Срок работы электродвигателя. Классификация условий эксплуатации

Одной из причин выхода электродвигателей из строя раньше срока, на который он рассчитан, является перегрев. Высокая температура в первую очередь влияет на материал электроизоляции. В результате она становится ломкой, сыпется или даже выгорает, если нагрев электродвигателей превышает допустимые значения. В итоге — короткое замыкание, потеря мощности, поломка силового агрегата. Чтобы этого не допустить, необходимо разобраться в основных причинах, приводящих к перегреву оборудования.

Причины нагрева двигателей

В промышленности основная часть электродвигателей работает при постоянной нагрузке. К их перегреву могут привести:

• пуск под нагрузкой, к которой двигатель не готов;
• неправильный режим работы;
• обрыв одной из фаз двигателя;
• заклинивание подшипников вала.

Каждый механизм, укомплектованный электродвигателем определенной мощности, которая требуется для выполнения определенных задач. Попытка выполнить объем работы в более сжатые сроки приводит к такому явлению, как аварийные перегрузки, с которыми оборудование не справляется и выходит из строя. Чтобы этого избежать — необходимо строго следовать технологии производственного процесса.

Постоянные высокие нагрузки на пределе нормы также вызывают нагрев двигателя, защитить его можно системой безопасности, оказывающей влияние не на режим работы силового агрегата, а на скорость подачи сырья. Также следует обращать внимание на то, что оборудование должно работать в определенных условиях. Если двигатели дымососов должны работать при закрытых шиберах, то необходима система, препятствующая их открытию при низкой температуры воздуха.

Изоляция электродвигателей

Слабым звеном при перегреве двигателя является изоляция обмоток, при высокой температуре ухудшаются ее эксплуатационные характеристики. Чем выше степень нагрева, тем быстрее меняются в отрицательную сторону диэлектрические и механические свойства материалов. Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяют на семь классов: У, А, Е, В, F, Н, С, предельно допустимая температура которых соответственно равна 90°, 105°, 120°, 130°, 155°, 180°, больше 180 °С.

Если к классу У относятся волокнистые материалы из шелка, целлюлозы, то класс С — это дорогие керамические материалы, иногда применяемые с кремнийорганическим связующим. Тщательно подбирая допустимую температуру нагрева обмоток к технологическим параметрам двигателя, можно существенно продлить срок его эксплуатации. При выборе необходимо учитывать не только максимально допустимую рабочую температуру, но и условия эксплуатации. Если некоторые двигатели имеют естественное охлаждение воздухом, то в большинстве случаев они надежно спрятаны под кожухами, где нет вентиляции.

Влияние температуры на срок службы двигателя

Как влияет нагрев двигателей на срок их эксплуатации? Этот вопрос настолько серьезен, что были проведены серьезные исследования. Они выявили, что перегрев всего на 10 градусов сокращает срок службы изоляционных материалов в два раза. Следующие 10 градусов укорачивают этот показатель еще в два раза. В итоге при перегревании электродвигателя на 40 градусов срок эксплуатации изоляции сокращается в 32 раза, что делает ресурс оборудования настолько минимальным, что его применение становится нерентабельным. Если перегрузки превышают допустимые на 50 %, то можно говорить о почти моментальном разрушении изоляционных материалов. Это лишний раз подчеркивает важность правильного выбора режима работы электродвигателя.

Что нужно для правильного выбора электродвигателя? Его основные электрические характеристики – это:

• номинальное напряжение;
• номинальная мощность;
• скорость вращения вала.

Но двигатели могут работать по-разному. Самый легкий для электромотора режим работы описывается выражением «запустил и забыл». В момент запуска двигатель потребляет ток, в несколько раз больший номинального. Затем ток не изменяется во времени, механическая нагрузка на валу стабильна. При этом обмотки и магнитопроводы нагреваются до рабочей температуры, которая также остается постоянной.

Но двигатели приводят во вращение механизмы различного назначения. Некоторые из них требуют частых запусков и остановок, изменений направления вращения . Наглядный пример – работа электродвигателей в составе грузоподъемных механизмов: кранов, лебедок, тельферов. Оператор не даст отдохнуть электромотору, а будет манипулировать им столько, сколько потребуется для выполнения работы по перемещению груза. То же происходит с электродвигателями металлообрабатывающих станков: при установке детали, подгонке ее положения и в процессе обработки требуется неоднократные запуски и остановки станка и изменения направления вращения.

Нагрузка на валу также не всегда остается постоянной. В технологических процессах нередки случаи работы электродвигателей с резкопеременной загрузкой. Есть продукт – двигатель загружен, закончился – работает в холостую.

Все это приводит к изменению во времени электрических характеристик электродвигателей: тока и мощности. Но главное – изменяется характер нагрева обмоток и магнитопроводов. Потери на нагрев обмоток называются мощностью потерь в меди , а железа магнитопроводов – мощностью потерь в стали . Первые происходят за счет выделения тепла на активном сопротивлении обмотки, вторые – нагрева вихревыми токами, возникающими под действием магнитного поля. Для снижения потерь от вихревых токов магнитопроводы изготавливают из пакета тонких пластин. Их изолируют друг от друга, покрывая лаком. Но полностью избавиться от вихревых токов невозможно.

Так как при запуске двигатель потребляет повышенный ток, то и мощность, рассеиваемая в виде потерь в стали и меди, в момент пуска возрастает. Если после запуска мотор продолжает работу с постоянной нагрузкой, то пусковой нагрев не успевает оказать существенного влияния на его температуру. Если же запуски происходят постоянно, то установившаяся температура становится больше той, что была бы в случае продолжительной работы.

Перегрев электродвигателя снижает срок службы изоляции обмоток и стальных листов магнитопровода. При изготовлении ее рассчитывают на определенную температуру, а при ее превышении изоляция быстрее теряет свои характеристики.

Другим фактором, влияющим на срок службы электродвигателя, является механические воздействия на его детали . На проводник с током в магнитном поле действует сила, стремящаяся его переместить, сдвинуть с места. Прохождение пускового тока через обмотки приводит к увеличению на них механических нагрузок. Усилие передается на элементы, фиксирующие обмотки в пазах статора и ротора, расшатывает их.

Механические усилия испытывают и другие элементы конструкции электродвигателя: вал ротора, места крепления магнитопроводов, подшипники.

Почему нельзя учесть все эти факторы и изготавливать все электродвигатели способными им противостоять? Все дело в стоимости. Для ровной и продолжительной работы электродвигатель можно изготовить дешевле. А для эксплуатации в тяжелых условиях потребуются дополнительные усиления конструкции, изоляции, что вызовет удорожание двигателя в целом.

Поэтому, помимо основных электрических характеристик, электродвигателям устанавливают типовые режимы работы. Обозначаются они сокращениями от S1 до S10, и для каждого из них есть свое описание.

Рассмотрим основные особенности каждого из них.

S1 — продолжительный режим

Самый легкий и простой режим работы. Электродвигатель, будучи включенным, работает продолжительное время с неизменной нагрузкой. Он разогревается до рабочей температуры, после чего параметры работы не изменяются.

