Sobrecargas de corriente y su efecto en el funcionamiento y la vida útil de los motores eléctricos.

El análisis de las fallas de los motores asíncronos muestra que la principal causa de su falla es la ruptura del aislamiento debido al sobrecalentamiento.

Sobrecarga de un producto (dispositivo) eléctrico: exceder el valor real de la potencia o la corriente de un producto (dispositivo) eléctrico por encima del valor nominal. (GOST 18311-80).

La temperatura de calentamiento de los devanados del motor eléctrico depende de las características térmicas del motor y de los parámetros ambientales. Parte del calor generado en el motor se destina a calentar las bobinas y el resto se libera al medio ambiente. El proceso de calentamiento se ve afectado por parámetros físicos como la capacidad calorífica y la disipación de calor.

Dependiendo de la condición térmica del motor eléctrico y del aire circundante, el grado de su influencia puede variar.Si la diferencia de temperatura entre el motor y el ambiente es pequeña y la energía liberada es significativa, entonces la mayor parte es absorbida por el devanado, el estator y el acero del rotor, la carcasa del motor y sus otras partes. Hay un aumento intenso de la temperatura del aislamiento... Con el calentamiento, el efecto del intercambio de calor se manifiesta cada vez más. El proceso se establece después de alcanzar un equilibrio entre el calor generado y el calor liberado al ambiente.

El aumento de la corriente por encima del valor permitido no conduce inmediatamente a una condición de emergencia... El estator y el rotor tardan un tiempo en alcanzar su temperatura extrema. Por lo tanto, no es necesario que la protección reaccione ante cada sobrecorriente. Debe apagar la máquina solo cuando exista el peligro de un rápido deterioro del aislamiento.

Desde el punto de vista del calentamiento del aislamiento, la magnitud y la duración del flujo de corriente que excede el valor nominal son de gran importancia. Estos parámetros dependen principalmente de la naturaleza del proceso tecnológico.

Sobrecarga de un motor eléctrico de origen tecnológico

Sobrecarga del motor eléctrico provocada por un aumento periódico del par en el eje de la máquina accionada. En tales máquinas e instalaciones, la potencia del motor eléctrico cambia todo el tiempo. Es difícil observar un largo período de tiempo durante el cual la corriente permanece sin cambios en magnitud. Grandes momentos de resistencia a corto plazo aparecen periódicamente en el eje del motor, creando picos de corriente.

Tales sobrecargas normalmente no provocan el sobrecalentamiento de los devanados del motor, que tienen una inercia térmica relativamente alta.Sin embargo, con una duración suficientemente larga y repetidas repeticiones, calentamiento peligroso del motor eléctrico… La defensa debe “distinguir” entre estos regímenes. No debe reaccionar a choques de carga a corto plazo.

Otras máquinas pueden experimentar sobrecargas relativamente pequeñas pero prolongadas. Los devanados del motor se calientan gradualmente hasta una temperatura cercana al valor máximo permitido. Normalmente, el motor eléctrico tiene una cierta reserva de calentamiento y pequeñas sobrecorrientes, a pesar de la duración de la acción, no pueden crear una situación peligrosa. En este caso, el apagado no es necesario. De esta manera, también aquí, la protección del motor debe "distinguir" entre sobrecargas peligrosas y no peligrosas.

Sobrecargas de emergencia del motor eléctrico

a excepción de las sobrecargas de origen tecnológico, quizás las sobrecargas de emergencia ocurridas por otros motivos (daño en la línea de alimentación, atasco de los dispositivos en funcionamiento, caída de tensión, etc.). Crean modos particulares de operación de un motor de inducción y ofrecen sus requisitos para dispositivos de seguridad... Considere el comportamiento de un motor de inducción en modos de emergencia típicos.

Sobrecargas en funcionamiento continuo con carga constante

Los motores eléctricos suelen elegirse con una cierta reserva de potencia. Además, la mayor parte del tiempo las máquinas funcionan bajo carga. Como resultado, la corriente del motor suele estar muy por debajo del valor nominal. Las sobrecargas ocurren, por regla general, en el caso de violaciones tecnológicas, averías, atascos y atascos en la máquina de trabajo.

Máquinas como ventiladores, bombas centrífugas, cintas transportadoras y tornillos tienen una carga silenciosa, constante o ligeramente variable.Los cambios a corto plazo en el flujo de material prácticamente no tienen ningún efecto sobre el calentamiento del motor eléctrico. Se pueden ignorar. Otra cosa es si las violaciones de las condiciones normales de trabajo se mantienen durante mucho tiempo.

