Sobrecargas de corrente e seu efeito na operação e vida útil de motores elétricos

A análise de falhas de motores assíncronos mostra que a principal causa de sua falha é a quebra do isolamento devido ao superaquecimento.

Sobrecarga de um produto elétrico (dispositivo) — excedendo o valor real da potência ou corrente de um produto elétrico (dispositivo) acima do valor nominal. (GOST 18311-80).

A temperatura de aquecimento dos enrolamentos do motor elétrico depende das características térmicas do motor e dos parâmetros ambientais. Parte do calor gerado no motor vai para aquecer as bobinas, e o restante é liberado para o meio ambiente. O processo de aquecimento é afetado por parâmetros físicos como capacidade de calor e dissipação de calor.

Dependendo da condição térmica do motor elétrico e do ar circundante, o grau de influência dos mesmos pode variar.Se a diferença de temperatura entre o motor e o ambiente for pequena e a energia liberada for significativa, a maior parte dela é absorvida pelo enrolamento, aço do estator e rotor, carcaça do motor e suas outras partes. Há um aumento intenso da temperatura do isolamento... Com o aquecimento, o efeito da troca de calor se manifesta cada vez mais. O processo é estabelecido após atingir um equilíbrio entre o calor gerado e o calor liberado para o ambiente.

Aumentar a corrente acima do valor permitido não leva imediatamente a uma condição de emergência... Leva algum tempo para o estator e o rotor atingirem sua temperatura extrema. Portanto, não há necessidade da proteção reagir a cada sobrecorrente. Ela deve desligar a máquina apenas quando houver perigo de rápida deterioração do isolamento.

Do ponto de vista do aquecimento do isolamento, a magnitude e a duração do fluxo de corrente excedendo o valor nominal são de grande importância. Esses parâmetros dependem principalmente da natureza do processo tecnológico.

Sobrecarga de um motor elétrico de origem tecnológica

Sobrecarga do motor elétrico causada por um aumento periódico do torque no eixo da máquina acionada. Em tais máquinas e instalações, a potência do motor elétrico muda o tempo todo. É difícil observar um longo período de tempo durante o qual a corrente permanece inalterada em magnitude. Grandes momentos de resistência de curto prazo aparecem periodicamente no eixo do motor, criando picos de corrente.

Tais sobrecargas geralmente não causam superaquecimento dos enrolamentos do motor, que possuem uma inércia térmica relativamente alta.No entanto, com duração suficientemente longa e repetição repetida, aquecimento perigoso do motor elétrico… A defesa deve “distinguir” entre esses regimes. Não deve reagir a choques de carga de curto prazo.

Outras máquinas podem experimentar sobrecargas relativamente pequenas, mas de longo prazo. Os enrolamentos do motor aquecem gradualmente até uma temperatura próxima ao valor máximo permitido. Normalmente, o motor elétrico tem uma certa reserva de aquecimento e pequenas sobrecorrentes, apesar da duração da ação, não podem criar uma situação perigosa. Neste caso, o desligamento não é necessário. Desta forma, também aqui, a proteção do motor deve "distinguir" entre sobrecargas perigosas e não perigosas.

Sobrecargas de emergência do motor elétrico

com exceção de sobrecargas de origem tecnológica, talvez sobrecargas de emergência que ocorreram por outros motivos (danos na linha de alimentação, bloqueio de dispositivos de trabalho, queda de tensão, etc.). Eles criam modos particulares de operação de um motor de indução e oferecem seus requisitos para dispositivos de segurança... Considere o comportamento de um motor de indução em modos de emergência típicos.

Sobrecargas em operação contínua com carga constante

Os motores elétricos são geralmente escolhidos com uma certa reserva de energia. Além disso, na maioria das vezes as máquinas estão funcionando sob carga. Como resultado, a corrente do motor geralmente fica bem abaixo do valor nominal. As sobrecargas ocorrem, via de regra, no caso de violações tecnológicas, avarias, travamentos e travamentos na máquina de trabalho.

Máquinas como ventiladores, bombas centrífugas, correias transportadoras e parafusos têm uma carga silenciosa, constante ou ligeiramente variável.Mudanças de curto prazo no fluxo de material praticamente não afetam o aquecimento do motor elétrico. Eles podem ser ignorados. É outra questão se as violações das condições normais de trabalho persistirem por muito tempo.

