Velký význam má správné určení výkonu elektromotorů pro různé stroje, mechanismy a stroje. Při nedostatečném výkonu není možné plně využít výrobní možnosti stroje a provést zamýšlený technologický postup. Při nedostatečném výkonu elektromotor předčasně selže.
Přeceňování výkonu elektromotoru s sebou nese jeho systematické podtěžování a v důsledku toho neúplné využití motoru, jeho provoz s nízkou účinností a nízkým účiníkem (u asynchronních motorů). Se zvýšeným výkonem motoru navíc rostou investiční a provozní náklady.
Výkon potřebný pro provoz stroje, a tedy výkon vyvíjený elektromotorem, se během provozu stroje mění. Zatížení elektromotoru lze charakterizovat grafem zatížení (obr. 1), který představuje závislost výkonu na hřídeli elektromotoru, jeho momentu nebo proudu na čase. Po dokončení zpracování obrobku zastavte stroj, změřte díl a obrobek vyměňte. Poté se plán zatížení znovu opakuje (při zpracování dílů stejného typu).
Aby byl zajištěn normální provoz při takovém proměnlivém zatížení, musí elektromotor vyvinout maximální požadovaný výkon během procesu zpracování a během dlouhodobého provozu s tímto rozvrhem zatížení se nepřehřívat nad normální hodnotu. Přípustné přetížení elektromotorů je dáno jejich elektrickými vlastnostmi.
Rýže. 1. Diagram zatížení při zpracování podobných dílů
Když motor běží, ztrácí energii (a výkon), což způsobuje jeho zahřívání. Část energie spotřebované elektromotorem se spotřebuje na ohřev jeho vinutí, na ohřev magnetického obvodu od hystereze a vířivých proudů, na tření v ložiskách a na tření se vzduchem. Ztráty pro ohřev vinutí, úměrné druhé mocnině proudu, se nazývají proměnné (ΔРper). Zbývající ztráty v motoru závisí jen málo na jeho zatížení a běžně se nazývají konstantní (ΔРpos).
Přípustné zahřívání elektromotoru je určeno nejméně tepelně odolnými materiály jeho konstrukce. Tento materiál je izolací jeho vinutí.
Pro izolaci elektrických strojů se používá:
• bavlněné a hedvábné tkaniny, příze, papír a vláknité organické materiály nenapuštěné izolačními hmotami (třída tepelné odolnosti U);
• stejné materiály, impregnované (třída A);
• syntetické organické filmy (třída E);
• materiály z azbestu, slídy, sklolaminátu s organickými pojivy (třída B);
• stejné, ale se syntetickými pojivy a impregnačními látkami (třída F);
• stejné materiály, ale se silikonovými pojivy a impregnačními látkami (třída H);
• slída, keramika, sklo, křemen bez pojiv nebo s anorganickými pojivy (třída C).
Izolace tříd U, A, E, B, F, H, resp. umožňuje maximální teploty 90, 105, 120, 130, 155, 180 °C. Maximální teplota třídy C přesahuje 180 °C a je omezena vlastnosti použitých materiálů.
Při stejném zatížení elektromotoru bude jeho ohřev při různých okolních teplotách jiný. Odhadovaná okolní teplota t0 je 40° C. Při této teplotě se určuje jmenovitý výkon elektromotorů. Překročení teploty elektromotoru nad okolní teplotu se nazývá přehřátí:
Použití syntetické izolace se rozšiřuje. Zejména organokřemičitá izolace zajišťuje vysokou spolehlivost elektrických strojů při provozu v tropických podmínkách.
Teplo generované v různých částech motoru ovlivňuje ohřev izolace v různé míře. Mezi jednotlivými částmi elektromotoru navíc dochází k výměně tepla, jejíž charakter se mění v závislosti na podmínkách zatížení.
Rozdílné zahřívání jednotlivých částí elektromotoru a výměna tepla mezi nimi komplikuje analytické studium procesu. Proto se pro jednoduchost běžně předpokládá, že elektromotor je tepelně homogenní a nekonečně tepelně vodivé těleso. Obvykle se má za to, že teplo vydávané elektromotorem do okolí je úměrné přehřátí. Tepelné záření je v tomto případě zanedbáváno, protože absolutní teploty ohřevu motorů jsou nízké. Uvažujme proces zahřívání elektromotoru za zadaných předpokladů.
Při práci v elektromotoru se teplo dq uvolňuje během doby dt. Část tohoto tepla dq1 je absorbována hmotou elektromotoru, v důsledku čehož se zvyšuje teplota t a přehřívání τ motoru. Zbývající teplo dq2 uvolňuje motor do okolí. Rovnost tak může být zapsána
S rostoucí teplotou motoru se zvyšuje teplo dq2. Při určité hodnotě přehřátí se do okolí uvolní tolik tepla, jaké se uvolní v elektromotoru; pak dq = dq2 a dq1 = 0. Teplota elektromotoru se přestane zvyšovat a přehřívání dosáhne ustálené hodnoty τу.