La mayoría de los accionamientos eléctricos tienen una cierta reserva de energía. Las sobrecargas mecánicas provocan principalmente daños en las piezas de la máquina. Dada la naturaleza aleatoria de su ocurrencia, no se puede asegurar que bajo ciertas circunstancias el motor eléctrico también se sobrecargue. Por ejemplo, esto puede suceder con motores de tornillo. Los cambios en las propiedades físicas y mecánicas del material transportado (humedad, tamaño de partícula, etc.) se reflejan inmediatamente en la potencia requerida para moverlo. La protección debe apagar el motor eléctrico en caso de sobrecarga que provoque un sobrecalentamiento peligroso de los devanados.

Desde el punto de vista de la influencia de las sobrecorrientes de larga duración sobre el aislamiento, se deben distinguir dos tipos de sobrecargas: relativamente pequeñas (hasta el 50%) y grandes (más del 50%).

El efecto del primero no aparece inmediatamente, sino de forma gradual, mientras que los efectos del segundo aparecen al poco tiempo. Si el aumento de temperatura por encima del valor permitido es pequeño, el envejecimiento del aislamiento se produce lentamente. Los pequeños cambios en la estructura del material aislante se acumulan gradualmente. A medida que aumenta la temperatura, el proceso de envejecimiento se acelera significativamente.

Creo que el sobrecalentamiento por encima de lo permitido por cada 8 - 10 ° C reduce a la mitad la vida útil del aislamiento de los devanados del motor.¡Por lo tanto, el sobrecalentamiento de 40 ° C reduce la vida útil del aislamiento 32 veces! Aunque esto es mucho, aparece después de muchos meses de trabajo.

Con sobrecargas altas (más del 50%), el aislamiento colapsa rápidamente bajo la influencia de altas temperaturas.

Para analizar el proceso de calentamiento, utilizaremos un modelo de motor simplificado. Un aumento en la corriente conduce a un aumento en las pérdidas variables. La bobina comienza a calentarse. La temperatura del aislamiento cambia según el gráfico de la figura. La tasa de aumento de la temperatura en estado estacionario depende de la magnitud de la corriente.

Algún tiempo después de que ocurre una sobrecarga, la temperatura de los devanados alcanza el valor permisible para la clase de aislamiento dada. Con fuerzas G altas será más corta, con fuerzas G bajas será más larga. Por lo tanto, cada valor de sobrecarga tendrá su propio tiempo permitido que puede considerarse seguro para aislar.

La dependencia de la duración permisible de la sobrecarga de su magnitud se denomina característica de sobrecarga del motor eléctrico... Propiedades termofísicas motores electricos de varios tipos tienen algunas diferencias y sus características también difieren. Una de estas características se muestra en la figura con una línea continua.

Característica de sobrecarga del motor (línea continua) y característica de protección deseada (línea discontinua)

A partir de las características dadas, podemos formular uno de los principales requisitos a la protección contra sobrecarga dependiente de la corriente… Debe elevarse dependiendo de la magnitud de la sobrecarga.Esto permite excluir falsas alarmas con picos de corriente no peligrosos, que ocurren, por ejemplo, cuando se arranca el motor. La protección debe funcionar solo cuando cae en la zona de valores de corriente inaceptables y la duración de su flujo. Su característica deseada, que se muestra en la figura con una línea discontinua, siempre debe estar por debajo de la característica de sobrecarga del motor.

El funcionamiento de la protección se ve afectado por una serie de factores (inexactitud de la configuración, dispersión de parámetros, etc.), como resultado de lo cual se observan desviaciones de los valores promedio del tiempo de respuesta. Por lo tanto, la línea discontinua en el gráfico debe verse como una especie de característica promedio. Para no cruzar las características como resultado de la acción de factores aleatorios, lo que conducirá a una parada incorrecta del motor, es necesario proporcionar un cierto margen. De hecho, no se debe trabajar con una característica separada, sino con una zona de protección, teniendo en cuenta la distribución del tiempo de reacción de la protección.

En términos de acciones exactas de protección del motor, es deseable que ambas características estén lo más cerca posible entre sí. Esto evitará disparos innecesarios cerca de las sobrecargas permitidas. Sin embargo, si hay una gran dispersión de ambas características, esto no se puede lograr. Para no caer en la zona de valores actuales inaceptables en caso de desviaciones aleatorias de los parámetros calculados, es necesario proporcionar un cierto margen.

La característica de protección debe ubicarse a cierta distancia de la característica de sobrecarga del motor para excluir su cruce mutuo.Pero esto conduce a la pérdida de precisión de la acción de protección del motor.

