Τρέχουσες υπερφορτώσεις και η επίδρασή τους στη λειτουργία και τη διάρκεια ζωής των ηλεκτροκινητήρων
Η ανάλυση των αστοχιών ασύγχρονων κινητήρων δείχνει ότι η κύρια αιτία της αστοχίας τους είναι η βλάβη της μόνωσης λόγω υπερθέρμανσης.
Υπερφόρτωση ηλεκτρικού προϊόντος (συσκευής) — υπέρβαση της πραγματικής τιμής της ισχύος ή του ρεύματος ενός ηλεκτρικού προϊόντος (συσκευής) πάνω από την ονομαστική τιμή. (GOST 18311-80).
Η θερμοκρασία θέρμανσης των περιελίξεων του ηλεκτροκινητήρα εξαρτάται από τα θερμικά χαρακτηριστικά του κινητήρα και τις περιβαλλοντικές παραμέτρους. Μέρος της θερμότητας που παράγεται στον κινητήρα πηγαίνει για να θερμάνει τα πηνία και το υπόλοιπο απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Η διαδικασία θέρμανσης επηρεάζεται από φυσικές παραμέτρους όπως η θερμοχωρητικότητα και η απαγωγή θερμότητας.
Ανάλογα με τη θερμική κατάσταση του ηλεκτροκινητήρα και του περιβάλλοντος αέρα, ο βαθμός επιρροής τους μπορεί να ποικίλλει.Εάν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του κινητήρα και του περιβάλλοντος είναι μικρή και η εκλυόμενη ενέργεια είναι σημαντική, τότε το κύριο μέρος της απορροφάται από το τύλιγμα, το χάλυβα του στάτορα και του ρότορα, το περίβλημα του κινητήρα και τα άλλα μέρη του. Υπάρχει έντονη άνοδος της θερμοκρασίας της μόνωσης... Με τη θέρμανση εκδηλώνεται όλο και περισσότερο η επίδραση της εναλλαγής θερμότητας. Η διαδικασία εδραιώνεται αφού επιτευχθεί μια ισορροπία μεταξύ της παραγόμενης θερμότητας και της θερμότητας που απελευθερώνεται στο περιβάλλον.
Η αύξηση του ρεύματος πάνω από την επιτρεπόμενη τιμή δεν οδηγεί αμέσως σε κατάσταση έκτακτης ανάγκης... Χρειάζεται λίγος χρόνος για να φτάσουν ο στάτορας και ο ρότορας στην ακραία θερμοκρασία τους. Επομένως, δεν χρειάζεται η προστασία να αντιδρά σε κάθε υπερένταση. Θα πρέπει να απενεργοποιεί το μηχάνημα μόνο όταν υπάρχει κίνδυνος ταχείας αλλοίωσης της μόνωσης.
Από την άποψη της θέρμανσης μόνωσης, το μέγεθος και η διάρκεια της ροής ρεύματος που υπερβαίνει την ονομαστική τιμή έχουν μεγάλη σημασία. Αυτές οι παράμετροι εξαρτώνται κυρίως από τη φύση της τεχνολογικής διαδικασίας.
Υπερφόρτωση ηλεκτροκινητήρα τεχνολογικής προέλευσης
Υπερφόρτωση του ηλεκτροκινητήρα που προκαλείται από περιοδική αύξηση της ροπής στον άξονα του κινούμενου μηχανήματος. Σε τέτοιες μηχανές και εγκαταστάσεις, η ισχύς του ηλεκτροκινητήρα αλλάζει συνεχώς. Είναι δύσκολο να παρατηρήσουμε μια μεγάλη χρονική περίοδο κατά την οποία το ρεύμα παραμένει αμετάβλητο σε μέγεθος. Βραχυπρόθεσμες μεγάλες ροπές αντίστασης εμφανίζονται περιοδικά στον άξονα του κινητήρα, δημιουργώντας υπερτάσεις ρεύματος.
Τέτοιες υπερφορτώσεις συνήθως δεν προκαλούν υπερθέρμανση των περιελίξεων του κινητήρα, οι οποίες έχουν σχετικά υψηλή θερμική αδράνεια.Ωστόσο, με αρκετά μεγάλη διάρκεια και επαναλαμβανόμενες επαναλήψεις, επικίνδυνη θέρμανση του ηλεκτροκινητήρα… Η άμυνα πρέπει να «διακρίνει» μεταξύ αυτών των καθεστώτων. Δεν πρέπει να αντιδρά σε βραχυπρόθεσμους κραδασμούς φορτίου.
