Проведено аналіз процесу теплового зношення ізоляції асинхронного електродвигуна в післяпусковий період та розроблено непрямий спосіб вимірювання імпульсу квадрату пускового струму

Постановка проблеми. При живленні виробничих приміщень підприємств АПК часто спостерігається знижена напруга на вводах в будівлю. Значне зниження напруги при пуску асинхронних електродвигунів робочих машин призводить до нагріву обмоток статора, що супроводжується додатковим тепловим зношенням ізоляції, яке відбувається в основному в період роботи електродвигуна після запуску, тобто при його охолодженні до номінального перевищення температури.

Показником додаткового зношення ізоляції в післяпусковий період є імпульс квадрату пускового струму. [1]

Тому розробка способу вимірювання імпульсу квадрату пускового струму для діагностування пускового режиму асинхронного електродвигуна представляє як теоретичний, так і практичний інтерес, що є задачею даного дослідження.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Аналіз робіт в цьому напрямку показує, що питання діагностування пускових режимів роботи асинхронних електродвигунів частково вирішено в роботі [2], але для цього застосовується громіздкий математичний апарат. В роботі [3] з метою дослідження теплового перехідного процесу в електродвигуні запропонована безітераційна методика визначення параметрів схеми заміщення асинхронного електродвигуна.

У зв'язку з цим виникає задача розробки способу діагностування асинхронного електродвигуна шляхом вимірювання імпульсу квадрату пускового струму непрямим способом, що є актуальним завданням.

імпульс пусковий струм електродвигун асинхронний

Мета статті. Дослідити процес теплового зношення ізоляції електродвигуна та розробити непрямий спосіб вимірювання імпульсу квадрату пускового струму.

Основні матеріали дослідження. Тепловий перехідний процес при пуску приводного електродвигуна швидкоплинний, тому з достатнім ступенем точності можемо прийняти, що він протікає адіабатично.

Запишемо рівняння теплового балансу для обмотки статора [1]:

(1)

де С - теплоємність обмотки, Дж/^оС;

Р₀ - втрати активної потужності в обмотці статора при температурі навколишнього середовища, Вт;

б - температурний коефіцієнт опору матеріалу провідника обмотки, 1/^оС;

ф - перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища, ^оС;

t - поточний час, с.

Перепишемо рівняння (1) в наступному вигляді:

(2)

де (3)

Розв'язавши рівняння (2), знаходимо вираз поточного перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища:

(4)

де ф_поч - початкове перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища, ^оС.

Втрати активної потужності в обмотці при температурі навколишнього середовища

(5)

де r₀ - активний опір фази обмотки статора при температурі навколишнього середовища, Ом;

I_п - діюче значення сили пускового електричного струму, який протікає по обмотці статора, А.

Активний опір фази обмотки статора при температурі навколишнього середовища:

(6)

де r₂₀ - активний опір фази обмотки статора при температурі 20 ^оС;

?_{сер -} температура навколишнього середовища, ^оС.

Підставимо (5) в (3) і отримаємо:

(7)

Знайдемо максимальне перевищення температури обмотки в кінці розгону електродвигуна:

(8)

де ф_m - максимальне перевищення температури обмотки статора над температурою навколишнього середовища, ^оС;

t_п - час розгону електродвигуна, с.

Відповідно до [1] позначимо величину I_п²t_п буквою П і назвемо імпульсом квадрату діючого значення сили пускового струму, тобто

(9)

З урахуванням того, що діюче значення сили пускового струму асинхронного електродвигуна є функція часу, то більш точно імпульс квадрату пускового струму запишемо наступним чином:

(10)

Тоді рівняння (8) запишеться наступним чином:

(11)

Враховуючи порівняльну швидкоплинність процесу нагрівання обмотки при пуску, можна прийняти, що обмотка досягає максимального перевищення температури в момент часу t=0. В післяпусковий період охолодження обмотки до номінального значення швидкість зміни температури буде невеликою у відповідності до кривої охолодження:

(12)

де ф - поточне перевищення температури обмотки, єС;

ф_н - номінальне перевищення температури обмотки, єС;

t - поточний час, с;

Т - постійна часу нагрівання електродвигуна, с;

ф_{m -} максимальне перевищення температури обмотки в кінці пуску, єС.

