Ochrona termiczna przewodników motora

Aby zrozumieć termiczną ochronę przed przeładowaniem silnika w indukcyjnym silniku trójfazowym, możemy omówić zasady działania tego silnika. Silnik składa się z cylindrycznego statora, w którym symetrycznie rozmieszczone są trójfazowe cewki. Dzięki takiej symetrycznej dystrybucji, gdy do cewek statora podane jest napięcie trójfazowe, powstaje pole magnetyczne obrotowe. To pole obraca się z prędkością synchronicznej. Rotor indukcyjnego silnika składa się głównie z solidnych pasków miedzianych, które są połączone na obu końcach w taki sposób, że tworzą strukturę przypominającą klatkę. Dlatego ten silnik nazywany jest również silnikiem indukcyjnym typu klatka. W każdym razie, przejdźmy do podstawowego punktu dotyczącego trójfazowego silnika indukcyjnego – który pomoże nam zrozumieć termiczną ochronę przed przeładowaniem silnika.

Gdy obrotowe pole magnetyczne przecina każdy z pasków rotorowych, powstaje w nich indukowane prądy krążące. Na początku, gdy rotor jest nieruchomy, a pole statora obraca się z prędkością synchronicznej, względny ruch między polem obrotowym a rotorem jest maksymalny. Zatem, szybkość przecinania pola magnetycznego przez paski rotorowe jest maksymalna, co prowadzi do maksymalnego indukowanego prądu. Jednak ze względu na indukowany prąd, rotor będzie próbował zmniejszyć tę względną prędkość i zacznie się obracać w kierunku obrotowego pola magnetycznego, aby dogonić prędkość synchroniczną. Gdy rotor osiągnie prędkość synchroniczną, ta względna prędkość między rotorem a obrotowym polem magnetycznym stanie się zerowa, więc nie będzie już żadnego przecinania pola i konsekwentnie nie będzie indukowanego prądu w paskach rotorowych. Gdy indukowany prąd stanie się zerowy, nie będzie już potrzeby utrzymywania zerowej względnej prędkości między rotorem a obrotowym polem magnetycznym, więc prędkość rotora spadnie.

Gdy prędkość rotora spadnie, względna prędkość między rotorem a obrotowym polem magnetycznym ponownie uzyska wartość różną od zera, co ponownie powoduje indukowany prąd w paskach rotorowych. Rotor ponownie spróbuje osiągnąć prędkość synchroniczną, a to będzie kontynuowane, dopóki silnik jest włączony. Dzięki temu zjawisku rotor nigdy nie osiągnie prędkości synchronicznej, ale też nigdy nie przestanie się obracać podczas normalnej pracy. Różnica między prędkością synchroniczną a prędkością rotora w stosunku do prędkości synchronicznej nazywana jest ślizgiem silnika indukcyjnego.

Ślizg w normalnie działającym silniku indukcyjnym zazwyczaj wynosi od 1% do 3%, w zależności od obciążenia silnika. Teraz spróbujemy narysować charakterystykę prądu w zależności od prędkości silnika indukcyjnego – weźmy przykład dużego wentylatora kotłowego.

Na osi Y charakterystyki przyjęto czas w sekundach, a na osi X procent prądu statora. Gdy rotor jest nieruchomy, czyli w momencie startu, ślizg jest maksymalny, co powoduje maksymalny indukowany prąd w rotorze, a dzięki transformacji, stator również pobiera duży prąd z zasilania, który wynosi około 600% nominalnego pełnego prądu obciążenia statora. Gdy rotor jest przyspieszany, ślizg maleje, co skutkuje spadkiem prądu w rotorze, a tym samym spadkiem prądu statora do około 500% nominalnego pełnego prądu obciążenia w ciągu 12 sekund, gdy prędkość rotora osiąga 80% prędkości synchronicznej. Po tym prąd statora gwałtownie spada do wartości nominalnej, gdy rotor osiąga swoją normalną prędkość.

