Аварийные режимы работы электродвигателей

Аварийные режимы работы электродвигателей

Защита асинхронных электродвигателей

Асинхронные двигатели трехфазного переменного тока напряжением до 500 в при мощностях от 0,05 до 350 — 400 кВт являются наиболее распространенным видом электродвигателей.

Надежная и бесперебойная работа электродвигателей обеспечивается в первую очередь надлежащим выбором их по номинальной мощности, режиму работы и форме исполнения. Не меньшее значение имеет также соблюдение необходимых требований и правил при составлении электрической схемы, выборе пускорегулирующей аппаратуры, проводов и кабелей, монтаже и эксплуатации электропривода.

Аварийные режимы работы электродвигателей

Даже для правильно спроектированных и эксплуатируемых электроприводов при их работе всегда остается вероятность появления режимов, аварийных или ненормальных для двигателя и другого электрооборудования.

К аварийным режимам относятся:

1) многофазные (трех- и двухфазные) и однофазные короткие замыкания в обмотках электродвигателя; многофазные короткие замыкания в выводной коробке электродвигателя и во внешней силовой цепи (в проводах и кабелях, на контактах коммутационных аппаратов, в ящиках сопротивлений); короткие замыкания фазы на корпус или нулевой провод внутри двигателя или во внешней цепи — в сетях с заземленной нейтралью; короткие замыкания в цепи управления; короткие замыкания между витками обмотки двигателя (витковые замыкания).

Короткие замыкания являются наиболее опасными аварийными режимами в электроустановках. В большинстве случаев они возникают из-за пробоя или перекрытия изоляции. Токи короткого замыкания иногда достигают величин, в десятки и сотни раз превосходящих значения токов нормального режима, а их тепловое воздействие и динамические усилия, которым подвергаются токоведущие части, могут привести к повреждению всей электроустановки;

2) тепловые перегрузки электродвигателя из-за прохождения по его обмоткам повышенных токов: при перегрузках рабочего механизма по технологическим причинам, особо тяжелых условиях пуска двигателя под нагрузкой или его застопоривании, длительном понижении напряжения сети, выпадении одной из фаз внешней силовой цепи или обрыве провода в обмотке двигателя, механических повреждениях в двигателе или рабочем механизме, а также тепловые перегрузки при ухудшении условий охлаждения двигателя.

Тепловые перегрузки вызывают в первую очередь ускоренное старение и разрушение изоляции двигателя, что приводит к коротким замыканиям, т. е. к серьезной аварии и преждевременному выходу двигателя из строя.

Дата добавления: 2016-06-02 ; просмотров: 4886 ;

Мусин А. М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты

Редактор Л. М. Рунова

Художественный редактор Н. М. Коровина
Технический редактор Л. А. Воронова
Корректор Н. И. Луковцева

В книге дано описание работы асинхронных двигателей при отклонениях и несимметрии напряжения, питании от маломощных сетей, большой неравномерности нагрузки сельскохозяйственных машин. Особое внимание уделено объяснению физической стороны явлений и выполнению несложных расчетов токов и напряжений. Рассмотрены и сравнены действия защиты в различных аварийных режимах. Обеспечить плавный пуск помогают устройства плавного пуска электродвигателей.

Книга рассчитана на электромонтеров и техников эксплуатационной службы сельской электрификации.

Мусин А. М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты. — Москва: Колос, 1979.— 112 с. — (Библиотечка сел. электрика).

Отпечатано с матриц ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Первой Образцовой типографии имени А. А. Жданова Союзполиграфпрома Государственного комитета СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли, Москва М-54, Валовая, 28 на Белоцерковской книжной фабрике республиканского производственного объединения «Полiграфкнига» Госкомиздата УССР, 256400, г. Белая Церковь, ул. К. Маркса, 4, зак. 485.

Содержание книги
Аварийные режимы асинхронных электродвигателей
и способы их защиты

