Sovraccarichi di corrente e loro effetto sul funzionamento e sulla durata dei motori elettrici

L'analisi dei guasti dei motori asincroni mostra che la causa principale del loro guasto è la rottura dell'isolamento dovuta al surriscaldamento.

Sovraccarico di un prodotto elettrico (dispositivo) - superamento del valore effettivo della potenza o della corrente di un prodotto elettrico (dispositivo) rispetto al valore nominale. (GOST 18311-80).

La temperatura di riscaldamento degli avvolgimenti del motore elettrico dipende dalle caratteristiche termiche del motore e dai parametri ambientali. Parte del calore generato nel motore va a riscaldare le bobine e il resto viene rilasciato nell'ambiente. Il processo di riscaldamento è influenzato da parametri fisici come la capacità termica e la dissipazione del calore.

A seconda delle condizioni termiche del motore elettrico e dell'aria circostante, il grado della loro influenza può variare.Se la differenza di temperatura tra il motore e l'ambiente è piccola e l'energia rilasciata è significativa, la maggior parte di essa viene assorbita dall'acciaio dell'avvolgimento, dello statore e del rotore, dall'alloggiamento del motore e dalle sue altre parti. C'è un intenso aumento della temperatura dell'isolamento... Con il riscaldamento, l'effetto dello scambio termico si manifesta sempre di più. Il processo si instaura dopo aver raggiunto un equilibrio tra il calore generato e il calore ceduto all'ambiente.

L'aumento della corrente al di sopra del valore consentito non porta immediatamente a una condizione di emergenza... Ci vuole del tempo prima che lo statore e il rotore raggiungano la loro temperatura estrema. Pertanto, non è necessario che la protezione reagisca a ogni sovracorrente. Dovrebbe spegnere la macchina solo quando c'è il pericolo di un rapido deterioramento dell'isolamento.

Dal punto di vista del riscaldamento dell'isolamento, l'entità e la durata del flusso di corrente che supera il valore nominale sono di grande importanza. Questi parametri dipendono principalmente dalla natura del processo tecnologico.

Sovraccarico di un motore elettrico di origine tecnologica

Sovraccarico del motore elettrico causato da un aumento periodico della coppia sull'albero della macchina condotta. In tali macchine e installazioni, la potenza del motore elettrico cambia continuamente. È difficile osservare un lungo periodo di tempo durante il quale la corrente rimane invariata in grandezza. Grandi momenti di resistenza a breve termine compaiono periodicamente sull'albero del motore, creando picchi di corrente.

Tali sovraccarichi di solito non provocano il surriscaldamento degli avvolgimenti del motore, che hanno un'inerzia termica relativamente elevata.Tuttavia, con una durata sufficientemente lunga e ripetizioni ripetute, riscaldamento pericoloso del motore elettrico… La difesa deve "distinguere" tra questi regimi. Non dovrebbe reagire a shock di carico a breve termine.

Altre macchine possono subire sovraccarichi relativamente piccoli ma a lungo termine. Gli avvolgimenti del motore si riscaldano gradualmente fino a una temperatura prossima al valore massimo consentito. Solitamente il motore elettrico ha una certa riserva di riscaldamento e piccole sovracorrenti, nonostante la durata dell'azione, non possono creare una situazione di pericolo. In questo caso, l'arresto non è necessario. In questo modo, anche in questo caso, la protezione del motore deve "distinguere" tra sovraccarichi pericolosi e non pericolosi.

Sovraccarichi di emergenza del motore elettrico

ad eccezione dei sovraccarichi di origine tecnologica, forse sovraccarichi di emergenza verificatisi per altri motivi (danneggiamento della linea di alimentazione, inceppamento di dispositivi funzionanti, caduta di tensione, ecc.). Creano particolari modalità di funzionamento di un motore a induzione e offrono i loro requisiti per dispositivi di sicurezza... Considera il comportamento di un motore a induzione nelle tipiche modalità di emergenza.

Sovraccarichi in funzionamento continuo con carico costante

I motori elettrici sono solitamente scelti con una certa riserva di carica. Inoltre, la maggior parte delle volte le macchine funzionano sotto carico. Di conseguenza, la corrente del motore è spesso ben al di sotto del valore nominale. I sovraccarichi si verificano, di norma, in caso di violazioni tecnologiche, guasti, inceppamenti e inceppamenti nella macchina funzionante.

Macchine come ventilatori, pompe centrifughe, nastri trasportatori e coclee hanno un carico silenzioso, costante o leggermente variabile.Variazioni a breve termine del flusso di materiale non hanno praticamente alcun effetto sul riscaldamento del motore elettrico. Possono essere ignorati. È un'altra questione se le violazioni delle normali condizioni di lavoro persistono a lungo.