Teraz omówimy termiczne przeładowanie elektrycznego silnika lub problem nadmiernego nagrzewania się silnika elektrycznego oraz konieczność termicznej ochrony przed przeładowaniem silnika.
Gdy myślimy o nadmiernym nagrzewaniu się silnika, pierwsza rzecz, która przychodzi nam do głowy, to przeładowanie mechaniczne. Ze względu na mechaniczne przeładowanie, silnik pobiera większy prąd z zasilania, co prowadzi do nadmiernego nagrzewania się. Silnik może również być nadmiernie nagrzewany, jeśli rotor zostanie mechanicznie zablokowany, tj. stanie się nieruchomy pod wpływem zewnętrznej siły mechanicznej. W tej sytuacji silnik pobiera bardzo wysoki prąd z zasilania, co również prowadzi do termicznego przeładowania silnika lub problemu nadmiernego nagrzewania. Inna przyczyna nadmiernego nagrzewania to niskie napięcie zasilające. Ponieważ moc pobierana przez silnik z zasilania zależy od obciążenia, dla niższego napięcia zasilającego, silnik pobiera wyższy prąd z sieci, aby utrzymać wymaganą moment obrotowy. Jednofazowość również powoduje termiczne przeładowanie silnika. Gdy jedna faza zasilania jest wyłączone, pozostałe dwie fazy pobierają wyższy prąd, aby utrzymać wymagany moment obciążenia, co prowadzi do nagrzewania się silnika. Nierównowaga między trzema fazami zasilania również powoduje nagrzewanie się cewek silnika, ponieważ nierównowaga systemu powoduje powstanie prądu sekwencyjnego negatywnego w cewkach statora. Ponadto, nagłe zaniknięcie i przywrócenie napięcia zasilającego może również powodować nadmierny rozgrzew silnika. Gdy napięcie zasilające nagłe zanika, silnik jest hamowany, a po nagłym przywróceniu napięcia, silnik jest przyspieszany, aby osiągnąć jego nominalną prędkość, co powoduje, że silnik pobiera wyższy prąd z zasilania.

Ponieważ termiczne przeładowanie lub nadmierny rozgrzew silnika może prowadzić do uszkodzenia izolacji i cewek, dlatego dla właściwej termicznej ochrony przed przeładowaniem silnika, silnik powinien być chroniony przed następującymi stanami:

1. Mechaniczne przeładowanie,

2. Zablokowanie wału silnika,

3. Niskie napięcie zasilające,

4. Jednofazowość zasilania,

5. Nierównowaga zasilania,

6. Nagłe zaniknięcie i przywrócenie napięcia zasilającego.

Najbardziej podstawowym schematem ochrony silnika jest termiczna ochrona przed przeładowaniem, która obejmuje ochronę przed wszystkimi powyższymi warunkami. Aby zrozumieć podstawowe zasady termicznej ochrony przed przeładowaniem, przeanalizujmy schemat blokowy podstawowego sterowania silnikiem.

Na powyższym rysunku, gdy przycisk START jest zamknięty, cewka sterująca jest zasilana przez transformator. Gdy cewka sterująca jest zasilana, normalnie otwarte (NO) kontakty 5 są zamknięte, co sprawia, że silnik otrzymuje napięcie na swoich zaciskach i zaczyna się obracać. Ta cewka startowa również zamyka kontakt 4, co sprawia, że cewka sterująca jest zasilana nawet po zwolnieniu przycisku START. Aby zatrzymać silnik, istnieją wiele normalnie zamkniętych (NZ) kontaktów szeregowo z cewką sterującą, jak pokazano na rysunku. Jeden z nich to kontakt przycisku STOP. Jeśli przycisk STOP zostanie naciśnięty, ten kontakt przycisku otworzy się i przerwie ciągłość obwodu cewki sterującej, co sprawi, że cewka sterująca będzie dezaktywowana. W związku z tym, kontakty 5 i 4 wrócą do swojej normalnie otwartej pozycji. Bez napięcia na zaciskach silnika, ten przestanie się obracać. Podobnie, jeśli którykolwiek z innych kontaktów NZ (1, 2 i 3) szeregowo z cewką sterującą zostanie otwarty, to również zatrzyma silnik. Te kontakty NZ są elektrycznie połączone z różnymi relami ochronnymi, aby zatrzymać pracę silnika w różnych nietypowych warunkach.

Przyjrzyjmy się teraz relajowi termicznemu przeciw przeładowaniu i jego funkcji w termicznej ochronie przed przeładowaniem silnika.
Wtórne CT w szeregu z obwodem zasilania silnika są połączone z dwumetalową taśmą relaju termicznego przeciw przeładowaniu (49). Jak pokazano na poniższym rysunku, gdy prąd przez wtórne CT przekroczy określone wartości przez określony czas, dwumetalowa taśma jest nadgrzewana i deformuje się, co ostatecznie powoduje, że relaj 49 działa. Gdy relaj 49 jest aktywowany, normalnie zamknięte kontakty 1 i 2 są otwarte, co dezaktywuje cewkę sterującą i zatrzymuje silnik.

Inna rzecz, którą należy pamiętać podczas zapewniania termicznej ochrony przed przeładowaniem silnika. Każdy silnik ma pewną predeterminowaną tolerancję na przeładowanie. Oznacza to, że każdy silnik może pracować ponad swoje nominalne obciążenie przez określony dopuszczalny okres, w zależności od jego obciążenia. Jak długo silnik może bezpiecznie pracować pod określonym obciążeniem, określa producent. Stosunek między różnymi obciążeniami silnika a odpowiadającymi im dopuszczalnymi okresami pracy w bezpiecznych warunkach nazywa się krzywą granicową termiczną silnika. Spojrzymy na krzywą danego silnika, przedstawioną poniżej.