Роль защиты в повышении надежности работы электроустановок
Принцип действия короткозамкнутого асинхронного двигателя и некоторые его характеристики
Изоляция электродвигателей и ее свойства
Нагрев двигателя
Особенности работы асинхронного двигателя в сельском хозяйстве
Аварийные режимы асинхронных двигателей
Аварийные режимы, приводящие к перегреву изоляции
Перегрузки рабочей машины
Затяжной пуск двигателя
Потеря фазы (однофазный режим работы)
Работа под пониженным напряжением
Несимметрия напряжений
Ухудшение охлаждения
Средства защиты асинхронного двигателя, их характеристики
Основные направления совершенствования средств защиты от перегрузок
Сравнение действия средств защиты при аварийных режимах двигателя
Перегрузки в длительном режиме с постоянной нагрузкой
Перегрузки в длительном режиме с переменной нагрузкой
Потеря фазы до включения двигателя в сеть
Потеря фазы после включения двигателя в сеть
Затяжной пуск двигателя
Работа защиты при заторможенном роторе двигателя
Методы и средства проверки и регулирования защиты от перегрузок
Защита двигателей от действия неблагоприятных условий окружающей среды
Методы предупреждения увлажнения изоляции и сушки обмоток двигателя
Технико-экономические факторы, влияющие на выбор средств защиты

Приложения
Указатель литературы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные сельскохозяйственные предприятия с автоматизированными и полуавтоматизированными технологическими линиями — крупные потребители электрической энергии. На каждом таком предприятии сосредоточено несколько сотен электродвигателей, приводящих в действие основное технологическое оборудование. Отказ одного из них останавливает всю технологическую линию. Чем выше уровень механизации производства, тем выше требования, предъявляемые к надежности оборудования.

В колхозах и совхозах страны эксплуатируется более 10 млн. электродвигателей, их установленная мощность превышает 50 млн. кВт. В соответствии с решениями XXV съезда КПСС и июльского (1978 г.) Пленума ЦК КПСС электровооруженность труда работников села будет возрастать. В 1980 г. число электродвигателей, используемых в сельском хозяйстве, превысит 15 млн. Важнейшая задача сельских электриков заключается в том, чтобы рационально использовать эту технику и обеспечить ее безотказное действие.

Короткозамкнутый асинхронный двигатель считается самой надежной электрической машиной. Вместе с тем на практике наблюдается сравнительно высокий процент их выхода из строя. Объясняется это главным образом тем, что в процессе эксплуатации возникают такие условия, на которые машина не рассчитана при проектировании. Статистический материал, собранный в ряде научно-исследовательских организаций и вузов, свидетельствует о том, что в отдельных колхозах и совхозах ежегодно приходится заменять 20—25% электродвигателей. Высокая аварийность электрооборудования наносит большой ущерб производству.

За последние годы много сделано для обеспечения сельского хозяйства необходимым электрооборудованием. Одновременно с повышением качества и количества электротехнических изделий, поступающих в сельское хозяйство, значительно улучшилась их эксплуатация. Межхозяйственные объединения «Сельхозэнерго» и организации «Сельхозтехники» с каждым годом увеличивают объемы работ по техническому обслуживанию и ремонту электрооборудования колхозов и совхозов.

Устройство и работа аппаратуры защиты асинхронных двигателей достаточно подробно освещены в технической литературе. Однако ряд важных моментов, от которых зависит эффективность действия средств защиты, остались нераскрытыми. Срок службы и надежность электродвигателя зависят от ряда факторов. Это — действие окружающей среды, режимы работы электроустановки, согласованность характеристик пускозащитной аппаратуры и другие. В частности, одним из способов защиты асинхронных электродвигателей является устройство плавного пуска. Для оценки достоинств и недостатков тех или иных устройств защиты необходимо рассмотреть совместное действие этих факторов. В связи с этим в книге большое внимание уделено аварийным режимам работы асинхронных двигателей и сопоставлению разных методов и аппаратов защиты.

Совершенствование методов расчета и проектирования приводит к более интенсивному использованию активных материалов, закладываемых в конструкцию электрических машин. Нагрузка на узлы и детали машины возрастает. Например, за последнее десятилетие плотность тока в асинхронных двигателях возросла. Этот показатель при одновременном увеличении срока службы характеризует совершенство машины. Вместе с тем повышаются требования к техническому уровню эксплуатации. Заложенные в машину возможности могут быть реализованы только при тех условиях, на которые они рассчитаны, и небольшие отклонения от них создают опасность повреждения. Интенсивное использование активных материалов машины снижает запас прочности. Таким образом, совершенство конструкции также сопровождается повышением требований к аппаратуре защиты.

Однако применение защитных устройств полностью не решает проблемы повышения надежности. Оно должно быть дополнено системой мероприятий по выполнению планово-предупредительных осмотров и обслуживания. Разработку и применение средств защиты следует рассматривать как важнейшую часть мероприятий повышения надежности и срока службы электродвигателей.

Спектральный анализ тока статора трехфазного асинхронного двигателя

Внедрение: 2015 г.

