Контроль нагрева

Контроль нагрева

Чрезмерный нагрев электродвигателей сокращает срок их службы. Степень нагрева зависит от нагрузки электродвигателя и от условий и режима его работы.

Под нагрузкой электродвигателя обычно понимают значение момента сопротивления на валу или значение пропорциональной ему величины — тока статора. Поскольку измерить момент двигателя в процессе его работы затруднительно, для контроля нагрузки измеряют ток статора и сравнивают его с допустимым значением.

Электроизоляционные материалы подразделяются на классы нагревостойкости, для которых определена наибольшая допустимая температура при использовании их в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных эксплуатационных условиях.

Так, для класса нагревостойкости V наибольшей допустимой рабочей температурой является 90 С. К этому классу относятся непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из шелка и целлюлозы. Для класса нагревостойкости А наибольшей допустимой рабочей температурой является 105°С. К классу А относятся те же волокнистые диэлектрики, но пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик, а также некоторые полиамидные пленки и смолы, древесные пластики, изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках и т. д. Для класса Е наибольшей допустимой рабочей температурой является 120 °С. К этому классу относятся пластмассы, синтетические органические пленки, компаунды на основе эпоксидных и других смол. Для класса В допустимая рабочая температура равна 130°С. К этому классу относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с органическими связующими и пропитывающими составами.

Для класса F максимальная рабочая температура равна 155°С. К классу F относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами (лаки, компаунды). Для класса Н максимальной рабочей температурой является 180 °С. К классу Н относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими составами, кремнийоргапические эластомеры. Для класса С максимальная рабочая температура допускается свыше 180°С. К этому классу относятся слюда, кремнийорганические материалы, стекло, кварц.

Технологические перегрузки рабочих машин или колебания напряжения в питающей сети ведут за собой увеличение тока в обмотках машин и превышение температуры обмоток выше допустимых для данного класса, в результате срок службы машин быстро уменьшается.

Точные значения допустимых температур нагрева обмоток и стали для различного типа машин при продолжительном их работе с номинальной нагрузкой устанавливаются по результатам эксплуатационных испытаний и указываются в производственных инструкциях. В большинстве случаев они не превышают 100—120 С для обмоток статоров и 105 —140 С для обмоток роторов электродвигателей.

Допустимый перегрев зависит от класса изоляции. Например, для изоляции класса А допускается превышение температуры над окружающей не более 60 С для обмоток и околооб-моточной части стали электрических машин, для изоляции класса В — не более 80°С. Так, при температуре воздуха 30°С допустимая температура статора электродвигателя с изоляцией класса А составит 90°С, а для класса В — 110 С.

Для изоляции классов А и В применяется так называемое десятиградусное правило: при превышении температуры обмоток примерно на каждые 10 °С срок службы изоляции уменьшается вдвое. Перегрев машины чаще всего происходит за счет ее перегрузки электрическим током. При превышении номинальной нагрузки необходимо снизить ее до номинальной и проследить за изменением температуры нагрева. Таким образом, задача обслуживающего персонала состоит в том, чтобы не допускать перегрузок электрических машин.

Для контроля за нагрузкой электродвигателей в одну из фаз питающей линии устанавливают амперметр, который должен показывать ток обмотки статора. На делении его шкалы, соответствующем 105% номинального тока, делают четкую отметку красного цвета, облегчающую контроль. Продолжительная работа электродвигателя при показаниях амперметра, превышающих 105% номинального тока, недопустима по условию нагрева. В этом случае необходимо понизить температуру окружающей среды (например, усилением вентиляции помещения) или уменьшить нагрузку на валу двигателя.

