominella värdet av stor betydelse. Dessa parametrar beror i första hand på den tekniska processens karaktär.

Överbelastning av en elektrisk motor av tekniskt ursprung

Överbelastning av elmotorn orsakad av en periodisk ökning av vridmomentet på den drivna maskinens axel. I sådana maskiner och installationer förändras kraften i elmotorn hela tiden. Det är svårt att observera en lång tidsperiod under vilken strömmen förblir oförändrad i storlek. Kortvariga stora motståndsmoment uppträder periodiskt på motoraxeln, vilket skapar strömstötar.

Sådana överbelastningar orsakar vanligtvis inte överhettning av motorlindningarna, som har en relativt hög termisk tröghet.Men med tillräckligt lång varaktighet och upprepade upprepningar, farlig uppvärmning av elmotorn… Försvaret måste "särskilja" mellan dessa regimer. Den ska inte reagera på kortvariga lastchocker.

Andra maskiner kan uppleva relativt små men långvariga överbelastningar. Motorlindningarna värms gradvis upp till en temperatur nära det högsta tillåtna värdet. Vanligtvis har elmotorn en viss reserv av uppvärmning och små överströmmar, trots åtgärdens varaktighet, kan inte skapa en farlig situation. I det här fallet är avstängningen inte nödvändig. På så sätt måste även här motorskyddet "särskilja" mellan farliga och ofarliga överbelastningar.

Nödöverbelastning av elmotorn

med undantag för överbelastning av tekniskt ursprung, kanske nödöverbelastningar som uppstått av andra orsaker (skador på strömförsörjningsledningen, störning av fungerande enheter, spänningsfall etc.). De skapar speciella driftsätt för en induktionsmotor och erbjuder sina krav på säkerhetsanordningar... Tänk på beteendet hos en induktionsmotor i typiska nödlägen.

Överbelastningar i kontinuerlig drift med konstant belastning

Elmotorer väljs vanligtvis med en viss effektreserv. Dessutom körs maskinerna för det mesta under belastning. Som ett resultat är motorströmmen ofta långt under märkvärdet. Överbelastningar uppstår som regel vid tekniska överträdelser, haverier, fastnar och fastnar i arbetsmaskinen.

Maskiner som fläktar, centrifugalpumpar, transportband och skruvar har en tyst, konstant eller något varierande belastning.Kortvariga förändringar i materialflödet har praktiskt taget ingen effekt på uppvärmningen av elmotorn. De kan ignoreras. Det är en annan sak om kränkningarna av normala arbetsförhållanden kvarstår under lång tid.

De flesta elektriska enheter har en viss kraftreserv. Mekaniska överbelastningar orsakar främst skador på maskindelar. Med tanke på den slumpmässiga karaktären av deras förekomst kan det inte vara säkert att under vissa omständigheter även elmotorn kommer att överbelastas. Detta kan till exempel hända med skruvmotorer. Förändringar i de fysiska och mekaniska egenskaperna hos det transporterade materialet (fukt, partikelstorlek, etc.) återspeglas omedelbart i kraften som krävs för att flytta det. Skyddet ska stänga av elmotorn i händelse av en överbelastning som orsakar farlig överhettning av lindningarna.

Ur synvinkeln av inverkan av långvariga överströmmar på isoleringen bör två typer av överbelastningar särskiljas: relativt små (upp till 50%) och stora (mer än 50%).

Effekten av den förra uppträder inte omedelbart, utan gradvis, medan effekterna av den senare uppträder efter en kort tid. Om temperaturstegringen över det tillåtna värdet är liten sker åldrandet av isoleringen långsamt. Små förändringar i isoleringsmaterialets struktur ackumuleras gradvis. När temperaturen ökar accelererar åldringsprocessen avsevärt.