Специалистами Волжского политехнического института описаны эксперименты по снятию осциллограмм тока статора асинхронного двигателя (АД) при различных аварийных режимах работы двигателя [1]. Анализ спектров осциллограмм показал имеющиеся отличия амплитуд нечетных гармоник спектра.

Экспериментальная установка собрана на основе трехфазного электродвигателя АИР50В4N3, мощность которого составляет 0,9 кВт, напряжение – 220/380 В, номинальный ток – 0,37 А. В качестве устройства оцифровки данных был использован USB‑модуль E‑440 (в настоящее время L‑Card выпускает сертифицированный аналог E14‑440).

Ток измерялся при помощи датчика Холла ACS712‑05B (рисунок 1). Данный датчик тока имеет диапазон измерения ±5 А и унифицированный выходной сигнал 0‑5 В. Для построения спектра тока был использован алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Рисунок 1. Экспериментальная установка.

На установке имитировались разные нагрузочные режимы работы АД: на холостом ходу, под нагрузкой, с обрывом одной из фаз, с перекосом фаз и межвитковым замыканием. Для обработки осциллограмм использовалась программная среда MathCad. Сняты также осциллограммы тока двигателя при работе в режиме нагрузки и на холостом ходу.

На рисунке 2 представлены спектры тока двигателя при холостом и нагрузочном режимах работы. В качестве нагрузочного устройства использовался двигатель постоянного тока, включенный в режиме генератора.

Рисунок 2. Спектры тока двигателя при холостом и нагрузочном режимах работы.

Спектры сигналов на рисунке 2 похожи и имеют пики на одних и тех же гармониках (50, 150, 250, 350, 450 Гц). Это соответствует нечетным гармоникам 1, 3, 5, 7 и 9. Из рисунка 2 видно, что амплитуда гармоник при холостом ходу меньше, чем при наличии нагрузки. А на частоте 450 Гц пик при холостом ходу вообще отсутствует.

На рисунке 3 представлен спектр тока двигателя в нормальном режиме и при обрыве одной из фаз.

Рисунок 3. Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при обрыве одной из фаз.

На рисунке 4 представлен спектр тока при его работе в нормальном режиме и при перекосе одной из фаз. Для имитации перекоса фаз к одной из фаз было последовательно подключено дополнительное сопротивление, равное сопротивлению обмотки (110 Ом).

Рисунок 4. Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при перекосе одной из фаз.

На рисунке 5 представлен спектр тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при имитации межвиткового замыкания в одной из фаз. Имитация межвиткового замыкания осуществлена с помощью введения в цепь параллельного сопротивления номиналом 240 Ом.

Рисунок 5. Спектры тока двигателя при его работе в нормальном режиме и при межвитковом замыкании одной из фаз.

Анализ полученных спектров показал различия между режимами работы АД, что позволяет идентифицировать аварийные режимы работы двигателя.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы в системе диагностики состояния АД в реальном времени.

Источник:
Бурцев А.Г., Дягилева Т.В., Пан А.Г. Спектральный анализ тока статора трехфазного асинхронного двигателя при аварийных режимах работы // Инженерный вестник Дона. – 2015. – № 2.

5.2. Аварийные пожароопасные режимы работы электродвигателей

Аварийным режимом работы электродвигателя будем называть любой режим работы, увеличивающий температуру нагрева электродвигателя выше допустимой. Необнаруженный аварийный режим работы электродвигателя может привести к его загоранию. Аварийные режимы работы электродвигателей возникают из-за снижения или увеличения питающего напряжения при номинальной нагрузке на валу, увеличении нагрузки на валу выше номинальной, обрыве одной фазы, снижении межвиткового сопротивления изоляции статорных обмоток; ухудшении вентиляции, увеличении числа включений выше допустимого.

В подавляющем большинстве случаев аварийные отказы электродвигателей происходят из-за повреждения обмоток – 85-95 %. Основные отказы обмоток обусловлены межвитковыми замыканиями – 93 % [43].