Άλλα μηχανήματα ενδέχεται να αντιμετωπίσουν σχετικά μικρές αλλά μακροχρόνιες υπερφορτώσεις. Οι περιελίξεις του κινητήρα θερμαίνονται σταδιακά σε θερμοκρασία κοντά στη μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή. Συνήθως, ο ηλεκτροκινητήρας έχει ένα ορισμένο απόθεμα θέρμανσης και τα μικρά υπερρεύματα, παρά τη διάρκεια της δράσης, δεν μπορούν να δημιουργήσουν μια επικίνδυνη κατάσταση. Σε αυτή την περίπτωση, η διακοπή λειτουργίας δεν είναι απαραίτητη. Με αυτόν τον τρόπο και εδώ η προστασία του κινητήρα πρέπει να «διακρίνει» μεταξύ επικίνδυνων και μη επικίνδυνων υπερφορτώσεων.
Έκτακτη υπερφόρτωση του ηλεκτροκινητήρα
με εξαίρεση την υπερφόρτωση τεχνολογικής προέλευσης, ίσως υπερφορτώσεις έκτακτης ανάγκης που συνέβησαν για άλλους λόγους (βλάβη στη γραμμή παροχής ρεύματος, εμπλοκή συσκευών εργασίας, πτώση τάσης κ.λπ.). Δημιουργούν συγκεκριμένους τρόπους λειτουργίας ενός επαγωγικού κινητήρα και προσφέρουν τις απαιτήσεις τους για συσκευές ασφαλείας... Εξετάστε τη συμπεριφορά ενός επαγωγικού κινητήρα σε τυπικές καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.
Υπερφορτώσεις σε συνεχή λειτουργία με σταθερό φορτίο
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες επιλέγονται συνήθως με ένα συγκεκριμένο απόθεμα ισχύος. Επίσης, τις περισσότερες φορές τα μηχανήματα λειτουργούν υπό φορτίο. Ως αποτέλεσμα, το ρεύμα του κινητήρα είναι συχνά πολύ κάτω από την ονομαστική τιμή. Υπερφορτώσεις συμβαίνουν, κατά κανόνα, σε περίπτωση τεχνολογικών παραβιάσεων, βλαβών, εμπλοκών και εμπλοκών στο μηχάνημα εργασίας.
Μηχανήματα όπως ανεμιστήρες, φυγοκεντρικές αντλίες, μεταφορικοί ιμάντες και βίδες έχουν αθόρυβο, σταθερό ή ελαφρώς μεταβαλλόμενο φορτίο.Οι βραχυπρόθεσμες αλλαγές στη ροή του υλικού δεν έχουν ουσιαστικά καμία επίδραση στη θέρμανση του ηλεκτροκινητήρα. Μπορούν να αγνοηθούν. Είναι άλλο θέμα εάν οι παραβιάσεις των κανονικών συνθηκών εργασίας παραμείνουν για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Οι περισσότεροι ηλεκτροκινητήρες έχουν ένα συγκεκριμένο απόθεμα ισχύος. Οι μηχανικές υπερφορτώσεις προκαλούν κυρίως ζημιές στα εξαρτήματα της μηχανής. Δεδομένης της τυχαίας φύσης της εμφάνισής τους, δεν μπορεί να είναι βέβαιο ότι υπό ορισμένες συνθήκες θα υπερφορτωθεί και ο ηλεκτροκινητήρας. Για παράδειγμα, αυτό μπορεί να συμβεί με βιδωτούς κινητήρες. Οι αλλαγές στις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες του μεταφερόμενου υλικού (υγρασία, μέγεθος σωματιδίων κ.λπ.) αντικατοπτρίζονται άμεσα στην ισχύ που απαιτείται για τη μετακίνησή του. Η προστασία θα πρέπει να απενεργοποιεί τον ηλεκτροκινητήρα σε περίπτωση υπερφόρτωσης που προκαλεί επικίνδυνη υπερθέρμανση των περιελίξεων.
Από την άποψη της επίδρασης των μακροπρόθεσμων υπερρευμάτων στη μόνωση, πρέπει να διακρίνονται δύο τύποι υπερφορτώσεων: σχετικά μικρές (έως 50%) και μεγάλες (πάνω από 50%).
Η επίδραση του πρώτου δεν εμφανίζεται αμέσως, αλλά σταδιακά, ενώ τα αποτελέσματα του δεύτερου εμφανίζονται μετά από σύντομο χρονικό διάστημα. Εάν η άνοδος της θερμοκρασίας πάνω από την επιτρεπόμενη τιμή είναι μικρή, η γήρανση της μόνωσης συμβαίνει αργά. Μικρές αλλαγές στη δομή του μονωτικού υλικού συσσωρεύονται σταδιακά. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η διαδικασία γήρανσης επιταχύνεται σημαντικά.
