Какая температура электродвигателя считается нормальной

Тепловой режим и номинальная мощность двигателя

При работе электродвигателя возникают потери , на покрытие которых расходуется часть потребляемой им электрической энергии. Потери возникают в активном сопротивлении обмоток, в стали при изменении магнитного потока в магнитопроводе, а также механические потери на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины. В конечном итоге вся энергия потерь превращается в тепловую энергию, идущую на нагрев двигателя и рассеивающуюся в окружающей среде.

Потери в двигателе бывают постоянные и переменные. К постоянным относятся потери в стали и механические и потери в обмотках, где ток постоянен, к переменным — потери в обмотках двигателя.

В начальный период после включения большая часть выделяющегося в двигателе тепла идет на повышение его температуры, а меньшая поступает в окружающую среду. Затем по мере увеличения температуры двигателя все большее количество тепла передается в окружающую среду, и наступает момент, когда все выделяемое тепло рассеивается в пространстве. Тогда наступает тепловое равновесие, и дальнейшее повышение температуры двигателя прекращается. Такая температура нагрева двигателя называется установившейся. Установившаяся температура с течением времени остается постоянной, если нагрузка двигателя не изменяется.

Количество тепла Q, которое выделяется в двигателе за 1 с, можно определить по формуле

где η — КПД двигателя; Р2— мощность на валу двигателя.

Из формулы следует, что чем больше нагрузки двигателя, тем больше тепла в нем выделяется и тем выше его установившаяся температура.

Опыт эксплуатации электродвигателей показывает, что основной причиной их выхода из строя является перегрев обмотки. Пока температура изоляции не превышает допустимого значения, тепловой износ изоляции нарастает очень медленно. Но по мере превышения температуры износ изоляции резко возрастает. Практически считают, что перегрев изоляции на каждые 8°С снижает срок ее службы вдвое. Так, двигатель с хлопчатобумажной изоляцией обмоток при номинальной нагрузке и температуре нагрева до 105 °С может работать около 15 лет, при перегрузке и повышении температуры до 145 °С двигатель выйдет из строя уже через 1,5 месяца.

По ГОСТ изоляционные материалы, используемые в электромашиностроении, по нагревостойкости делятся на семь классов, для каждого из которых устанавливается максимально допустимая температура (табл. 1).

Допустимое превышение температуры обмотки двигателя над температурой окружающей среды (в СССР принято + 35 °С) для класса нагревостойкости Y составляет 55 °С, для класса А — 70° С, для класса В — 95° С, для класса Я—145° С, для класса G более 155 °С. Превышение температуры данного двигателя зависит от величины его нагрузки и режима работы. При температуре окружающей среды ниже 35 °С двигатель можно нагрузить выше его номинальной мощности, но так, чтобы при этом температура нагрева изоляции не превышала допустимые нормы.

Характеристика материала	Класс нагревостойкости	Предельно допустимая температура, °С
Непропитанные хлопчатобумажные ткани, пряжа, бумага и волокнистые материалы из целлюлозы и шелка	Y	90
Те же материалы, но пропитанные связующими	А	105
Некоторые синтетические органические пленки	Е	120
Материалы из слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие вещества	В	130
Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими веществами	F	155
Те же материалы, но в сочетании с кремний органическими связующими и пропитывающими составами	Н	180
Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, асбест, применяемые без связующих составов или с неорганическими связующими составами	G	более 180

Исходя из известного количества тепла Q , выделенного при работе двигателя, можно подсчитать превышение температуры двигателя τ °С над температурой окружающей среды, т. е. температуру перегрева

где А — теплоотдача двигателя, Дж/град•с; е —основание натуральных логарифмов (е = 2,718); С — теплоемкость двигателя, Дж/град; τ о — начальное превышение температуры двигателя при τ .

Установившаяся температура двигателя τу может быть получена из предыдущего выражения, если принять τ = ∞ . Тогда τу = Q / А . При τо = 0 равенство (2) примет вид

Обозначим отношение С/А через Т, тогда

где Т — постоянная времени нагрева, с.