La maggior parte degli azionamenti elettrici ha una certa riserva di carica. I sovraccarichi meccanici causano principalmente danni alle parti della macchina. Data la natura casuale del loro verificarsi, non è possibile che in determinate circostanze venga sovraccaricato anche il motore elettrico. Ad esempio, questo può accadere con i motori a vite. Le variazioni delle proprietà fisiche e meccaniche del materiale trasportato (umidità, granulometria, ecc.) si riflettono immediatamente sulla potenza necessaria per spostarlo. La protezione dovrebbe arrestare il motore elettrico in caso di sovraccarico che provochi un pericoloso surriscaldamento degli avvolgimenti.

Dal punto di vista dell'influenza delle sovracorrenti a lungo termine sull'isolamento, si dovrebbero distinguere due tipi di sovraccarichi: relativamente piccoli (fino al 50%) e grandi (oltre il 50%).

L'effetto del primo non si manifesta immediatamente, ma gradualmente, mentre gli effetti del secondo compaiono dopo poco tempo. Se l'aumento di temperatura al di sopra del valore consentito è minimo, l'invecchiamento dell'isolamento avviene lentamente. Piccoli cambiamenti nella struttura del materiale isolante si accumulano gradualmente. All'aumentare della temperatura, il processo di invecchiamento accelera notevolmente.

Penso che il surriscaldamento superiore a quello consentito per ogni 8 - 10 ° C dimezzi la durata dell'isolamento degli avvolgimenti del motore.Pertanto, il surriscaldamento di 40 ° C riduce la durata dell'isolamento di 32 volte! Anche se questo è molto, si presenta dopo molti mesi di lavoro.

A sovraccarichi elevati (oltre il 50%), l'isolamento collassa rapidamente sotto l'influenza delle alte temperature.

Per analizzare il processo di riscaldamento, utilizzeremo un modello di motore semplificato. Un aumento della corrente porta ad un aumento delle perdite variabili. La bobina inizia a riscaldarsi. La temperatura di isolamento varia secondo il grafico in figura. La velocità di aumento della temperatura allo stato stazionario dipende dall'entità della corrente.

Qualche tempo dopo il verificarsi di un sovraccarico, la temperatura degli avvolgimenti raggiunge il valore consentito per la data classe di isolamento. A forze G elevate sarà più breve, a forze G basse sarà più lungo. Pertanto, ogni valore di sovraccarico avrà il proprio tempo consentito che può essere considerato sicuro da isolare.

La dipendenza della durata ammissibile del sovraccarico dalla sua entità è chiamata caratteristica di sovraccarico del motore elettrico... Proprietà termofisiche motori elettrici di vario tipo presentano alcune differenze e anche le loro caratteristiche differiscono. Una di queste caratteristiche è mostrata in figura con una linea continua.

Caratteristica di sovraccarico del motore (linea continua) e caratteristica di protezione desiderata (linea tratteggiata)

Dalle caratteristiche fornite, possiamo formulare uno dei requisiti principali alla protezione da sovraccarico dipendente dalla corrente… Dovrebbe essere alzato a seconda dell'entità del sovraccarico.Questo permette di escludere falsi allarmi con picchi di corrente non pericolosi, che si verificano ad esempio all'avviamento del motore. La protezione dovrebbe funzionare solo quando cade nella zona di valori di corrente inaccettabili e la durata del suo flusso. La sua caratteristica desiderata, indicata in figura con una linea tratteggiata, deve sempre trovarsi al di sotto della caratteristica di sovraccarico del motore.

Il funzionamento della protezione è influenzato da una serie di fattori (inesattezza delle impostazioni, dispersione dei parametri, ecc.), A seguito dei quali si osservano deviazioni dai valori medi del tempo di risposta. Pertanto, la linea tratteggiata sul grafico dovrebbe essere vista come una sorta di caratteristica media. Per non incrociare le caratteristiche a seguito dell'azione di fattori casuali, che porteranno a un arresto errato del motore, è necessario prevedere un certo margine. Si dovrebbe infatti lavorare non con una caratteristica separata, ma con una zona di protezione, tenendo conto della distribuzione del tempo di reazione della protezione.

In termini di esatte azioni di protezione del motore, è auspicabile che entrambe le caratteristiche siano il più vicine possibile l'una all'altra. Ciò eviterà interventi non necessari in prossimità dei sovraccarichi consentiti. Tuttavia, se c'è un'ampia diffusione di entrambe le caratteristiche, questo non può essere raggiunto. Per non rientrare nella zona di valori correnti inaccettabili in caso di deviazioni casuali dai parametri calcolati, è necessario prevedere un certo margine.

La caratteristica di protezione deve trovarsi ad una certa distanza dalla caratteristica di sovraccarico del motore per escludere il loro reciproco incrocio.Ma questo porta alla perdita della precisione dell'azione di protezione del motore.

