حماية حرارية لمحرك الكهربائي
لفهم حماية الحمل الحراري الزائد للمحرك في المحركات الحثية، يمكننا مناقشة مبدأ عمل المحرك ثلاثي الطور. هناك أسطوانة ستاتور واحدة ولفة ثلاثية الأطوار موزعة بشكل متماثل على المحيط الداخلي للستاتور. بسبب هذه التوزيع المتماثل، عندما يتم تطبيق مصدر طاقة ثلاثي الطور على لفائف الستاتور، يتم إنتاج مجال مغناطيسي دوار. يدور هذا المجال بسرعة متزامنة. يتم إنشاء الروتور في المحرك الحثي بشكل أساسي بواسطة قضبان النحاس الصلبة التي يتم توصيلها في كلا الطرفين بطريقة تشكل بنية مشابهة للقفص. لهذا السبب، يُشار إلى هذا المحرك أيضًا باسم المحرك الحثي القفصي. على أي حال، دعنا نعود إلى نقطة أساسية للمحرك ثلاثي الطور - والتي ستساعدنا على فهم حماية الحمل الحراري الزائد للمحرك بشكل واضح.
مع قطع الموجة المغناطيسية الدوارة لكل قضيب موصل في الروتور، سيكون هناك تيار دوراني مستند يتدفق عبر قضبان الموصل. عند بدء التشغيل يكون الروتور ثابت والحقول المغناطيسية للستاتور تدور بسرعة متزامنة، وبالتالي تكون السرعة النسبية بين المجال الدوار والروتور هي الأقصى.
لذا، يكون معدل القطع للمجال المغناطيسي مع قضبان الروتور هو الأقصى، ويكون التيار المستند هو الأقصى في هذه الحالة. ولكن بما أن السبب في حدوث التيار المستند هو هذه السرعة النسبية، فإن الروتور سيحاول تقليل هذه السرعة النسبية وسيبدأ بالتالي في الدوران في اتجاه المجال المغناطيسي الدوار للوصول إلى السرعة المتزامنة. بمجرد أن يصل الروتور إلى السرعة المتزامنة، تصبح السرعة النسبية بين الروتور والمجال المغناطيسي الدوار صفرًا، وبالتالي لن يكون هناك أي قطع للمجال المغناطيسي ولن يكون هناك أي تيار مستند في قضبان الروتور. وبما أن التيار المستند أصبح صفرًا، لن يكون هناك أي حاجة لمزيد من الحفاظ على السرعة النسبية الصفرية بين الروتور والمجال المغناطيسي الدوار، وبالتالي تنخفض سرعة الروتور.
بمجرد انخفاض سرعة الروتور، تعود السرعة النسبية بين الروتور والمجال المغناطيسي الدوار لتكتسب قيمة غير صفرية مرة أخرى مما يؤدي إلى حدوث تيار مستند في قضبان الروتور ثم سيحاول الروتور مرة أخرى الوصول إلى السرعة المتزامنة وهذا سيستمر حتى يتم إيقاف المحرك. بسبب هذه الظاهرة، لن يصل الروتور أبدًا إلى السرعة المتزامنة وكذلك لن يتوقف عن العمل أثناء التشغيل الطبيعي. الفرق بين السرعة المتزامنة وسرعة الروتور بالنسبة للسرعة المتزامنة، يسمى الانزلاق للمحرك الحثي.
الانزلاق في المحرك الحثي الذي يعمل بشكل طبيعي عادة ما يتراوح بين 1٪ إلى 3٪ اعتمادًا على حالة التحميل للمحرك. الآن سنحاول رسم خصائص السرعة والتيار للمحرك الحثي - دعنا نأخذ مثالًا على مروحة غلاية كبيرة.
في الخصائص، تم اختيار محور Y كوقت بالثواني، ومحور X كنسبة مئوية من تيار الستاتور. عندما يكون الروتور ثابت، وهو حالة البدء، يكون الانزلاق هو الأقصى وبالتالي يكون التيار المستند في الروتور هو الأقصى ونتيجة لعملية التحويل، سيقوم الستاتور أيضًا بسحب تيار كبير من المصدر ويمكن أن يكون حوالي 600٪ من التيار الكامل للحمل المقنن للستاتور. مع تسريع الروتور، ينخفض الانزلاق وبالتالي ينخفض التيار المستند وبالتالي ينخفض تيار الستاتور إلى حوالي 500٪ من التيار الكامل للحمل المقنن خلال 12 ثانية عندما تصل سرعة الروتور إلى 80٪ من السرعة المتزامنة. بعد ذلك، ينخفض تيار الستاتور بسرعة إلى القيمة المقننة حيث يصل الروتور إلى سرعته الطبيعية.
الآن سنناقش التحميل الحراري الزائد للمحرك الكهربائي أو مشكلة الاحترار الزائد للمحرك الكهربائي وأهمية حماية الحمل الحراري الزائد للمحرك.