Постоянная нагрева — это время, в течение которого двигатель нагрелся бы до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду. При наличии теплоотдачи температура нагрева будет меньше и равна

Постоянная времени может быть найдена графически (рис.1, а). Для этого из начала координат проводят касательную ОС до пересечения с горизонтальной прямой, проходящей через точку а, соответствующую температуре установившегося нагрева. Отрезок вс будет равен Т, а отрезок ав — времени t у, в течение которого двигатель достигнет установившейся температуры τу . Обычно принимают равным 4T.

Постоянная нагрева зависит от номинальной мощности двигателя, частоты его вращения, конструкции и способа охлаждения, но не зависит от величины его нагрузки.

Рис. 1. Кривые нагрева и охлаждения двигателя: а — графическое определение постоянной нагрева; б — кривые нагрева при различных нагрузках

Если двигатель, после того как он нагреется, отключить от сети, то, начиная с этого момента, он уже не выделяет тепла, а накопленное тепло продолжает рассеиваться в окружающей среде, двигатель охлаждается.

Уравнение охлаждения имеет вид

а кривая показана на рис. 1, а.

В выражении То — постоянная времени охлаждения. Она отличается от постоянной времени нагрева Т, так как теплоотдача двигателя, находящегося в покое, отличается от теплоотдачи работающего двигателя. Равенство возможно в том случае, когда двигатель, отключенный от сети, имеет постороннюю вентиляцию. Обычно кривая охлаждения идет более полого, чем кривая нагрева. У двигателей с внешним обдувом То больше Т примерно в 2 раза. Практически можно считать, что через промежуток времени от 3То до 5То температура двигателя становится равной температуре окружающей среды.

При правильном выборе номинальной мощности двигателя установившаяся температура перегрева должна быть равна допустимому превышению температуры τдоп , соответствующему классу изоляции обмоточного провода. Различным нагрузкам P1

Исходя из изложенного можно дать следующее определение номинальной мощности двигателя. Номинальная мощность двигателя представляет собой мощность на валу, при которой температура его обмотки превышает температуру окружающей среды на величину, соответствующую принятым нормам перегрева.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Ранее на эту тему: Электропривод

Контроль нагрева

Чрезмерный нагрев электродвигателей сокращает срок их службы. Степень нагрева зависит от нагрузки электродвигателя и от условий и режима его работы.

Под нагрузкой электродвигателя обычно понимают значение момента сопротивления на валу или значение пропорциональной ему величины — тока статора. Поскольку измерить момент двигателя в процессе его работы затруднительно, для контроля нагрузки измеряют ток статора и сравнивают его с допустимым значением.

Электроизоляционные материалы подразделяются на классы нагревостойкости, для которых определена наибольшая допустимая температура при использовании их в электрооборудовании общего применения, длительно работающего в нормальных эксплуатационных условиях.

Так, для класса нагревостойкости V наибольшей допустимой рабочей температурой является 90 С. К этому классу относятся непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из шелка и целлюлозы. Для класса нагревостойкости А наибольшей допустимой рабочей температурой является 105°С. К классу А относятся те же волокнистые диэлектрики, но пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик, а также некоторые полиамидные пленки и смолы, древесные пластики, изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках и т. д. Для класса Е наибольшей допустимой рабочей температурой является 120 °С. К этому классу относятся пластмассы, синтетические органические пленки, компаунды на основе эпоксидных и других смол. Для класса В допустимая рабочая температура равна 130°С. К этому классу относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с органическими связующими и пропитывающими составами.

Для класса F максимальная рабочая температура равна 155°С. К классу F относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами (лаки, компаунды). Для класса Н максимальной рабочей температурой является 180 °С. К классу Н относятся материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими составами, кремнийоргапические эластомеры. Для класса С максимальная рабочая температура допускается свыше 180°С. К этому классу относятся слюда, кремнийорганические материалы, стекло, кварц.

Технологические перегрузки рабочих машин или колебания напряжения в питающей сети ведут за собой увеличение тока в обмотках машин и превышение температуры обмоток выше допустимых для данного класса, в результате срок службы машин быстро уменьшается.

