Stroomoverbelastingen en hun effect op de werking en levensduur van elektromotoren

Analyse van asynchrone motorstoringen toont aan dat de belangrijkste oorzaak van hun storing isolatiedoorslag als gevolg van oververhitting is.

Overbelasting van een elektrisch product (apparaat) — overschrijding van de werkelijke waarde van het vermogen of de stroom van een elektrisch product (apparaat) boven de nominale waarde. (GOST 18311-80).

De verwarmingstemperatuur van de wikkelingen van de elektromotor hangt af van de thermische eigenschappen van de motor en de omgevingsparameters. Een deel van de warmte die in de motor wordt gegenereerd, gaat naar het verwarmen van de spoelen en de rest komt vrij in de omgeving. Het verwarmingsproces wordt beïnvloed door fysieke parameters zoals warmtecapaciteit en warmteafvoer.

Afhankelijk van de thermische toestand van de elektromotor en de omringende lucht, kan de mate van hun invloed variëren.Als het temperatuurverschil tussen de motor en de omgeving klein is en de vrijgekomen energie aanzienlijk is, wordt het grootste deel ervan geabsorbeerd door het wikkel-, stator- en rotorstaal, het motorhuis en de andere onderdelen. Er is een sterke stijging van de temperatuur van de isolatie. Bij verwarming komt het effect van warmte-uitwisseling steeds meer tot uiting. Het proces komt tot stand na het bereiken van een evenwicht tussen de gegenereerde warmte en de warmte die wordt afgegeven aan de omgeving.

Het verhogen van de stroom boven de toegestane waarde leidt niet meteen tot een noodsituatie... Het duurt even voordat de stator en rotor hun extreme temperatuur hebben bereikt. Daarom hoeft de beveiliging niet op elke overstroom te reageren. Ze mag de machine alleen uitschakelen als er gevaar bestaat voor snelle aantasting van de isolatie.

Vanuit het oogpunt van isolatieverwarming zijn de grootte en duur van de stroom die de nominale waarde overschrijdt van groot belang. Deze parameters zijn voornamelijk afhankelijk van de aard van het technologische proces.

Overbelasting van een elektromotor van technologische oorsprong

Overbelasting van de elektromotor veroorzaakt door een periodieke verhoging van het koppel op de as van de aangedreven machine. Bij dergelijke machines en installaties verandert het vermogen van de elektromotor voortdurend. Het is moeilijk om een ​​lange periode waar te nemen waarin de stroom onveranderd in grootte blijft. Op de motoras verschijnen periodiek grote weerstandsmomenten op korte termijn, waardoor stroompieken ontstaan.

Dergelijke overbelastingen veroorzaken meestal geen oververhitting van de motorwikkelingen, die een relatief hoge thermische traagheid hebben.Echter, met voldoende lange duur en herhaalde herhaling, gevaarlijke verhitting van de elektromotor… Defensie moet "onderscheid" maken tussen deze regimes. Het mag niet reageren op kortdurende belastingsschokken.

Andere machines kunnen relatief kleine maar langdurige overbelastingen ervaren. De motorwikkelingen worden geleidelijk warm tot een temperatuur die dicht bij de maximaal toegestane waarde ligt. Gewoonlijk heeft de elektromotor een zekere verwarmingsreserve en kunnen kleine overstromen, ondanks de duur van de actie, geen gevaarlijke situatie creëren. In dit geval is afsluiten niet nodig. Zo moet ook hier de motorbeveiliging "onderscheid" maken tussen gevaarlijke en ongevaarlijke overbelastingen.

Noodoverbelasting van de elektromotor

met uitzondering van overbelasting van technologische oorsprong, misschien noodoverbelastingen die om andere redenen zijn opgetreden (schade aan de voedingslijn, vastlopen van werkende apparaten, spanningsval, enz.). Ze creëren bepaalde werkingsmodi van een inductiemotor en bieden hun vereisten voor veiligheidsvoorzieningen... Denk aan het gedrag van een inductiemotor in typische noodmodi.

Overbelasting bij continu bedrijf met constante belasting

Elektromotoren worden meestal gekozen met een bepaalde gangreserve. Bovendien draaien de machines meestal onder belasting. Hierdoor ligt de motorstroom vaak ver onder de nominale waarde. Overbelastingen treden in de regel op bij technologische storingen, storingen, vastlopen en vastlopen in de werkende machine.

Machines zoals ventilatoren, centrifugaalpompen, transportbanden en schroeven hebben een stille, constante of licht wisselende belasting.Kortstondige veranderingen in de materiaalstroom hebben praktisch geen effect op de opwarming van de elektromotor. Ze kunnen worden genegeerd. Het is een andere zaak als de schendingen van de normale arbeidsomstandigheden lang aanhouden.