عندما نفكر في الاحترار الزائد للمحرك، فإن أول شيء يخطر في ذهننا هو التحميل الزائد. نتيجة للتحميل الميكانيكي الزائد للمحرك، يسحب المحرك تيارًا أعلى من المصدر مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط. يمكن أيضًا أن يصبح المحرك مفرط الحرارة إذا تم حبس الروتور ميكانيكيًا، أي أصبح ثابتًا بواسطة قوة ميكانيكية خارجية. في هذه الحالة، سيقوم المحرك بسحب تيار مفرط من المصدر مما يؤدي أيضًا إلى التحميل الحراري الزائد للمحرك أو مشكلة الاحترار الزائد. سبب آخر للحرارة الزائدة هو انخفاض الجهد المغذي. حيث يعتمد استهلاك الطاقة من قبل المحرك من المصدر على حالة التحميل للمحرك، وفي حالة انخفاض الجهد المغذي، سيقوم المحرك بسحب تيار أعلى من الشبكة لحفظ العزم المطلوب. يمكن أن يسبب فقدان الطور الواحد أيضًا التحميل الحراري الزائد للمحرك. عندما يكون أحد الأطوار خارج الخدمة، يقوم الطوران المتبقيان بسحب تيار أعلى لحفظ العزم المطلوب للمحرك مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك. يمكن أن تؤدي عدم التوازن بين الأطوار الثلاثة للمصدر أيضًا إلى ارتفاع درجة حرارة لفائف المحرك، حيث يؤدي نظام عدم التوازن إلى تيار السلسلة السالبة في لفائف الستاتور. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي فقدان وتوفير الجهد المغذي بشكل مفاجئ إلى ارتفاع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط. حيث يؤدي فقدان الجهد المغذي بشكل مفاجئ إلى تباطؤ المحرك ويعود الجهد المغذي بشكل مفاجئ يجعل المحرك يتسارع للوصول إلى سرعته المقننة وبالتالي يسحب المحرك تيارًا أعلى من المصدر.
نظرًا لأن التحميل الحراري الزائد أو الاحترار الزائد للمحرك قد يؤدي إلى فشل العزل وتلف اللفائف، يجب حماية المحرك ضد الحالات التالية لأجل حماية الحمل الحراري الزائد للمحرك المناسبة
التحميل الميكانيكي الزائد،
توقف محور المحرك،
انخفاض الجهد المغذي،
فقدان الطور الواحد في الشبكة،
عدم التوازن في الشبكة،
فقدان وإعادة توفير الجهد المغذي بشكل مفاجئ.
أحد أهم أنظمة الحماية للمحرك هو حماية الحمل الحراري الزائد والتي تغطي بشكل أساسي حماية جميع الحالات المذكورة أعلاه. لفهم مبدأ حماية الحمل الحراري الزائد الأساسي، دعنا نفحص مخطط الرسم البياني لخطة التحكم الأساسية للمحرك.
في الشكل أعلاه، عندما يتم إغلاق زر البدء، يتم تشغيل ملف التغذية عبر المحول. عندما يتم تشغيل ملف التغذية، يتم إغلاق جهات الاتصال المفتوحة (NO) 5 وبالتالي يحصل المحرك على الجهد المغذي في مصاطره ويبدأ في الدوران. كما يغلق ملف التغذية جهة الاتصال 4 مما يجعل ملف التغذية م alimentado incluso cuando el botón de inicio se libera de su posición cerrada. Para detener el motor, hay varios contactos normalmente cerrados (NC) en serie con el bobinado del arranque, como se muestra en la figura. Uno de ellos es el contacto del botón de PARO. Si se presiona el botón de PARO, este contacto se abre y rompe la continuidad del circuito del bobinado del arranque, lo que hace que el bobinado del arranque se desalimente. Por lo tanto, los contactos 5 y 4 vuelven a su posición normalmente abierta. Entonces, en ausencia de voltaje en los bornes del motor, finalmente dejará de funcionar. De manera similar, si alguno de los otros contactos NC (1, 2 y 3) conectados en serie con el bobinado del arranque se abre, también detendrá el motor. Estos contactos NC están acoplados eléctricamente con varios relés de protección para detener la operación del motor en diferentes condiciones anormales.
Veamos el relé de sobrecarga térmica y su función en la protección contra sobrecargas térmicas del motor.
Las secundarias de las TC en serie con el circuito de alimentación del motor, están conectadas con una tira bimetálica del relé de sobrecarga térmica (49). Como se muestra en la figura a continuación, cuando la corriente a través de la secundaria de cualquiera de las TC, supera sus valores predeterminados durante un tiempo predeterminado, la tira bimetálica se calienta en exceso y se deforma, lo que finalmente hace que el relé 49 se active. Tan pronto como se activa el relé 49, los contactos NC 1 y 2 se abren, lo que desalimenta el bobinado del arranque y, por lo tanto, detiene el motor.