Za výše uvedených předpokladů lze rovnici napsat takto:
kde Q je tepelný výkon způsobený ztrátami v elektromotoru, J/s; A je přenos tepla motoru, tzn. množství tepla uvolněného motorem do okolí za jednotku času při rozdílu teplot mezi motorem a okolím 1oC, J/s-deg; C je tepelná kapacita motoru, tzn. množství tepla potřebného ke zvýšení teploty motoru o 1°C, J/deg.
Dělení proměnných v rovnici máme
Integrujeme levou stranu rovnosti v rozsahu od nuly do nějaké aktuální časové hodnoty t a pravou stranu v rozsahu od nějakého počátečního přehřátí τ0 elektromotoru do aktuální hodnoty přehřátí τ:
Řešením rovnice pro τ získáme rovnici ohřevu elektromotoru:
Označme C/A=T a určeme rozměr tohoto vztahu:
Rýže. 2. Křivky charakterizující ohřev elektromotoru
Rýže. 3. Stanovení časové konstanty ohřevu
Hodnota T, která má rozměr času, se nazývá časová konstanta ohřevu elektromotoru. V souladu s tímto zápisem lze rovnici ohřevu přepsat jako
Jak je z rovnice patrné, získáme ustálenou hodnotu přehřátí.
Při změně zatížení elektromotoru se mění velikost ztrát a tím i hodnota Q. To s sebou nese změnu hodnoty τу.
Na Obr. Obrázek 2 ukazuje topné křivky 1, 2, 3, odpovídající poslední rovnici, pro různé hodnoty zatížení. Když τу překročí povolené přehřátí τн, je delší provoz elektromotoru nepřijatelný. Jak vyplývá z rovnice a grafů (obr. 2), nárůst přehřátí je asymptotického charakteru.
Při dosazení hodnoty t = 3T do rovnice získáme hodnotu τ, která je přibližně jen o 5 % menší než τу. Během doby t = 3T lze tedy proces ohřevu považovat za téměř dokončený.
Pokud v libovolném bodě s topnou křivkou (obr. 3) nakreslíme tečnu k topné křivce, pak stejným bodem nakreslíme svislou čáru, pak segment de asymptoty uzavřený mezi tečnou a vertikálou je roven T na stupnici osy x. Vezmeme-li v rovnici 0 Q =, dostaneme rovnici chlazení elektromotoru:
Tato rovnice odpovídá křivce ochlazování znázorněné na obr. 4. Obr.
Časová konstanta ohřevu je dána velikostí elektromotoru a formou jeho ochrany před okolními vlivy. U otevřených a chráněných elektromotorů s nízkým výkonem je časová konstanta ohřevu 20-30 minut. U vysoce výkonných uzavřených elektromotorů dosahuje 2-3 hodin.
Jak bylo uvedeno výše, uvedená teorie ohřevu elektromotorů je přibližná a je založena na hrubých předpokladech. Experimentálně naměřená topná křivka se proto výrazně liší od teoretické. Pokud pro různé body experimentální topné křivky provedeme konstrukci znázorněnou na Obr. 3, ukazuje se, že hodnoty T se zvyšují s časem. Všechny výpočty provedené pomocí rovnice by proto měly být považovány za přibližné. Při těchto výpočtech je vhodné použít konstantu T, určenou graficky pro počáteční bod topné křivky. Tato hodnota T je nejmenší a při použití je zajištěna určitá rezerva výkonu motoru.
Rýže. 4. Křivka chlazení motoru
Experimentálně naměřená křivka chlazení se od teoretické ještě více liší než křivka ohřevu. Časová konstanta chlazení odpovídající vypnutému motoru je výrazně delší než časová konstanta topení v důsledku poklesu přenosu tepla při absenci ventilace.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
Elektromotor je v jedné ze svých mnoha podob pravděpodobně nejběžnějším hnacím zařízením ve všech typech průmyslových a domácích aplikací. Jsou nedílnou součástí života moderní společnosti již druhé století a mají výkon od zlomků wattu až po stovky megawattů.
Elektromotor, stejně jako jakékoli jiné elektrické zařízení, se může začít přehřívat, pokud jsou porušeny jeho normální provozní podmínky. Následek přehřátí, pokud není včas zaznamenán a opraven, může vést k předčasnému selhání elektromotoru.
Dále zvážíme nejčastější příčiny přehřátí elektromotorů a způsoby, jak je odstranit.