De meeste elektrische aandrijvingen hebben een bepaalde gangreserve. Mechanische overbelastingen veroorzaken voornamelijk schade aan machineonderdelen. Gezien het willekeurige karakter van hun ontstaan, is het niet zeker dat onder bepaalde omstandigheden ook de elektromotor overbelast raakt. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren bij schroefmotoren. Veranderingen in de fysische en mechanische eigenschappen van het getransporteerde materiaal (vocht, deeltjesgrootte, enz.) worden onmiddellijk weerspiegeld in de kracht die nodig is om het te verplaatsen. De beveiliging moet bij overbelasting de elektromotor uitschakelen waardoor gevaarlijke oververhitting van de wikkelingen ontstaat.

Vanuit het oogpunt van de invloed van langdurige overstromen op de isolatie moeten twee soorten overbelastingen worden onderscheiden: relatief klein (tot 50%) en groot (meer dan 50%).

Het effect van de eerste treedt niet onmiddellijk op, maar geleidelijk, terwijl de effecten van de laatste na korte tijd optreden. Als de temperatuurstijging boven de toegestane waarde klein is, treedt de veroudering van de isolatie langzaam op. Kleine veranderingen in de structuur van het isolatiemateriaal stapelen zich geleidelijk op. Naarmate de temperatuur stijgt, versnelt het verouderingsproces aanzienlijk.

Ik denk dat oververhitting boven het toegestane voor elke 8 - 10 ° C de levensduur van de isolatie van de motorwikkelingen halveert.Daarom verkort een oververhitting met 40 ° C de levensduur van de isolatie 32 keer! Hoewel dit veel is, blijkt het na vele maanden werk.

Bij hoge overbelastingen (meer dan 50%) bezwijkt de isolatie snel onder invloed van hoge temperaturen.

Om het verwarmingsproces te analyseren, gebruiken we een vereenvoudigd motormodel. Een toename van de stroom leidt tot een toename van de variabele verliezen. De spoel begint op te warmen. De isolatietemperatuur verandert volgens de grafiek in de figuur. De snelheid van de stationaire temperatuurstijging hangt af van de grootte van de stroom.

Enige tijd nadat een overbelasting is opgetreden, bereikt de temperatuur van de wikkelingen de waarde die is toegestaan ​​voor de gegeven isolatieklasse. Bij hoge G-krachten zal het korter zijn, bij lage G-krachten zal het langer zijn. Elke overbelastingswaarde heeft dus zijn eigen toegestane tijd die als veilig kan worden beschouwd om te isoleren.

De afhankelijkheid van de toegestane duur van de overbelasting van de grootte ervan wordt de overbelastingskarakteristiek van de elektromotor genoemd... Thermofysische eigenschappen verschillende typen elektromotoren hebben enkele verschillen en hun kenmerken verschillen ook. Een van deze kenmerken wordt in de figuur weergegeven met een ononderbroken lijn.

Motoroverbelastingskarakteristiek (ononderbroken lijn) en gewenste beveiligingskarakteristiek (stippellijn)

Uit de gegeven kenmerken kunnen we een van de belangrijkste vereisten formuleren tot stroomafhankelijke overbelastingsbeveiliging… Het moet worden verhoogd, afhankelijk van de omvang van de overbelasting.Dit maakt het mogelijk om valse alarmen met ongevaarlijke stroompieken, die bijvoorbeeld optreden bij het starten van de motor, uit te sluiten. De beveiliging zou alleen moeten werken als deze in de zone van onaanvaardbare stroomwaarden en de duur van de stroom valt. De gewenste karakteristiek, weergegeven in de figuur met een stippellijn, moet altijd onder de overbelastingskarakteristiek van de motor liggen.

De werking van de beveiliging wordt beïnvloed door een aantal factoren (onnauwkeurigheid van instellingen, verstrooiing van parameters, etc.), waardoor afwijkingen van de gemiddelde waarden van de responstijd worden waargenomen. Daarom moet de stippellijn in de grafiek worden gezien als een soort gemiddeld kenmerk. Om de kenmerken niet te overschrijden als gevolg van de werking van willekeurige factoren, die zullen leiden tot het onjuist stoppen van de motor, is het noodzakelijk om een ​​​​bepaalde marge te bieden. Eigenlijk zou men niet met een apart kenmerk moeten werken, maar met een beschermende zone, rekening houdend met de verdeling van de reactietijd van de beveiliging.

In termen van exacte motorbeveiligingsacties is het wenselijk dat beide karakteristieken zo dicht mogelijk bij elkaar liggen. Dit voorkomt onnodig struikelen bij bijna toegestane overbelastingen. Als er echter een grote spreiding is van beide kenmerken, is dit niet te realiseren. Om niet in de zone van onaanvaardbare huidige waarden te vallen in het geval van willekeurige afwijkingen van de berekende parameters, is het noodzakelijk om een ​​bepaalde marge te bieden.

De beveiligingskarakteristiek moet zich op een bepaalde afstand van de overbelastingskarakteristiek van de motor bevinden om onderlinge kruising uit te sluiten.Maar dit leidt tot het verlies van de nauwkeurigheid van de motorbeveiligingsactie.

In het stroomgebied dat dicht bij de nominale waarde ligt, verschijnt een onzekerheidszone. Bij het betreden van deze zone is het onmogelijk met zekerheid te zeggen of de beveiliging zal werken of niet.