Νομίζω ότι η υπερθέρμανση πάνω από το επιτρεπτό για κάθε 8 — 10 ° C μειώνει στο μισό τη διάρκεια ζωής της μόνωσης των περιελίξεων του κινητήρα.Επομένως, η υπερθέρμανση κατά 40 ° C μειώνει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης 32 φορές! Αν και αυτό είναι πολύ, φαίνεται μετά από πολλούς μήνες δουλειάς.
Σε υψηλές υπερφορτώσεις (πάνω από 50%), η μόνωση καταρρέει γρήγορα υπό την επίδραση υψηλών θερμοκρασιών.
Για να αναλύσουμε τη διαδικασία θέρμανσης, θα χρησιμοποιήσουμε ένα απλοποιημένο μοντέλο κινητήρα. Η αύξηση του ρεύματος οδηγεί σε αύξηση των μεταβλητών απωλειών. Το πηνίο αρχίζει να θερμαίνεται. Η θερμοκρασία μόνωσης αλλάζει σύμφωνα με το γράφημα του σχήματος. Ο ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας σε σταθερή κατάσταση εξαρτάται από το μέγεθος του ρεύματος.
Λίγο καιρό μετά την υπερφόρτωση, η θερμοκρασία των περιελίξεων φτάνει την επιτρεπόμενη τιμή για τη δεδομένη κατηγορία μόνωσης. Σε υψηλές δυνάμεις G θα είναι μικρότερο, σε χαμηλές δυνάμεις G θα είναι μακρύτερες. Έτσι, κάθε τιμή υπερφόρτωσης θα έχει τον δικό της επιτρεπόμενο χρόνο που μπορεί να θεωρηθεί ασφαλής για απομόνωση.
Η εξάρτηση της επιτρεπόμενης διάρκειας της υπερφόρτισης από το μέγεθός της ονομάζεται χαρακτηριστικό υπερφόρτισης του ηλεκτροκινητήρα... Θερμοφυσικές ιδιότητες ηλεκτροκινητήρες διαφόρων τύπων έχουν κάποιες διαφορές και τα χαρακτηριστικά τους διαφέρουν επίσης. Ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά φαίνεται στο σχήμα με μια συμπαγή γραμμή.
Χαρακτηριστικό υπερφόρτωσης κινητήρα (συμπαγή γραμμή) και επιθυμητό χαρακτηριστικό προστασίας (διακεκομμένη γραμμή)
Από τα δεδομένα χαρακτηριστικά, μπορούμε να διατυπώσουμε μία από τις κύριες απαιτήσεις σε προστασία υπερφόρτωσης που εξαρτάται από το ρεύμα… Θα πρέπει να αυξηθεί ανάλογα με το μέγεθος της υπερφόρτωσης.Αυτό καθιστά δυνατό τον αποκλεισμό ψευδών συναγερμών με μη επικίνδυνες αιχμές ρεύματος, που συμβαίνουν για παράδειγμα κατά την εκκίνηση του κινητήρα. Η προστασία θα πρέπει να λειτουργεί μόνο όταν εμπίπτει στη ζώνη των μη αποδεκτών τιμών ρεύματος και της διάρκειας της ροής της. Το επιθυμητό χαρακτηριστικό του, που φαίνεται στο σχήμα με μια διακεκομμένη γραμμή, πρέπει πάντα να βρίσκεται κάτω από το χαρακτηριστικό υπερφόρτωσης του κινητήρα.
Η λειτουργία της προστασίας επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες (ανακρίβεια ρυθμίσεων, διασπορά παραμέτρων κ.λπ.), με αποτέλεσμα να παρατηρούνται αποκλίσεις από τις μέσες τιμές του χρόνου απόκρισης. Επομένως, η διακεκομμένη γραμμή στο γράφημα θα πρέπει να θεωρείται ως κάποιο είδος μέσου χαρακτηριστικού. Για να μην διασταυρωθούν τα χαρακτηριστικά ως αποτέλεσμα της δράσης τυχαίων παραγόντων, που θα οδηγήσουν σε εσφαλμένο σταμάτημα του κινητήρα, είναι απαραίτητο να παρέχεται ένα ορισμένο περιθώριο. Στην πραγματικότητα, θα πρέπει να εργαστεί κανείς όχι με ένα ξεχωριστό χαρακτηριστικό, αλλά με μια προστατευτική ζώνη, λαμβάνοντας υπόψη την κατανομή του χρόνου αντίδρασης της προστασίας.