Když k tomu dojde, je nejjednodušší nejprve vyloučit vnější příčiny. První z nich může být spojeno s nesprávným připojením napájení k vinutí motoru.
Vinutí lze zapojit do trojúhelníkové konfigurace, určené pro třífázové napětí 220 voltů, a například jsou náhodně napájena třífázovým napětím 380 voltů, které je určeno pro připojení vinutí do hvězdy. V tomto případě se motor nejen přehřeje, ale také rychle vyhoří, pokud se okamžitě neotevře napájecí obvod. Toto je podrobněji popsáno zde: Jak vybrat správné schéma zapojení fází motoru
Fázová nerovnováha
Dalším vnějším důvodem, proč se motor může začít přehřívat v důsledku přetížení, je absence alespoň jedné z fází napájecí sítě. Napájení třífázového motoru z jednofázové sítě je tématem samostatného článku (viz – Jak připojit třífázový elektromotor k jednofázové síti bez převíjení), ale o tom se nebavíme tady.
Pokud je motor třífázový a energie je dodávána pouze přes dvě fáze, pak motor pod zatížením jednoduše nebude schopen normálně pracovat, začne se přetěžovat a přehřívat zvýšeným proudem. Pokud zaznamenáte přehřívání, nerovnoměrné otáčení hřídele a silné hučení, pak je s největší pravděpodobností problém v absenci jedné z napájecích fází.
Nedostatečný průtok vzduchu
Když se třífázový motor spouští přes frekvenční měnič při nízkých otáčkách, může to také způsobit nadměrné přehřívání statoru.
Sečteno a podtrženo je, že vzduchem chlazené elektromotory mají většinou na zadní straně hřídele oběžné kolo ventilátoru, které při nízkých otáčkách prostě není schopno zajistit dostatečné proudění vzduchu pro správné chlazení.
Chcete-li problém vyřešit, můžete například umístit další ventilátor vedle motoru a připojit jej k teplotnímu čidlu na skříni motoru.
Házení zatížení hřídele
Pokud mechanické zatížení hřídele motoru způsobí tlučení, může dojít k uvolnění ložiskového štítu, narušení symetrie polohy rotoru, mechanickému přetížení, deformaci a zadření hřídele a zničení ložiska. Což opět nevyhnutelně způsobí přehřátí vinutí. Nápadným příkladem takové nevyváženosti na hřídeli je lopatka, která spadla z oběžného kola ventilátoru.
Zvýšené vibrace výrazně ovlivňují spolehlivost elektromotoru. Jak se s tímto jevem vypořádat je popsáno zde: Jak eliminovat vibrace elektromotoru
Zkrat ve vinutí
Vnitřní závady, které nejsou zvenčí viditelné, mohou také způsobit přehřátí motoru. Nejničivějším důvodem je mezizávitový (nebo k rámu) zkrat ve vinutí. Mezizávitový zkrat je jednou z nejčastějších příčin poruchy elektromotoru – Hodnocení závad nízkonapěťových elektromotorů
Motor se zkratem ve vinutí, způsobeným poruchou izolace, například v důsledku úlomků nebo otřesů během přepravy, nebude schopen vyvinout plný točivý moment na svém hřídeli. V tomto případě bude spotřeba v jedné z fází vinutí vyšší než normálně.
Existuje řada pravidel a doporučení, která vám umožní vyhnout se zkratům ve vinutí elektromotoru – Jak zabránit poškození izolace vinutí statoru asynchronního elektromotoru
Nečistoty zasahují do rotoru
Vysoká vlhkost, prach, nečistoty a další vnější faktory tohoto druhu, vznikající nesprávným skladováním a provozem elektromotoru, mohou mechanicky poškodit motor zevnitř.
Koroze z vlhkosti (rez) nebo prachu (nečistoty) jednoduše zužuje mezeru mezi rotorem a statorem a ucpává ložiska. To vše zpomaluje rotor, což způsobuje přetížení vinutí, což opět vede k přehřátí motoru.
Patří sem i znečištění ventilačních otvorů krytu ventilátoru. Někdy může být nutné kompletně vyčistit motor a vyměnit ložiska.
Ochranná opatření
Aby nedošlo k poruše motoru z výše popsaných důvodů, je nutné pravidelně kontrolovat a udržovat jak samotný motor, tak i zařízení, se kterým je spojen.
Okamžitě odstraňte nečistoty zevnitř, z ventilátoru a ze všech vnějších částí motoru, z jeho žeber. Zkontrolujte stav mazání ložisek. Použijte ochranné vybavení, které eliminuje problémy s fází a zastaví napájení vinutí, když napětí kriticky klesne.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
