過電流とそれが電気モーターの動作および耐用年数に及ぼす影響

非同期モーターの故障を分析すると、故障の主な原因は過熱による絶縁破壊であることがわかります。

電気製品（デバイス）の過負荷 - 電気製品（デバイス）の電力または電流の実際の値が定格値を超えること。 (GOST 18311-80)。

電気モーターの巻線の加熱温度は、モーターの熱特性と環境パラメーターによって異なります。モーターで発生した熱の一部はコイルを加熱し、残りは環境中に放出されます。加熱プロセスは、熱容量や熱放散などの物理的パラメーターの影響を受けます。

電動機の熱状態や周囲の空気により影響の度合いは異なります。モーターと環境との温度差が小さく、放出されるエネルギーが大きい場合、エネルギーの主要部分は巻線、ステーターおよびローターの鋼材、モーターのハウジングおよびその他の部品によって吸収されます。断熱材の温度が急激に上昇します... 加熱すると、熱交換の効果がますます現れます。このプロセスは、生成される熱と環境に放出される熱との間の平衡に達した後に確立されます。

電流が許容値を超えて増加しても、すぐに緊急事態が発生するわけではありません。ステーターとローターが極度の温度に達するまでには時間がかかります。したがって、あらゆる過電流に保護が反応する必要はありません。断熱材が急速に劣化する危険がある場合にのみ、機械のスイッチを切る必要があります。

絶縁加熱の観点からは、公称値を超える電流の大きさと継続時間が非常に重要です。これらのパラメータは主に技術プロセスの性質に依存します。

技術的に発生した電気モーターの過負荷

被駆動機械のシャフト上のトルクが周期的に増加することによって引き起こされる電気モーターの過負荷。このような機械や設備では、電気モーターの出力が常に変化します。電流の大きさが変化しない状態を長期間観察することは困難です。短期間の大きな抵抗モーメントが周期的にモーターシャフトに現れ、電流サージを引き起こします。

このような過負荷は通常、比較的高い熱慣性を持つモーター巻線の過熱を引き起こしません。ただし、十分に長い期間と繰り返しを行うと、 電気モーターの危険な加熱…防衛はこれらの体制を「区別」しなければならない。短期間の負荷衝撃には反応しないようにしてください。

他のマシンでは、比較的小規模ではあるが長期にわたる過負荷が発生する可能性があります。モーター巻線は、最大許容値に近い温度まで徐々に加熱されます。通常、電気モーターには一定の発熱量があり、動作時間が長くても小さな過電流が発生しても危険な状況を引き起こすことはありません。この場合、シャットダウンは必要ありません。このように、ここでもモーター保護は危険な過負荷と危険でない過負荷を「区別」する必要があります。

電気モーターの緊急過負荷

ただし、技術的な原因による過負荷、おそらく他の理由（電源ラインの損傷、動作中の装置の妨害、電圧降下など）で発生した緊急過負荷は除きます。彼らは誘導電動機の特定の動作モードを作成し、安全装置の要件を提供します... 典型的な緊急モードでの誘導電動機の動作を考えてみましょう。

一定負荷での連続運転時の過負荷

電気モーターは通常、一定のパワーリザーブを備えたものが選択されます。また、ほとんどの場合、マシンは負荷がかかった状態で実行されます。その結果、モーター電流は定格値を大幅に下回ることがよくあります。過負荷は、原則として、作業機械の技術的違反、故障、妨害および妨害の場合に発生します。

ファン、遠心ポンプ、コンベア ベルト、ネジなどの機械には、静かで一定またはわずかに変化する負荷がかかります。材料の流れの短期的な変化は、電気モーターの加熱には実質的に影響を与えません。それらは無視して構いません。通常の労働条件の違反が長期間続く場合は別の問題です。

ほとんどの電気ドライブには一定のパワーリザーブがあります。機械的過負荷は主に機械部品の損傷を引き起こします。発生のランダムな性質を考慮すると、特定の状況下で電気モーターにも過負荷がかかるかどうかを確信することはできません。たとえば、これはスクリューモーターで発生する可能性があります。輸送される物質の物理的および機械的特性 (水分、粒子サイズなど) の変化は、それを移動するために必要な電力に即座に反映されます。巻線の危険な過熱を引き起こす過負荷が発生した場合、保護装置は電気モーターを停止する必要があります。

長期にわたる過電流が絶縁に及ぼす影響の観点から、比較的小さい過負荷 (50% まで) と大きい過負荷 (50% 以上) の 2 つのタイプの過負荷を区別する必要があります。

前者の効果はすぐには現れず徐々に現れますが、後者の効果はしばらくしてから現れます。許容値を超える温度上昇が小さい場合、絶縁体の劣化はゆっくりと進行します。断熱材の構造における小さな変化は徐々に蓄積されます。温度が上昇すると、老化プロセスが大幅に加速します。

8～10℃ごとに許容値を超える過熱が発生すると、モーター巻線の絶縁耐用年数が半減すると思います。したがって、40 °C の過熱により断熱材の寿命は 32 分の 1 に減少します。これはかなりの量ではありますが、何ヶ月もの作業の後に現れます。

高い過負荷 (50% 以上) では、高温の影響で断熱材が急速に崩壊します。

加熱プロセスを解析するために、単純化されたエンジン モデルを使用します。電流の増加は変動損失の増加につながります。コイルが加熱し始めます。絶縁温度は図のグラフに従って変化します。定常状態の温度上昇率は電流の大きさに依存します。

過負荷が発生してからしばらくすると、巻線の温度は特定の絶縁クラスの許容値に達します。高い G 力では短くなり、低い G 力では長くなります。したがって、各過負荷値には、安全に分離できると考えられる独自の許容時間があります。

