Zaštita motora od topline
Za razumijevanje zaštite motora od toplinskog preopterećenja u indukcijskom motoru možemo raspraviti o radnom principu trofaznog indukcijskog motora. Postoji jedan cilindrični stator i trofazna vitanja simetrično raspoređena unutar unutarnje periferije statora. Zbog takvog simetričnog rasporeda, kada se trofazni napajanje primjeni na vitanju statora, proizvedeno je vrteće magnetsko polje. Ovo polje vrati se brzinom sinkronog obrta. Rotor u indukcijskom motoru uglavnom se sastoji od čvrstih bakrenih šipova koji su na oba kraja skraćeni na način da formiraju strukturu kao kavez. Zbog toga se ovaj motor također naziva kavezni indukcijski motor. Ipak, dođimo do osnovne točke trofaznog indukcijskog motora – što će nam pomoći jasno razumjeti zaštitu motora od toplinskog preopterećenja.
Kako se vrteće magnetsko fluks presjeca sa svakim vodilom rotora, dobit će se inducirani cirkulacijski tok koji teče kroz vodile rotora. Tijekom pokretanja rotor je miran, a polje statora vrati se brzinom sinkronog obrta, relativni pokret između vrtećeg polja i rotora je maksimalan. Stoga, brzina presjeka fluksa s vodilima rotora je maksimalna, inducirani tok je maksimalan u tom stanju. No, budući da je uzrok induciranog toka upravo ovaj relativni pokret, rotor će pokušati smanjiti ovaj relativni pokret i time će početi vrteći se u smjeru vrtećeg magnetskog polja kako bi dosegao sinkronnu brzinu. Čim rotor dosegne sinkronnu brzinu, ovaj relativni pokret između rotora i vrtećeg magnetskog polja postaje nula, stoga neće biti daljnje presjecanje fluksa i posljedično neće biti induciranog toka u vodilima rotora. Kako se inducirani tok smanji na nulu, neće više biti potrebe za održavanjem nulte relativne brzine između rotora i vrtećeg magnetskog polja, pa će brzina rotora pasti.
Čim brzina rotora pasti, relativna brzina između rotora i vrtećeg magnetskog polja opet dobiva nenultu vrijednost koja opet uzrokuje inducirani tok u vodilima rotora, zatim rotor opet pokušava dostići sinkronnu brzinu i to će se nastaviti dok je motor uključen. Zbog ovog fenomena, rotor nikada neće dostići sinkronnu brzinu, niti će prestati raditi tijekom normalnog rada. Razlika između sinkronne brzine i brzine rotora u odnosu na sinkronnu brzinu, naziva se klizanje indukcijskog motora.
Klizanje u normalno radnom indukcijskom motoru tipično varira od 1% do 3%, ovisno o opterećenju motora. Sada pokušat ćemo nacrtati karakteristike brzine i toka indukcijskog motora – recimo primjer velikog ventilatora kotla.
Na karakteristikama Y os je uzeta kao vrijeme u sekundama, X os je uzeta kao % toka statora. Kada je rotor miran, tj. u stanju pokretanja, klizanje je maksimalno, stoga je inducirani tok u rotoru maksimalan, a zbog transformacijske akcije, stator će također povući veliki tok iz napajanja, a to bi bilo oko 600% nominale punog opterećenja toka statora. Kako se rotor ubrzava, klizanje se smanjuje, posljedično se smanjuje i tok rotora, dakle i tok statora pada na oko 500% nominale punog opterećenja unutar 12 sekundi kada brzina rotora dostigne 80% sinkronne brzine. Nakon toga tok statora brzo pada na nominalnu vrijednost kako rotor dostiže svoju normalnu brzinu.
Sada ćemo raspraviti o toplinskom preopterećenju električnog motora ili problemu pregrejanja električnog motora i potrebi za zaštitom motora od toplinskog preopterećenja.