Όσον αφορά τις ακριβείς ενέργειες προστασίας του κινητήρα, είναι επιθυμητό και τα δύο χαρακτηριστικά να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά μεταξύ τους. Έτσι θα αποφευχθεί η περιττή ενεργοποίηση σε υπερφορτώσεις κοντά στις επιτρεπόμενες. Ωστόσο, εάν υπάρχει μεγάλη διάδοση και των δύο χαρακτηριστικών, αυτό δεν μπορεί να επιτευχθεί. Για να μην πέσετε στη ζώνη των μη αποδεκτών τιμών ρεύματος σε περίπτωση τυχαίων αποκλίσεων από τις υπολογισμένες παραμέτρους, είναι απαραίτητο να παρέχεται ένα ορισμένο περιθώριο.
Το προστατευτικό χαρακτηριστικό πρέπει να βρίσκεται σε μια ορισμένη απόσταση από το χαρακτηριστικό υπερφόρτωσης του κινητήρα για να αποκλείεται η αμοιβαία διέλευση τους.Αυτό όμως οδηγεί σε απώλεια της ακρίβειας της δράσης προστασίας κινητήρα.
Στην περιοχή των ρευμάτων κοντά στην ονομαστική τιμή, εμφανίζεται μια ζώνη αβεβαιότητας. Κατά την είσοδο σε αυτή τη ζώνη, είναι αδύνατο να πούμε με βεβαιότητα εάν η προστασία θα λειτουργήσει ή όχι.
Αυτό το μειονέκτημα απουσιάζει σε προστασία που λειτουργεί ανάλογα με τη θερμοκρασία περιέλιξης... Σε αντίθεση με την προστασία υπερέντασης, δρα ανάλογα με την αιτία γήρανσης της μόνωσης, τη θέρμανση της. Όταν επιτευχθεί μια επικίνδυνη για την περιέλιξη θερμοκρασία, απενεργοποιείται ο κινητήρας, ανεξάρτητα από τον λόγο που προκάλεσε τη θέρμανση. Αυτό είναι ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα της προστασίας από τη θερμοκρασία.
Ωστόσο, η έλλειψη προστασίας από υπερένταση δεν πρέπει να υπερεκτιμάται. Το γεγονός είναι ότι οι κινητήρες έχουν ένα συγκεκριμένο απόθεμα ρεύματος. Το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα είναι πάντα χαμηλότερο από το ρεύμα στο οποίο η θερμοκρασία των περιελίξεων φτάνει την επιτρεπόμενη τιμή. Καθιερώνεται, καθοδηγούμενη από οικονομικούς υπολογισμούς. Επομένως, σε ονομαστικό φορτίο, η θερμοκρασία των περιελίξεων του κινητήρα είναι κάτω από την επιτρεπόμενη τιμή. Εξαιτίας αυτού δημιουργείται ένα θερμικό απόθεμα του κινητήρα, το οποίο σε κάποιο βαθμό αντισταθμίζει την έλλειψη θερμικά ρελέ.
Πολλοί παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η θερμική κατάσταση της μόνωσης έχουν τυχαίες αποκλίσεις. Από αυτή την άποψη, η προδιαγραφή των χαρακτηριστικών δεν δίνει πάντα το επιθυμητό αποτέλεσμα.
Υπερφορτώσεις σε μεταβλητή συνεχή λειτουργία
Ορισμένα σώματα και μηχανισμοί εργασίας δημιουργούν φορτία που ποικίλλουν σε μεγάλο εύρος, όπως κατά τη σύνθλιψη, τη λείανση και άλλες παρόμοιες εργασίες. Εδώ, οι περιοδικές υπερφορτώσεις συνοδεύονται από υποφόρτιση στο ρελαντί.Οποιαδήποτε αύξηση του ρεύματος, λαμβανόμενη χωριστά, δεν οδηγεί σε επικίνδυνη αύξηση της θερμοκρασίας. Ωστόσο, εάν είναι πολλά και επαναλαμβάνονται αρκετά συχνά, η επίδραση της αυξημένης θερμοκρασίας στη μόνωση συσσωρεύεται γρήγορα.
Η διαδικασία θέρμανσης του ηλεκτροκινητήρα σε μεταβλητό φορτίο διαφέρει από τη διαδικασία θέρμανσης σε σταθερό ή ελαφρώς μεταβλητό φορτίο. Η διαφορά εκδηλώνεται τόσο στην πορεία των αλλαγών θερμοκρασίας όσο και στη φύση της θέρμανσης μεμονωμένων τμημάτων του μηχανήματος.