Точные значения допустимых температур нагрева обмоток и стали для различного типа машин при продолжительном их работе с номинальной нагрузкой устанавливаются по результатам эксплуатационных испытаний и указываются в производственных инструкциях. В большинстве случаев они не превышают 100—120 С для обмоток статоров и 105 —140 С для обмоток роторов электродвигателей.

Допустимый перегрев зависит от класса изоляции. Например, для изоляции класса А допускается превышение температуры над окружающей не более 60 С для обмоток и околооб-моточной части стали электрических машин, для изоляции класса В — не более 80°С. Так, при температуре воздуха 30°С допустимая температура статора электродвигателя с изоляцией класса А составит 90°С, а для класса В — 110 С.

Для изоляции классов А и В применяется так называемое десятиградусное правило: при превышении температуры обмоток примерно на каждые 10 °С срок службы изоляции уменьшается вдвое. Перегрев машины чаще всего происходит за счет ее перегрузки электрическим током. При превышении номинальной нагрузки необходимо снизить ее до номинальной и проследить за изменением температуры нагрева. Таким образом, задача обслуживающего персонала состоит в том, чтобы не допускать перегрузок электрических машин.

Для контроля за нагрузкой электродвигателей в одну из фаз питающей линии устанавливают амперметр, который должен показывать ток обмотки статора. На делении его шкалы, соответствующем 105% номинального тока, делают четкую отметку красного цвета, облегчающую контроль. Продолжительная работа электродвигателя при показаниях амперметра, превышающих 105% номинального тока, недопустима по условию нагрева. В этом случае необходимо понизить температуру окружающей среды (например, усилением вентиляции помещения) или уменьшить нагрузку на валу двигателя.

Контроль температуры нагрева электродвигателей мощностью выше 100 кВт проводят с помощью встроенных дистанционных термометров. Для измерения температуры электродвигателей меньшей мощности, а также для измерения температуры в точках электродвигателей, где установка дистанционных термометров невозможна, пользуются переносными спиртовыми или ртутными термометрами. При измерениях ртутными термометрами следует иметь в виду, что в области переменных магнитных полей возникает положительная погрешность, т. е. термометр покажет завышенное значение температуры. Для более точного измерения температуры нижнюю часть термометра обвертывают тонкой алюминиевой фольгой, обминая ее так, чтобы прилегание к месту измерения было плотным. Сверху оболочку из фольги накрывают для теплоизоляции ватой. В труднодоступных местах измерения проводят сразу после остановки электродвигателя.

Чувствительными к нагреву являются и некоторые механические узлы и детали электродвигателей. Для них в паспортах электродвигателей задаются допустимые превышения температур над температурой окружающей среды 35 °С. Допустимые превышения температуры для подшипников качения составляют 60°С, для подшипников скольжения — 45°С, для стальных деталей коллекторов и контактных колец — 70°С. Температуру подшипников скольжения можно измерить, погружая термометр непосредственно в масло подшипника.

При достаточном навыке ориентировочное представление о степени нагрева можно получить, притрагиваясь ладонью к нагретому элементу конструкции (ладонь без болевых ощущений обычно выдерживает температуру около 60°С).

Заметное влияние на нагрев электродвигателей имеет уровень напряжения питающей сети. Существенно, что увеличение и уменьшение напряжения ведут к повышению температуры нагрева электродвигателя. В связи с этим не допускаются напряжения ниже 95 % и выше 110% номинального. Наилучшие характеристики асинхронные электродвигатели имеют при напряжениях в диапазоне от 100% до 105% номинального. В этих пределах и следует поддерживать напряжение сети, питающей асинхронные электродвигатели. По условиям пуска предпочтительна верхняя граница диапазона, т. е. 1,05 V_н.

• Пуск электродвигателей
• Торможение электрических приводов
• Межремонтное обслуживание электродвигателей
• Контроль вибраций
• Уход за подшипниками
• Уход за контактными кольцами, коллекторами и щетками

Допустимый нагрев электродвигателя в зависимости от класса изоляции

К нагреву склонен любой электродвигатель. Сам по себе нагрев, если он находится в установленных пределах, не страшен, а вот перегрева допускать никогда нельзя. Перегрев не вреден для металлических частей и подшипников, однако он чрезвычайно опасен для обмоток. В случае повышения температуры сверх установленного предела в них начинает разрушаться изолирующий лак, а это приводит к замыканию витков.