S2 — кратковременный режим

Электродвигатель включается на непродолжительное время и постоянную нагрузку. Времени работы недостаточно для того, чтобы был достигнут номинальный тепловой режим, а времени паузы после нее хватает, чтобы двигатель остыл практически до температуры окружающей среды.

В обозначение режима после S2 добавляется числовое значение продолжительности нагрузки в минутах.

S3 — повторно-кратковременный периодический режим

Последовательность режимов S2, повторяющихся с определенной частотой. При этом двигатель работает с неизменной нагрузкой, время покоя сменяется временем работы. То пуска не влияет на установившуюся температуру.

После обозначения S3 в маркировке указывается коэффициент циклической продолжительности включения (К=∆tр/Т) в процентах.

S4 — режим S3 с пусками

В этом режиме продолжительность работы становится соизмеримой с продолжительностью пуска. В результате цикл работы выглядит так: «пуск-работа-остановка». Он циклически повторяется.

Параметрами режима являются:

• коэффициент К=∆tр/Т;
• момент инерции двигателя (Jд), в кг∙м 2
• момент инерции нагрузки (Jн), в кг∙м 2

Их значения указываются после знака S4.

S5 — режим S3 с электрическим торможением

По сравнению с предыдущим в цикл работы добавляется электрическое торможение, физический смысл которого – преобразование механической энергии вращения вала двигателя обратно в электрическую. При этом происходит отбор энергии от вала, и он быстрее останавливается.

Виды электрического торможения:

• реверсивное (запуск вращающегося электродвигателя в обратную сторону);
• реостатное (отключенная от сети обмотка статора подключается к тормозным резисторам);
• рекуперативное (энергия вращающегося мотора заряжает аккумуляторы или отдается в сеть);
• динамическое (отключенная от сети переменного тока отмотка статора подключается к источнику постоянного тока);
• комбинации способов между собой.

После обозначения S5 указываются параметры, аналогичные режиму S4.

S6 — непрерывный периодический режим с кратковременной нагрузкой

Электродвигатель постоянно вращается, но циклически чередуется холостой ход и работа под нагрузкой.

Режим характеризуется коэффициентом К=∆tр/Т.

S7 — режим S6 с электрическим торможением

К режиму S6 добавляется торможение. Параметры те же, что и у S4.

S8 — режим S6 с взаимозависимыми изменениями скорости вращения и нагрузки

Как видно из названия, в этом режиме циклически изменяются нагрузка двигателя и частота его вращения. Причем эти два параметра связаны между собой. Измерение частоты вращения производится, например, путем изменения числа пар полюсов для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.

ГОСТом предусмотрено 10 номинальных режимов для электродвигателей, которые обозначаются как S 1- S 10, их описание приведено ниже.

S 1 - продолжительный режим работы электродвигателя , характеризуется работой электродвигателя при постоянной нагрузке (Р) и потерях (Р V) на протяжении длительного времени, пока все части машины не достигнут неизменной температуры (Ɵ max = Ɵ нагр).

На выше приведенном рисунке Ɵ 0 - температура внешней среды.

S 2 - кратковременный режим работы электродвигателя - это работа электродвигателя на протяжении небольшого отрезка времени (Δ t p) при постоянной нагрузке (P). При работе за определенное время (Δ t p) составляющие двигателя не успевают нагреваться до установившейся температуры (Ɵ max), после этого машину останавливают и она охлаждается до температуры внешней среды (превышая не более чем на 2 0 С).

S 3 - периодический повторно-кратковременный режим работы электродвигателя , представляет собой последовательность одинаковых циклов, работа в которых происходит при постоянной, неизменной нагрузке. За это время электродвигатель не успевает нагреться до максимальной температуры и при останове не охлаждается до температуры окружающей среды. Не учитываются потери, возникшие при запуске двигателя (пусковой ток не оказывает большого влияния), то есть они не нагревают детали машины. Длительность цикла не превышает десяти минут.

Где Δ t p - время работы двигателя; Δ t R - время простоя, охлаждения; Ɵ нагр1 - температура двигателя при максимальном охлаждении во время цикла; Ɵ нагр2 - максимальная температура нагрева.

Продолжительность включения (ПВ) характеризует данный режим работы и находится по формуле:

Существуют нормированные значения ПВ: 60%, 40%, 25%, 15%.

Указанные в каталогах мощности приводятся для «Продолжительного режима работы (S 1)». Если же двигатель будет работать в других режимах, к примеру, S 2 или S 3, то нагревание его будет происходить медленнее, что позволит увеличить нагрузку на некоторое время. Для режима S 2 допускается увеличение нагрузки на 50% на период времени 10 минут, 25% - 30 минут, 10% - 90 минут. Для работы механизма в режиме S 3 лучше всего применять приводной асинхронный двигатель с повышенным скольжением.

S 1 - S 3 являются основными режимами работы, а S 4 - S 10 были введены для расширения возможностей первых, и предоставления более широкого ряда электродвигателей под конкретные задачи.

S 4 - повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с влиянием пусковых процессов , представляется в виде циклической последовательности, в каждом цикле выполняется пуск двигателя за время (Δ t d), работа двигателя при постоянной нагрузке в течении (Δ t p), за эти промежутки времени машина не успевает достичь максимальной температуры (установившейся), а за время паузы (Δ t R) не остывает до внешней среды.

S 5 - Повторно-кратковременный режим работы электродвигателя с электрическим торможением и влиянием пусковых процессов включает в себя те же характерности режима, что и S 4, с осуществлением торможения электродвигателя за время (Δ t F).

Этот режим работы характерен для электропривода лифтов.

S 6 - перемежающийся режим работы электродвигателя - последовательность циклов , при которой работа происходит в течении времени (Δ t р) с нагрузкой, и время (Δ t V) работает на холостом ходу. Двигатель не нагревается до предельной температуры.

S 7 - Перемежающийся режим работы электродвигателя с влиянием пусковых токов и электрическим торможением , особенностью является отсутствие пауз в работе, что обеспечивает 100% периодичность включения. Описывается работа в данном режиме последовательными циклами с достаточно долгим пуском (Δ t d), нормальной работой при неизменной нагрузке и торможением двигателя.

. Так же как и предыдущий режим, этот не содержит пауз, соответственно ПВ=100%. Реализация данного S 8 режима происходит в асинхронных двигателях при переключении пар полюсов . Каждый последовательный цикл состоит из времени разгона (Δ t d), работы (Δ t р) и торможения (Δ t F), но при разных нагрузках, а соответственно при разных скоростях вращения ротора (n).

. Режим, при котором обычно нагрузка и частота вращения изменяются непериодически в допустимом рабочем диапазоне. Этот режим часто включает в себя перегрузки, которые могут значительно превышать базовую нагрузку Для этого типа режима постоянная нагрузка, выбранная соответствующим образом и основанная на типовом режиме S1, берется как базовая (см. рисунок ниже) для определения перегрузки.