En la región de corrientes cercanas al valor nominal, aparece una zona de incertidumbre. Al ingresar a esta zona, es imposible decir con certeza si la protección funcionará o no.

Este inconveniente está ausente en funcionamiento de la protección en función de la temperatura del devanado... A diferencia de la protección contra sobreintensidad, actúa en función de la causa del envejecimiento del aislamiento, su calentamiento. Cuando se alcanza una temperatura peligrosa para el devanado, apaga el motor, independientemente de la razón que provocó el calentamiento. Esta es una de las principales ventajas de la protección contra la temperatura.

Sin embargo, la falta de protección contra sobrecorriente no debe exagerarse. El hecho es que los motores tienen una cierta reserva de corriente. La corriente nominal del motor siempre es inferior a la corriente a la que la temperatura de los devanados alcanza el valor admisible. Se establece, guiado por cálculos económicos. Por lo tanto, a carga nominal, la temperatura de los devanados del motor está por debajo del valor permitido. Debido a esto, se crea una reserva térmica del motor, que en cierta medida compensa la falta relés térmicos.

Muchos factores de los que depende la condición térmica del aislamiento tienen desviaciones aleatorias. En este sentido, la especificación de características no siempre da el resultado deseado.

Sobrecargas en funcionamiento continuo variable

Algunos cuerpos y mecanismos de trabajo crean cargas que varían en un amplio rango, como en trituración, molienda y otras operaciones similares. Aquí, las sobrecargas periódicas van acompañadas de subcargas al ralentí.Cualquier aumento de corriente, tomado por separado, no conduce a un aumento peligroso de la temperatura. Sin embargo, si son muchos y se repiten con la suficiente frecuencia, el efecto del aumento de temperatura sobre el aislamiento se acumula rápidamente.

El proceso de calentamiento del motor eléctrico con carga variable difiere del proceso de calentamiento con carga constante o ligeramente variable. La diferencia se manifiesta tanto en el curso de los cambios de temperatura como en la naturaleza del calentamiento de las partes individuales de la máquina.

A medida que cambia la carga, también lo hace la temperatura de las bobinas. Debido a la inercia térmica del motor, las fluctuaciones de temperatura son menos generalizadas. A una frecuencia de carga suficientemente alta, la temperatura de los devanados se puede considerar prácticamente sin cambios. Esto será equivalente a la operación continua con carga constante. A baja frecuencia (del orden de centésimas de hercio e inferior) las fluctuaciones de temperatura se vuelven perceptibles. El sobrecalentamiento periódico del devanado puede acortar la vida útil del aislamiento.

Con grandes fluctuaciones de carga a baja frecuencia, el motor está constantemente en un proceso transitorio. La temperatura de su bobina cambia después de las fluctuaciones de carga. Dado que las partes individuales de la máquina tienen diferentes parámetros termofísicos, cada una de ellas se calienta a su manera.

El curso de los transitorios térmicos bajo carga variable es un fenómeno complejo y no siempre está sujeto a cálculo. Por lo tanto, la temperatura de los devanados del motor no se puede estimar a partir de la corriente que circula en un momento dado. Debido al hecho de que las partes individuales del motor eléctrico se calientan de diferentes maneras, el calor pasa de una parte a otra en el motor eléctrico.También es posible que después de apagar el motor eléctrico, la temperatura de los devanados del estator aumente debido al calor suministrado por el rotor. Por lo tanto, la magnitud de la corriente puede no reflejar el grado de calentamiento del aislamiento. También debe tenerse en cuenta que, en algunos modos, el rotor se calentará más intensamente y se enfriará menos que el estator.

La complejidad de los procesos de transferencia de calor dificulta el control del calentamiento del motor... Incluso la medición directa de la temperatura de los devanados puede dar un error en algunas condiciones. El hecho es que en los procesos de calor inestable, la temperatura de calentamiento de las diferentes partes de la máquina puede ser diferente y la medición en un momento dado no puede dar una imagen real. Sin embargo, la medición de la temperatura del serpentín es más precisa que otros métodos.

trabajo periodico puede referirse a la más desfavorable desde el punto de vista de la acción de la protección. La inclusión periódica en el trabajo implica la posibilidad de sobrecarga motora a corto plazo. En este caso, la magnitud de la sobrecarga debe estar limitada por la condición de calentamiento de los devanados, que no exceda el valor permitido.

La protección que "supervisa" el estado de calentamiento de la bobina debe recibir la señal correspondiente. Dado que la corriente y la temperatura pueden no corresponderse entre sí en condiciones transitorias, la protección basada en la medición de corriente no puede desempeñar su función correctamente.