Kada mislimo o pregrejanju motora, prva stvar koja nam dolazi na um je preopterećenje. Zbog mehaničkog preopterećenja, motor povući veći tok iz napajanja, što dovodi do prekomjernog pregrejanja motora. Motor može biti prekomjerno pregrejan i ako je rotor mehanički zaključan, tj. postane statičan zbog bilo kakve vanjske mehaničke sile. U tom slučaju, motor će povući prekomjerno visok tok iz napajanja, što također dovodi do toplinskog preopterećenja električnog motora ili problema prekomjernog pregrejanja. Druga uzroka pregrejanja je niska naponska razina. Budući da snaga koju motor povući iz napajanja ovisi o opterećenju motora, za niže naponske razine, motor će povući veći tok iz mreže kako bi održao potrebni moment. Jednofaznost također uzrokuje toplinsko preopterećenje motora. Kada je jedna faza napajanja izvan funkcije, preostale dvije faze povuku veći tok kako bi održale potrebni moment opterećenja, što dovodi do pregrejanja motora. Neizravnost između tri faze napajanja također dovodi do pregrejanja vitanja motora, jer neizravnost rezultira negativnim sekvencijskim tokom u vitanju statora. Ponovno, naglo gubitak i obnova naponske razine može dovesti do prekomjernog pregrejanja motora. Budući da naglo gubitak naponske razine dovodi do deakceleracije motora, a nagla obnova naponske razine dovodi do ubrzavanja motora kako bi dosegnuo njegovu nominalnu brzinu, motor povući će veći tok iz napajanja.
Budući da toplinsko preopterećenje ili pregrejanje motora može dovesti do propadanja izolacije i oštećenja vitanja, za pravilnu zaštitu motora od toplinskog preopterećenja, motor treba zaštititi od sljedećih stanja
Mehaničko preopterećenje,
Zaključavanje valja motora,
Niska naponska razina,
Jednofaznost napajanja,
Neizravnost napajanja,
Naglo gubitak i obnova naponske razine.
Najosnovniji sustav zaštite motora je toplinska zaštita od preopterećenja, koja u osnovi pokriva zaštitu od svih prethodno spomenutih stanja. Za razumijevanje osnovnog principa toplinske zaštite od preopterećenja, ispitajmo shemu osnovnog sustava kontrole motora.
Na slici iznad, kada se dugme POKRENI zatvori, bobina pokreta energizira se kroz transformator. Kako se bobina pokreta energizira, normalno otvorene (NO) kontakte 5 zatvori se, pa motor dobiva napajanje na svojim terminalima i počinje vrteći se. Ova bobina pokreta također zatvori kontakt 4, što omogućuje da se bobina pokreta energizira čak i kada se dugme POKRENI oslobodi iz položaja zatvoren. Da bi se motor zaustavio, postoji nekoliko normalno zatvorenih (NZ) kontakata u seriji s bobinom pokreta, kao što je prikazano na slici. Jedan od njih je kontakt dugmeta STOP. Ako se dugme STOP pritisne, ovaj kontakt se otvori i prekida kontinuitet kruga bobine pokreta, konsekventno deenergizirajući bobinu pokreta. Stoga se kontakte 5 i 4 vraćaju u svoje normalno otvorene položaje. Tada, u odsutnosti napajanja na terminalima motora, on će konačno prestati raditi. Slično tome, bilo koji od drugih NZ kontakata (1, 2 i 3) spojenih u seriju s bobinom pokreta, ako se otvore, također će zaustaviti motor. Ovi NZ kontakti su električno spojeni s različitim reljima zaštitnih uređaja kako bi zaustavili rad motora u različitim nepravilnim stanjima.
Pogledajmo relj za toplinsko preopterećenje i njegovu funkciju u toplinskoj zaštiti motora od preopterećenja.
Sekundarna strana CT-ova u seriji s napajanjem motora, spojena je s dvo-metalnom trakom relja za toplinsko preopterećenje (49). Kao što je prikazano na slici ispod, kada tok kroz sekundarnu stranu bilo kojeg CT-a premaši predodređene vrijednosti tijekom predodređenog vremena, dvo-metalna traka pregreje se i deformira, što konačno dovodi do djelovanja relja 49. Čim se relj 49 aktivira, NZ kontakti 1 i 2 otvore se, deenergizirajući bobinu pokreta i time zaustavljući motor.
Još jednu stvar moramo zapamtiti prilikom osiguravanja motor thermal overload protection. Zapravo, svaki motor ima neku predodređenu toleranciju preopterećenja. To znači da svaki motor može raditi izvan svoje nominalne snage za određeni dopušteni period, ovisno o njegovom opterećenju. Koliko dugo motor može bezborno raditi za određeno opterećenje specificira proizvođač. Odnos između različitih opterećenja motora i odgovarajućih dopuštenih razdoblja za rad u sigurnom stanju naziva se termalna granica motora. Pogledajmo krivulju određenog motora, prikazanu ispod.