Рис.5.2. Зависимость перегрева обмотки статора двигателя от напряжения электросети при номинальной нагрузке:

1– 4АХ80В2У3;2– 4АХ80А4У3;3– 4А100У3

На рис. 5.2 приведены зависимости температуры обмотки статора электродвигателя от напряжения питающей сети при номинальной нагрузке на валу. Из рисунка видно, что снижение питающего напряжения и увеличение его приводят к возрастанию температуры электродвигателя. Поясним физическую сущность этих явлений. Для обеспечения вращающего момента двигателя, преодолевающего номинальную механическую нагрузку на валу, требуется номинальная электрическая мощность, потребляемая обмотками статора из сети трехфазного тока. При снижении напряжения питания статорных обмоток электрическая мощность уменьшится, вращающий момент также уменьшится, ротор сбавит число оборотов, в результате чего в обмотке ротора возрастает наводимая ЭДС индукции и увеличивается соответственно ток, который, в свою очередь, увеличит свой магнитный поток. А так как магнитный поток ротора направлен навстречу магнитному потоку статора, результирующий магнитный поток должен уменьшиться, и ЭДС самоиндукции в обмотках статора также уменьшится. Следовательно, ток в статорных обмотках увеличится на величину, необходимую для компенсации потерянной электрической мощности из-за снижения питающего напряжения статорных обмоток. За счет большего тока статора результирующий магнитный поток возрастает до прежней величины. Момент, вращающий электродвигатель, станет равным моменту нагрузки на валу; двигатель будет работать с меньшим числом оборотов.

Снижение напряжения, питающего обмотки статора, на 20 – 25 % приводит к пожароопасному увеличению тока в обмотках статора. При увеличении напряжения, питающего статорные обмотки, ток в них также увеличится, а следовательно, увеличится и температура нагрева электродвигателя.

Обрыв провода одной из трех фаз обмотки статора (при работающем под нагрузкой электродвигателе) приводит к токовой перегрузке двух оставшихся фаз. Если при этом не сработает тепловая защита, пожароопасное превышение температуры наступит за несколько минут. На рис. 5.3 приведены зависимости температуры электродвигателя для случая обрыва одной фазы и при перегрузке.

Рис. 5.3. Превышение температуры

асинхронного двигателя 4АХ80А4У3:

1– при обрыве фазы;2– при перегрузке (I_п= 2I_ном)

Еще более пожароопасный режим наступает, когда электродвигатель включается в работу при обрыве одной фазы. Нарастание температуры при этом происходит в течение 10 — 20 с после включения электродвигателя под напряжение (см. рис. 5.3). Характерным признаком работы электродвигателя на двух фазах является гудение.

Пробой изоляции обмотки ротора на корпус приводит к медленному увеличению частоты вращения при пуске асинхронного двигателя. Ротор сильно нагревается даже при небольшой нагрузке. К таким же явлениям приводит нарушение изоляции между контактными кольцами и валом ротора у асинхронного двигателя с фазным ротором.

Пробой изоляции между фазами приводит к короткому замыканию в обмотке. При КЗ обмотки статора наблюдаются сильные вибрации двигателя переменного тока, сильное гудение, несимметрия токов в фазах, быстрый нагрев отдельных участков обмотки и как результат – загорание изоляции обмотки.

Витковое короткое замыкание обмотки статора или ротора приводит к чрезмерному нагреву электродвигателя даже при номинальной нагрузке.

Отрыв стержня короткозамкнутой обмотки ротора приводит к повышенным вибрациям, уменьшению частоты вращения под нагрузкой, пульсациям тока статора последовательно во всех фазах.

Нарушение контактов пазных или сварных соединений в асинхронных двигателях эквивалентно по своему проявлению обрыву витков, стержней короткозамкнутых обмоток или фазы обмотки в зависимости от места нахождения данного соединения. Нарушение контакта в цепи щеток приводит к повышенному искрению между контактными кольцами и щетками. А в электродвигателях коллекторных переменного тока и машинах постоянного тока такое искрение имеет место между щетками и коллектором.

Недопустимое снижение сопротивления изоляции может быть в результате сильного загрязнения изоляции, увлажнения и частичного разрушения, вызванных старением изоляции, и как следствие – ее пробой и короткое замыкание.

Нарушение межлистовой изоляции сердечников магнитопроводов приводит к недопустимому повышению температуры отдельных участков магнитопровода и всего магнитопровода в целом, повышенному нагреву обмоток, выгоранию части магнитопровода (пожар в стали).

Засорение охлаждающих (вентиляционных) каналов приводит к недопустимому нагреву электродвигателя или отдельных его частей.

Выработка коллектора и контактных колец приводит к ухудшению коммутации, быстрому износу щеток и повышенному нагреву контактных колец и коллектора и сильному искрению (вплоть до «кругового огня»).

Электродвигатели чаще всего повреждаются из-за недопустимо длительной работы без ремонта (износ), плохого хранения и обслуживания, нарушения режима работы, на который они рассчитаны.