Швидкість теплового зношення ізоляції в післяпусковий період опишеться виразом:

(13)

е - поточна швидкість теплового зношення ізоляції, бгод/год;

е_н - номінальна швидкість теплового зношення ізоляції, бгод/год;

В - параметр, який характеризує клас ізоляції, К;

Т - постійна часу нагрівання електродвигуна, с;

и_{н -} абсолютна номінальна температура ізоляції, К;

?_сер - температура навколишнього середовища, єС.

Додаткове теплове зношення ізоляції в післяпусковий період відбувається на інтервалі часу від нуля до 5Т і може бути знайдено за виразом:

(14)

де е - описується в (13).

В [1] проведено кількісний аналіз додаткового теплового зношення ізоляції обмотки у функції максимального перевищення температури обмотки електродвигуна типорозміру 4А100S2У3, в результаті якого можна зробити висновок, що додаткове теплове зношення ізоляції залежить від постійної часу нагрівання електродвигуна, максимального перевищення температури в кінці пуску та температури навколишнього середовища.

Була досліджена також залежність додаткового теплового зношення ізоляції у функції імпульсу квадрату пускового струму електродвигуна (рис.1).

Рисунок 1 - Залежність додаткового теплового зношення ізоляції у функції імпульсу квадрату пускового струму електродвигуна

Як показано вище, нагрів обмоток статора супроводжується додатковим тепловим зношенням ізоляції, яке відбувається в основному в період роботи електродвигуна після запуску, тобто при його охолодженні до номінального перевищення температури.

Показником додаткового зношення ізоляції в післяпусковий період є імпульс квадрату пускового струму.

Обґрунтуємо непрямий метод вимірювання імпульсу квадрату електричного струму.

Енергія, яка йде на нагрів однієї фази обмотки статора електродвигуна:

(15)

де С - теплоємність однієї фази обмотки статора електродвигуна, Дж/°С;

ф - перевищення температури однієї фази обмотки статора над температурою навколишнього середовища,°С.

З іншого боку запишемо другий вираз енергії, яка йде на нагрів однієї фази обмотки статора електродвигуна:

(16)

де r - активний опір однієї фази обмотки статора, Ом;

І - сила пускового електричного струму електродвигуна, А;

t - час аварійного пускового режиму, с.

Підставимо (15) в (16):

(17)

Перепишемо рівняння, ввівши імпульс квадрату пускового струму:

(18)

де П - імпульс квадрату пускового струму, А²с.

Звідки знаходимо:

(19)

Тоді допустиме перевищення температури однієї фази обмотки статора може бути знайдено наступним чином:

(20)

де П_доп - допустиме значення імпульс квадрату пускового струму, А²с.

Таким чином, допустиме значення імпульсу квадрату пускового струму прямо пропорційне перевищенню температури однієї фази обмотки статора, тобто

В пристрої контроль імпульсу квадрату пускового струму відбувається за допомогою вимірювання перевищення температури обмотки над температурою навколишнього середовища. Структурна схема пристрою захисту електродвигуна від нездійсненого пуску наведена на рис.2.

Пристрій працює наступним чином. Вимірюється перевищення температури обмоток статора трифазного асинхронного електродвигуна з короткозамкненим ротором за допомогою термопари ТП. Сигнал від термопари підсилюється підсилювачем П, далі значення підсиленої напруги порівнюється із заданим значенням за допомогою порівняльного елементу ПЕ. При перевищенні допустимих значень заданої напруги термопари спрацьовує виконавчий орган ВО на поліпшення умов запуску електродвигуна.

Рисунок 2 - Структурна схема пристрою захисту електродвигуна від нездійсненого пуску наведена

Висновки