Les surcharges de courant et leurs effets sur le fonctionnement et la durée de vie des moteurs électriques

L'analyse des pannes des moteurs asynchrones montre que la cause principale de leur panne est un claquage d'isolation dû à une surchauffe.

Surcharge d'un produit électrique (appareil) - dépassement de la valeur réelle de la puissance ou du courant d'un produit électrique (appareil) par rapport à la valeur nominale. (GOST 18311-80).

La température de chauffage des enroulements du moteur électrique dépend des caractéristiques thermiques du moteur et des paramètres environnementaux. Une partie de la chaleur générée dans le moteur va chauffer les bobines, et le reste est rejeté dans l'environnement. Le processus de chauffage est affecté par des paramètres physiques tels que la capacité thermique et la dissipation thermique.

En fonction de l'état thermique du moteur électrique et de l'air ambiant, le degré de leur influence peut varier.Si la différence de température entre le moteur et l'environnement est faible et que l'énergie libérée est importante, la majeure partie de celle-ci est absorbée par l'enroulement, l'acier du stator et du rotor, le carter du moteur et ses autres pièces. Il y a une élévation intense de la température de l'isolant... Avec le chauffage, l'effet d'échange thermique se manifeste de plus en plus. Le processus est établi après avoir atteint un équilibre entre la chaleur générée et la chaleur libérée dans l'environnement.

L'augmentation du courant au-dessus de la valeur autorisée n'entraîne pas immédiatement une condition d'urgence... Il faut un certain temps pour que le stator et le rotor atteignent leur température extrême. Par conséquent, il n'est pas nécessaire que la protection réagisse à chaque surintensité. Elle ne doit éteindre la machine que lorsqu'il existe un risque de détérioration rapide de l'isolation.

Du point de vue du chauffage de l'isolation, l'amplitude et la durée du flux de courant dépassant la valeur nominale sont d'une grande importance. Ces paramètres dépendent principalement de la nature du processus technologique.

Surcharge d'un moteur électrique d'origine technologique

Surcharge du moteur électrique causée par une augmentation périodique du couple sur l'arbre de la machine entraînée. Dans de telles machines et installations, la puissance du moteur électrique change tout le temps. Il est difficile d'observer une longue période de temps pendant laquelle le courant reste inchangé en amplitude. De grands moments de résistance à court terme apparaissent périodiquement sur l'arbre du moteur, créant des surtensions.

De telles surcharges n'entraînent généralement pas de surchauffe des bobinages du moteur, qui ont une inertie thermique relativement élevée.Cependant, avec une durée suffisamment longue et une répétition répétée, échauffement dangereux du moteur électrique… La Défense doit "distinguer" ces régimes. Il ne doit pas réagir aux chocs de charge à court terme.

D'autres machines peuvent subir des surcharges relativement faibles mais à long terme. Les bobinages du moteur chauffent progressivement jusqu'à une température proche de la valeur maximale admissible. Habituellement, le moteur électrique a une certaine réserve d'échauffement et de petites surintensités, malgré la durée de l'action, ne peuvent pas créer de situation dangereuse. Dans ce cas, l'arrêt n'est pas nécessaire. De cette manière, ici aussi, la protection du moteur doit "distinguer" les surcharges dangereuses et non dangereuses.

Surcharges d'urgence du moteur électrique

à l'exception des surcharges d'origine technologique, éventuellement des surcharges d'urgence survenues pour d'autres raisons (endommagement de la ligne d'alimentation, blocage des appareils en fonctionnement, chute de tension, etc.). Ils créent des modes de fonctionnement particuliers d'un moteur à induction et proposent leurs exigences en matière de dispositifs de sécurité... Considérez le comportement d'un moteur à induction dans des modes d'urgence typiques.

Surcharges en fonctionnement continu à charge constante

Les moteurs électriques sont généralement choisis avec une certaine réserve de marche. De plus, la plupart du temps, les machines fonctionnent sous charge. Par conséquent, le courant du moteur est souvent bien inférieur à la valeur nominale. Des surcharges se produisent, en règle générale, en cas de violations technologiques, de pannes, de blocages et de blocages dans la machine de travail.

Les machines telles que les ventilateurs, les pompes centrifuges, les bandes transporteuses et les vis ont une charge silencieuse, constante ou légèrement variable.Les variations à court terme du flux de matière n'ont pratiquement aucun effet sur l'échauffement du moteur électrique. Ils peuvent être ignorés. C'est une autre affaire si les violations des conditions normales de travail persistent longtemps.