A maioria dos acionamentos elétricos tem uma certa reserva de energia. As sobrecargas mecânicas causam principalmente danos às peças da máquina. Dada a natureza aleatória de sua ocorrência, não é possível garantir que, em determinadas circunstâncias, o motor elétrico também seja sobrecarregado. Por exemplo, isso pode acontecer com motores de parafuso. Mudanças nas propriedades físicas e mecânicas do material transportado (umidade, tamanho de partícula, etc.) são imediatamente refletidas na força necessária para movê-lo. A proteção deve desligar o motor elétrico em caso de sobrecarga causando superaquecimento perigoso dos enrolamentos.

Do ponto de vista da influência das sobrecorrentes de longa duração no isolamento, devem ser distinguidos dois tipos de sobrecargas: relativamente pequenas (até 50%) e grandes (mais de 50%).

O efeito do primeiro não aparece imediatamente, mas gradualmente, enquanto os efeitos do segundo aparecem após um curto período de tempo. Se o aumento de temperatura acima do valor permitido for pequeno, o envelhecimento do isolamento ocorre lentamente. Pequenas mudanças na estrutura do material isolante se acumulam gradualmente. À medida que a temperatura aumenta, o processo de envelhecimento acelera significativamente.

Acho que o superaquecimento acima do permitido para cada 8 - 10 ° C reduz pela metade a vida útil do isolamento dos enrolamentos do motor.Portanto, o superaquecimento de 40 ° C reduz a vida útil do isolamento em 32 vezes! Embora isso seja muito, ele aparece depois de muitos meses de trabalho.

Em altas sobrecargas (mais de 50%), o isolamento colapsa rapidamente sob a influência de altas temperaturas.

Para analisar o processo de aquecimento, usaremos um modelo de motor simplificado. Um aumento na corrente leva a um aumento nas perdas variáveis. A bobina começa a aquecer. A temperatura do isolamento muda de acordo com o gráfico da figura. A taxa de aumento de temperatura em estado estacionário depende da magnitude da corrente.

Algum tempo depois de ocorrer uma sobrecarga, a temperatura dos enrolamentos atinge o valor admissível para determinada classe de isolamento. Em altas forças G, será mais curto, em baixas forças G, será mais longo. Assim, cada valor de sobrecarga terá seu próprio tempo permitido que pode ser considerado seguro para isolar.

A dependência da duração permitida da sobrecarga em sua magnitude é chamada de característica de sobrecarga do motor elétrico... Propriedades termofísicas motores elétricos de vários tipos têm algumas diferenças e suas características também diferem. Um desses recursos é mostrado na figura com uma linha contínua.

Característica de sobrecarga do motor (linha sólida) e característica de proteção desejada (linha tracejada)

A partir das características dadas, podemos formular um dos principais requisitos para proteção de sobrecarga dependente de corrente… Deve ser elevado dependendo da magnitude da sobrecarga.Isso permite excluir falsos alarmes com picos de corrente não perigosos, que ocorrem, por exemplo, quando o motor é ligado. A proteção deve funcionar apenas quando cair na zona de valores de corrente inaceitáveis ​​​​e na duração de seu fluxo. Sua característica desejada, mostrada na figura com uma linha tracejada, deve sempre ficar abaixo da característica de sobrecarga do motor.

A operação da proteção é afetada por vários fatores (imprecisão de configurações, dispersão de parâmetros, etc.), como resultado dos quais são observados desvios dos valores médios do tempo de resposta. Portanto, a linha tracejada no gráfico deve ser vista como algum tipo de característica média. Para não cruzar as características como resultado da ação de fatores aleatórios, o que levará à parada incorreta do motor, é necessário fornecer uma certa margem. Na verdade, não se deve trabalhar com uma característica separada, mas com uma zona de proteção, levando em consideração a distribuição do tempo de reação da proteção.

Em termos de ações exatas de proteção do motor, é desejável que ambas as características sejam o mais próximas possível uma da outra. Isso evitará disparos desnecessários perto das sobrecargas permitidas. No entanto, se houver uma grande dispersão de ambas as características, isso não pode ser alcançado. Para não cair na zona de valores de corrente inaceitáveis ​​em caso de desvios aleatórios dos parâmetros calculados, é necessário fornecer uma certa margem.

A característica de proteção deve estar localizada a uma certa distância da característica de sobrecarga do motor para excluir seu cruzamento mútuo.Mas isso leva à perda da precisão da ação de proteção do motor.

