Termální ochrana motoru
Pro pochopení tepelné ochrany před přetížením motoru v indukčním motoru můžeme diskutovat o principu fungování třífázového indukčního motoru. Existuje jeden válcový stator a třífázové zavíjení je symetricky rozmístěno na vnitřním okraji statoru. Díky takovému symetrickému rozdělení, když se třífázové napájecí zdroje připojí ke statorovému zavíjení, vzniká otáčející se magnetické pole. Toto pole se otáčí synchronní rychlostí. Rotor v indukčním motoru je vytvořen hlavně pevnými měděnými tyčemi, které jsou na obou koncích propojeny tak, aby tvořily košovitou strukturu. Proto se tento motor také nazývá krysí klece indukční motor. Přejděme nyní k základnímu bodu třífázového indukčního motoru – což nám pomůže lépe pochopit tepelnou ochranu před přetížením motoru.
Když se otáčející magnetický tok prořezává každým prvkem rotoru, dojde k vyvolání proudů cirkulujících v tyčích rotoru. Během startu je rotor stacionární a statorové pole se otáčí synchronní rychlostí, relativní pohyb mezi otáčejícím se polem a rotorem je maximální. Proto je i rychlost prořezávání toku s tyčemi rotoru maximální a vyvolaný proud je v této fázi maximální. Ale protože příčinou vyvolaného proudu je tato relativní rychlost, rotor se pokusí snížit tuto relativní rychlost a začne se otáčet ve směru otáčejícího se magnetického pole, aby dosáhl synchronní rychlosti. Jakmile rotor dosáhne synchronní rychlosti, tato relativní rychlost mezi rotorem a otáčejícím se magnetickým polem se stane nulovou, nebude tedy žádné další prořezávání toky a následně nebudou žádné vyvolané proudy v tyčích rotoru. Jelikož vyvolaný proud bude nulový, nebude potřeba udržovat nulovou relativní rychlost mezi rotorem a otáčejícím se magnetickým polem, a proto se rychlost rotoru sníží.
Jakmile se rychlost rotoru sníží, relativní rychlost mezi rotorem a otáčejícím se magnetickým polem opět získá nenulovou hodnotu, což opět způsobí vyvolání proudu v tyčích rotoru, rotor se pak znovu pokusí dosáhnout synchronní rychlosti a toto se bude opakovat, dokud je motor zapnut. V důsledku tohoto jevu rotor nikdy nedosáhne synchronní rychlosti a nikdy se nezastaví během normálního provozu. Rozdíl mezi synchronní rychlostí a rychlostí rotoru vzhledem k synchronní rychlosti se nazývá kluz indukčního motoru.
Kluz u normálně běžícího indukčního motoru obvykle kolísá od 1 % do 3 % v závislosti na zatěžovém stavu motoru. Nyní se pokusíme nakreslit charakteristiku rychlosti a proudu indukčního motoru – vezměme si příklad velkého topničního ventilátoru.
Na ose Y je čas v sekundách, na ose X je procento statorového proudu. Když je rotor stacionární, tj. v počátečním stavu, kluz je maximální, proto je vyvolaný proud v rotoru maximální a v důsledku transformačního účinku stator také čerpá značný proud ze zdroje, který by mohl být asi 600 % nominálního plného zátěžového statorového proudu. Jak se rotor zrychluje, kluz se snižuje, následně se snižuje i rotorový proud a statorový proud klesá na asi 500 % nominálního plného zátěžového proudu během 12 sekund, když rychlost rotoru dosáhne 80 % synchronní rychlosti. Poté se statorový proud rychle snižuje na nominální hodnotu, jak rotor dosáhne své normální rychlosti.
Nyní se zaměříme na tepelné přetížení elektrického motoru nebo problém přehřívání elektrického motoru a nutnost tepelné ochrany před přetížením motoru.
