Zaštita motora od toplotnog preopterećenja

Za razumevanje termalne zaštite od preopterećenja motora u indukcijskom motoru možemo diskutovati o principu rada trofaznog indukcijskog motora. Postoji jedan cilindrični stator i trofazno vijanje simetrično raspoređeno unutar unutrašnjeg periferijskog dela statora. Zbog takvog simetričnog raspoređivanja, kada se trofazni napajanje primeni na stator vijanje, stvara se rotirajuće magnetno polje. Ovo polje rotira sa sinkronom brzinom. Rotor u indukcijskom motoru uglavnom je izrađen od solidnih bakrenih štapa koji su kratkospojeni na oba kraja na način da formiraju strukturu kao klizavica. Zbog toga se ovaj motor takođe naziva klizavični indukcijski motor. Svejedno, dođimo do osnovne tačke trofaznog indukcijskog motora - koja će nam pomoći da jasno shvatimo termalnu zaštitu od preopterećenja motora.

Kako rotirajući magnetni fluks preseca svaki štap rotor konduktora, doći će do indukovane cirkulacije struje kroz štape konduktora. Na početku rotor je miran, a stator polje rotira sa sinkronom brzinom, relativna brzina između rotirajućeg polja i rotora je maksimalna.
Zato je brzina presecanja fluksa sa rotor štapima maksimalna, indukovana struja je maksimalna u ovom stanju. Ali, budući da uzrok indukovane struje jeste ova relativna brzina, rotor će pokušati smanjiti ovu relativnu brzinu i time će početi da rotira u pravcu rotirajućeg magnetnog polja kako bi uhvatio sinkronu brzinu. Kao što rotor dostigne sinkronu brzinu, ova relativna brzina između rotora i rotirajućeg magnetnog polja postaje nula, zato neće biti dalje presecanje fluksa i posledično neće biti indukovane struje u rotor štapima. Budući da indukovana struja postaje nula, neće biti potrebe za održavanjem nule relativne brzine između rotora i rotirajućeg magnetnog polja, pa će brzina rotora opasti.

Kako god brzina rotora opadne, relativna brzina između rotora i rotirajućeg magnetnog polja ponovo dobija nenultu vrednost, što opet dovodi do indukovane struje u rotor štapima, pa će rotor opet pokušati da dostigne sinkronu brzinu i ovo će nastaviti dok je motor uključen. Zbog ovog fenomena, rotor nikada neće dostići sinkronu brzinu, niti će prestati da radi tokom normalne operacije. Razlika između sinkrone brzine i brzine rotora u odnosu na sinkronu brzinu, naziva se klizanje indukcijskog motora.

Klizanje kod normalno radnog indukcijskog motora tipično varira od 1% do 3% u zavisnosti od opterećenja motora. Sada pokušaćemo da nacrtamo karakteristike brzine-struje indukcijskog motora - hajde da imamo primer velikog ventilatora kotla.

Na karakteristikama Y osa predstavlja vreme u sekundama, X osa predstavlja % statorske struje. Kada rotor miruje, to jest u početnom stanju, klizanje je maksimalno, zato je indukovana struja u rotoru maksimalna i zbog transformacijskog dejstva, stator će takođe povući tešku struju iz napajanja, i to bi bilo oko 600% nominale punog opterećenja statorske struje. Kako se rotor ubrzava, klizanje se smanjuje, posledično padne i rotor struja, stator struja pada na oko 500% nominalne struje punog opterećenja unutar 12 sekundi kada brzina rotora dostigne 80% sinkrone brzine. Nakon toga, stator struja brzo pada na nominalnu vrednost kako rotor dostigne svoju normalnu brzinu.