Na região de correntes próximas ao valor nominal, aparece uma zona de incerteza. Ao entrar nesta zona, é impossível dizer com certeza se a proteção funcionará ou não.

Esta desvantagem está ausente em proteção operando dependendo da temperatura do enrolamento... Ao contrário da proteção de sobrecorrente, atua dependendo da causa do envelhecimento do isolamento, seu aquecimento. Ao atingir uma temperatura perigosa para o enrolamento, ele desliga o motor, independentemente do motivo que ocasionou o aquecimento. Esta é uma das principais vantagens da proteção contra a temperatura.

No entanto, a falta de proteção contra sobrecorrente não deve ser exagerada. O fato é que os motores têm uma certa reserva de corrente. A corrente nominal do motor é sempre menor que a corrente na qual a temperatura dos enrolamentos atinge o valor permitido. É estabelecido, guiado por cálculos econômicos. Portanto, em carga nominal, a temperatura dos enrolamentos do motor está abaixo do valor permitido. Com isso, é criada uma reserva térmica do motor, que de certa forma compensa a falta relés térmicos.

Muitos fatores dos quais depende a condição térmica do isolamento têm desvios aleatórios. A este respeito, a especificação de características nem sempre dá o resultado desejado.

Sobrecargas em operação contínua variável

Alguns corpos de trabalho e mecanismos criam cargas que variam em uma ampla faixa, como na britagem, moagem e outras operações semelhantes. Aqui, as sobrecargas periódicas são acompanhadas por subcargas para ocioso.Qualquer aumento de corrente, tomado separadamente, não leva a um aumento perigoso de temperatura. No entanto, se houver muitos e forem repetidos com bastante frequência, o efeito do aumento da temperatura no isolamento se acumula rapidamente.

O processo de aquecimento do motor elétrico com carga variável difere do processo de aquecimento com carga constante ou ligeiramente variável. A diferença se manifesta tanto no curso das mudanças de temperatura quanto na natureza do aquecimento de partes individuais da máquina.

À medida que a carga muda, também muda a temperatura das bobinas. Devido à inércia térmica do motor, as flutuações de temperatura são menos difundidas. Em uma frequência de carregamento suficientemente alta, a temperatura dos enrolamentos pode ser considerada praticamente inalterada. Isso será equivalente à operação contínua com carga constante. Em baixa frequência (da ordem de centésimos de hertz e inferior), as flutuações de temperatura tornam-se perceptíveis. O superaquecimento periódico do enrolamento pode encurtar a vida útil do isolamento.

Com grandes flutuações de carga em baixa frequência, o motor está constantemente em um processo transitório. A temperatura da bobina muda após flutuações de carga. Como as partes individuais da máquina têm diferentes parâmetros termofísicos, cada uma delas aquece à sua maneira.

O curso dos transientes térmicos sob carga variável é um fenômeno complexo e nem sempre passível de cálculo. Portanto, a temperatura dos enrolamentos do motor não pode ser estimada a partir da corrente que flui em um determinado momento. Devido ao fato de que as partes individuais do motor elétrico são aquecidas de maneiras diferentes, o calor passa de uma parte para outra no motor elétrico.Também é possível que, após desligar o motor elétrico, a temperatura dos enrolamentos do estator suba devido ao calor fornecido pelo rotor. Assim, a magnitude da corrente pode não refletir o grau de aquecimento do isolamento. Também deve-se ter em mente que, em alguns modos, o rotor aquece mais intensamente e esfria menos que o estator.

A complexidade dos processos de transferência de calor dificulta o controle do aquecimento do motor... Mesmo a medição direta da temperatura dos enrolamentos pode dar erro em algumas condições. O fato é que em processos de aquecimento instáveis, a temperatura de aquecimento de diferentes partes da máquina pode ser diferente e a medição de uma só vez não pode fornecer uma imagem verdadeira. No entanto, a medição da temperatura da bobina é mais precisa do que outros métodos.

trabalho periódico pode ser referido como o mais desfavorável do ponto de vista da ação da proteção. A inclusão periódica no trabalho implica a possibilidade de sobrecarga motora de curto prazo. Nesse caso, a magnitude da sobrecarga deve ser limitada pela condição de aquecimento dos enrolamentos, que não ultrapasse o valor admissível.

A proteção “monitorando” o estado de aquecimento da bobina deve receber o sinal correspondente. Como a corrente e a temperatura podem não corresponder uma à outra em condições transitórias, a proteção baseada na medição de corrente não pode desempenhar seu papel adequadamente.