Чтобы не допустить перегрева гарантированно, нужно установить термодатчик и соединить его с цепью, разрывающей питание мотора при превышении допустимой температуры. Такую защитную схему можно приобрести в составе модуля для тепловой защиты электродвигателя. При этом его нужно отрегулировать на нужную температуру срабатывания. Это следует делать, согласуясь с классом изоляции электродвигателя. Таким образом, можно избежать слишком частого отключения при допустимых температурах и уберечь электродвигатель при слишком высоких температурах.

Допустимая температура нагрева для электродвигателей различных классов изоляции:

• Класс Y самый не термоустойчивый. Работает только до 90°C.
• A — до 105°C.
• E — до 120°C.
• B — до 130°C.
• F — до 155°C.
• H — до 180°C.
• C — свыше 180°C

Данные классы установлены Национальной Ассоциацией Производителей Электрооборудования (NEMA). Буквенные обозначения классов расположены не в алфавитном порядке. Это несколько затрудняет их чтение. Поэтому рекомендуется при настройке термодатчика или проверке систем защиты лишний раз уточнить индекс в спецификации.

Конструктивное устройство электродвигателей с разными температурными классами изоляции одинаковое. Разница состоит лишь в химическом составе изоляционного лака обмоток. При присвоении лаку любого класса термоустойчивости он проходит испытания при максимальной температуре в течение 20 000 часов. Гарантированный период эксплуатации электродвигателя при такой температуре является таким же. При превышении температуры на 10 С срок службы сокращается вдвое. Еще на 10 С – еще вдвое. При дальнейшем нагреве происходит необратимое повреждение лака. Такую обмотку требуется заменять.

Если температура обмоток на 10 и на 20 С ниже предельно допустимой, то это положительно сказывается на увеличении срока службы. Он составляет около 50 000 часов и более. Поэтому, во время эксплуатации электродвигателям всегда нужно обеспечивать хорошее охлаждение. Нужно учитывать, что температура является таким же опасным фактором для электродвигателей, как избыточные механические нагрузки и заклинивание.

Почему греется электродвигатель

При эксплуатации электрических двигателей периодически возникает вопрос — почему привод так сильно греется? Рассмотрим эту проблему применительно к трехфазным асинхронным двигателям.

Для начала определимся, при каком значении температуры можно говорить о перегреве электродвигателя.

Когда двигатель следует считать горячим

Разумеется, при температуре корпуса +25°С ресурс двигателя будет больше, чем при +100°С. Однако для большинства электродвигателей +100°С является нормальной рабочей температурой. О температурной перегрузочной способности привода можно судить по двум характеристикам — классу изоляции и классу превышения температуры.

Температура корпуса или обмоток ниже +60°С не требует принятия каких-либо мер. Значение выше +70°С также не является критичным, однако в этом случае необходимо обратить внимание на двигатель — возможно, ему требуется дополнительная диагностика или техническое обслуживание.

При температуре выше +100°С нужно установить постоянный контроль за состоянием двигателя и принять меры по обнаружению причин нагрева. Если температура продолжает повышаться, двигатель нужно отключить от питания во избежание аварии и возгорания.

Как измерить температуру двигателя

Определить температуру двигателя можно несколькими способами.

• Рукой. Самый простой способ, позволяющий быстро определить перегрев. Если при прикосновении к корпусу двигателя не возникает заметных болевых ощущений, можно с уверенностью сказать, что температура не превышает +60°С.
• Термометром с внешним датчиком (контактным термометром). Этот способ требует времени и умения. Самые горячие места двигателя – посередине корпуса, где греется обмотка, а также передняя и задняя части корпуса, в районе подшипников вала.
• Тепловизором. Это наиболее быстрый и информативный способ измерения. Он позволяет увидеть всю картину нагрева сразу.
• С помощью встроенных датчиков. В некоторых моделях электродвигателей имеются встроенные датчики температуры (как правило, позисторы), которые выдают информацию о нагреве различных участков (обмоток, подшипников). Если такие датчики отсутствуют, их можно установить самостоятельно. Способ удобен тем, что контроль и реакцию на нагрев можно автоматизировать. Для этого сигнал от датчиков выводят на специальный вход преобразователя частоты, на специализированное реле температуры либо на аналоговый вход контроллера. В случае с контроллером можно написать программу со следующим алгоритмом: на первом пороге температуры выдается предупреждение оператору, на втором – двигатель отключается.