Když uvažujeme o přehřívání motoru, první, co nás napadne, je přetížení. Díky mechanickému přetížení motor čerpá vyšší proud ze zdroje, což vedá k nadměrné přehřátí motoru. Motor může být také silně přehřát, pokud je rotor mechanicky uzamčen, tj. stane se stacionárním vlivem externí mechanické síly. V této situaci motor čerpá značně vysoký proud ze zdroje, což také vedá k tepelnému přetížení elektrického motoru nebo k problému s nadměrným přehříváním. Další příčinou přehřívání je nízké napětí zdroje. Protože spotřeba energie motoru závisí na zatěžovém stavu motoru, při nižším napětí zdroje motor čerpá vyšší proud z hlavního zdroje, aby udržel požadovaný moment. Jednofázové přerušení také způsobuje tepelné přetížení motoru. Když je jedna fáze zdroje mimo provoz, zbývající dvě fáze čerpají vyšší proud, aby udržely požadovaný zátěžový moment, a to vedá k přehřátí motoru. Nerovnováha mezi třemi fázemi zdroje také způsobuje přehřátí motorového zavíjení, jelikož nerovnovážný systém vede k negativnímu sekvenci proudu v statorovém zavíjení. Opět, náhlé ztráty a obnova napětí zdroje mohou způsobit nadměrné přehřátí motoru. Protože v důsledku náhlé ztráty napětí zdroje, motor se zpomalí a v důsledku náhlé obnovy napětí, motor se zrychlí, aby dosáhl své nominální rychlosti, a proto čerpá vyšší proud ze zdroje.
Protože tepelné přetížení nebo přehřívání motoru může vést k selhání izolace a poškození zavíjení, pro správnou tepelnou ochranu před přetížením motoru, by měl být motor chráněn proti následujícím stavům
Mechanické přetížení,
Zastavení hřídele motoru,
Nízké napětí zdroje,
Jednofázové přerušení zdroje,
Nerovnováha zdroje,
Náhlá ztráta a obnova napětí zdroje.
Nejzákladnějším ochranným systémem motoru je tepelná ochrana před přetížením, která zahrnuje ochranu všech výše uvedených stavů. Pro pochopení základního principu tepelné ochrany před přetížením si prohlédněme schéma základního řídicího systému motoru.
Na obrázku výše, když je tlačítko START zavřeno, spouštěcí cívek je zapojen přes transformátor. Jakmile je spouštěcí cívek zapojen, normálně otevřené (NO) kontakty 5 jsou uzavřeny, a proto motor dostává napětí na svých terminálech a začíná se otáčet. Tento spouštěcí cívek také uzavře kontakt 4, který drží spouštěcí cívek zapojené i poté, co je tlačítko START uvolněno. Pro zastavení motoru jsou v sérii s spouštěcí cívek několik normálně uzavřených (NC) kontaktů, jak je znázorněno na obrázku. Jeden z nich je tlačítko STOP. Pokud je tlačítko STOP stisknuto, tento kontakt se otevře a přeruší spojitost spouštěcí cívek, což má za následek, že spouštěcí cívek je deenergizován. Kontakty 5 a 4 se vrátí do své normálně otevřené pozice. V nepřítomnosti napětí na terminálech motoru se ten konečně zastaví. Podobně, pokud se libovolný z jiných NC kontaktů (1, 2 a 3) zapojených v sérii se spouštěcí cívek otevře, zastaví se motor. Tyto NC kontakty jsou elektricky spojeny s různými ochrannými relémi, aby zastavily provoz motoru v různých neočekávaných situacích.
Podívejme se nyní na tepelné přetížení relé a jeho funkci v tepelné ochraně před přetížením motoru.
Secundární části CT v sérii s okruhem zásobování motoru jsou spojeny s dvousložkovým páskem tepelného přetížení relé (49). Jak je znázorněno na níže uvedeném obrázku, když proud v sekundární části kteréhokoli z CT překročí jeho predeterminované hodnoty po predeterminovanou dobu, dvousložkový pásek je přehřát a deformován, což nakonec způsobí, že relé 49 je aktivováno. Jakmile je relé 49 aktivováno, NC kontakty 1 a 2 jsou otevřeny, což deenergizuje spouštěcí cívek a zastaví motor.
Další věc, kterou musíme pamatovat při poskytování tepelné ochrany před přetížením motoru. Ve skutečnosti každý motor má nějakou predeterminovanou toleranci přetížení. To znamená, že každý motor může běžet nad svou nominální zátěž po určitou dobu, v závislosti na jeho zatěžovém stavu. Jak dlouho může motor bezpečně běžet pro určitou zátěž, je specifikováno výrobce. Vztah mezi různými zátěžemi na motoru a odpovídajícími dobymi pro běh v bezpečném stavu se nazývá tepelná limitní křivka motoru. Podívejme se na křivku konkrétního motoru, jak je uvedeno níže.