Sada ćemo diskutovati o termalnom preopterećenju električnog motora ili problemu pregrejanja električnog motora i potrebi za termalnom zaštitom od preopterećenja motora.
Kada mislimo o pregrejanju motora, prva stvar koja nam dolazi na um je preopterećenje. Zbog mehaničkog preopterećenja, motor povlači veću struju iz napajanja, što dovodi do ekstremnog pregrejanja motora. Motor se takođe može ekstremno pregrejati ako rotor mehanički zaključa, tj. postane stacionaran pod uticajem vanjske mehaničke sile. U ovom stanju, motor će povući ekstremno visoku struju iz napajanja, što takođe dovodi do termalnog preopterećenja motora ili problema ekstremnog pregrejanja. Još jedan uzrok pregrejanja je niska naponska struja. Budući da snaga koju motor povlači iz napajanja zavisi od stanja opterećenja motora, za nižu naponsku struju, motor će povući veću struju iz mreže kako bi održao potrebni moment. Jednofaznost takođe dovodi do termalnog preopterećenja motora. Kada jedna faza napajanja bude izvan funkcije, preostale dvije faze povlače veću struju kako bi održale potrebni moment opterećenja, što dovodi do pregrejanja motora. Nebalansirano stanje između tri faze napajanja takođe dovodi do pregrejanja motornog vijanja, jer nebalansiran sistem rezultira negativnim sekvencijalnim strujama u stator vijanju. Ponovo, izgubljenje i povrat naponske struje može dovesti do ekstremnog pregrejanja motora. Budući da izgubljenje naponske struje dovodi do deakceleracije motora, a iznenadni povrat naponske struje dovodi do akceleracije motora kako bi dostigao svoju nominalnu brzinu, motor povlači veću struju iz napajanja.

Budući da termalno preopterećenje ili pregrejanje motora može dovesti do oštećenja izolacije i oštećenja vijanja, za pravilnu termalnu zaštitu od preopterećenja motora, motor treba zaštititi od sledećih stanja

1. Mehaničko preopterećenje,

2. Zastajanje valjka motora,

3. Niska naponska struja,

4. Jednofaznost napajanja,

5. Nebalansiranost napajanja,

6. Iznenadno isključivanje i povrat naponske struje.

Najosnovniji shema zaštite motora jeste termalna zaštitna preopterećenja, koja pokriva zaštitu od svih prethodno navedenih stanja. Da bismo razumeli osnovni princip termalne zaštite od preopterećenja, pogledajmo šemu osnovnog kontrole motora.

Na slici iznad, kada dugme POKRENI bude zatvoreno, bobina startera bude energizovana kroz transformator. Kako je bobina startera energizovana, normalno otvorene (NO) kontakte 5 su zatvorene, pa motor dobija naponsku struju na svojim terminalima i počinje da rotira. Ova startna bobina takođe zatvara kontakt 4, čime starter ostaje energizovan čak i kada dugme POKRENI bude pušteno. Za zaustavljanje motora postoje nekoliko normalno zatvorenih (NZ) kontakata u seriji sa bobinom startera, kao što je prikazano na slici. Jedan od njih je dugme STOP. Ako je dugme STOP pritisnuto, ovaj kontakt se otvori i prekine kontinuitet kruga startera, čime starter postaje deenergizovan. Stoga se kontakti 5 i 4 vraćaju u svoje normalno otvoreno stanje. Tada, u odsustvu naponske struje na terminalima motora, on će konačno prestati da radi. Slično tome, bilo koji od drugih NZ kontakata (1, 2 i 3) spojenih u seriju sa bobinom startera, ako se otvore, takođe će zaustaviti motor. Ovi NZ kontakti su električno povezani sa različitim reljima zaštitom kako bi zaustavili rad motora u različitim anormalnim uslovima.

Pogledajmo termalni relej za preopterećenje i njegovu funkciju u termalnoj zaštiti motora od preopterećenja.
Sekundarni delovi CT-a u seriji sa napajanjem motora su povezani sa dvo-metalnom trakom termalnog releja za preopterećenje (49). Kao što je prikazano na slici ispod, kada struja kroz sekundarni deo bilo kog CT-a premaši predodređene vrednosti za predodređeno vreme, dvo-metalna traka se pregreje i deformiše, što konačno dovodi do aktiviranja releja 49. Kako bi relej 49 bio aktiviran, NZ kontakti 1 i 2 se otvore, čime deenergizuje se bobina startera i zaustavlja se motor.

Još jedna stvar koju moramo da zapamtimo prilikom pružanja termalne zaštite od preopterećenja motora. Zapravo, svaki motor ima predodređenu toleranciju preopterećenja. To znači da svaki motor može raditi izvan svoje nominalne snage za određeno dozvoljeno vreme, u zavisnosti od njegovog stanja opterećenja. Koliko dugo motor može sigurno raditi za određeno opterećenje, specificira proizvođač. Relacija između različitih opterećenja motora i odgovarajućih dozvoljenih perioda za rad u sigurnim uslovima naziva se termalna granica motora. Pogledajmo krivu specifičnog motora, datu ispod.

