Protezione termica di sovraccarico del motore
Per comprendere la protezione termica di sovraccarico del motore nel motore asincrono, possiamo discutere il principio di funzionamento del motore trifase asincrono. C'è uno stator cilindrico e un avvolgimento trifase distribuito simmetricamente nella periferia interna dello stator. A causa di tale distribuzione simmetrica, quando viene applicata una fornitura di energia trifase all'avvolgimento dello stator, si produce un campo magnetico rotante. Questo campo ruota alla velocità sincrona. Il rotore è creato principalmente da barre di rame solido che sono accorciate alle due estremità in modo da formare una struttura a gabbia cilindrica. Per questo motivo, questo motore è anche chiamato motore asincrono a gabbia di scoiattolo. Tornando al punto fondamentale del motore trifase asincrono - che ci aiuterà a comprendere chiaramente la protezione termica di sovraccarico del motore.
Mentre il flusso magnetico rotante taglia ciascun conduttore a barra del rotore, vi sarà una corrente circolante indotta che scorre attraverso i conduttori a barra. All'accensione, il rotore è fermo e il campo dello stator ruota alla velocità sincrona, quindi il moto relativo tra il campo rotante e il rotore è massimo. Di conseguenza, il tasso di taglio del flusso con le barre del rotore è massimo, e la corrente indotta è massima in questa condizione. Ma poiché la causa della corrente indotta è questa velocità relativa, il rotore cercherà di ridurre questa velocità relativa e quindi inizierà a ruotare nella direzione del campo magnetico rotante per raggiungere la velocità sincrona. Non appena il rotore raggiungerà la velocità sincrona, questa velocità relativa tra il rotore e il campo magnetico rotante diventerà zero, quindi non ci sarà ulteriore taglio del flusso e, di conseguenza, non ci sarà alcuna corrente indotta nelle barre del rotore. Poiché la corrente indotta diventa zero, non ci sarà più bisogno di mantenere una velocità relativa zero tra il rotore e il campo magnetico rotante, quindi la velocità del rotore diminuirà.
Non appena la velocità del rotore diminuisce, la velocità relativa tra il rotore e il campo magnetico rotante acquisisce nuovamente un valore non nullo, causando nuovamente la corrente indotta nelle barre del rotore, quindi il rotore cercherà nuovamente di raggiungere la velocità sincrona e questo continuerà fino a quando il motore rimane acceso. A causa di questo fenomeno, il rotore non raggiungerà mai la velocità sincrona e non smetterà mai di funzionare durante l'operazione normale. La differenza tra la velocità sincrona e la velocità del rotore rispetto alla velocità sincrona, è definita scivolamento del motore asincrono.
Lo scivolamento in un motore asincrono in funzione normalmente varia tipicamente dal 1% al 3% a seconda della condizione di carico del motore. Ora cercheremo di tracciare le caratteristiche di corrente e velocità del motore asincrono - prendiamo ad esempio un grande ventilatore di caldaia.
Nelle caratteristiche, l'asse Y è preso come tempo in secondi, l'asse X è preso come % della corrente dello stator. Quando il rotore è fermo, cioè nella condizione di avvio, lo scivolamento è massimo, quindi la corrente indotta nel rotore è massima e, a causa dell'effetto di trasformazione, lo stator attingerà anche una corrente elevata dalla rete e sarà intorno al 600% della corrente nominale a pieno carico dello stator. Mentre il rotore viene accelerato, lo scivolamento diminuisce, di conseguenza la corrente del rotore e quindi la corrente dello stator scende a circa il 500% della corrente nominale a pieno carico entro 12 secondi quando la velocità del rotore raggiunge l'80% della velocità sincrona. Dopo ciò, la corrente dello stator diminuisce rapidamente al valore nominale mentre il rotore raggiunge la sua velocità normale.
Ora discuteremo del sovraccarico termico del motore elettrico o del problema di surriscaldamento del motore elettrico e della necessità di protezione termica di sovraccarico del motore.