La plupart des entraînements électriques ont une certaine réserve de marche. Les surcharges mécaniques endommagent principalement les pièces de la machine. Compte tenu du caractère aléatoire de leur apparition, il n'est pas certain que dans certaines circonstances le moteur électrique soit également surchargé. Par exemple, cela peut arriver avec des moteurs à vis. Les modifications des propriétés physiques et mécaniques de la matière transportée (humidité, granulométrie, etc.) se répercutent immédiatement sur la puissance nécessaire pour la déplacer. La protection doit arrêter le moteur électrique en cas de surcharge provoquant un échauffement dangereux des bobinages.

Du point de vue de l'influence des surintensités de longue durée sur l'isolement, il convient de distinguer deux types de surcharges : relativement faibles (jusqu'à 50 %) et importantes (plus de 50 %).

L'effet du premier n'apparaît pas immédiatement, mais progressivement, tandis que les effets du second apparaissent après un court laps de temps. Si l'élévation de température au-dessus de la valeur admissible est faible, le vieillissement de l'isolation se produit lentement. De petits changements dans la structure du matériau isolant s'accumulent progressivement. Lorsque la température augmente, le processus de vieillissement s'accélère considérablement.

Je pense qu'une surchauffe au-dessus de la valeur autorisée pour 8 à 10 ° C réduit de moitié la durée de vie de l'isolation des enroulements du moteur.Par conséquent, une surchauffe de 40 ° C réduit la durée de vie de l'isolation 32 fois ! Bien que ce soit beaucoup, cela se voit après plusieurs mois de travail.

En cas de surcharges élevées (plus de 50%), l'isolation s'effondre rapidement sous l'influence des températures élevées.

Pour analyser le processus de chauffage, nous utiliserons un modèle de moteur simplifié. Une augmentation du courant entraîne une augmentation des pertes variables. La bobine commence à chauffer. La température d'isolation change selon le graphique de la figure. Le taux d'augmentation de la température en régime permanent dépend de l'amplitude du courant.

Quelque temps après une surcharge, la température des enroulements atteint la valeur admissible pour la classe d'isolation donnée. À des forces G élevées, il sera plus court, à des forces G faibles, il sera plus long. Ainsi, chaque valeur de surcharge aura son propre temps admissible qui peut être considéré comme sûr à isoler.

La dépendance de la durée admissible de la surcharge à son amplitude est appelée caractéristique de surcharge du moteur électrique... Propriétés thermophysiques moteurs électriques de divers types ont quelques différences et leurs caractéristiques diffèrent également. L'une de ces caractéristiques est représentée sur la figure par une ligne continue.

Caractéristique de surcharge du moteur (ligne continue) et caractéristique de protection souhaitée (ligne pointillée)

À partir des caractéristiques données, nous pouvons formuler l'une des principales exigences à la protection contre les surcharges en fonction du courant… Il doit être augmenté en fonction de l'ampleur de la surcharge.Cela permet d'exclure les fausses alarmes avec des pics de courant non dangereux, se produisant par exemple au démarrage du moteur. La protection ne doit fonctionner que lorsqu'elle tombe dans la zone des valeurs de courant inacceptables et de la durée de son écoulement. Sa caractéristique souhaitée, représentée sur la figure par une ligne pointillée, doit toujours être inférieure à la caractéristique de surcharge du moteur.

Le fonctionnement de la protection est affecté par un certain nombre de facteurs (imprécision des réglages, dispersion des paramètres, etc.), à la suite desquels des écarts par rapport aux valeurs moyennes du temps de réponse sont observés. Par conséquent, la ligne pointillée sur le graphique doit être considérée comme une sorte de caractéristique moyenne. Afin de ne pas croiser les caractéristiques sous l'action de facteurs aléatoires, ce qui conduira à un arrêt incorrect du moteur, il est nécessaire de prévoir une certaine marge. En fait, il ne faut pas travailler avec une caractéristique séparée, mais avec une zone de protection, en tenant compte de la répartition du temps de réaction de la protection.

En termes d'actions exactes de protection du moteur, il est souhaitable que les deux caractéristiques soient aussi proches que possible l'une de l'autre. Cela évitera des déclenchements inutiles à proximité des surcharges admissibles. Cependant, s'il y a une large diffusion des deux caractéristiques, cela ne peut pas être atteint. Afin de ne pas tomber dans la zone des valeurs de courant inacceptables en cas d'écarts aléatoires par rapport aux paramètres calculés, il est nécessaire de prévoir une certaine marge.

La caractéristique de protection doit être située à une certaine distance de la caractéristique de surcharge du moteur pour exclure leur croisement mutuel.Mais cela conduit à la perte de précision de l'action de protection du moteur.