Otra cosa que debemos recordar al proporcionar protección contra sobrecargas térmicas del motor. En realidad, cada motor tiene un valor predeterminado de tolerancia a sobrecargas. Eso significa que cada motor puede funcionar más allá de su carga nominal durante un período permitido específico dependiendo de su condición de carga. Cuánto tiempo puede funcionar un motor de forma segura para una carga particular está especificado por el fabricante. La relación entre las diferentes cargas en el motor y los períodos correspondientes permitidos para ejecutarlo en condiciones seguras se denomina curva límite térmica del motor. Veamos la curva de un motor en particular, mostrada a continuación.
Aquí, el eje Y o eje vertical representa el tiempo permitido en segundos y el eje X o eje horizontal representa el porcentaje de sobrecarga. Aquí, a partir de la curva, queda claro que el motor puede funcionar de forma segura sin ningún daño debido al sobrecalentamiento durante un período prolongado al 100% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 1000 segundos al 200% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 100 segundos al 300% de la carga nominal. Puede funcionar de forma segura 15 segundos al 600% de la carga nominal. La parte superior de la curva representa la condición de funcionamiento normal del rotor y la parte inferior más baja representa la condición de bloqueo mecánico del rotor.
Ahora, la curva de tiempo de operación vs corriente de actuación del relé de sobrecarga térmica elegido debe situarse por debajo de la curva límite térmica del motor para un funcionamiento satisfactorio y seguro. Vamos a discutir más detalles-
Recuerde las características de la corriente de arranque del motor - Durante el arranque del motor de inducción, la corriente del estator supera el 600% de la corriente nominal, pero permanece hasta 10 a 12 segundos después de eso, la corriente del estator cae repentinamente al valor nominal. Entonces, si el relé de sobrecarga térmica se opera antes de esos 10 a 12 segundos para la corriente del 600% de la corriente nominal, el motor no podrá arrancar. Por lo tanto, se puede concluir que la curva de tiempo de operación vs corriente de actuación del relé de sobrecarga térmica elegido debe situarse por debajo de la curva límite térmica del motor, pero por encima de la curva de las características de la corriente de arranque del motor. La posición probable de las características del relé de corriente térmica está limitada por estas dos curvas mencionadas, como se muestra en el gráfico por el área resaltada.
Otra cosa que hay que recordar al elegir el relé de sobrecarga térmica. Este relé no es un relé instantáneo. Tiene un retraso mínimo en la operación ya que la tira bimetálica requiere un tiempo mínimo para calentarse y deformarse para el valor máximo de corriente de operación. A partir del gráfico, se encuentra que el relé térmico se operará después de 25 a 30 segundos si el rotor se bloquea mecánicamente de repente o el motor falla en arrancar. En esta situación, el motor extraerá una corriente enorme de la fuente. Si el motor no se aísla rápidamente, pueden ocurrir daños graves.
Este problema se soluciona mediante la provisión de un relé de sobrecorriente con alta captación. Las características de tiempo y corriente de estos relés de sobrecorriente se eligen de tal manera que, para valores bajos de sobrecarga, el relé no operará ya que el relé de sobrecarga térmica se activará antes. Pero para valores altos de sobrecarga y para la condición de rotor bloqueado, el relé de sobrecorriente de tiempo operará en lugar del relé térmico porque el primero se activará mucho antes que el último.
Por lo tanto, se proporcionan tanto el relé de sobrecarga bimetálico como el relé de sobrecorriente de tiempo para una protección completa contra la sobrecarga térmica del motor.
Hay una desventaja principal del relé de sobrecarga térmica bimetálico, ya que la tasa de calentamiento y enfriamiento de la bi-metal se ve afectada por la temperatura ambiente, el rendimiento del relé puede diferir para diferentes temperaturas ambientales. Este problema se puede superar utilizando un RTD o detector de temperatura de resistencia. Los motores más grandes y sofisticados se protegen contra la sobrecarga térmica de manera más precisa utilizando un RTD. Se colocan RTD en las ranuras del estator junto con el viento del estator. La resistencia del RTD cambia con el cambio de temperatura y este valor de resistencia cambiado se detecta mediante un circuito de puente de Wheatstone.
Este esquema de protección contra la sobrecarga térmica del motor es muy simple. El RTD del estator se utiliza como uno de los brazos del puente de Wheatstone equilibrado. La cantidad de corriente a través del relé 49 depende del grado de desequilibrio del puente. A medida que aumenta la temperatura del viento del estator, la resistencia eléctrica del detector aumenta, lo que perturba la condición equilibrada del puente. Como resultado, comienza a fluir corriente a través del relé 49 y el relé se activará después de un valor predeterminado de esta corriente desequilibrada, y finalmente se abrirán los contactos del arranque para detener el suministro al motor.
بيان: احترم الأصل، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالته.