Quando pensiamo al surriscaldamento di un motore, la prima cosa che ci viene in mente è il sovraccarico. A causa del sovraccarico meccanico, il motore attinge una corrente maggiore dalla rete, il che porta a un surriscaldamento eccessivo del motore. Il motore può anche essere surriscaldato eccessivamente se il rotore è bloccato meccanicamente, cioè diventa stazionario a causa di una forza meccanica esterna. In questa situazione, il motore attingerà una corrente eccessivamente alta dalla rete, il che porta a un sovraccarico termico del motore o a un problema di surriscaldamento eccessivo. Un'altra causa di surriscaldamento è la tensione di alimentazione bassa. Poiché la potenza assorbita dal motore dalla rete dipende dalla condizione di carico del motore, per una tensione di alimentazione inferiore, il motore attingerà una corrente maggiore dalla rete per mantenere la coppia richiesta. L'assenza di una fase (single phasing) provoca anche sovraccarico termico del motore. Quando una fase della rete è fuori servizio, le altre due fasi attingono una corrente maggiore per mantenere la coppia di carico richiesta, il che porta al surriscaldamento del motore. Una condizione di squilibrio tra le tre fasi della rete provoca anche il surriscaldamento dell'avvolgimento del motore, in quanto un sistema squilibrato genera una corrente sequenziale negativa nell'avvolgimento dello stator. Inoltre, a causa della perdita improvvisa e la ristabilizzazione della tensione di alimentazione, può verificarsi un surriscaldamento eccessivo del motore. Poiché a causa della perdita improvvisa della tensione di alimentazione, il motore decelera e, a causa della ristabilizzazione improvvisa della tensione, il motore accelera per raggiungere la sua velocità nominale e, quindi, per questo, il motore attinge una corrente maggiore dalla rete.
Poiché il sovraccarico termico o il surriscaldamento del motore possono portare al fallimento dell'isolamento e al danneggiamento dell'avvolgimento, per una corretta protezione termica di sovraccarico del motore, il motore dovrebbe essere protetto contro le seguenti condizioni
Sovraccarico meccanico,
Blocco dell'albero del motore,
Tensione di alimentazione bassa,
Assenza di una fase della rete,
Squilibrio della rete,
Perdita e ristabilizzazione improvvisa della tensione di alimentazione.
Lo schema di protezione più basilare del motore è la protezione termica di sovraccarico, che copre principalmente la protezione di tutte le condizioni sopra menzionate. Per comprendere il principio fondamentale della protezione termica di sovraccarico, esaminiamo lo schema di base del controllo del motore.
Nella figura sopra, quando il pulsante AVVIO è chiuso, la bobina dell'avviatore è alimentata attraverso il trasformatore. Poiché la bobina dell'avviatore è alimentata, i contatti normalmente aperti (NA) 5 si chiudono, quindi il motore riceve la tensione di alimentazione ai suoi terminali e inizia a ruotare. Questa bobina di avviamento chiude anche i contatti 4, che mantengono la bobina dell'avviatore alimentata anche se il contatto del pulsante AVVIO viene rilasciato dalla sua posizione chiusa. Per fermare il motore ci sono diversi contatti normalmente chiusi (NC) in serie con la bobina dell'avviatore, come mostrato nella figura. Uno di questi è il contatto del pulsante STOP. Se il pulsante STOP viene premuto, questo contatto si apre e interrompe la continuità del circuito della bobina dell'avviatore, facendo sì che la bobina dell'avviatore sia de-energizzata. Quindi, i contatti 5 e 4 tornano alla loro posizione normalmente aperta. In assenza di tensione ai terminali del motore, quest'ultimo smetterà di funzionare. Analogamente, qualsiasi altro contatto NC (1, 2 e 3) collegato in serie con la bobina dell'avviatore, se si apre, fermerà anche il motore. Questi contatti NC sono accoppiati elettricamente con vari relè di protezione per fermare l'operazione del motore in diverse condizioni anormali.
Osserviamo il relè di sovraccarico termico e la sua funzione nella protezione termica di sovraccarico del motore.
I secondari dei CT in serie con il circuito di alimentazione del motore, sono collegati con una lamina bimetallica del relè di sovraccarico termico (49). Come mostrato nella figura seguente, quando la corrente attraverso i secondari di uno dei CT supera i valori predeterminati per un periodo predeterminato, la lamina bimetallica si surriscalda e si deforma, causando l'attivazione del relè 49. Non appena il relè 49 viene attivato, i contatti NC 1 e 2 si aprono, de-energizzando la bobina dell'avviatore e quindi fermando il motore.
Un'altra cosa da ricordare durante la fornitura di protezione termica di sovraccarico del motore. In realtà, ogni motore ha un valore predeterminato di tolleranza al sovraccarico. Ciò significa che ogni motore può funzionare oltre il suo carico nominale per un periodo specifico ammissibile, a seconda della sua condizione di carico. Quanto a lungo un motore può funzionare in sicurezza per un determinato carico è specificato dal produttore. La relazione tra i diversi carichi sul motore e i periodi ammissibili corrispondenti per farlo funzionare in sicurezza è chiamata curva limite termica del motore. Osserviamo la curva di un particolare motore, mostrata di seguito.