Режим, состоящий из ограниченного числа дискретных нагрузок (или эквивалентных нагрузок) и, если возможно, частот вращения, при этом каждая комбинация нагрузки/частоты вращения сохраняется достаточное время для того, чтобы машина достигла практически установившегося теплового состояния (рисунок ниже). Минимальная нагрузка в течение рабочего цикла может иметь и нулевое значение (холостой ход, покой или бестоковое состояние). Для этого типового режима постоянная нагрузка, выбранная в соответствии с типовым режимом S1, принимается за базовую для дискретных нагрузок. Дискретные нагрузки являются, как правило, эквивалентной нагрузкой, интегрированной за определенный период времени. Нет необходимости, чтобы каждый цикл нагрузки точно повторял предыдущий, однако каждая нагрузка внутри цикла должна поддерживаться достаточное время для достижения установившегося теплового состояния, и каждый нагрузочный цикл должен интегрированно давать ту же вероятность относительного ожидаемого термического срока службы изоляции машины.

Длительность рабочего цикла, характер действующей нагрузки, ее величина, потери при пуске, торможении и во время установившегося режима работы, способ охлаждения - все эти параметры описывают режимы работы электродвигателей. Возможные комбинации выше приведенных характеристик имеют огромное разнообразие и потому изготовление двигателей для каждого из них не целесообразно. По наиболее часто использованным и востребованным характерам работы были выделены номинальные режимы, для которых собственно и изготовляются серийные электродвигатели. Параметры электрической машины, которые указаны в паспорте, характеризуют ее работу в одном из номинальных режимов. Изготовитель гарантирует нормальную, безотказную работу эл. двигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке. Необходимо обязательно учитывать режим работы электропривода при выборе двигателя, это обеспечит надежную работу механизма.

Добрый день, уважаемые читатели блога сайт

В рубрике «Общее» рассмотрим техническое обслуживание асинхронных электродвигателей. Чтобы увеличить срок службы и предотвратить возникновение неполадок в асинхронных необходимо проводить их регулярную оценку технического состояния. Технический осмотр и проверку технического состояния электродвигателей и принадлежностей нужно проводить не реже, чем один раз в полгода. К основным причинам выхода из строя электродвигателей следует отнести неправильное хранение, некачественное или несвоевременное проведение технического обслуживание и нарушение условий эксплуатации. Для предотвращения выше перечисленных причин и необходимо проведение технического обслуживания (ТО). Основной целью ТО и является обеспечить эксплуатацию и функционирование оборудования в соответствии с требованиями заводов производителей и нормативных документов. Эти работы необходимы для поддержания КПД электрического двигателя на достаточно высоком уровне в течение всего его срока эксплуатации. Мы рассмотрим, что собой представляет профилактический осмотр, что такое профилактическое обслуживание и техническое обслуживание с проведением ремонта. ТО проводится на месте монтажа и эксплуатации оборудование без проведения разборки или демонтажа. Объем ТО предполагает собой проведение очистки оборудования от грязи и пыли, проверку сопротивления изоляции и исправности заземления, надежность крепления электродвигателя и его элементов к основанию, степень нагрева, уровень шума и вибрации, надежность контактных соединений. Все выявленные замечания, неполадки и неисправности необходимо устранить.

Профилактический осмотр электродвигателей

Данный вид необходим для предупреждения неисправностей и обеспечения надежной и бесперебойной работы оборудования в процессе его эксплуатации. Профилактический осмотр включен обычно в план программы направленной для поддержания всей производственной или технологической системы в рабочем состоянии. Обычно внеплановые простои сопровождаются значительными убытками, так как они связаны чаще всего с полной остановкой производственного или технологического процесса. При регулярном проведении профилактических осмотров можно предупредить в электродвигателях возникновение неисправностей и, следовательно, исключить незапланированные остановки производства. На (Рис. 1) приведены основные факторы, влияющие на срок эксплуатации двигателя при отсутствии регулярного профилактического осмотра.

Основными элементами профилактического осмотра асинхронных электрических двигателей являются:

• Вентиляция электродвигателя. Когда насосное оборудование установлено и эксплуатируется в условии с плохой вентиляцией, то температура электрического двигателя может подняться до величины, опасной для изоляции обмоток статора и консистентной смазки в подшипниках, что может привести к заклиниванию или разрушению подшипников и выходу из строя двигателя. Часто бывает, что вентиляционные решетки и каналы забиваются пылью или грязью. Для того чтобы не допускать перегрева электрического двигателя, необходимо регулярно с поверхностей насоса и двигателя удалять грязь и пыль при помощи сжатого воздуха. Хотя двигатель и защищен от попадания пыли в его внутреннюю часть, очень важно обеспечить для него хорошую вентиляцию на месте эксплуатации, чтобы высокая температура не способствовала повреждению изоляции и перегреву подшипников. Чем ниже температура при эксплуатации электродвигателя, тем его ресурс больше. Для этого нужно крышку вентилятора и охлаждающие ребра двигателя держать в чистоте.
• Влажность и конденсат. В электродвигателях с классом защиты IP55 водяной пар находящийся внутри статора, может конденсироваться и попадать в обмотки и подшипники. Для исключения образования конденсата при отключениях или остановках двигателя температура в таком типе двигателя должна быть выше, чем температура окружающей среды. Второй способ для решения данной проблемы это удаление пробок из сливных отверстий двигателя, чтобы образовывающийся конденсат вытекал. После удаления пробок степень защиты электродвигателя поменяется с IP55 на IP44.
• Неплотные соединения. Все электрические подключения и соединения должны быть зажаты и плотно затянуты в соответствии с рекомендациями. Во время эксплуатации кабельные соединения, плавкие предохранители, контакты в пускателях и автоматах защиты двигателя отходят и ослабевают, поэтому их нужно регулярно проверять и подтягивать.
• • Асимметрия напряжений и токов. В наших сетях асимметрия напряжения на фазах довольно распространенное явление. Поэтому необходимо постоянно проверять и контролировать значения напряжения и тока, и тем самым не допустить выходу из стоя асинхронного электрического двигателя. Асимметрия напряжения возникает тогда, когда напряжения на фазах отличаются друг от друга. Асимметрия напряжений на фазах вызывает в свою очередь и асимметрию линейных токов. Как следствие появляются проблемы связанные с вибрацией, перегревом одной или нескольких обмоток статора и пульсацией вращающего момента. Асимметрия напряжения приводит к сокращению ресурса двигателя и понижению его КПД. Например: напряжение на фазах составляет U1=410, U2=402, и U3=388 вольт. Среднее напряжение можно посчитать по формуле: U сред. =(U1+U2+U3)/3=400В. Асимметрия определяется как разница между самым большим и самым маленьким значениям напряжения на фазах. В нашем случае разница между U1=410 и U3=388 составляет ΔU=22В. В процентном отношении асимметрию можно посчитать по формуле ΔU/U сред. *100%=5,5%. Для защиты асинхронных электрических двигателей от асимметрии используется (РКФ). Данное реле способно защитить двигатель от перекоса (асимметрии) и пропадания фаз, а также нарушения чередования фаз.
• Повышенное и пониженное напряжение. Колебания напряжения сокращает срок службы изоляции статора асинхронного электрического двигателя. Пониженное напряжение способствует резкому увеличению температуры в обмотках статора и изоляции. Если электродвигатель однофазный, то происходит «тяжелый» пуск двигателя и увеличивается нагрузка на пусковой конденсатор. В такой ситуации очень часто конденсатор или пусковая обмотка однофазного асинхронного двигателя выходят из строя. При пониженном напряжении электродвигатель работает с пониженным , имеет меньший вращающий момент, увеличенное скольжение, повышенную рабочую температуру и, следовательно, меньший срок службы Обычно индуктивные электрические двигатели справляются с перенапряжением. Хотя большое электрическое перенапряжение может привести к межвитковым и междуфазным коротким замыканиям или коротким замыканием между фазой и корпусом двигателя. Проще говоря, происходит пробой обмоток между собой или на корпус.
• Подшипники и смазка . в настоящее время являются наиболее изнашиваемыми элементом электрического двигателя. Благодаря высокому КПД, у современных двигателей тепловые потери небольшие, изоляция обмоток не подвергается воздействию высоких температур, и короткое замыкание в обмотках больше не является самой частой проблемой при эксплуатации двигателей. На передний план вышли такие проблемы как повышенный шум от подшипников, а также повреждение подшипников. Теперь при проведении осмотра двигателя одной из основных является задача по замене и техническом обслуживании подшипников. В современных двигателях применяются необслуживаемые подшипники или подшипники с постоянной консистентной смазкой. Понятие «необслуживаемые» не означают, что этим подшипникам не требуется абсолютно никакого технического обслуживания. Со временем необслуживаемые подшипники следует менять. Когда именно, это зависит от срока службы подшипника и консистентной смазки применяемой в подшипниках и условий эксплуатации оборудования. Обычно срок службы необслуживаемых подшипников составляет 16000 – 40000 часов. Срок службы консистентной смазки составляет не меньше 40000 часов при нормальных условиях эксплуатации.

