Токовые перегрузки электродвигателей – основная причина их выхода из строя. Чаще всего они приводят к перегреву изоляции, что ускоряет ее разрушение. На температуру нагрева обмоток движка влияют:
Вырабатываемое двигателем тепло частично расходуется на нагрев обмоток, остаток тепла выделяется во внешнюю среду. При незначительной разнице температур окружающей среды и мотора и большом объеме производимой энергии основную ее часть поглощает обмотка, сталь ротора и статора, корпус агрегата и другие его узлы. Это приводит к ускоренному росту температуры изоляции. Чем больше нагрев – тем больше теплоотдача, поэтому оптимальное соотношение температур устанавливается в момент, когда количество выделяемого тепла примерно равно количеству тепла, поглощаемого внешней средой.
Поскольку требуется достаточно большое время на то, чтобы ротор и статор нагрелись до предельной температуры, повышение тока, превосходящее допустимое значение, приводит к возникновению аварийной ситуации не сразу. Исходя из этого, защита рассчитывается таким образом, чтобы она не реагировала на малейшее превышение тока, а отключала двигатель только в случае опасности скорого износа изоляции.
На нагрев изоляции в большой степени влияют такие параметры, как длительности и величина протекания токов больше номинального значения, зависящие от характера технологических процессов.
Перегрузки электродвигателей могут быть вызваны разными причинами, которые мы рассмотрим ниже.
Они обычно вызваны периодически происходящим увеличением момента на валу рабочего устройства (станка, установки), мощность двигателя которого постоянно изменяется. Броски тока провоцируются кратковременными большими моментами сопротивления (они возникают периодически). Так как обмотки двигателя имеют достаточно большую тепловую инерцию, перегрев возникает не сразу, а после неоднократных и длительных перегрузок. Поэтому защита должна включаться не при кратковременных нагрузках, а при опасном нагреве агрегата.
В машинах определенного типа возникают длительные, но сравнительно небольшие нагрузки. При этом происходит постепенный нагрев обмоток движка до близкой к предельно допустимому значению температуры. Поскольку электродвигатель подбирается с запасом по нагреву, такие незначительные превышения показателя тока даже продолжительного действия не приводят к возникновению опасной ситуации. Отключения механизма в этом случае не происходит, так как защита «определяет» перегрузку такого характера как неопасную.
Причиной аварийных перегрузок могут быть:
Выбор средства защиты в этих случаях зависит от режима работы асинхронного двигателя. Ниже мы перечислим основные типы аварийных режимов.
Длительный режим работы с постоянной нагрузкой. В этом случае перегрузки возникают при:
При отсутствии этих факторов возможность перегрузки очень низка, так как, покупая электродвигатель, обычно выбирают модель с достаточным запасом мощности, и агрегат работает с недогрузкой (когда ток движка намного ниже номинального значения) большую часть времени.
С постоянной или слабо изменяющейся нагрузкой работают центробежные насосы, вентиляторы, шнековые и ленточные транспортеры и т.д. В этих устройствах нагрев двигателя практически не изменяется при кратковременных изменениях подачи материала. Если же механизм работает с нарушением нормальных условий длительное время, перегрузки могут оказать пагубное влияние на состояние обмоток.
Поломка деталей провоцируется прежде всего механическими перегрузками. Определить, при каких обстоятельствах электродвигатель окажется перегруженным, не представляется возможным, так как характер возникновения поломок такого рода случаен. Например, перегрузка может возникнуть при изменении физико-механических свойств транспортируемых материалов (размер частиц, влажность и т.п.) – когда вследствие этих изменений требуется большая мощность на их перемещение. Двигатель отключается защитой при перегрузках, которые могут вызвать опасный перегрев обмоток.
Главное требование к защите от перегрузок – ее срабатывание только при недопустимых значениях тока и определенной длительности его протекания. Ложные срабатывания (например, при пуске движка) должны быть исключены. Наряду с токовой защитой на агрегат устанавливается защита, действующая в функции температуры обмоток. Независимо от причины нагрева она отключает двигатель, когда температура обмоток достигает опасной величины.
По влиянию длительных превышений тока перегрузки подразделяются на небольшие и большие. Последствия первых проявляются постепенно, но по мере увеличения температуры процесс разрушения изоляции намного ускоряется. При перегреве на 10 градусов срок службы изоляции обмоток сокращается вдвое, но последствия можно обнаружить только после нескольких месяцев эксплуатации. Перегрузки второго типа разрушают изоляцию очень быстро.
Переменный длительный режим работы. Рабочие узлы машин для измельчения и дробления и других подобных устройств создают изменяющуюся в больших пределах нагрузку. При таком режиме перегрузки могут чередоваться с недогрузками и работой вхолостую. Если увеличение тока происходит часто, оно носит накопительный характер, что приводит к разрушению изоляции.
Колебания температуры обмотки практически незаметны, если частота нагрузки высокая, но их амплитуда гораздо больше при низкой частоте нагрузки (сотые доли герца).
Изменение нагрузки моментально влечет за собой изменение температуры обмоток. Из-за разницы теплофизических параметров отдельных частей устройства их нагрев неравномерен, и внутри механизма происходит переток тепла из одних узлов в другие. Температура обмоток статора может расти даже после отключения двигателя за счет тепла, передающегося от ротора. То есть, в этом случае степень нагрева изоляции зависит не только от величины тока, но и от тепловых свойств узлов машины.
Контролировать нагрев электродвигателя достаточно трудно из-за сложности процесса теплообмена, но более или менее точный результат можно получить путем измерения температуры обмотки (но и тут возможна некоторая погрешность).
Повторно-кратковременный режим работы. Он считается самым неблагоприятным для сохранности изоляции обмотки, поскольку кратковременная перегрузка электродвигателя происходит при каждом включении в работу. Защита часто не справляется со своей ролью, так как ее действие основано на измерении тока, а в переходных режимах температура и ток часто не соответствуют друг другу.
Влияние на электродвигатели токовых перегрузок – сложное явление, изучение которого требует основательного подхода и тщательных расчетов.