Na osi Y lub pionowej osi przedstawiono dopuszczalny czas w sekundach, a na osi X lub poziomej osi procentowe obciążenie. Jak widać z krzywej, silnik może bezpiecznie pracować bez uszkodzeń spowodowanych nadmiernym nagrzewaniem przez dłuższy okres przy 100% nominalnego obciążenia. Może bezpiecznie pracować 1000 sekund przy 200% normalnego obciążenia. Może bezpiecznie pracować 100 sekund przy 300% normalnego obciążenia. Może bezpiecznie pracować 15 sekund przy 600% normalnego obciążenia. Górna część krzywej reprezentuje normalne warunki pracy rotora, a dolna część reprezentuje zablokowany mechanicznie rotor.

Krzywa czasu pracy versus prądu aktywacyjnego wybranego relaju termicznego przeciw przeładowaniu powinna znajdować się poniżej krzywej granicznej termicznej silnika, aby zapewnić zadowalającą i bezpieczną pracę. Omówmy to bardziej szczegółowo:

Pamiętaj o charakterystyce prądu startowego silnika – podczas uruchamiania silnika indukcyjnego, prąd statora przekracza 600% normalnego prądu nominalnego, ale trwa to tylko 10 do 12 sekund, po czym prąd statora gwałtownie spada do wartości nominalnej. Jeśli relaj termiczny przeciw przeładowaniu zadziała przed upływem 10 do 12 sekund przy prądzie 600% normalnego prądu nominalnego, silnik nie będzie mógł się uruchomić. Stąd można wnioskować, że krzywa czasu pracy versus prądu aktywacyjnego wybranego relaju termicznego przeciw przeładowaniu powinna znajdować się poniżej krzywej granicznej termicznej silnika, ale powyżej charakterystyki prądu startowego silnika. Prawdopodobna pozycja charakterystyki relaju termicznego przeciw przeładowaniu jest ograniczona przez te dwie wspomniane krzywe, jak pokazano na wykresie obszar zaznaczony kolorem.

Inna rzecz, której należy pamiętać podczas wybierania relaju termicznego przeciw przeładowaniu. Ten relaj nie jest relajem natychmiastowym. Ma minimalny opóźnienie w działaniu, ponieważ dwumetalowa taśma wymaga minimalnego czasu, aby się rozgrzać i zdeformować przy maksymalnej wartości prądu aktywacyjnego. Z wykresu wynika, że relaj termiczny zadziała po 25 do 30 sekund, jeśli rotor zostanie nagle mechanicznie zablokowany lub silnik nie będzie mógł się uruchomić. W tej sytuacji silnik pobiera ogromny prąd z zasilania. Jeśli silnik nie zostanie szybko odizolowany, mogą wystąpić poważne uszkodzenia.

Ten problem można rozwiązać, dostarczając relaj czasowo-prądowy o wysokim puście. Charakterystyka czasowo-prądowa tych relajów przeciw przeładowaniu jest tak dobrana, że dla niższych wartości przeładowania, relaj nie zadziała, ponieważ relaj termiczny zadziała wcześniej. Ale dla wyższych wartości przeładowania i dla zablokowanego rotora, relaj czasowo-prądowy zadziała zamiast relaju termicznego, ponieważ zadziała znacznie wcześniej.
Stąd zarówno relaj termiczny przeciw przeładowaniu, jak i relaj czasowo-prądowy są dostarczane, aby zapewnić kompleksową termiczną ochronę przed przeładowaniem silnika.
Istnieje jedna główna wada relaju termicznego przeciw przeładowaniu z dwumetalową taśmą, ponieważ szybkość nagrzewania i chłodzenia dwumetalu jest wpływowana przez temperaturę otoczenia, wydajność relaju może się różnić w zależności od temperatury otoczenia. Ten problem można rozwiązać, używając RTD (detektora temperatury opartego na oporności). Większe i bardziej zaawansowane silniki są chronione przed termicznym przeładowaniem bardziej precyzyjnie, używając RTD. W szczelinach statora umieszczane są RTD wraz z cewkami statora. Opór RTD zmienia się wraz z temperaturą, a ta zmiana jest wykrywana przez mostek Wheatstone'a.
Ten schemat termicznej ochrony przed przeładowaniem silnika jest bardzo prosty. RTD statora służy jako jedno ramię zbilansowanego mostka Wheatstone'a. Ilość prądu płynącego przez relaj 49 zależy od stopnia niestabilności mostka. Gdy temperatura cewek statora wzrasta, ich opór elektryczny również wzrasta, co zakłóca zbilansowany stan mostka. W rezultacie prąd zaczyna płynąć przez relaj 49, a relaj zadziała po osiągnięciu określonej wartości tego prądu, co ostatecznie powoduje, że kontakty startera otwierają się, aby zatrzymać zasilanie silnika.

Oświadczenie: Szanuj oryginał, dobre artykuły są warte dzielenia się, w przypadku naruszenia praw autorskich prosimy o kontakt w celu usunięcia.