Одним из относительно слабых мест электрической машины является подшипниковый узел, особенно в скоростных машинах, 2-5 % электродвигателей отказывают из-за повреждения подшипников [43]. Более 80 % подшипников качения выходят из строя вследствие разрушений усталостного характера, а в подшипниках скольжения может быть выплавлена баббита. Все это приводит к нарушению соосности валов электродвигателя и механизма, к появлению эксцентриситета ротора. Нередко отказ подшипниковых узлов приводит к пожароопасному температурному перегреву этих узлов и всего корпуса электродвигателя. Кроме того, возникающие в подшипниках большие трения увеличивают тормозной момент (нагрузку) на валу, отчего возрастает ток в обмотках статора и температура нагрева возрастает до пожароопасной.

Условия нагрева различных частей электродвигателей разные: нагрев подшипников определяется в основном потерями энергии в них и мало зависит от нагрева обмоток; нагрев обмотки статора определяется не только потерями энергии в самой обмотке, но и потерями в обмотке ротора и в стали магнитопроводов. Для приближенной оценки нагрева электродвигателя можно воспользоваться упрощенной моделью нагрева однородного тела, потери энергии в котором равны потерям в данном электродвигателе.

Предположим, потери мощности в электродвигателе, включая все потери, равны Р. Тогда за элементарный промежуток времени потери энергии составят Рdt. При теплоемкости электродвигателя с энергия, идущая на нагрев тела от повышения температуры на dT, составит сdТ. Другая часть этой энергии отдается в окружающую среду, например, окружающему воздушному пространству путем прямой теплопередачи, излучения и конвекции.

Отдача тепла зависит от разности температур нагретого тела и окружающего пространства, превышения температуры Т и площади охлаждаемой поверхности S. Отдача теплоты прямой теплопередачей пропорциональна Т. Количество теплоты, отдаваемой излучением, для абсолютно черного тела пропорционально разности температур нагретого тела и окружающей среды в четвертой степени. В узком диапазоне температур можно считать отдачу теплоты приблизительно Т. Отдача теплоты конвекцией изменяется по сложному закону с изменением Т. В узком диапазоне температур можно также считать отдачу теплоты пропорциональной Т. При этих упрощениях можно определить отдачу теплоты телом за элементарный промежуток времени kSTdt, где k – коэффициент теплоотдачи, равный количеству энергии в джоулях, отдаваемой с охлаждающейся поверхности площадью 1 м 2 за 1 с при превышении температуры на один градус.

Уравнение нагрева однородного тела выглядит так:

Pdt = cdT + kSTdt. (5.7)

Разделив обе части уравнения на kSdt, получим

Т + (c/kS) (dT/dt) = P/kS. (5.8)

По окончании процесса изменения температуры dT/dt = 0 и Т_уст = Р/(kS), т.е. правая часть последнего выражения при Р=const определяет установившееся превышение температуры Т_уст.

Величину с/(kS), измеряемую в Дж о Сс, назовем постоянной времени нагрева _н. С учетом этих замечаний получим

Т+[_н(dT/dt)] = T_уст. (5.9)

Решение этого уравнения будет иметь следующий вид:

Т = Т₁ + T₂ (1), (5.10)

где Т₁ – начальное превышение температуры тела; Т₂ – конечное установившееся превышение температуры при данных потерях Р.

Если Т₁ = 0, т.е. температура электродвигателя в начале работы не отличалась от температуры окружающей среды, электродвигатель к началу работы полностью охладился, и выражение для Т имеет вид

Т = Т₂ (1). (5.11)

Превышение температуры при работе возрастает по экспоненциальному закону; постоянная времени _н может быть определена графическим построением. Установившееся превышение температуры достигается при t  , практически температура устанавливается по истечении времени t  (3  4)_н.

Постоянные времени нагрева имеют значение от нескольких минут, для электродвигателей малой мощности, до нескольких часов, для мощных электродвигателей.

Как видно из краткой характеристики отказов двигателей, их можно разделить на две категории (по причине появления отказа) – электрические и механические. Все они могут обусловливать аварийные пожароопасные режимы их работы. Поэтому в процессе эксплуатации электродвигателей важное значение имеет выполнение и соблюдение сроков планово-предупредительных осмотров и ремонтов [10].

Взрывозащищенные электродвигатели имеют худшие условия охлаждения. Поэтому контроль и профилактика условий и режимов эксплуатации взрывозащищенных электродвигателей должны быть безупречными в соответствии с установленными для конкретных условий регламентами и требованиями гл. 3.4 [10].