Nella regione delle correnti vicine al valore nominale, appare una zona di incertezza. Entrando in questa zona, è impossibile dire con certezza se la protezione funzionerà o meno.

Questo inconveniente è assente in protezione operante in funzione della temperatura dell'avvolgimento... A differenza della protezione da sovracorrente, agisce in funzione della causa dell'invecchiamento dell'isolamento, del suo riscaldamento. Quando viene raggiunta una temperatura pericolosa per l'avvolgimento, spegne il motore, indipendentemente dal motivo che ne ha causato il riscaldamento. Questo è uno dei principali vantaggi della protezione dalla temperatura.

Tuttavia, la mancanza di protezione da sovracorrente non dovrebbe essere sopravvalutata. Il fatto è che i motori hanno una certa riserva di corrente. La corrente nominale del motore è sempre inferiore alla corrente alla quale la temperatura degli avvolgimenti raggiunge il valore consentito. È stabilito, guidato da calcoli economici. Pertanto, al carico nominale, la temperatura degli avvolgimenti del motore è inferiore al valore consentito. A causa di ciò, viene creata una riserva termica del motore, che in una certa misura compensa la mancanza relè termici.

Molti fattori da cui dipende la condizione termica dell'isolamento presentano deviazioni casuali. A questo proposito, la specificazione delle caratteristiche non sempre dà il risultato sperato.

Sovraccarichi nel funzionamento continuo variabile

Alcuni organi di lavoro e meccanismi creano carichi che variano in un'ampia gamma, come nella frantumazione, macinazione e altre operazioni simili. Qui, i sovraccarichi periodici sono accompagnati da sottocarichi al minimo.L'eventuale aumento di corrente, preso a parte, non comporta un pericoloso innalzamento della temperatura. Tuttavia, se ce ne sono molti e si ripetono abbastanza spesso, l'effetto dell'aumento della temperatura sull'isolamento si accumula rapidamente.

Il processo di riscaldamento del motore elettrico a carico variabile differisce dal processo di riscaldamento a carico costante o leggermente variabile. La differenza si manifesta sia nel corso delle variazioni di temperatura sia nella natura del riscaldamento delle singole parti della macchina.

Al variare del carico, cambia anche la temperatura delle bobine. A causa dell'inerzia termica del motore, le fluttuazioni di temperatura sono meno diffuse. A una frequenza di carico sufficientemente elevata, la temperatura degli avvolgimenti può essere considerata praticamente invariata. Questo sarà equivalente al funzionamento continuo con carico costante. A bassa frequenza (dell'ordine di centesimi di hertz e inferiori) le fluttuazioni di temperatura diventano evidenti. Il surriscaldamento periodico dell'avvolgimento può ridurre la durata dell'isolamento.

Con grandi fluttuazioni di carico a bassa frequenza, il motore è costantemente in un processo transitorio. La sua temperatura della bobina cambia dopo le fluttuazioni del carico. Poiché le singole parti della macchina hanno parametri termofisici diversi, ognuna di esse si riscalda a modo suo.

L'andamento dei transitori termici a carico variabile è un fenomeno complesso e non sempre soggetto a calcolo. Pertanto, la temperatura degli avvolgimenti del motore non può essere stimata dalla corrente che scorre in un dato momento. A causa del fatto che le singole parti del motore elettrico vengono riscaldate in modi diversi, il calore passa da una parte all'altra nel motore elettrico.È anche possibile che dopo lo spegnimento del motore elettrico, la temperatura degli avvolgimenti dello statore aumenti a causa del calore fornito dal rotore. Pertanto, l'entità della corrente potrebbe non riflettere il grado di riscaldamento dell'isolamento. Va inoltre tenuto presente che in alcune modalità il rotore si riscalderà più intensamente e si raffredderà meno dello statore.

La complessità dei processi di trasferimento del calore rende difficile controllare il riscaldamento del motore... Anche la misurazione diretta della temperatura degli avvolgimenti può dare un errore in alcune condizioni. Il fatto è che nei processi termici instabili, la temperatura di riscaldamento di diverse parti della macchina può essere diversa e la misurazione contemporaneamente non può fornire un'immagine fedele. Tuttavia, la misurazione della temperatura della bobina è più accurata rispetto ad altri metodi.

Lavoro periodico può essere riferito al più sfavorevole dal punto di vista dell'azione della tutela. L'inclusione periodica nel lavoro implica la possibilità di sovraccarico motorio a breve termine. In questo caso, l'entità del sovraccarico deve essere limitata dalla condizione di riscaldamento degli avvolgimenti, che non supera il valore consentito.

La protezione "monitoraggio" dello stato di riscaldamento della bobina deve ricevere il relativo segnale. Poiché la corrente e la temperatura potrebbero non corrispondere tra loro in condizioni transitorie, la protezione basata sulla misurazione della corrente non può svolgere correttamente il suo ruolo.