Профилактическое техническое обслуживание

Основной целью профилактического технического обслуживания асинхронных электродвигателей является проведение необходимых процедур по техническому обслуживанию в нужное время. Для этого необходимо регулярно контролировать работу электрического двигателя, что позволяет своевременно определить неисправности до того пока они возникнут. Профилактическое техническое обслуживание направлено на сокращение эксплуатационных расходов путем обнаружения и решения возникших проблем на ранних стадиях. Данные про температуру электродвигателя, вибрация и др. – это только некоторые параметры, помогающие определить, когда двигатель необходимо будет ремонтировать или менять

Состоянии подшипников

Спрогнозировать срок службы подшипника невозможно. При соблюдении нормальных условий эксплуатации, срок службы подшипников находится в пределах 16000 – 40000 часов. Известно, что имеются три периода процесса изнашивания деталей оборудования при эксплуатации. Первый период – это процесс приработки, в котором темп изнашивания очень высокий в результате приработки и истирания начальных неровностей или при наличии перекосов поверхностей сопряженных деталей. Второй – это установившийся износ, где происходят естественные изменения форм и размеров деталей в процессе эксплуатации оборудования. Третий – износ это катастрофический, при котором интенсивность износа резко возрастает из-за недопустимых изменений в сопряженных деталях. В этом периоде и происходит выход из строя узла. Чтобы увеличить ресурс и надежность оборудования и сократить затраты, связанные с ремонтами и простоями, необходима очень точная и надежная система диагностики текущего технического состояния подшипников. Одним из таких способов контроля и диагностики подшипников широко распространенным во всём мире является метод, базирующийся на измерении параметров вибрации. Обусловлено это тем, что вибрация несет в себе информацию о состоянии подшипников в частности и механизма в целом. Теория и практика анализов вибрационных сигналов в настоящее времени отработана так, что с ее помощью можно получить достоверную информацию о текущем состоянии не только подшипников, но и его элементов.

Состоянии изоляции

Испытание изоляции электродвигателя на прочность позволяет прогнозировать неисправности электрических двигателей. Существует несколько распространённых способов проверки изоляции, при помощи которых можно заранее определить возможную неисправность электродвигателя. Это измерение сопротивления изоляции на корпус, проверка импульсами высокой частоты, проверка показателя поляризации и проверка высоким напряжением.

Измерение сопротивления изоляции на корпус. Этот метод является самым простым способом проверки, и предупреждения большей части неисправностей электродвигателя. Измеряется сопротивление изоляции при помощи мегомметра. В процессе измерения напряжение 500 или 1000 В подаётся на обмотки статора и корпуса. Мегомметр – это омметр предназначен для измерения сопротивления в высоких диапазонах. В процессе проведения измерений и сразу после них на клеммах мегомметра присутствует опасное напряжение, и прикасаться к ним нельзя.

• Минимальное сопротивление изоляции у новых и обмоток после проведения чистки или ремонта на корпус составляет 10 МОм или больше.
• Минимальное сопротивление изоляции, можно вычислить путем умножения номинального напряжения U n , на постоянный множитель 0,5 МОм/кВ. Например: U n =690 В=0,69 кВ, то минимальное сопротивление изоляции составляет 0,69 кВ*0,5 МОм/кВ=0,35 МОм

Процесс измерения:

• Минимальное сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса измеряется напряжением 500 вольт. Температура обмоток при проведении измерений должна быть 25°C +/– 15°C.
• Максимальное сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса измеряется напряжением 500 вольт при рабочей температуре обмоток 80–120°C в зависимости от типа электродвигателя и КПД.

Проверка показателя поляризации:

• Если сопротивление изоляции электродвигателя меньше 10 МОм, то высока вероятность того, что в обмотки статора могла попасть влага и их необходимо сушить.
• Если электрический двигатель работает в течение длительного периода времени, то его минимальное сопротивление может снизиться до критического уровня. Электродвигатель можно эксплуатировать до тех пор, пока величина измеренного значения сопротивления изоляции не упадёт ниже расчётного минимального значения. Если значение сопротивления будет ниже предельного, то чтобы не допустить обслуживающий персонал поражению блуждающими токами, электродвигатель необходимо немедленно вывести из эксплуатации.

Измерение сопротивления изоляции позволяет определить срок, когда необходимо проводить ремонт или замену электродвигателя. Проводить его необходимо регулярно, чтобы прослеживать тенденцию, позволяющую предотвратить неисправность. На (Рис. 2) показан график изменения сопротивления изоляции от времени эксплуатации.

На графике видно, что сопротивление изоляции достигло своего критического значения через 60 месяцев после начала эксплуатации двигателя. Электродвигатель необходимо вывести из эксплуатации и провести сушку его обмоток, это лучший случай. В худшем статор электродвигателя необходимо поменять или перемотать.