Dit nadeel is afwezig in bescherming werkend afhankelijk van de temperatuur van de wikkeling... In tegenstelling tot de overstroombeveiliging, werkt deze afhankelijk van de oorzaak van de veroudering van de isolatie, de verwarming ervan. Wanneer een temperatuur wordt bereikt die gevaarlijk is voor de wikkeling, wordt de motor uitgeschakeld, ongeacht de reden die de verwarming heeft veroorzaakt. Dit is een van de belangrijkste voordelen van bescherming tegen temperatuur.

Het gebrek aan overstroombeveiliging moet echter niet worden overschat. Feit is dat motoren een bepaalde stroomreserve hebben. De nominale stroom van de motor is altijd lager dan de stroom waarbij de temperatuur van de wikkelingen de toegestane waarde bereikt. Het wordt vastgesteld, geleid door economische berekeningen. Daarom ligt de temperatuur van de motorwikkelingen bij nominale belasting onder de toegestane waarde. Hierdoor wordt een thermische reserve van de motor gecreëerd, die het gemis enigszins compenseert thermische relais.

Veel factoren waarvan de thermische toestand van isolatie afhangt, vertonen willekeurige afwijkingen. Daarbij geeft de specificatie van kenmerken niet altijd het gewenste resultaat.

Overbelastingen bij variabel continubedrijf

Sommige werkende lichamen en mechanismen creëren belastingen die over een groot bereik variëren, zoals bij breken, malen en andere soortgelijke bewerkingen. Hier gaan periodieke overbelastingen gepaard met onderbelastingen tot inactiviteit.Elke toename van de stroom, afzonderlijk genomen, leidt niet tot een gevaarlijke temperatuurstijging. Als het er echter veel zijn en ze vaak genoeg worden herhaald, stapelt het effect van de verhoogde temperatuur op de isolatie zich snel op.

Het verwarmingsproces van de elektromotor bij variabele belasting verschilt van het verwarmingsproces bij constante of licht variabele belasting. Het verschil komt zowel tot uiting in het verloop van temperatuurveranderingen als in de aard van de verwarming van afzonderlijke onderdelen van de machine.

Naarmate de belasting verandert, verandert ook de temperatuur van de spoelen. Door de thermische traagheid van de motor zijn temperatuurschommelingen minder groot. Bij een voldoende hoge belastingsfrequentie kan de temperatuur van de wikkelingen als praktisch onveranderd worden beschouwd. Dit komt overeen met continu bedrijf met constante belasting. Bij een lage frequentie (in de orde van honderdsten van een hertz en lager) worden temperatuurschommelingen merkbaar. Periodieke oververhitting van de wikkeling kan de levensduur van de isolatie verkorten.

Bij grote belastingfluctuaties bij lage frequentie bevindt de motor zich constant in een voorbijgaand proces. De spoeltemperatuur verandert na belastingfluctuaties. Omdat afzonderlijke onderdelen van de machine verschillende thermofysische parameters hebben, warmt elk onderdeel op zijn eigen manier op.

Het verloop van thermische transiënten onder variabele belasting is een complex fenomeen en niet altijd te berekenen. Daarom kan de temperatuur van de motorwikkelingen niet worden geschat op basis van de stroom die op een bepaald moment vloeit. Doordat de afzonderlijke onderdelen van de elektromotor op verschillende manieren worden verwarmd, gaat de warmte van het ene onderdeel naar het andere in de elektromotor.Ook is het mogelijk dat na het uitschakelen van de elektromotor de temperatuur van de statorwikkelingen stijgt door de warmte die door de rotor wordt geleverd. De grootte van de stroom weerspiegelt dus mogelijk niet de mate van verwarming van de isolatie. Houd er ook rekening mee dat in sommige modi de rotor intensiever zal opwarmen en minder zal afkoelen dan de stator.

De complexiteit van de warmteoverdrachtsprocessen maakt het moeilijk om de verwarming van de motor te regelen... Zelfs de directe meting van de temperatuur van de wikkelingen kan onder bepaalde omstandigheden een fout geven. Het is een feit dat bij onstabiele warmteprocessen de verwarmingstemperatuur van verschillende delen van de machine kan verschillen en dat de meting in één keer geen juist beeld kan geven. De meting van de spoeltemperatuur is echter nauwkeuriger dan andere methoden.

Periodiek werk kan worden verwezen naar de meest ongunstige vanuit het oogpunt van de actie van de bescherming. Periodieke opname in werk impliceert de mogelijkheid van motorische overbelasting op korte termijn. In dit geval moet de omvang van de overbelasting worden beperkt door de toestand van het verwarmen van de wikkelingen, die de toegestane waarde niet overschrijdt.

De beveiliging die de verwarmingstoestand van de spoel "bewaakt", moet het overeenkomstige signaal ontvangen. Aangezien stroom en temperatuur in tijdelijke omstandigheden mogelijk niet met elkaar overeenkomen, kan beveiliging op basis van stroommeting zijn rol niet goed vervullen.