Zde osa Y nebo vertikální osa reprezentuje dovolenou dobu v sekundách a osa X nebo horizontální osa reprezentuje procento přetížení. Z křivky je zřejmé, že motor může bezpečně běžet bez jakéhokoli poškození způsobeného přehřátím po delší dobu při 100% nominální zátěži. Může bezpečně běžet 1000 sekund při 200 % normální nominální zátěži. Může bezpečně běžet 100 sekund při 300 % normální nominální zátěži. Může bezpečně běžet 15 sekund při 600% normální nominální zátěži. Horní část křivky reprezentuje normální běh rotoru a nejspodnější část reprezentuje mechanicky uzamčený stav rotoru.
Nyní by měla být křivka doby provozu vs. aktivačního proudu zvoleného tepelného přetížení relé umístěna pod tepelnou limitní křivkou motoru pro uspokojivý a bezpečný provoz. Pojďme se zabývat více detaily-
Pamatujte na charakteristiky spouštěcího proudu motoru – Během spouštění indukčního motoru, statorový proud přesahuje 600 % normálního nominálního proudu, ale zůstává pouze 10 až 12 sekund, poté statorový proud náhle klesá na normální nominální hodnotu. Takže pokud by tepelné přetížení relé bylo aktivováno před těmito 10 až 12 sekundami pro proud 600 % normálního nominálního, motor by nemohl být spuštěn. Lze tedy usoudit, že křivka doby provozu vs. aktivačního proudu zvoleného tepelného přetížení relé by měla být umístěna pod tepelnou limitní křivkou motoru, ale nad křivkou spouštěcího proudu motoru. Pravděpodobná poloha charakteristik tepelného přetížení relé je ohraničena těmito dvěma zmíněnými křivkami, jak je vidět na grafu vyznačenou oblastí.
Další věc, kterou je třeba pamatovat při výběru tepelného přetížení relé. Toto relé není okamžité relé. Má minimální zpoždění v provozu, protože dvousložkový pásek potřebuje minimální čas, aby se zahřál a deformoval pro maximální hodnotu provozního proudu. Z grafu lze zjistit, že tepelné relé bude aktivováno po 25 až 30 sekundách, pokud je rotor náhle mechanicky zablokován nebo motor selže při spouštění. V této situaci motor čerpá obrovský proud ze zdroje. Pokud by motor nebyl brzy izolován, mohlo by dojít k závažnějším poškozením.
Tento problém lze překonat poskytnutím časového přetížení relé s vysokým zahájením. Charakteristiky časového přetížení těchto relé jsou tak voleny, že pro nižší hodnoty přetížení, relé nebude fungovat, protože tepelné přetížení relé bude aktivováno před ním. Ale pro vyšší hodnoty přetížení a pro stav uzamčeného rotoru bude namísto tepelného relé aktivováno časové přetížení relé, protože toto bude aktivováno mnohem dříve než tepelné relé.
Takže jsou poskytnuty oba dvousložkové přetížení relé a časové přetížení relé pro kompletní tepelnou ochranu před přetížením motoru.
Existuje jeden hlavní nedostatek dvousložkového tepelného přetížení relé, protože rychlost ohřevu a chladnutí dvousložkového materiálu je ovlivněna okolní teplotou, výkon relé může se lišit pro různé okolní teploty. Tento problém lze překonat použitím RTD nebo detektoru teploty odporu. Větší a sofistikovanější motory jsou chráněny před tepelným přetížením přesněji pomocí RTD. V statorových slotech jsou RTD umístěny spolu se statorovým zavíjením. Odpor RTD se mění s měnící se teplotou a tato změněná hodnota odporu je detekována Wheatstoneovým mostem.
Tento systém tepelné ochrany před přetížením motoru je velmi jednoduchý. RTD statoru je použito jako jedno rameno vyváženého Wheatstoneova mostu. Množství proudu procházející relé 49 závisí na stupni nevyvážení mostu. Jak se teplota statorového zavíjení zvýší, elektrický odpor detektoru se zvýší, což naruší vyvážený stav mostu. V důsledku toho proud začne procházet relé 49 a relé bude aktivováno po predeterminované hodnotě tohoto nevyváženého proudu a nakonec se spouštěcí kontakt otevře a zastaví zásobování motoru.
Prohlášení: Respektujte původ, dobaře napsané články jsou hodné sdílení, pokud dojde k porušení autorských práv, kontaktujte pro odstranění.