Чистка и сушка обмоток статора

Если величина сопротивления изоляции не достигла значения минимального сопротивления изоляции, значит, в обмотках находится влага и им требуется сушка. Сушить обмотки необходимо с большой осторожностью. Высокая температура и резкое её увеличение приводит к образованию пара, и высока вероятность того, что можно повредить обмотки. Для предотвращения этого, скорость увеличения температуры при сушке не должна превышать 5°C/ч, а сами обмотки не должны нагреваться на температуру выше, чем 150°C для электродвигателей класса F . Во время сушки надо внимательно контролировать температуру и проводить замеры сопротивления изоляции. В начале сушки сопротивление изоляции уменьшается из-за увеличения температуры, но в процессе сушки оно возрастает. Время продолжительности сушки, может быть разным и каких либо указаний по ее продолжительности нет. Сушка производится до тех пор, пока замеряемые величины сопротивления изоляции будут постоянными и выше чем минимальное значение. Если после проведения сушки значение сопротивления изоляции не достигло минимального, то это означает, что изоляция нарушена, и электродвигатель необходимо менять или перематывать статор. Электрический двигатель, в который попала влага, масло или токопроводящая пыль, необходимо очень тщательно очистить и высушить. Для удаления загрязнений, масла и пыли из ротора, статора или клеммной коробки применяется горячая вода и специальные моющие растворы. После проведения процесса очистки статор нужно высушить. Для достижения необходимого значения сопротивления изоляции, необходимо от нескольких часов до нескольких дней.

Проверка импульсами высокой частоты

Если с помощью проверки сопротивления изоляции можно определить износ статора на последней стадии, то импульсами высокой частоты проверяется износ изоляции обмоток на ранней стадии. При проверке импульсами высокой частоты проверяется состояние межвитковой и межфазной изоляции обмоток. Межфазная изоляция защищает обмотки от пробоя между фазами и на корпус. Межвитковая изоляция это изоляция, нанесенная на поверхность медного провода. Во время проверки импульсами высокой частоты в изоляции межвитковой и межфазной создаётся напряжение. Для создания этого напряжения применяется конденсатор, который разряжается на обмотку и образует колебательный контур. С помощью осциллографа, можно посмотреть результаты испытаний по каждой из фаз статора. Три фазы электродвигателя одинаковые, и, следовательно, полученные формы импульсов должны быть одинаковы. Если импульсы разные то это означает, что в электродвигателе изоляция повреждена. На (Рис. 3) так примерно выглядят форма сигнала на дефектной и рабочей обмотках.

Температура электродвигателя

Как было сказано выше, температура электрического двигателя очень сильно влияет на срок эксплуатации и является точной индикацией его состояния. Если температура электродвигателя превышает предельно допустимое значение на 10°C для определённого класса изоляции, например, класса F, то срок службы его изоляции может сократиться на 50%. На фирменной табличке всегда указывается класс нагревостойкости изоляции. Изоляция любого класса нагревостойкости двигателя должна выдерживать температуру, равную температуре окружающей среды плюс повышение температуры при условии эксплуатации с максимальной нагрузкой. Поэтому контроль температуры подшипников также является частью процесса технического обслуживания. Температура в подшипниках с консистентной смазкой не должна превышать ∆Т=60. Если взять максимальную температуру окружающей среды 40°C, то абсолютная температура подшипника вычисляется как сумма ∆Т и максимальной температуры окружающей среды В нашем случае абсолютная температура подшипников НЕ ДОЛЖНА превышать 100°C. Максимальную температуру подшипников электродвигателя нужно постоянно контролировать с помощью внешних термометров. В таблице приведены данные для двух наиболее распространённых классов нагревостойкости изоляции: B и F .

Термографическое исследование

При помощи инфракрасного сканирования можно определить скрытую неисправность в электродвигателе и этот способ очень хорошо для этого подходит. С помощью инфракрасного сканирования, определяются места с повышенной температурой. Например, какая степень износа подшипников. Инфракрасное исследование позволяет распознавать и при необходимости сделать снимки мест локального перегрева в двигателе. Таким образом, сканирование обеспечивает своевременный ремонт в случаях, когда было найдено место локального перегрева, и не допустить выхода из строя электродвигателя. В обычных условиях инфракрасное сканирование выполняются при нормальной работе и при полной нагрузке. Полученные данные затем анализируются для определения возникших проблем в электродвигателе, и решение которых возможно при помощи ТО. Термографическое изображение насоса, перекачивающего горячую воду, изображено на (Рис. 4)

Техническое обслуживание с проведением ремонта

Основной целью этого типа технического обслуживания является выполнение ремонта или замены двигателя в случае возникновении неисправностей. Техническое обслуживание с проведением ремонта или аварийный ремонт не являются регулярными работами.

Анализ неисправностей

Чтобы определить место и причину поломки, при возникших неисправностях в электродвигателе, его следует осмотреть. Обычно профилактический осмотр помогает предотвратить неисправность. Если неисправность могла возникнуть из-за какого-либо ненадёжного компонента, узла или плохого технического обслуживания, то необходимо проверить всё оборудование этого типа, чтобы подобная неисправность не появилась где-либо в другом электродвигателе или в системе. Из-за больших затрат на электроэнергию основной задачей для пользователей является обеспечение требуемого КПД электродвигателя. При возникновении в электродвигателе неисправности, по какой-либо причине, стоит вопрос, необходимо ли ремонтировать старый двигатель или купить новый. Из-за роста цен на электроэнергию потребители очень часто стараются купить новый электродвигатель, особенно тогда, когда стоимость ремонта старого соизмерима со стоимостью нового. Если перемотка или ремонт электродвигателя стоит дешевле, чем новый двигатель, тогда ремонтируется старый. Здесь следует отметить, что КПД перемотанного двигателя не может быть лучшим, чем КПД у нового двигателя.

Замена подшипников

Подшипники в электродвигателях являются самими часто изнашиваемыми узлами, и за один срок службы электродвигателя менять их приходится по нескольку раз. Вот общие рекомендации по разборке двигателя снятию старых подшипников и установке новых, а также мерам по обеспечении правильного монтажа подшипников в электродвигателе.

Разборка

Для выполнения технического обслуживания и текущего ремонта узлов электродвигателя приходится необходимо разобрать двигатель и снять подшипники. При этом ротор и крышки не меняются. Во время проведения разборки необходимо соблюдать чистоту и аккуратность. Для демонтажа подшипников применяются различные съемники подшипников.

Установка новых подшипников

Перед тем как устанавливать новый подшипник необходимо тщательно очистить элементы электродвигателя, корпус и вал. Если не удалять оставшуюся консистентную смазку и грязь, новые подшипники могут шуметь, и срок службы их будет меньше. При выполнении монтажа подшипников усилие запрессовки необходимо передаваться только на напрессовываемое кольцо. На внутреннее кольцо, если монтаж производится на вал, и на наружное кольцо, если в корпус. Проводить монтаж так, чтобы усилие с одного кольца передавалось на другое кольцо через тела качения запрещено. В случае, когда подшипник одновременно насаживается и в корпус и на вал, тогда усилия должны передаваться на торцы обоих колец. При монтаже запрещено прикладывать усилие к сепаратору. Нельзя прикладывать усилие напрямую на кольцо, допускается наносить легкие удары, по кольцу только применяя втулку из мягкого металла. В случае монтажа подшипников открытого типа, подшипник необходимо предварительно прогреть в масляной ванне. Подшипник погружается в ванну с чистым минеральным маслом, нагретым до температуры 80-90°С, и выдерживается 15-20 мин в зависимости от типоразмеров подшипника. При монтаже закрытых подшипников с постоянной консистентной смазки их нагрев до такой же температуры необходимо производить в термостате. Нагретый в масле подшипник устанавливают на вал и с небольшим усилием насаживают на место. Сторона подшипника, где находится заводское клеймо, должна быть снаружи.

