עומסי זרם והשפעתם על פעולתם וחיי השירות של מנועים חשמליים
ניתוח של כשלים במנוע אסינכרוני מראה שהגורם העיקרי לכשל שלהם הוא התמוטטות בידוד עקב התחממות יתר.
עומס יתר של מוצר חשמלי (מכשיר) - חריגה מהערך האמיתי של ההספק או הזרם של מוצר חשמלי (מכשיר) מעל הערך הנקוב. (GOST 18311-80).
טמפרטורת החימום של פיתולי המנוע החשמלי תלויה במאפיינים התרמיים של המנוע ובפרמטרים הסביבתיים. חלק מהחום שנוצר במנוע הולך לחימום הסלילים, והשאר משתחרר לסביבה. תהליך החימום מושפע מפרמטרים פיזיים כגון קיבולת חום ופיזור חום.
בהתאם למצב התרמי של המנוע החשמלי והאוויר שמסביב, מידת השפעתם עשויה להשתנות.אם הפרש הטמפרטורה בין המנוע לסביבה קטן והאנרגיה המשתחררת משמעותית, אזי החלק העיקרי שלה נספג בפלדת המתפתלים, הסטטור והרוטור, בית המנוע ושאר חלקיו. ישנה עלייה עזה בטמפרטורת הבידוד... בחימום השפעת חילופי החום באה לידי ביטוי יותר ויותר. התהליך נוצר לאחר הגעה לשיווי משקל בין החום שנוצר לחום המשתחרר לסביבה.
הגדלת הזרם מעל הערך המותר לא מביאה מיד למצב חירום... לוקח קצת זמן עד שהסטטור והרוטור מגיעים לטמפרטורה הקיצונית שלהם. לכן, אין צורך שההגנה תגיב לכל זרם יתר. עליה לכבות את המכונה רק כאשר קיימת סכנה להידרדרות מהירה של הבידוד.
מנקודת המבט של חימום בידוד, יש חשיבות רבה לגודל ומשך זרימת הזרם העולה על הערך הנומינלי. פרמטרים אלו תלויים בעיקר באופי התהליך הטכנולוגי.
עומס יתר של מנוע חשמלי ממקור טכנולוגי
עומס יתר של המנוע החשמלי הנגרמת על ידי עלייה תקופתית במומנט על הציר של המכונה המונעת. במכונות ומתקנים כאלה, עוצמת המנוע החשמלי משתנה כל הזמן. קשה להבחין בפרק זמן ארוך שבו הזרם נותר ללא שינוי בגודלו. רגעי התנגדות גדולים לטווח קצר מופיעים מעת לעת על ציר המנוע, ויוצרים עליות זרם.
עומסי יתר כאלה בדרך כלל אינם גורמים להתחממות יתר של פיתולי המנוע, בעלי אינרציה תרמית גבוהה יחסית.עם זאת, עם משך ארוך מספיק וחזרות חוזרות ונשנות, חימום מסוכן של המנוע החשמלי... ההגנה חייבת "להבחין" בין המשטרים הללו. זה לא אמור להגיב לזעזועי עומס לטווח קצר.
מכונות אחרות עלולות לחוות עומסי יתר קטנים יחסית אך לטווח ארוך. פיתולי המנוע מתחממים בהדרגה לטמפרטורה הקרובה לערך המרבי המותר. לרוב, למנוע החשמלי יש רזרבה מסוימת של חימום וזרמי יתר קטנים, למרות משך הפעולה, אינם יכולים ליצור מצב מסוכן. במקרה זה, הכיבוי אינו הכרחי. באופן זה, גם כאן, על מיגון המנוע "להבחין" בין עומסי יתר מסוכנים לבלתי מסוכנים.