Καθώς το φορτίο αλλάζει, αλλάζει και η θερμοκρασία των πηνίων. Λόγω της θερμικής αδράνειας του κινητήρα, οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας είναι λιγότερο διαδεδομένες. Σε επαρκώς υψηλή συχνότητα φόρτωσης, η θερμοκρασία των περιελίξεων μπορεί να θεωρηθεί πρακτικά αμετάβλητη. Αυτό θα ισοδυναμεί με συνεχή λειτουργία με σταθερό φορτίο. Σε χαμηλή συχνότητα (της τάξης των εκατοστών του Hertz και χαμηλότερη) οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας γίνονται αισθητές. Η περιοδική υπερθέρμανση της περιέλιξης μπορεί να μειώσει τη διάρκεια ζωής της μόνωσης.
Με μεγάλες διακυμάνσεις φορτίου σε χαμηλή συχνότητα, ο κινητήρας βρίσκεται συνεχώς σε μια μεταβατική διαδικασία. Η θερμοκρασία του πηνίου του αλλάζει μετά από διακυμάνσεις φορτίου. Δεδομένου ότι τα μεμονωμένα μέρη του μηχανήματος έχουν διαφορετικές θερμοφυσικές παραμέτρους, το καθένα από αυτά θερμαίνεται με τον δικό του τρόπο.
Η πορεία των θερμικών μεταπτώσεων υπό μεταβλητό φορτίο είναι ένα σύνθετο φαινόμενο και δεν υπόκειται πάντα σε υπολογισμό. Επομένως, η θερμοκρασία των περιελίξεων του κινητήρα δεν μπορεί να εκτιμηθεί από το ρεύμα που ρέει σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή. Λόγω του γεγονότος ότι τα επιμέρους μέρη του ηλεκτροκινητήρα θερμαίνονται με διαφορετικούς τρόπους, η θερμότητα περνά από το ένα μέρος στο άλλο στον ηλεκτροκινητήρα.Είναι επίσης πιθανό μετά την απενεργοποίηση του ηλεκτροκινητήρα, η θερμοκρασία των περιελίξεων του στάτη να αυξηθεί λόγω της θερμότητας που παρέχεται από τον ρότορα. Έτσι, το μέγεθος του ρεύματος μπορεί να μην αντικατοπτρίζει τον βαθμό θέρμανσης της μόνωσης. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι σε ορισμένες λειτουργίες ο ρότορας θα θερμαίνεται πιο έντονα και θα κρυώνει λιγότερο από τον στάτορα.
Η πολυπλοκότητα των διαδικασιών μεταφοράς θερμότητας καθιστά δύσκολο τον έλεγχο της θέρμανσης του κινητήρα... Ακόμα και η άμεση μέτρηση της θερμοκρασίας των περιελίξεων μπορεί να δώσει σφάλμα υπό ορισμένες συνθήκες. Το γεγονός είναι ότι σε ασταθείς διεργασίες θερμότητας, η θερμοκρασία θέρμανσης διαφορετικών τμημάτων του μηχανήματος μπορεί να είναι διαφορετική και η μέτρηση ταυτόχρονα δεν μπορεί να δώσει μια αληθινή εικόνα. Ωστόσο, η μέτρηση της θερμοκρασίας του πηνίου είναι πιο ακριβής από άλλες μεθόδους.
Περιοδική εργασία μπορεί να αναφερθεί στο δυσμενέστερο από την άποψη της δράσης της προστασίας. Η περιοδική συμπερίληψη στην εργασία συνεπάγεται την πιθανότητα βραχυπρόθεσμης υπερφόρτωσης του κινητήρα. Σε αυτή την περίπτωση, το μέγεθος της υπερφόρτωσης πρέπει να περιορίζεται από την συνθήκη θέρμανσης των περιελίξεων, η οποία δεν υπερβαίνει την επιτρεπόμενη τιμή.
Η προστασία που «παρακολουθεί» την κατάσταση θέρμανσης του πηνίου πρέπει να λάβει το αντίστοιχο σήμα. Δεδομένου ότι το ρεύμα και η θερμοκρασία μπορεί να μην αντιστοιχούν μεταξύ τους σε μεταβατικές συνθήκες, η προστασία που βασίζεται στη μέτρηση ρεύματος δεν μπορεί να εκτελέσει σωστά το ρόλο της.