Контроль температуры нагрева электродвигателей мощностью выше 100 кВт проводят с помощью встроенных дистанционных термометров. Для измерения температуры электродвигателей меньшей мощности, а также для измерения температуры в точках электродвигателей, где установка дистанционных термометров невозможна, пользуются переносными спиртовыми или ртутными термометрами. При измерениях ртутными термометрами следует иметь в виду, что в области переменных магнитных полей возникает положительная погрешность, т. е. термометр покажет завышенное значение температуры. Для более точного измерения температуры нижнюю часть термометра обвертывают тонкой алюминиевой фольгой, обминая ее так, чтобы прилегание к месту измерения было плотным. Сверху оболочку из фольги накрывают для теплоизоляции ватой. В труднодоступных местах измерения проводят сразу после остановки электродвигателя.

Чувствительными к нагреву являются и некоторые механические узлы и детали электродвигателей. Для них в паспортах электродвигателей задаются допустимые превышения температур над температурой окружающей среды 35 °С. Допустимые превышения температуры для подшипников качения составляют 60°С, для подшипников скольжения — 45°С, для стальных деталей коллекторов и контактных колец — 70°С. Температуру подшипников скольжения можно измерить, погружая термометр непосредственно в масло подшипника.

При достаточном навыке ориентировочное представление о степени нагрева можно получить, притрагиваясь ладонью к нагретому элементу конструкции (ладонь без болевых ощущений обычно выдерживает температуру около 60°С).

Заметное влияние на нагрев электродвигателей имеет уровень напряжения питающей сети. Существенно, что увеличение и уменьшение напряжения ведут к повышению температуры нагрева электродвигателя. В связи с этим не допускаются напряжения ниже 95 % и выше 110% номинального. Наилучшие характеристики асинхронные электродвигатели имеют при напряжениях в диапазоне от 100% до 105% номинального. В этих пределах и следует поддерживать напряжение сети, питающей асинхронные электродвигатели. По условиям пуска предпочтительна верхняя граница диапазона, т. е. 1,05 V_н.

Рабочая температура электродвигателя

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Рабочая температура электродвигателя (в дальнейшем ЭД) определяется в первую очередь классом нагревостойкости изоляции обмоток. И её контроль очень важен. При перегреве электродвигатель может быть повреждён.

Классы нагревостойкости изоляции обмоток

Обмотки – наименее устойчивая к нагреву часть конструкции электродвигателя. Поэтому предел рабочей температуры всего устройства определяется именно температурой, при которой они перегорают.

Выделяют следующие классы нагревостойкости изоляции обмоток:

• У (максимальная температура – 90 градусов Цельсия). Обмотки выполняются из бумаги или натуральных тканей без дополнительной изоляционной пропитки;
• А (максимальная температура – 105 градусов Цельсия). Обмотки бумажные или из натуральных тканей с дополнительной изоляционной пропиткой;
• Е (максимальная температура – 120 градусов Цельсия). Обмотки из органической плёнки синтетического происхождения;
• B (максимальная температура – 130 градусов Цельсия). Обмотки из стекловолокна или минеральных составов;
• F (максимальная температура – 155 градусов Цельсия). Обмотки из стекловолокна или минеральных составов с синтетической связующей пропиткой;
• H (максимальная температура – 180 градусов Цельсия). Обмотки из стекловолокна или минеральных составов с кремнийорганической связующей пропиткой;
• С (максимальная температура от 180 градусов Цельсия). Обмотки из термоустойчивых материалов с неорганической связующей пропиткой или без неё.

Если рабочая температура асинхронного двигателя слишком мала, то перевести его на более высокий класс нагревостойкости можно лишь при капитальном ремонте с заменой обмоток.

Рабочая температура подшипников электродвигателей

Кроме обмоток, к температурным условиям работы также очень чувствительны и подшипники электродвигателя. Установленные нормы нагрева следующие:

• Подшипники качения – 95-100 градусов Цельсия;
• Подшипники скольжения – 80-85 градусов Цельсия;
• Стальные детали коллектора и контактных колец – 105-110 градусов Цельсия.

При достижении критических значений температуры подшипника необходимо либо уменьшить нагрузку на используемый ЭД, либо организовать систему охлаждения.