עומסי חירום של המנוע החשמלי
למעט עומס יתר ממקור טכנולוגי, אולי עומסי חירום שהתרחשו מסיבות אחרות (פגיעה בקו אספקת החשמל, חסימה של מכשירים עובדים, נפילת מתח וכדומה). הם יוצרים מצבי פעולה מסוימים של מנוע אינדוקציה ומציעים את הדרישות שלהם להתקני בטיחות... שקול את ההתנהגות של מנוע אינדוקציה במצבי חירום טיפוסיים.
עומסי יתר בפעולה רציפה עם עומס קבוע
מנועים חשמליים נבחרים בדרך כלל עם עתודת כוח מסוימת. כמו כן, רוב הזמן המכונות פועלות בעומס. כתוצאה מכך, זרם המנוע לרוב נמוך בהרבה מהערך המדורג. עומסי יתר מתרחשים, ככלל, במקרה של הפרות טכנולוגיות, תקלות, חסימה ותפיסה במכונה הפועלת.
למכונות כגון מאווררים, משאבות צנטריפוגליות, מסועים וברגים יש עומס שקט, קבוע או מעט משתנה.לשינויים קצרי טווח בזרימת החומר אין כמעט השפעה על חימום המנוע החשמלי. אפשר להתעלם מהם. זה עניין אחר אם ההפרות של תנאי העבודה הרגילים יישארו לאורך זמן.
לרוב הכוננים החשמליים יש עתודת כוח מסוימת. עומסי יתר מכניים גורמים בעיקר לנזק לחלקי המכונה. בהתחשב באופי האקראי של התרחשותם, לא יכול להיות בטוח שבנסיבות מסוימות גם המנוע החשמלי יועמס יתר על המידה. לדוגמה, זה יכול לקרות עם מנועי בורג. שינויים בתכונות הפיזיקליות והמכניות של החומר המובל (לחות, גודל חלקיקים וכו') באים לידי ביטוי מיד בכוח הנדרש להנעתו. ההגנה צריכה לכבות את המנוע החשמלי במקרה של עומס יתר הגורם להתחממות יתר מסוכנת של הפיתולים.
מנקודת מבט של השפעת זרמי יתר ארוכי טווח על הבידוד, יש להבחין בין שני סוגי עומסי יתר: קטנים יחסית (עד 50%) וגדולים (יותר מ-50%).
ההשפעה של הראשונה אינה מופיעה מיד, אלא בהדרגה, בעוד ההשפעות של האחרונות מופיעות לאחר זמן קצר. אם עליית הטמפרטורה מעל הערך המותר קטנה, ההזדקנות של הבידוד מתרחשת לאט. שינויים קטנים במבנה חומר הבידוד מצטברים בהדרגה. ככל שהטמפרטורה עולה, תהליך ההזדקנות מואץ באופן משמעותי.
אני חושב שהתחממות יתר מעל המותר עבור כל 8 - 10 מעלות צלזיוס מפחיתה בחצי את חיי השירות של הבידוד של פיתולי המנוע.לכן, התחממות יתר ב-40 מעלות צלזיוס מפחיתה את חיי הבידוד פי 32! למרות שזה הרבה, זה מופיע אחרי חודשים רבים של עבודה.
בעומסי יתר גבוהים (יותר מ-50%), הבידוד קורס במהירות בהשפעת טמפרטורות גבוהות.
כדי לנתח את תהליך החימום, נשתמש במודל מנוע פשוט. עלייה בזרם מובילה לעלייה בהפסדים משתנים. הסליל מתחיל להתחמם. טמפרטורת הבידוד משתנה בהתאם לגרף באיור. קצב עליית הטמפרטורה במצב יציב תלוי בגודל הזרם.
זמן מה לאחר מתרחש עומס יתר, טמפרטורת הפיתולים מגיעה לערך המותר עבור סוג הבידוד הנתון. בכוחות G גבוהים הוא יהיה קצר יותר, בכוחות G נמוכים הוא יהיה ארוך יותר. לפיכך, לכל ערך עומס יתר יהיה זמן מותר משלו שיכול להיחשב בטוח לבידוד.