Ovdje Y osa ili vertikalna osa predstavlja dozvoljeno vreme u sekundama, a X osa ili horizontalna osa predstavlja procenat preopterećenja. Jasnije je iz krive da motor može bezbedno raditi bez oštećenja zbog pregrejanja za duži period na 100% nominalne snage. Može bezbedno raditi 1000 sekundi na 200% normalne nominalne snage. Može bezbedno raditi 100 sekundi na 300% normalne nominalne snage. Može bezbedno raditi 15 sekundi na 600% normalne nominalne snage. Gornji deo krive predstavlja normalno radno stanje rotora, a donji deo predstavlja mehanički zaključan rotor.

Sada, kriva vreme-rad vs. aktuelna struja izabranih termalnih releja za preopterećenje treba da se nalazi ispod termalne granice motora za zadovoljavajuće i sigurno funkcionisanje. Hajde da detaljnije razgovaramo o ovome-

Zapamtite karakteristike početne struje motora - Tijekom pokretanja indukcijskog motora, statorska struja premaši 600% normalne nominalne struje, ali ostaje samo 10 do 12 sekundi, nakon čega statorska struja brzo pada na normalnu nominalnu vrednost. Dakle, ako termalni relej za preopterećenje bude aktiviran prije 10 do 12 sekundi za struju 600% normalne nominalne, motor se ne može pokrenuti. Stoga se može zaključiti da kriva vreme-rad vs. aktuelna struja izabranog termalnog releja za preopterećenje treba da se nalazi ispod termalne granice motora, ali iznad krive početne struje motora. Verojatna pozicija karakteristika termalnog releja za preopterećenje ograničena je ovim dvema navedenim krivama, kao što je prikazano na grafikonu istaknutim područjem.

Još jedna stvar koja treba biti zapamćena prilikom biranja termalnog releja za preopterećenje. Ovaj relej nije trenutni relej. On ima minimalnu kašnjinu u radu, jer dvo-metalna traka zahteva minimalno vreme da se zagreje i deformiše za maksimalnu vrednost radne struje. Sa grafikona se vidi da će termalni relej biti aktiviran nakon 25 do 30 sekundi ako rotor bude iznenadno mehanički zaključan ili motor ne uspije pokrenuti. U ovom stanju, motor će povući ogromnu struju iz napajanja. Ako motor ne bude izolovan brzo, može doći do ozbiljnog oštećenja.

Ovaj problem se prevaziđe pružanjem releja za preopterećenje vremenom sa visokim preuzimanjem. Karakteristike vreme-struja ovih releja za preopterećenje su tako odabrane da za niže vrednosti preopterećenja, relej neće raditi, jer će termalni relej za preopterećenje biti aktiviran prije njega. Ali za više vrednosti preopterećenja i stanje zaključanog rotora, relej za preopterećenje vremenom će raditi umesto termalnog releja, jer će prvi raditi mnogo pre nego drugi.
Stoga su obezbeđeni i dvo-metalni relej za preopterećenje i relej za preopterećenje vremenom za kompletnu termalnu zaštitu motora od preopterećenja.
Postoji jedan glavni nedostatak dvo-metalnog termalnog releja za preopterećenje, jer se stopa zagrevanja i hlađenja dvo-metala može promeniti pod uticajem okoline, performanse releja mogu se razlikovati za različite temperature okoline. Ovaj problem se može prevazići korišćenjem RTD-a ili detektora temperaturne otpornosti. Veći i sofisticiraniji motori su preciznije zaštićeni od termalnog preopterećenja korišćenjem RTD-a. U statorskim slotovima, RTD-ovi su smješteni uz statorsko vijanje. Otpornost RTD-a se mijenja sa promjenom temperature, a promijenjena otporna vrijednost detektira se Wheatstoneovim mostom.
Ova shema termalne zaštite motora od preopterećenja je vrlo jednostavna. RTD statora koristi se kao jedna grana balansiranog Wheatstoneovog mosta. Iznos struje kroz relej 49 zavisi o stepenu neravnoteže mosta. Kako se temperatura statorskog vijanja povećava, električna otpornost detektora se povećava, što narušava balansiran stanje mosta. Posljedično, struja počinje teći kroz relej 49, i relej će biti aktiviran nakon predodređene vrednosti ove neravnoteže, a konačno se starter kontakt otvori kako bi se zaustavio prinos motora.

Izjava: Poštovanje originala, dobre članke vrijede deljenja, ako postoji kršenje autorskih prava molim kontaktirati za uklanjanje.