Температурный режим эксплуатации электродвигателей

Нормальные значения температуры внешней среды, при которых электродвигатель работает с номинальной мощностью, определяются климатическим исполнением ЭД. Так, машины с исполнением У1 и ХЛ1 предназначены для эксплуатации при температуре внешней среды до +40 градусов Цельсия, У3 и Т2 – до +45 градусов Цельсия, Т1 – до +50 градусов Цельсия. Если температура внешней среды превышает данный параметр и организовать охлаждение не получится, то необходимо снизить нагрузку на используемый электродвигатель.

Для контроля за температурным режимом следует отслеживать напряжение в питающей сети. При его снижении до 95% от номинального и ниже на ЭД подаётся повышенный ток, что приводит к перегреву устройства. Аналогичное явление наблюдается и при повышении напряжения до 110% и выше от номинального, поскольку вихревые потоки приводят к нагреву статора.

Согласно статистике, срок службы изоляции при повышении температуры на 8 градусов выше допустимой нормы вдвое снижает её эксплуатационный период. Поэтому, для сохранения работоспособности машины, стоит выяснить допустимую рабочую температуру, не допускать перегрева и превышения (либо снижения) токовых нагрузок.

Основные сведения об асинхронных электродвигателях — Нагрев, режимы работы, характеристики

Содержание материала

• Основные сведения об асинхронных электродвигателях
• Нагрев, режимы работы, характеристики

Преобразование двигателем электрической энергии в механическую неизбежно сопровождается ее потерями. Потери мощности происходят на активном сопротивлении обмоток статора и ротора, при трении, в сердечнике статора и т. д. Основная доля потерь обусловлена все же потерями в обмотках статора и ротора ( закон Джоуля—Ленца: Q = PRt).
Энергия, теряемая двигателем, преобразуется в теплоту и идет на его нагревание. В момент включения двигателя в работу температура его равна температуре окружающей среды Тос. Вся теплота, выделяющаяся в электродвигателе, идет на его нагрев. В дальнейшем, с повышением температуры, теплота от двигателя начинает поступать в окружающую среду, а затем наступает момент, когда вся выделившаяся теплота рассеивается в ней. Нагрев электродвигателя заканчивается, и его температура равна установившемуся значению Тдв.
После отключения двигатель начинает охлаждаться. Однако время охлаждения больше времени нагрева, поскольку в этом случае вентилятор электродвигателя не работает.
Допустимая температура нагрева двигателя определяется классом изоляции обмотки статора. Как известно, обмотка статора выполняется из медного обмоточного провода с изоляцией в виде тонкой пленки из полимерного лака. Эта изоляция в зависимости от марки провода выдерживает нагрев не более 130 °С, после чего начинает трескаться и осыпаться. Неизолированные витки обмотки замыкаются между собой, т. е. происходит короткое замыкание питающей цепи. В этом случае говорят, что обмотка «сгорает».
Температура двигателя зависит от многих факторов: температуры окружающей среды, условий охлаждения, режимов работы двигателя и т. д. Поэтому основной критерий при выборе конкретного двигателя для электропривода — его тепловой режим (нагрев).

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Номинальным режимом работы электродвигателя называют такой режим, при котором он может работать неограниченное время. При этом температура его основных частей не должна выходить за пределы допустимых значений. Номинальный режим указывают в паспорте электродвигателя условным обозначением S1, S2, S3 и т. д. В сельском хозяйстве используют электродвигатели с тремя основными номинальными режимами работы: продолжительным S1, кратковременным S2 и повторно-кратковременным S3.
Продолжительный режим характеризуется тем, что температура двигателя при работе с постоянной нагрузкой достигает установившегося значения. Температура считается установившейся, если в течение 1 ч она увеличивается не более чем на 1 °С. В продолжительном режиме работают двигатели вентиляторов, зерноочистительных машин, молотковых дробилок и др.
При кратковременном режиме работы температура не успевает достигнуть установившегося значения, а пауза между включениями столь продолжительна, что температура двигателя снижается до температуры окружающей среды. В паспорте такого электродвигателя укавши максимально допустимое время работы, при превышении которою он выйдет из строя. В кратковременном режиме работают двигатели привода задвижек, установленных на ороси тельных трубах.
При повторно-кратковременном режиме кратковременные периоды нагрузки чередуются с непродолжительными периодами отключения двигателя. Номинальной длительностью цикла считают 10 мин. Относительную продолжительность включенного состояния выражают в процентах, называют ПВ % и указывают в паспорте. Такие двигатели не предназначены для продолжительного режима работы.

ХАРАКТЕРИСТИКИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Зависимость механического вращающего момента (произведение силы на радиус вращения), который создает электродвигатель, от частоты вращения ротора называется механической характеристикой (рис. 4).
В начале пуска при неподвижном роторе (п2 — 0) двигатель имеет некоторый момент, который называется пусковым (Мп). Под действием этого момента ротор раскручивается, скорость его вращения увеличивается и соответственно увеличивается момент на валу, достигая максимального (критического) значения Ммах. После этого при дальнейшем увеличении частоты вращения двигатель переходит в номинальный режим работы, в котором момент вращения двигателя Мн уравновешивает момент сопротивления нагрузки.
С увеличением момента нагрузки, как видно из рисунка 4, уменьшается частота вращения двигателя. Если момент нагрузки превысит критическое Ммах, то двигатель остановится и будет стоять до тех пор, пока момент нагрузки не уменьшится до значения пускового момента.

Рис. 4. Механическая характеристика асинхронного двигателя
Зависимость основных параметров двигателя: КПД (η), cos φ, потребляемых тока и мощности, а также частоты вращения ротора от механической мощности нагрузки принято называть рабочей характеристикой (рис. 5).
Ток, протекающий по обмотке статора во время пуска, и момент, когда ротор еще неподвижен, принято называть пусковым током. Характерная особенность асинхронного двигателя — большое значение пускового тока, который в 5. 10 раз больше номинального.
На рисунке 5 показаны изменения во времени тока статора и частоты вращения ротора в процессе пуска асинхронного двигателя. По мере увеличения частоты вращения ротора ток уменьшается и при номинальной частоте вращения пн становится равным номинальному.

Рис. 5. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя

Рис. 6. Пуск асинхронного двигателя
Теплота, выделяемая в обмотках, пропорциональна квадрату тока, но поскольку процесс пуска быстротечен, обмотка двигателя не успевает нагреваться. Если же по какой- либо причине остановить (заклинить) ротор работающего двигателя, то ток в его обмотке станет равным пусковому (5. 10) и, следовательно, количество теплоты, выделяющееся на обмотке, увеличится в 25. 100 раз. Температура обмотки увеличится и быстро достигнет критической, обмотка «сгорит», и двигатель выйдет из строя. Поэтому тормозить работающий двигатель более чем на 1. 2 мин не рекомендуется.

Выбор двигателей для частотно-регулируемого электропривода

Для правильного проектирования системы управления частотно­-регулируемого привода, необходимо учитывать специфику работы привода в целом. Основными задачами при выборе асинхронного двигателя с частотным управлением являются:

• Определение диапазона регулирования скорости;
• Построение нагрузочной диаграммы;
• Расчет допустимого длительного момента;
• Расчет максимального кратковременного момента в переходных режимах;
• Проверка по нагреву электродвигателя и преобразователя.

Важное значение имеют характеристики самого двигателя, которые должны отвечать общим техническим требованиям, предъявляемым к электрическим машинам. Эти характеристики тесно связаны со способами охлаждения двигателя, его нагревом и режимами работы.