התלות של משך עומס היתר המותר בגודלו נקראת מאפיין עומס יתר של המנוע החשמלי... תכונות תרמופיזיקליות מנועים חשמליים מסוגים שונים יש כמה הבדלים וגם המאפיינים שלהם שונים. אחת מהתכונות הללו מוצגת באיור עם קו אחיד.
מאפיין עומס יתר של המנוע (קו מוצק) ומאפיין הגנה רצוי (קו מקווקו)
מתוך המאפיינים הנתונים, נוכל לנסח את אחת הדרישות העיקריות להגנה מפני עומס יתר תלוי זרם... יש להעלות אותו בהתאם לגודל עומס היתר.זה מאפשר לשלול אזעקות שווא עם דוקר זרם לא מסוכן, המתרחשות למשל כאשר המנוע מופעל. ההגנה צריכה לעבוד רק כאשר היא נופלת לאזור של ערכי זרם בלתי מקובלים ומשך הזרימה שלה. המאפיין הרצוי שלו, המוצג באיור עם קו מקווקו, חייב להיות תמיד מתחת למאפיין עומס היתר של המנוע.
פעולת ההגנה מושפעת ממספר גורמים (אי דיוק הגדרות, פיזור פרמטרים וכו'), כתוצאה מכך נצפות סטיות מהערכים הממוצעים של זמן התגובה. לכן, יש לראות את הקו המקווקו בגרף כמאפיין ממוצע כלשהו. כדי לא לחצות את המאפיינים כתוצאה מפעולה של גורמים אקראיים, שיובילו לעצירה לא נכונה של המנוע, יש צורך לספק מרווח מסוים. למעשה, יש לעבוד לא עם מאפיין נפרד, אלא עם אזור הגנה, תוך התחשבות בחלוקת זמן התגובה של ההגנה.
מבחינת פעולות הגנה מוטוריות מדויקות, רצוי ששני המאפיינים יהיו קרובים ככל האפשר זה לזה. זה ימנע מעידה מיותרת בעומסי יתר קרובים למותרים. עם זאת, אם יש פיזור גדול של שני המאפיינים, לא ניתן להשיג זאת. כדי לא ליפול לאזור הערכים הנוכחיים הבלתי מקובלים במקרה של סטיות אקראיות מהפרמטרים המחושבים, יש צורך לספק מרווח מסוים.
מאפיין המגן חייב להיות ממוקם במרחק מסוים ממאפיין עומס יתר של המנוע כדי למנוע את החצייה ההדדית שלהם.אבל זה מוביל לאובדן הדיוק של פעולת ההגנה המוטורית.
באזור הזרמים הקרובים לערך הנומינלי, מופיע אזור אי ודאות. כשנכנסים לאזור זה, אי אפשר לומר בוודאות אם ההגנה תעבוד או לא.
חסרון זה נעדר ב הגנה פועלת בהתאם לטמפרטורת הפיתול... בניגוד להגנה מפני זרם יתר, היא פועלת בהתאם לגורם להזדקנות הבידוד, לחימום שלו. כאשר מגיעים לטמפרטורה מסוכנת לליפוף, הוא מכבה את המנוע, ללא קשר לסיבה שגרמה לחימום. זהו אחד היתרונות העיקריים להגנה מפני טמפרטורה.
עם זאת, אין להפריז בחוסר הגנת זרם יתר. העובדה היא שלמנועים יש רזרבה נוכחית מסוימת. הזרם הנקוב של המנוע תמיד נמוך מהזרם שבו הטמפרטורה של הפיתולים מגיעה לערך המותר. הוא מבוסס, מונחה על ידי חישובים כלכליים. לכן, בעומס מדורג, הטמפרטורה של פיתולי המנוע נמוכה מהערך המותר. בשל כך, נוצרת רזרבה תרמית של המנוע, אשר מפצה במידה מסוימת על החוסר ממסרים תרמיים.
לגורמים רבים שבהם תלוי המצב התרמי של הבידוד יש סטיות אקראיות. בהקשר זה, מפרט המאפיינים לא תמיד נותן את התוצאה הרצויה.