過負荷の許容持続時間とその大きさとの依存性は、電気モーターの過負荷特性と呼ばれます... 熱物理的特性 さまざまなタイプの電気モーター いくつかの違いがあり、特性も異なります。これらの機能の 1 つを図に実線で示します。

モーターの過負荷特性（実線）と必要な保護特性（破線）

与えられた特性から、主要な要件の 1 つを定式化できます。 電流依存の過負荷保護…過負荷の大きさに応じて引き上げる必要があります。これにより、エンジン始動時などに発生する、危険ではない電流スパイクによる誤警報を排除することができます。保護は、許容できない電流値のゾーンとその流れの継続時間に該当する場合にのみ機能する必要があります。図に破線で示されているその望ましい特性は、常にモーターの過負荷特性を下回る必要があります。

保護の動作は多くの要因（設定の不正確さ、パラメータのばらつきなど）の影響を受け、その結果、応答時間の平均値からの偏差が観察されます。したがって、グラフ上の破線は、ある種の平均的な特性と見なす必要があります。ランダム要因の作用により特性を越えてエンジンが誤停止してしまうことのないように、ある程度のマージンを持たせる必要があります。実際には、個別の特性ではなく、保護の反応時間の分布を考慮して保護ゾーンを使用して作業する必要があります。

正確なモーター保護動作の観点からは、両方の特性が可能な限り互いに近いことが望ましいです。これにより、許容過負荷に近い状態での不必要なトリップが回避されます。ただし、両方の特性が大きく分散している場合、これは達成できません。計算されたパラメータからランダムに逸脱した場合に許容できない電流値のゾーンに陥らないようにするには、一定のマージンを設ける必要があります。

保護特性は、モーターの過負荷特性が相互に交差しないように、モーターの過負荷特性から一定の距離を置いて配置する必要があります。しかし、これはモータ保護動作の精度を損なうことにつながります。

公称値に近い電流の領域では、不確実領域が現れます。このゾーンに入ると、保護が機能するかどうかを確実に言うことはできません。

この欠点は、 巻線温度に応じて保護動作... 過電流保護とは異なり、絶縁体の劣化、発熱の原因に応じて機能します。巻線にとって危険な温度に達すると、加熱の原因に関係なく、モーターが停止します。これは温度から保護する主な利点の 1 つです。

ただし、過電流保護機能がないことを誇張してはなりません。実際のところ、モーターには一定の電流が蓄えられています。モータの定格電流は、巻線の温度が許容値に達する電流よりも常に低くなります。それは経済的な計算に基づいて確立されています。したがって、定格負荷では、モーター巻線の温度は許容値を下回ります。これにより、エンジンの熱蓄えが生まれ、不足をある程度補うことができます。 サーマルリレー.

断熱材の熱状態を左右する多くの要因にはランダムな偏差があります。この点において、特性を指定しても必ずしも望ましい結果が得られるわけではありません。

可変連続運転における過負荷

一部の作動体や機構は、粉砕、研削、その他同様の作業など、広範囲にわたって変化する負荷を生成します。ここで、周期的な過負荷には、アイドル状態への過負荷が伴います。個別に考えれば、電流の増加は危険な温度上昇にはつながりません。ただし、その数が多く、それが頻繁に繰り返される場合、断熱材に対する温度上昇の影響は急速に蓄積されます。

変動負荷における電気モーターの加熱プロセスは、一定またはわずかに変動する負荷における加熱プロセスとは異なります。その違いは、温度変化の過程と機械の個々の部品の加熱の性質の両方に現れます。

負荷が変化すると、コイルの温度も変化します。エンジンの熱慣性により、温度変動はあまり広がりません。十分に高い負荷周波数では、巻線の温度は実質的に変化しないと考えられます。これは、一定の負荷での連続運転と同等になります。低周波数 (100 分の 1 ヘルツ以下のオーダー) では、温度変動が顕著になります。巻線が定期的に過熱すると、絶縁体の寿命が短くなる可能性があります。

低周波数で大きな負荷変動があるため、モーターは常に過渡プロセスにあります。負荷変動によりコイル温度が変化します。機械の個々の部品は異なる熱物理パラメータを持っているため、それぞれが独自の方法で加熱されます。

変動負荷下での熱過渡現象の経過は複雑な現象であり、常に計算の対象になるわけではありません。したがって、モーター巻線の温度は、その時点で流れる電流から推定することはできません。電気モーターの個々の部品はさまざまな方法で加熱されるため、熱は電気モーター内のある部品から別の部品に伝わります。電気モーターのスイッチを切った後、ローターから供給される熱により固定子巻線の温度が上昇する可能性もあります。したがって、電流の大きさは絶縁体の加熱の程度を反映していない可能性があります。また、一部のモードでは、ローターはステーターよりも集中的に加熱され、冷却が少なくなることにも留意する必要があります。

熱伝達プロセスの複雑さにより、モーターの加熱の制御が困難になります... 条件によっては、巻線の温度を直接測定しても誤差が生じる可能性があります。実際のところ、不安定な熱プロセスでは、機械のさまざまな部分の加熱温度が異なる可能性があり、一度の測定では正確な状況を把握することはできません。ただし、コイル温度測定は他の方法よりも正確です。

定期的な作業 保護作用の観点から最も不利であると言えます。定期的に作業を行うことは、短期的なモーター過負荷の可能性を意味します。この場合、過負荷の大きさは巻線の加熱条件によって制限され、許容値を超えないようにする必要があります。

コイルの加熱状態を「監視」する保護装置は、対応する信号を受信する必要があります。過渡状態では電流と温度が一致しない可能性があるため、電流測定に基づく保護はその役割を適切に果たせません。