Dans la région des courants proches de la valeur nominale, une zone d'incertitude apparaît. En entrant dans cette zone, il est impossible de dire avec certitude si la protection fonctionnera ou non.

Cet inconvénient est absent dans protection fonctionnant en fonction de la température de bobinage... Contrairement à la protection contre les surintensités, elle agit en fonction de la cause du vieillissement de l'isolant, son échauffement. Lorsqu'une température dangereuse pour le bobinage est atteinte, il arrête le moteur, quelle que soit la raison qui a provoqué l'échauffement. C'est l'un des principaux avantages de la protection contre la température.

Cependant, l'absence de protection contre les surintensités ne doit pas être surestimée. Le fait est que les moteurs ont une certaine réserve de courant. Le courant nominal du moteur est toujours inférieur au courant auquel la température des enroulements atteint la valeur admissible. Il s'établit, guidé par des calculs économiques. Par conséquent, à charge nominale, la température des enroulements du moteur est inférieure à la valeur admissible. De ce fait, une réserve thermique du moteur est créée, ce qui compense dans une certaine mesure le manque relais thermiques.

De nombreux facteurs dont dépend l'état thermique de l'isolation présentent des écarts aléatoires. A cet égard, la spécification des caractéristiques ne donne pas toujours le résultat souhaité.

Surcharges en fonctionnement continu variable

Certains corps et mécanismes de travail créent des charges qui varient sur une large plage, comme dans le concassage, le broyage et d'autres opérations similaires. Ici, les surcharges périodiques s'accompagnent de sous-charges au ralenti.Toute augmentation de courant, prise isolément, n'entraîne pas d'élévation dangereuse de la température. Cependant, s'il y en a beaucoup et qu'ils se répètent assez souvent, l'effet de l'augmentation de la température sur l'isolation s'accumule rapidement.

Le processus de chauffage du moteur électrique à charge variable diffère du processus de chauffage à charge constante ou légèrement variable. La différence se manifeste à la fois au cours des changements de température et dans la nature du chauffage des différentes parties de la machine.

Lorsque la charge change, la température des bobines change également. Du fait de l'inertie thermique du moteur, les fluctuations de température sont moins généralisées. A une fréquence de chargement suffisamment élevée, la température des enroulements peut être considérée comme pratiquement inchangée. Cela équivaut à un fonctionnement continu avec une charge constante. À basse fréquence (de l'ordre des centièmes de hertz et moins), les fluctuations de température deviennent perceptibles. Une surchauffe périodique de l'enroulement peut raccourcir la durée de vie de l'isolation.

Avec de grandes fluctuations de charge à basse fréquence, le moteur est constamment dans un processus transitoire. La température de sa bobine change après les fluctuations de charge. Étant donné que les différentes parties de la machine ont des paramètres thermophysiques différents, chacune d'elles chauffe à sa manière.

L'évolution des transitoires thermiques sous charge variable est un phénomène complexe et ne fait pas toujours l'objet de calcul. Par conséquent, la température des enroulements du moteur ne peut pas être estimée à partir du courant circulant à un instant donné. Du fait que les différentes pièces du moteur électrique sont chauffées de différentes manières, la chaleur passe d'une pièce à l'autre dans le moteur électrique.Il est également possible qu'après l'arrêt du moteur électrique, la température des enroulements du stator augmente en raison de la chaleur fournie par le rotor. Ainsi, l'amplitude du courant peut ne pas refléter le degré d'échauffement de l'isolation. Il convient également de garder à l'esprit que dans certains modes, le rotor chauffe plus intensément et refroidit moins que le stator.

La complexité des processus de transfert de chaleur rend difficile le contrôle de l'échauffement du moteur... Même la mesure directe de la température des enroulements peut donner une erreur dans certaines conditions. Le fait est que dans les processus thermiques instables, la température de chauffage des différentes parties de la machine peut être différente et la mesure à un moment donné ne peut pas donner une image fidèle. Cependant, la mesure de la température de la bobine est plus précise que les autres méthodes.

Travail périodique peuvent être désignés comme les plus défavorables du point de vue de l'action de la protection. L'inclusion périodique dans le travail implique la possibilité d'une surcharge motrice à court terme. Dans ce cas, l'amplitude de la surcharge doit être limitée par la condition de chauffage des enroulements, qui ne dépasse pas la valeur admissible.

La protection « surveillant » l'état de chauffe de la bobine doit recevoir le signal correspondant. Le courant et la température pouvant ne pas correspondre en régime transitoire, la protection basée sur la mesure du courant ne peut remplir correctement son rôle.