עומסי יתר בפעולה רציפה משתנה
חלק מהגופים והמנגנונים הפועלים יוצרים עומסים המשתנים בטווח רחב, כמו ריסוק, גריסה ופעולות דומות אחרות. כאן, עומסי יתר תקופתיים מלווים בעומסים תת-סרק.כל עלייה בזרם, נלקחת בנפרד, אינה מובילה לעלייה מסוכנת בטמפרטורה. עם זאת, אם יש הרבה והם חוזרים על עצמם לעתים קרובות מספיק, השפעת הטמפרטורה המוגברת על הבידוד מצטברת במהירות.
תהליך החימום של המנוע החשמלי בעומס משתנה שונה מתהליך החימום בעומס קבוע או מעט משתנה. ההבדל בא לידי ביטוי הן במהלך שינויי הטמפרטורה והן באופי החימום של חלקים בודדים של המכונה.
ככל שהעומס משתנה, כך גם הטמפרטורה של הסלילים משתנה. בשל האינרציה התרמית של המנוע, תנודות הטמפרטורה פחות נפוצות. בתדירות גבוהה מספיק של העמסה, טמפרטורת הפיתולים יכולה להיחשב כמעט ללא שינוי. זה יהיה שווה ערך לפעולה רציפה עם עומס קבוע. בתדירות נמוכה (מסדר גודל של מאיות הרץ ומטה) תנודות הטמפרטורה הופכות בולטות. התחממות יתר תקופתית של הפיתול יכולה לקצר את חיי הבידוד.
עם תנודות עומס גדולות בתדר נמוך, המנוע נמצא כל הזמן בתהליך חולף. טמפרטורת הסליל שלו משתנה לאחר תנודות עומס. מכיוון שלחלקים בודדים של המכונה יש פרמטרים תרמופיזיים שונים, כל אחד מהם מתחמם בדרכו שלו.
מהלך המעברים התרמיים בעומס משתנה הוא תופעה מורכבת ולא תמיד נתון לחישוב. לכן, לא ניתן להעריך את הטמפרטורה של פיתולי המנוע מהזרם הזורם בכל זמן נתון. בשל העובדה שהחלקים הבודדים של המנוע החשמלי מחוממים בדרכים שונות, החום עובר מחלק אחד למשנהו במנוע החשמלי.ייתכן גם שלאחר כיבוי המנוע החשמלי, הטמפרטורה של פיתולי הסטטור תעלה עקב החום שמספק הרוטור. לפיכך, גודל הזרם עשוי שלא לשקף את מידת החימום של הבידוד. כמו כן, יש לזכור שבמצבים מסוימים הרוטור יתחמם בצורה אינטנסיבית יותר ויתקרר פחות מהסטטור.
המורכבות של תהליכי העברת החום מקשה על השליטה בחימום המנוע... אפילו מדידה ישירה של טמפרטורת הפיתולים יכולה לתת שגיאה בתנאים מסוימים. העובדה היא שבתהליכי חום לא יציבים, טמפרטורת החימום של חלקים שונים של המכונה יכולה להיות שונה, והמדידה בבת אחת לא יכולה לתת תמונה אמיתית. עם זאת, מדידת טמפרטורת הסליל מדויקת יותר משיטות אחרות.
עבודה תקופתית ניתן להתייחס לבלתי חיוביים ביותר מנקודת מבט של פעולת ההגנה. הכללה תקופתית בעבודה מרמזת על אפשרות של עומס מוטורי לטווח קצר. במקרה זה, גודל עומס היתר חייב להיות מוגבל על ידי מצב חימום הפיתולים, שאינו עולה על הערך המותר.
ההגנה "המנטרת" את מצב החימום של הסליל חייבת לקבל את האות המתאים. מכיוון שזרם וטמפרטורה עשויים שלא להתאים זה לזה בתנאי חולף, הגנה המבוססת על מדידת זרם אינה יכולה לבצע את תפקידה כראוי.