Jag tror att överhettning över det tillåtna för varje 8 - 10 ° C halverar livslängden för isoleringen av motorlindningarna.Därför minskar överhettning med 40 ° C isoleringens livslängd 32 gånger! Även om detta är mycket, dyker det upp efter många månaders arbete.

Vid höga överbelastningar (mer än 50%) kollapsar isoleringen snabbt under påverkan av höga temperaturer.

För att analysera uppvärmningsprocessen kommer vi att använda en förenklad motormodell. En ökning av strömmen leder till en ökning av rörliga förluster. Spolen börjar värmas upp. Isoleringstemperaturen ändras enligt grafen i figuren. Hastigheten för konstant temperaturökning beror på strömmens storlek.

En tid efter att en överbelastning inträffat når temperaturen på lindningarna det tillåtna värdet för den givna isoleringsklassen. Vid höga G-krafter blir det kortare, vid låga G-krafter blir det längre. Således kommer varje överbelastningsvärde att ha sin egen tillåtna tid som kan anses vara säker att isolera.

Beroendet av den tillåtna varaktigheten av överbelastningen av dess storlek kallas överbelastningskarakteristiken för elmotorn... Termofysiska egenskaper elmotorer av olika slag har vissa skillnader och deras egenskaper skiljer sig också åt. En av dessa funktioner visas i figuren med en heldragen linje.

Motoröverbelastningskarakteristik (heldragen linje) och önskad skyddskarakteristik (streckad linje)

Utifrån de givna egenskaperna kan vi formulera ett av huvudkraven till strömberoende överbelastningsskydd… Den bör höjas beroende på överbelastningens storlek.Detta gör det möjligt att utesluta falsklarm med ofarliga strömspikar, som uppstår till exempel när motorn startas. Skyddet bör endast fungera när det faller in i zonen med oacceptabla strömvärden och varaktigheten av dess flöde. Dess önskade karaktäristik, visad i figuren med en streckad linje, måste alltid ligga under motorns överbelastningskarakteristik.

Funktionen av skyddet påverkas av ett antal faktorer (felaktiga inställningar, spridning av parametrar, etc.), som ett resultat av vilka avvikelser från medelvärdena för svarstiden observeras. Därför bör den streckade linjen på grafen ses som någon slags medelvärde. För att inte korsa egenskaperna som ett resultat av verkan av slumpmässiga faktorer, vilket kommer att leda till felaktig stopp av motorn, är det nödvändigt att tillhandahålla en viss marginal. I själva verket bör man inte arbeta med en separat egenskap, utan med en skyddszon, med hänsyn till fördelningen av skyddets reaktionstid.

När det gäller exakta motorskyddsåtgärder är det önskvärt att båda egenskaperna ligger så nära varandra som möjligt. Detta kommer att undvika onödig snubbling vid nära tillåtna överbelastningar. Men om det finns en stor spridning av båda egenskaperna kan detta inte uppnås. För att inte hamna i zonen med oacceptabla strömvärden vid slumpmässiga avvikelser från de beräknade parametrarna är det nödvändigt att tillhandahålla en viss marginal.

Skyddskarakteristiken måste placeras på ett visst avstånd från motorns överbelastningskarakteristik för att utesluta deras inbördes korsning.Men detta leder till förlust av noggrannheten hos motorskyddsåtgärden.

I området för strömmar nära det nominella värdet visas en osäkerhetszon. När man går in i denna zon är det omöjligt att säga säkert om skyddet kommer att fungera eller inte.

Denna nackdel saknas i skyddet fungerar beroende på lindningstemperaturen... Till skillnad från överströmsskyddet verkar det beroende på orsaken till isoleringens åldrande, dess uppvärmning. När en temperatur som är farlig för lindningen uppnås stänger den av motorn, oavsett orsaken som orsakade uppvärmningen. Detta är en av de viktigaste fördelarna med skydd mot temperatur.