Причины перегрева электродвигателей

Причины перегрева двигателя могут быть механическими и электрическими.

Механические причины:

• Увеличение механической нагрузки на валу. Механическая перегрузка может быть вызвана заклиниванием механизмов, попаданием в них инородных предметов и т. д.
• Износ подшипника. Рано или поздно это приведет к его заклиниванию или разрушению. Важно диагностировать данную неисправность на ранней стадии, поскольку разрушение подшипников может привести к повреждению ротора, обмоток и корпуса двигателя.
• Механическое повреждение электродвигателя, например, нарушение соосности подшипников, которое вызовет их перегрев и трение ротора об статор.
• Недостаточное охлаждение корпуса. Как правило, охлаждение производится при помощи крыльчатки обдува, расположенной в задней части двигателя. Если крыльчатка сломана или зацепилась за решетку и проворачивается на валу, двигатель будет перегреваться. Другая причина уменьшения обдува – пониженные обороты двигателя при его питании через преобразователь частоты. В таком случае нужно применять независимый принудительный обдув.

Электрические причины:

• Перекос фаз и отклонение значения питающего напряжения. Асинхронные двигатели чувствительны к уровню питающего напряжения. Отклонение в 5% заметно увеличивает нагрев, при отклонении 10% эксплуатация двигателя ставится под вопрос.
• Пропадание фазы. Это крайний случай перекоса фаз, который возникает вследствие обрыва в питающей линии, пусковом устройстве либо внутри двигателя. Последствия — значительное понижение механического момента на валу вплоть до полной остановки двигателя.
• Нарушение схемы включения. Это относится, прежде всего, к схеме «Звезда» – «Треугольник». Причиной проблемы может быть неисправность схемы запуска либо ошибка электротехнического персонала.
• Замыкание в обмотке двигателя. Может быть межвитковым или между фазами. Определяется путем измерения тока по фазам во включенном состоянии либо с помощью омметра, когда двигатель выключен. При небольшом количестве замкнутых витков замыкание определить проблематично.

Что делать, если обнаружен перегрев двигателя

Если двигатель греется во время работы, необходимо провести его диагностику. Для этого можно воспользоваться приведенным ниже пошаговым алгоритмом.

1. Оцениваем температуру. Если температура критическая, нужно незамедлительно обесточить двигатель.
2. Оцениваем наличие посторонних звуков при работе (треск, дребезг, скрежет). Если источник звука находится в механике привода (в нагрузке), необходимо остановить двигатель и провести ремонт неисправного узла. Если звук раздается из двигателя, скорее всего, потребуется заменить подшипники.
3. Проверяем ток по фазам при помощи токовых клещей. При превышении тока можно говорить о перегрузке, при дисбалансе по фазам – о перекосе фаз, обрыве фазы или межфазном замыкании.
4. Если подшипники предусматривают регулярную смазку, проверяем и, при необходимости, заменяем смазку.
5. Отсоединяем нагрузку от вала двигателя, проверяем работу двигателя в холостом режиме.
6. Проверяем работу воздушного охлаждения. При необходимости проводим чистку крыльчатки и поверхности двигателя.
7. Проверяем защиту двигателя на соответствие номинальному току, который указан на шильдике.

Защита от перегрева

При своевременном обнаружении перегрева двигателя можно легко устранить его последствия и не допустить еще больших неприятностей. Однако лучше постараться вовсе избежать этой проблемы.

В большинстве случаев перегрев приводит к повышению рабочего тока двигателя. Контроль за током обычно осуществляют при помощи автоматов защиты и тепловых реле. Многоуровневая защита также встроена в преобразователи частоты. При использовании реле защиты двигателя дополнительно можно контролировать уровень напряжения и чередование фаз.

Приведенные способы защиты лучше всего использовать совместно с датчиками температуры. Это позволит на 100% защититься от перегрева.