Способы охлаждения асинхронного двигателя

В зависимости от наличия или отсутствия вентилятора различают:

1. Асинхронные двигатели с естественным охлаждением, которые не имеют специальных вентиляторов их обычно применяется для открытых машин;
2. Асинхронные двигатели с искусственным охлаждением, в таких машинах охлаждающий газ или жидкость прогоняется отдельным вентилятором. Они подразделяются на группы:

– Асинхронные двигатели с самовентиляцией, имеющие вентилятор на валу (защищенные или закрытые);

– Асинхронные двигатели с независимой вентиляцией, вентилятор которых приводится во вращение посторонним двигателем (обычно закрытые). Часто такие вентиляторы называются «наездниками»;

Поскольку при работе на скоростях ниже 0,5ω0 условия охлаждения двигателей с самовентиляцией ухудшаются, то это приводит к значительному уменьшению допустимого длительного момента.

Поэтому для частотно-регулируемого привода с постоянным моментом нагрузки предпочтительнее использовать двигатели с независимой вентиляцией.

Классы изоляции обмоток электродвигателей (нагревостойкости)

Электродвигатель в разрезе

Во время работы электродвигателей происходит их нагрев. Допустимый нагрев электрических двигателей зависит от класса изоляции обмоток. Нагрев электродвигателя является основным критерием выбора его мощности. Электродвигатель считается выбранным правильно, если он выполняет предназначенные ему функции и не перегревается, т.е. изоляция его обмоток выдерживает температуру нагрева, которая не превышает допустимого предела.

Этот предел зависит от срока службы машины и определяется классом изоляции обмоток (нагревостойкости) электродвигателя.

Температурой окружающего воздуха, при которой электродвигатель может работать с номинальной мощностью, считается 40ºС. При повышении температуры окружающего воздуха более 40ºС, нагрузка на электродвигатель должна быть снижена настолько, чтобы температура отдельных его частей не превышала допустимых значений.

Предельные допустимые превышения температуры активных частей электродвигателей (при температуре окружающей среды 40ºС и высоте над уровнем моря не более 1000 м):

• Класс Y: допустимая температура нагрева до 90°C.
• Класс A: допустимая температура нагрева до 105°C.
• Класс E: допустимая температура нагрева до 120°C.
• Класс B: допустимая температура нагрева до 130°C.
• Класс F: допустимая температура нагрева до 130°C.
• Класс H: допустимая температура нагрева до 180°C.
• Класс C: допустимая температура нагрева свыше 180°C

В таблице приведены в качестве примера предельно допускаемые превышения температуры Tmax для отдельных частей электрических машин общего применения (О) и тяговых (Т) при продолжительном режиме работы при измерении температуры обмоток по методу сопротивления (т. е. по измерению сопротивления соответствующей обмотки в результате нагрева), а температуры коллектора и контактных колец —с помощью термометров. Эти данные соответствуют температуре окружающей среды +40 °С для машин О и +25 °С для машин Т.

Если температура окружающей среды больше или меньше +40 или +25 °С, то стандарт разрешает определенные изменения допустимых превышений температур. При работе машины в горных местностях, где из-за понижения атмосферного давления ухудшается теплоотдача, стандарт предусматривает некоторое уменьшение допустимых превышений температуры.

У асинхронных двигателей, вместе с уменьшением напряжения питающей сети, в квадрате уменьшается мощность на валу двигателя. Кроме того, уменьшение напряжения ниже 95% от номинального приводит к значительному росту тока двигателя и нагреву обмоток.

Рост напряжения выше 110% от номинального также ведет к росту тока в обмотках двигателя, увеличивается нагрев статора за счет вихревых токов.

Каждое превышение допустимой температуры обмоток на 10°С может сократить срок службы изоляции вдвое. Это иллюстрирует номограмма, приведенная ниже.

Чем выше класс изоляции, тем интенсивнее использование электродвигателя по нагреву и тем меньше его размеры при той же мощности. В настоящее время в электрических машинах применяются изоляционные материалы классов Е, В и F. Материалы класса Н используются значительно реже.

Как правило, для частотно-регулируемого электропривода рекомендуется применять электродвигатели с изоляцией класса F.

Популярные товары