Bristen på överströmsskydd ska dock inte överskattas. Faktum är att motorer har en viss strömreserv. Motorns märkström är alltid lägre än den ström vid vilken lindningarnas temperatur når det tillåtna värdet. Det är etablerat, styrt av ekonomiska beräkningar. Därför, vid nominell belastning, är temperaturen på motorlindningarna under det tillåtna värdet. På grund av detta skapas en termisk reserv av motorn, vilket till viss del kompenserar för bristen termiska reläer.

Många faktorer som isoleringens termiska tillstånd beror på har slumpmässiga avvikelser. I detta avseende ger specifikationen av egenskaper inte alltid det önskade resultatet.

Överbelastningar vid variabel kontinuerlig drift

Vissa arbetskroppar och mekanismer skapar belastningar som varierar över ett brett område, såsom vid krossning, slipning och andra liknande operationer. Här åtföljs periodiska överbelastningar av underbelastningar till tomgång.Varje ökning av strömmen, taget separat, leder inte till en farlig temperaturhöjning. Men om det är många och de upprepas tillräckligt ofta, ackumuleras snabbt effekten av den ökade temperaturen på isoleringen.

Uppvärmningsprocessen för elmotorn vid en variabel belastning skiljer sig från uppvärmningsprocessen vid en konstant eller något variabel belastning. Skillnaden manifesteras både i samband med temperaturförändringar och i naturen av uppvärmning av enskilda delar av maskinen.

När belastningen ändras, ändras också temperaturen på spolarna. På grund av motorns termiska tröghet är temperaturfluktuationer mindre utbredda. Vid en tillräckligt hög belastningsfrekvens kan lindningarnas temperatur anses praktiskt taget oförändrad. Detta kommer att motsvara kontinuerlig drift med konstant belastning. Vid låg frekvens (i storleksordningen hundradelar av en hertz och lägre) blir temperaturfluktuationer märkbara. Periodisk överhettning av lindningen kan förkorta isoleringens livslängd.

Med stora lastfluktuationer vid låg frekvens befinner sig motorn ständigt i en transient process. Dess spoletemperatur ändras efter belastningsfluktuationer. Eftersom enskilda delar av maskinen har olika termofysiska parametrar, värms var och en av dem upp på sitt eget sätt.

Förloppet av termiska transienter under variabel belastning är ett komplext fenomen och är inte alltid föremål för beräkning. Därför kan temperaturen på motorlindningarna inte uppskattas från strömmen som flyter vid en given tidpunkt. På grund av att de enskilda delarna av elmotorn värms upp på olika sätt, går värmen från en del till en annan i elmotorn.Det är också möjligt att efter avstängning av elmotorn kommer temperaturen på statorlindningarna att stiga på grund av värmen från rotorn. Således kanske storleken på strömmen inte återspeglar graden av uppvärmning av isoleringen. Man bör också komma ihåg att i vissa lägen kommer rotorn att värmas upp mer intensivt och kylas ner mindre än statorn.

Komplexiteten i värmeöverföringsprocesserna gör det svårt att styra uppvärmningen av motorn... Även den direkta mätningen av lindningarnas temperatur kan ge ett fel under vissa förhållanden. Faktum är att i instabila värmeprocesser kan uppvärmningstemperaturen för olika delar av maskinen vara olika, och mätningen på en gång kan inte ge en sann bild. Emellertid är spoletemperaturmätning mer exakt än andra metoder.

Periodiskt arbete kan hänvisas till det mest ogynnsamma ur skyddets verkan. Periodisk inkludering i arbetet innebär möjligheten för kortvarig motorisk överbelastning. I det här fallet måste överbelastningens storlek begränsas av tillståndet för uppvärmning av lindningarna, vilket inte överstiger det tillåtna värdet.

Skyddet som "övervakar" spolens uppvärmningstillstånd måste ta emot motsvarande signal. Eftersom ström och temperatur kanske inte överensstämmer med varandra under transienta förhållanden, kan skydd baserat på strömmätning inte utföra sin roll korrekt.