Qui l'asse Y o verticale rappresenta il tempo ammissibile in secondi e l'asse X o orizzontale rappresenta la percentuale di sovraccarico. È chiaro dalla curva che il motore può funzionare in sicurezza senza danni dovuti al surriscaldamento per un lungo periodo al 100% del carico nominale. Può funzionare in sicurezza per 1000 secondi al 200% del carico nominale. Può funzionare in sicurezza per 100 secondi al 300% del carico nominale. Può funzionare in sicurezza per 15 secondi al 600% del carico nominale. La parte superiore della curva rappresenta la condizione di funzionamento normale del rotore, mentre la parte inferiore rappresenta la condizione di blocco meccanico del rotore.
Ora la curva tempo-corrente di azionamento del relè di sovraccarico termico scelto dovrebbe trovarsi sotto la curva limite termica del motore per un funzionamento soddisfacente e sicuro. Discutiamone in maggior dettaglio-
Ricordiamo le caratteristiche della corrente di avviamento del motore - Durante l'avvio del motore asincrono, la corrente dello stator supera il 600% della corrente nominale, ma permane solo per 10-12 secondi, dopodiché la corrente dello stator cade rapidamente al valore nominale. Quindi, se il relè di sovraccarico termico viene attivato prima di quei 10-12 secondi per una corrente del 600% del valore nominale, il motore non potrà essere avviato. Pertanto, si può concludere che la curva tempo-corrente di azionamento del relè di sovraccarico termico scelto dovrebbe trovarsi sotto la curva limite termica del motore, ma sopra la curva delle caratteristiche della corrente di avviamento del motore. La posizione probabile delle caratteristiche del relè di sovraccarico termico è delimitata da queste due curve, come mostrato nel grafico dall'area evidenziata.
Un'altra cosa da ricordare durante la scelta del relè di sovraccarico termico. Questo relè non è un relè istantaneo. Ha un ritardo minimo nell'operazione, poiché la lamina bimetallica richiede un tempo minimo per riscaldarsi e deformarsi per il valore massimo di corrente di funzionamento. Dal grafico si vede che il relè termico verrà attivato dopo 25-30 secondi se il rotore viene bloccato meccanicamente o se il motore non riesce ad avviarsi. In questa situazione, il motore attingerà una corrente enorme dalla rete. Se il motore non viene isolato in fretta, potrebbero verificarsi danni gravi.
Questo problema viene superato fornendo un relè di sovracorrente temporizzato con un alto livello di pickup. Le caratteristiche tempo-corrente di questi relè di sovracorrente sono scelti in modo che per valori inferiori di sovraccarico, il relè non venga attivato poiché il relè di sovraccarico termico verrà attivato prima. Ma per valori superiori di sovraccarico e per la condizione di rotore bloccato, il relè di sovracorrente temporizzato verrà attivato invece del relè termico, poiché il primo si attiverà molto prima del secondo.
Pertanto, vengono forniti sia il relè di sovraccarico termico bimetallico che il relè di sovracorrente temporizzato per una completa protezione termica di sovraccarico del motore.
C'è un principale svantaggio del relè di sovraccarico termico bimetallico, in quanto il tasso di riscaldamento e raffreddamento del bimetallo è influenzato dalla temperatura ambiente, le prestazioni del relè possono variare per diverse temperature ambientali. Questo problema può essere superato utilizzando un RTD (resistenza termica di rilevamento). I motori più grandi e sofisticati sono protetti contro il sovraccarico termico in modo più accurato utilizzando un RTD. Gli RTD sono posizionati nelle scanalature dello stator insieme all'avvolgimento dello stator. La resistenza dell'RTD cambia con la variazione della temperatura e questo valore resistivo cambiato viene rilevato da un circuito di ponte di Wheatstone.
Questo schema di protezione termica di sovraccarico del motore è molto semplice. L'RTD dello stator viene utilizzato come un braccio del ponte di Wheatstone bilanciato. L'ammontare di corrente attraverso il relè 49 dipende dal grado di squilibrio del ponte. Con l'aumento della temperatura dell'avvolgimento dello stator, la resistenza elettrica del rilevatore aumenta, disturbando la condizione bilanciata del ponte. Di conseguenza, inizia a fluire corrente attraverso il relè 49 e il relè verrà attivato dopo un valore predeterminato di questa corrente squilibrata, e infine i contatti dell'avviatore si apriranno per interrompere l'alimentazione al motore.
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