Ovdje Y os ili vertikalna os predstavlja dopušteno vrijeme u sekundama, a X os ili horizontalna os predstavlja postotak preopterećenja. Jasnog je iz krivulje da motor može bezborno raditi bez oštećenja zbog pregrejanja tijekom dugog vremena na 100% nominalne snage. Može bezborno raditi 1000 sekundi na 200 % normalne nominalne snage. Može bezborno raditi 100 sekundi na 300 % normalne nominalne snage. Može bezborno raditi 15 sekundi na 600% normalne nominalne snage. Gornji dio krivulje predstavlja normalno radno stanje rotora, a donji dio predstavlja mehanički zaključano stanje rotora.
Sada, krivulja vremena djelovanja protiv akcionog toka odabranog relja za toplinsko preopterećenje treba se nalaziti ispod termalne granice motora za zadovoljavajuće i sigurno funkcioniranje. Pogledajmo detaljnije -
Zapamtite karakteristike pokretnog toka motora - Tijekom pokretanja indukcijskog motora, tok statora premaši 600% normalnog nominalnog toka, ali ostaje do 10 do 12 sekundi, nakon čega tok statora naglo pada na normalnu nominalnu vrijednost. Stoga, ako se relj za toplinsko preopterećenje aktivira prije tih 10 do 12 sekundi za tok 600% normalnog nominalnog, motor se ne može pokrenuti. Dakle, može se zaključiti da krivulja vremena djelovanja protiv akcionog toka odabranog relja za toplinsko preopterećenje treba se nalaziti ispod termalne granice motora, ali iznad karakteristika pokretnog toka motora. Vjerojatna pozicija karakteristika relja za toplinski tok ograničena je ovim dvama navedenim krivuljama, kao što je prikazano na grafikonu označenom područjem.
Još jednu stvar treba zapamtiti prilikom odabira relja za toplinsko preopterećenje. Ovaj relj nije trenutni relj. Ima minimalnu kašnjinu u djelovanju, jer dvo-metalna traka treba minimalno vrijeme da se zagrije i deformira za maksimalnu vrijednost akcionog toka. S grafa vidljivo je da će se relj za toplinsko preopterećenje aktivirati nakon 25 do 30 sekundi ako se rotor naglo mehanički zaključa ili ako motor ne uspije pokrenuti. U tom stanju, motor će povući ogroman tok iz napajanja. Ako se motor ne izolira brže, može doći do ozbiljnog oštećenja.
Ovaj problem se prevaziđe pružanjem relja za prekomjerni tok s visokim prihvatnim naponom. Karakteristike vremena i toka ovih relja za prekomjerni tok biraju se tako da za niže vrijednosti preopterećenja, relj neće djelovati jer će relj za toplinsko preopterećenje biti aktiviran prije njega. Ali za više vrijednosti preopterećenja i za stanje zaključanog rotora, relj za prekomjerni tok aktivirat će se umjesto relja za toplinsko preopterećenje, jer će prvi djelovati mnogo prije drugog.
Stoga se obe dvo-metalne relje za preopterećenje i relj za prekomjerni tok pružaju za kompletnu toplinsku zaštitu motora od preopterećenja.
Postoji jedan glavni nedostatak dvo-metalnog relja za toplinsko preopterećenje, jer se brzina zagrijavanja i hlađenja dvo-metala ovisi o okolišnoj temperaturi, performanse relja mogu se razlikovati za različite okolišne temperature. Ovaj problem se može prevazići korištenjem RTD-a ili otpornika za mjerenje temperature. Veći i sofisticiraniji motori zaštićeni su točnije od toplinskog preopterećenja korištenjem RTD-a. U stupnicama statora, RTD-ovi su postavljeni uz vitanje statora. Otpor RTD-a mijenja se s promjenom temperature, a ta promijenjena otporna vrijednost detektira se Wheatstoneovim mostom.
Ovaj sustav toplinske zaštite motora od preopterećenja vrlo je jednostavan. RTD statora koristi se kao jedno rameno ravnotežnog Wheatstoneovog mosta. Iznos toka kroz relj 49 ovisi o stepenu neravnoteže mosta. Kako se temperatura vitanja statora poveća, električni otpor detektora poveća se, što narušava ravnotežno stanje mosta. Kao rezultat, tok počinje teći kroz relj 49, a relj će se aktivirati nakon predodređene vrijednosti ovog neravnotežnog toka, a konačno će se kontakti pokreta otvoriti kako bi se zaustavilo napajanje motora.
Izjava: Poštujte original, dobre članke vrijedi djeliti, ako postoji kršenje autorskih prava kontaktirajte za brisanje.