Меры предосторожности при монтаже подшипников

Подшипники всегда должны быть чистыми. В случае попадание в подшипник грязи или загрязняющих веществ может привести преждевременному его разрушению. Основные рекомендации по обращению с подшипниками и поддержанию их в чистоте.

• Монтаж подшипников всегда необходимо производить на чистом рабочем месте и при помощи чистых инструментов.
• Не нужно удалять с поверхностей подшипника консервационное масло. Практически все подшипники монтируются без удаления с их поверхностей масла.
• Не следует ронять и деформировать подшипники. При изменении геометрической формы работа подшипника будет нарушена.
• Для монтажа подшипника используются только инструменты из дерева или мягкого металла. Запрещается применять инструменты, которые могут повредить поверхность подшипника.
• Упаковку подшипника необходимо открывать непосредственно перед его монтажом

Эксплуатационные испытания

Для того чтобы определить, правильно ли смонтирован подшипник в двигателе, надо провести его испытания. Сначала необходимо провернуть вал ротора вручную. Если никаких проблем при этом не возникло, испытать подшипник можно на малой скорости вращения без нагрузки. Если все нормально, то необходимо постепенно увеличивать нагрузку и скорость вращения до номинальной скорости. Если в процессе проведения испытаний обнаружены вибрация и необычный шум, или повышение температуры, испытания необходимо незамедлительно прекратить и проверить, правильно ли собран электродвигатель.

Заключение

Целью технического обслуживания асинхронных электродвигателей является предупреждение и сокращение внеплановых простоев, которые могут отрицательно сказаться на производственном или технологическом процессе. Профилактический осмотр, способствует повышению КПД электродвигателя, а, следовательно, и КПД всей насосной установки. Техническое обслуживание позволяет определить сроки замены электродвигателя на более новый и высокотехнологичный. И последнее, но тоже очень важное: необходимость в ТО с проведением ремонта возникает тогда, когда осмотр и профилактическое ТО выполнялись формально, или если электрический двигатель неправильно сконструирован, или неправильно подобраны его материалы. ТО с проведением ремонта является крайней мерой, так как это связано с устранением повреждений возникших в электродвигателе и, следовательно, приводит к простою производства. Здесь уместно также напомнить, что заменяемые узлы и запчасти для электродвигателей должны быть оригинальными.

Спасибо за внимание.

АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ 0,4 КВ
Аварийные режимы работы

Михаил Соркинд, ООО «Новатек-Электро», г. Санкт-Петербург

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (далее по тексту – АД) обычно рассчитаны на срок службы 15–20 лет без капитального ремонта при условии их правильной эксплуатации . Под правильной эксплуатацией АД понимается его работа в соответствии с номинальными параметрами, указанными в паспортных данных электродвигателя. Однако в реальной жизни имеет место значительное отступление от номинальных режимов эксплуатации. Это в первую очередь связано с плохим качеством питающего напряжения и нарушением правил технической эксплуатации: технологические перегрузки, условия окружающей среды (повышенные влажность, температура), снижение сопротивления изоляции, нарушение охлаждения.
Последствием таких отклонений являются аварийные режимы работы АД. В результате аварий ежегодно выходят из строя до 10% применяемых электродвигателей. Например, 60% скважных электронасосных агрегатов выходят из строя чаще одного раза в году . Выход из строя АД приводит к тяжелым авариям и большому материальному ущербу, связанному с простоем технологического оборудования, устранением последствий аварий и ремонтом вышедшего из строя электродвигателя. Простой ремонт электрической машины мощностью до 1 кВт обходится в 5–6 долларов США. Чтобы оценить, во что обойдется ремонт более мощной машины, надо просто умножить эту цифру на мощность двигателя. Помимо этого, работа в условиях, отличных от номинальных, ведет к повышенному энергопотреблению из сети, увеличению потребляемой реактивной мощности.
Совершенно очевидно, что применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и продлит срок службы АД, сократит расход электроэнергии и эксплутационные расходы. Но для того чтобы выбрать эту защиту, необходимо знать, как и от чего необходимо защищать АД, а также специфику процессов, протекающих в нем в случае аварий.

АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ МЕХАНИЧЕСКИЕ АВАРИИ АД К таким авариям относятся:

• деформация или поломка вала ротора;
• ослабление крепления сердечника статора к станине;
• ослабление опрессовки сердечника ротора;
• выплавление баббита в подшипниках скольжения;
• разрушение сепаратора, кольца или шарика в подшипниках качения;
• поломка крыльчатки, отложение пыли и грязи в подвижных элементах и пр.

Причиной большинства механических аварий являются радиальные вибрации из-за асимметрии питающей сети (т. н. перекос фаз), механические перегрузки на валу электродвигателя, брак комплектующих элементов или допущенный при сборке. До 10% всех аварий АД имеют механическое происхождение. При этом 8% приходится на долю аварий, связанных с асимметрией фаз и только 2% на аварии, связанные с механическим перегрузом. Доля аварий, связанных с браком, мала, и поэтому ее можно не принимать во внимание при настоящем рассмотрении. Оценка вероятностей возникновения механических аварий отсутствует, большая их часть носит скрытый характер и выявляется только после соответствующих испытаний или разборки двигателя. Однако постоянный контроль сетевого напряжения и нагрузки на валу АД позволяет в большинстве случаев свести эту вероятность к минимуму.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АВАРИИ АД

Они в свою очередь делятся на три типа:

• сетевые аварии, связанные с авариями в питающей электросети (повышение-понижение напряжения, частоты);
• токовые аварии, связанные с обрывом проводников в обмотках статора, ротора или кабеля, межвитковым и междуфазным замыканием обмоток, нарушением контактов и разрушением соединений, выполненных пайкой или сваркой; аварии, приводящие к пробою изоляции в результате нагрева, вызванного протеканием токов перегруза или короткого замыкания;
• аварии, связанные со снижением сопротивления изоляции вследствие ее старения, разрушения или увлажнения.

СЕТЕВЫЕ АВАРИИ «ПО ГОСТ»

Качество электроэнергии на территории РФ определяет ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» . ГОСТ определяет соответствие стандартам целого ряда показателей, в первую очередь таких, как отклонения напряжения и частоты, коэффициент гармонической составляющей четного и нечетного порядка, коэффициенты обратной и нулевой последовательности напряжения и пр. Из-за аварий на питающих подстанциях, КЗ в распределительных сетях, коммутационных и грозовых возмущений, неравномерности распределения нагрузки по фазам, фактические значения ряда показателей больше допустимых, что ведет к аварийным режимам работы АД. По статистическим данным, до 80% аварий электродвигателя напрямую или косвенно связаны именно с авариями сетевого напряжения . Анализ показателей качества электрической энергии (ПКЭ) относительно условий работы АД показывает, что, например, при уменьшении напряжения в сети возрастает ток статора, что ведет к интенсивному нагреву изоляции АД и сокращению срока службы вследствие ускоренного старения изоляции. Повышение напряжения приводит к увеличению магнитного потока статора, тока намагничивания, нагреву сердечника (вплоть до «пожара» в стали), росту потребляемой из сети реактивной мощности. В таблице 1 приведены обобщенные данные о влиянии основных показателей качества электрической энергии на режимы работы асинхронных двигателей.

СЕТЕВЫЕ АВАРИИ «ВНЕ ГОСТ»

Следует отметить, что существует еще несколько типов сетевых аварий, которые происходят наиболее часто, но напрямую ГОСТом не регламентируются, т. к. являются крайними случаями проявления несимметричных режимов работы АД. Это обрыв одной из фаз, нарушение последовательности фаз и «слипание» фаз.
Обрыв фаз, как правило, связан с обрывом жилы питающего кабеля, сгоревшим предохранителем, или отключением автомата в одной из линий, или обрывом самой линии. При соединении обмоток двигателя звездой напряжение в двух фазах делится поровну и составляет половину линейного U ф = U л / 2, а в третьей отсутствует. Такие режимы приводят к повышенному энергопотреблению из сети, перегреву обмоток статора. Поле из вращающегося превращается в пульсирующее, ток в оборванной фазе будет отсутствовать, в двух других увеличится на 50%. Двигатель не разворачивается даже на холостом ходу. В некоторых типах двигателей в случае, если обрыв произошел во время работы двигателя, на оборванной фазе генерируется т. н. напряжение «рекуперации», близкое по фазе и амплитуде к сетевому. Двигатель переходит в тормозной режим работы и, если его не отключить, сгорает в течение нескольких минут.
Аварийный режим «слипания» фаз происходит в случае обрыва одной из питающих фаз и замыкании ее со стороны двигателя на другую фазу. При этом одно и то же фазное напряжение подается на две фазы двигателя, на третьей остается в норме. При незначительной амплитудной несимметрии наблюдается значительная фазная несимметрия, приводящая к появлению значительных напряжений обратной последовательности, вызывающих перегрев двигателя и выход его из строя.
Нарушение закрепленной ГОСТом последовательности фаз А-В-С (В-С-А, С-А-В) на любую другую обуславливает реверсивный режим работы – вращение двигателя в другую сторону, что часто недопустимо по условиям технологического процесса, т. к. вызывает вращение приводного механизма в обратную сторону и может привести, помимо аварии самого двигателя, к тяжелым, порой катастрофическим, последствиям.
Постоянный контроль наличия и качества сетевого напряжения, включая гармонический анализ, вычисление действующих или средних значений напряжения до включения двигателя, контроль за его состоянием во время работы АД, в т. ч. за изменениями параметров фазных напряжений, вызванными режимами работы самого двигателя, позволяет избежать возникновения аварийных режимов, предотвратить появление режимов короткого замыкания и токовой перегрузки.

ТОКОВЫЕ АВАРИИ АД

Напряжение на зажимах АД и фазные токи, протекающие по его обмоткам, тесно взаимосвязаны и любые, даже небольшие, изменения сетевого напряжения вызывают изменения фазных токов (см. табл. 1). Для эффективной защиты АД необходимо измерять фазные токи как можно точнее.
Согласно последним исследованиям, длительная работа двигателя с токовым перегрузом всего лишь на 5% от номинального сокращает срок его службы в 10 раз . В связи с сильной несинусоидальностью кривой тока, особенно во время пусков, в ней присутствует большое количество гармоник высшего порядка, оказывающих существенное влияние на величину действующего значения тока.

Поэтому, если принимать решение о работе АД не по вычисленным действующим значениям тока, а по неким усредненным сигналам или, что еще хуже, по пиковым значениям, это может привести к ложным выводам о наличии или отсутствии токового перегруза.
Различают два вида токового перегруза АД: симметричный и несимметричный. Симметричный токовый перегруз, как правило, связан с механическими перегрузками на валу двигателя. Их значение напрямую связано с режимами работы АД и тепловым перегрузом, о которых речь пойдет ниже.
Большая часть токовых аварий АД связана в первую очередь с повреждениями внутри самого двигателя, приводящими к несимметричному токовому перегрузу. Рассмотрим основные виды таких аварий (табл. 2).
Во всех случаях внутренних аварий электродвигателя наблюдается значительная асимметрия фазных токов, превышающая в несколько раз асимметрию напряжений. Поэтому постоянный контроль токов, соотношения токового перекоса с перекосом напряжений, позволяет делать достаточно достоверные выводы о наличии таких аварий и оперативно отключать двигатель. Таблица 2. Влияние внутренних повреждений на работу АД

Вид аварии	Изменение токов	Характер изменений в работе двигателя
Обрыв одной фазы в обмотке статора	Соединение обмотки звездой	Ток в оборванной фазе отсутствует. В двух других I = 1,5 I ном	Двигатель гудит и не разворачивается даже на х.х. Поле из вращающегося превращается в пульсирующее. В работающем двигателе при нагрузке равной 1/2 номинальной, рабочие токи увеличиваются на 15–20%, скорость вращения снижается незначительно. В случае больших нагрузок двигатель остановится и, если не сработает защита, быстро выйдет из строя.
	Соединение обмотки треугольником	Ток в оборванной фазе отсутствует. В двух других значительно больше номинального.	Обмотки подключены к сети по схеме открытого треугольника. Токи, протекающие по обмоткам статора, создают вращающее магнитное поле, двигатель хорошо берет с места и развивает нормальную скорость. Энергопотребление из сети значительно больше, чем в нормальном режиме. Момент близок к номинальному, но при сильном нагреве двух рабочих обмоток Iл в одном из питающих проводов будет в 3 =1,7 раза больше, чем в двух других.
Межвитковые замыкания в фазе обмоток статора	I ф, подходящий к поврежденной фазе, возрастает во много раз (его величина определяется количеством закороченных витков).		Двигатель начинает необычно гудеть, а если работает под нагрузкой, вращается с пониженной скоростью. Через некоторое время двигатель начинает гореть.
Междуфазные замыкания обмоток статора	Приводят к протеканию по обмоткам сети токов короткого замыкания, в 10–100 раз превышающих номинальные токи.		Обмотки статора быстро нагреваются и, если не срабатывает защита, перегреваются и сгорают.

ТЕПЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АД

В зависимости от характера изменения нагрузки различают четыре основных номинальных режима работы АД: продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и смешанный. Не будем подробно останавливаться на описании этих режимов, заметим только, что основной характеристикой нагрузочных режимов является тепловая характеристика электродвигателя.
Работа АД всегда сопровождается его нагревом, что обусловлено происходящими в нем процессами и потерями энергии. Нормативный срок службы электродвигателя определяется в конечном счете допустимой температурой нагрева его изоляции. В современных двигателях применяется несколько классов изоляции, допустимая температура нагрева которых составляет:
– для класса А – 105 o С,
Е – 120 o С,
В – 130 o С,
F – 155 o C,
H – 180 o C,
С – свыше 180 o С.
Превышение допустимой температуры ведет к преждевременному разрушению изоляции и существенному сокращению срока его службы. В эксплуатации в основном приходится сталкиваться с режимами, ненормированными ГОСТами. Наиболее характерным является режим с быстроизменяющейся нагрузкой, когда двигатель периодически входит в режим перегрузки, возвращаясь затем на номинальный режим или опускаясь в режим работы с нагрузкой меньше номинальной.
Если машина работает в продолжительном режиме, но с переменной нагрузкой (Р1, Р2, Р3…), имеет место неустановившийся тепловой процесс (см. рис. 4), т. к. в разные промежутки времени: t1, t2, t3, t4 и т. д. в ней возникают различные потери мощности, а следовательно, различные тепловые потери. Для эффективного контроля количества тепла, накопленного двигателем в процессе работы, необходимо выяснить законы нагрева и охлаждения асинхронного электродвигателя.

УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА АД

В связи с трудностью проведения такого анализа, принимаются следующие допущения: двигатель рассматривается как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность и одинаковую температуру во всех своих точках.
Теплоемкость двигателя и его коэффициент теплоотдачи не зависят от нагрузки на валу двигателя. Температура двигателя зависит не только от нагрузки, но и от температуры окружающей среды. Средняя температура t пропорциональна количеству тепла Q, накопленному двигателем:
t = Q / C, (1)
где С – теплоемкость двигателя.
Потери тепла двигателем пропорциональны его температуре:

DQ/dt = -A t = -A Q/C, (2)
где A – теплоотдача двигателя.
Если предположить, что до включения двигатель был холодным, основное тепловое уравнение при работе двигателя можно записать в виде:
dQ/dt = -A Q/C + I 2 R, (3)
где I 2 R – мощность потерь, выделяемая в двигателе при протекании тока I по обмоткам с активным сопротивлением R.
Решение уравнения (3) при постоянном токе I:

Q(t) = Q 0 (1 – е -t A/C), (4)
где Q 0 = I 2 R C/A, установившееся количество тепла в двигателе при dQ/dt = 0.
Предельно допустимому току двигателя Iном соответствует предельно допустимое количество тепла

Q ном = I 2ном R C/A (5)
и предельно допустимая температура (относительно окружающей среды)
t ном = Q ном / C = I 2ном R/A . (6)
При включении двигателя на постоянном токе, в N раз превышающем Iном, время выхода на предельно допустимое количество тепла Q ном

T N = { I n N 2 – I n (N 2 – 1) } / (A/C) . (7)
Псевдотепловые математические модели электродвигателей положены в основу большинства защит АД от теплового перегруза. Постоянный расчет I 2 с учетом скорости нагрева и остывания двигателя при как можно большей степени дискретизации измерений дает наиболее полную картину о количестве тепла, накопленного двигателем и опасного с точки зрения допустимого нагрева изоляции. При его превышении происходит так называемое ускоренное старение изоляции: снижается механическая прочность, появляются хрупкость, разломы и трещины, что приводит к снижению электрической прочности и пробою.

СНИЖЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

В процессе эксплуатации АД его изоляция неизбежно стареет. Основными причинами, вызывающими эти процессы, являются:

• нагревание обмоток рабочими и пусковыми токами, токами короткого замыкания и перегруза, теплотой от посторонних источников;
• динамические усилия, возникающие при взаимодействии проводников с током;
• коммутационные перенапряжения.

Большое влияние оказывают также условия окружающей среды: температура и влажность воздуха, загрязненность и запыленность. Состояние изоляции определяет степень безопасной эксплуатации электроустановок. Эксплуатация электродвигателя допускается, если сопротивление его изоляции на корпус не менее 0,5 МОм. Вероятность пробоя изоляции возрастает на порядок, если сопротивление изоляции в два раза меньше допустимого. При снижении сопротивления изоляции высока вероятность появления такой тяжелейшей аварии АД, как пробой обмотки статора на корпус (короткое замыкание на корпус), опасной не только для самого электродвигателя, но и для обслуживающего персонала. По сети начинают протекать токи короткого замыкания, в 10–100 раз превышающие номинальные, а на корпус электроустановки может быть вынесено высокое напряжение, опасное для жизни человека.
Не менее важным является непрерывный контроль сопротивления изоляции обмоток статора во время работы электродвигателя, т. к. диэлектрические свойства изоляции, измеренные до включения АД, могут внезапно измениться под воздействием электрического напряжения и температуры. Для этого используется измерение тока утечки на землю с помощью дифференциального трансформатора тока, реагирующего на появление дифференциального (разностного) тока выше некоторой уставки, заданной пользователем. МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ РЕЖИМОВ

Стремясь защитить двигатели от аварийных режимов, еще с середины прошлого века в энергетике стали применять различную релейную защиту: тепловую, токовую, температурную, фильтровую и комбинированную.
Многолетний опыт эксплуатации АД показал , что большинство существующих защит не обеспечивает безаварийную работу АД. Так, например, тепловые реле рассчитывают на длительную перегрузку 25–30% от номинальной. Но чаще всего они срабатывают при обрыве одной фазы при нагрузке 60% от номинальной. При меньшей нагрузке реле не срабатывает и АД продолжает работать на двух фазах и выходит из строя в результате перегрева изоляции обмоток. Правильный выбор защитного устройства – это важный фактор в обеспечении безопасной эксплуатации АД.
Приборы защиты АД от аварийных режимов можно разделить на несколько видов:
а) тепловые защитные устройства: тепловые реле, расцепители;
б) защитные устройства от свехтоков: плавкие предохранители, автоматы;
в) термочувствительные защитные устройства: термисторы, термостаты;
г) защита от аварий в электросети: реле напряжения и контроля фаз, мониторы сети;
д) приборы МТЗ (максимальной токовой защиты), электронные токовые реле;
е) комбинированные устройства защиты.

Во второй части нашей статьи, которая будет опубликована в следующем номере журнала, мы подробнее опишем принципы действия, достоинства и недостатки существующих защит, а также результаты попыток создания универсальных защитных устройств АД.

Литература
1. Паначевный Б. И. Курс электротехники. – Харьков: Торсинг. – Ростов-на-Дону: Феникс. – 2002.
2. Кацман М. М. Электрические машины. – Москва: Высшая школа, 2000.
3. Материалы научно-практической конференции по эксплуатации и совершенствованию приборов релейной защиты и автоматики. – Днепропетровск, 1997.
4. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
5. Данилов И. А., Иванов П. М. Общая электротехника с основами электроники. – Москва: Высшая школа, 2000.
6. Грундулис А. О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. – Москва: Агропромиздат, 1988.