Możesz mieć na wyposażeniu tysiące silników lub tylko kilka… W każdym przypadku regularne sprawdzanie temperatury pracy silników, szczególnie ważne z eksploatacyjnego punktu widzenia, pozwala osiągnąć znaczne zyski ekonomiczne przez zapobieganie nieoczekiwanym postojom i wydłużenie żywotności silnika. Oto, jak to praktycznie wykonać…
W czasie letnich upałów jesteśmy
świadomi, że „ciepło niszczy”. Podobnie jak wysoka temperatura oddziałuje na ludzi, może także zakłócać pracę silników elektrycznych. Praca silnika indukcyjnego trójfazowego w temperaturze tylko o 10°C wyższej od temperatury znamionowej w praktyce przekłada się na skrócenie czasu jego eksploatacji aż o połowę. Niezależnie od tego, czy masz na wyposażeniu tysiące silników, czy zaledwie kilka, regularne sprawdzanie temperatury pracy silników, ważne z eksploatacyjnego punktu widzenia, pozwala osiągnąć znaczne zyski ekonomiczne przez zapobieganie nieoczekiwanym postojom i wydłużenie żywotności silnika. Oto, jak to praktycznie wykonać…
Najpierw należy określić klasę temperaturową izolacji silnika na podstawie jego tabliczki znamionowej lub w przypadku silników indukcyjnych trójfazowych z normy National Electrical Manufacturers Association (NEMA) dotyczącej silników i generatorów – MG 1-2011. Znając znamionowy poziom odniesienia, można zmierzyć przyrost temperatury bezpośrednio za pomocą czujników lub detektora podczerwieni albo pośrednio, stosując metodę rezystancyjną wyjaśnioną poniżej.
Pojęcia kluczowe
Definicje dla kilku najczęściej używanych pojęć ułatwią przestrzeganie różnych zasad podanych w dalszej części artykułu.
Temperatura otoczenia (często określana jako „temperatura pokojowa”) jest temperaturą powietrza (lub innego czynnika chłodzącego), które otacza silnik. Różnica między temperaturą otoczenia i tą, przy której silnik pracuje pod obciążeniem, nazywa się przyrostem temperatury. Innymi słowy, suma temperatury otoczenia i przyrostu temperatury jest równa temperaturze całego uzwojenia silnika (albo „najgorętszego” punktu) lub jego części składowej.
Temperatura otoczenia + przyrost temperatury = temperatura najgorętszego punktu
Norma NEMA normalizuje izolację całego uzwojenia maszyny przez podanie jego odporności cieplnej. Na przykład dla układu izolacji klasy B podaje się temperaturę dopuszczalną 130°C, natomiast w systemie klasy F temperatura ta wynosi 155°C. Ze względu na przyjęcie przez NEMA maksymalnej temperatury otoczenia w wysokości 40°C, należy oczekiwać ograniczenia przyrostu temperatury w systemie klasy B do 90°C (obliczonego jako różnica 130°C – 40°C). Dodatkowo NEMA wprowadza współczynnik bezpieczeństwa, głównie po to, aby wziąć pod uwagę te części uzwojenia silnika, w których temperatura może być wyższa niż miejsca, gdzie dokonuje się jej pomiaru.
Tabela 1 przedstawia dopuszczalny przyrost temperatury według NEMA dla silników elektrycznych średniej mocy, przy założonej maksymalnej temperaturze otoczenia 40°C. Przy najczęściej stosowanych prędkościach NEMA dzieli silniki średnich mocy na zakres od 1,5 do 500 KM (1,1368 kW) dla 2- i 4-biegunowych maszyn i do 350 KM (257 kW) dla maszyn 6-biegunowych.
Dopuszczalne przyrosty temperatury dla dużych silników – np. tych powyżej średniego zakresu – są uzależnione od przyjętego współczynnika serwisu (SF). Tabela 2 podaje przyrost temperatury dla silników o współczynniku SF=1,0, a tabela 3 dotyczy silników o SF=1,15.
Rezystancyjny sposób wyznaczania przyrostu temperatury
Metoda rezystancyjna jest przydatna do określania przyrostu temperatury tych silników, które nie mają wbudowanych czujników, np. termopar lub rezystancyjnych czujników temperatury (RTD). Należy zauważyć, że dopuszczalne przyrosty temperatury dla silników średnich mocy podanych w tabeli 1 są oparte na wskaźnikach rezystancyjnych. Przyrost temperatury dla dużych silników można mierzyć metodą rezystancyjną lub za pomocą czujników wbudowanych w uzwojeniach, jak pokazano w tabeli 3.
Aby określić przyrost temperatury za pomocą metody rezystancyjnej, najpierw zmierz i zapisz opór pomiędzy zaciskami fazowymi silnika znajdującego się w stanie zimnym, tzn. w temperaturze otoczenia (pokojowej). W celu zapewnienia odpowiedniej dokładności należy użyć miliomomierza o zakresie pomiarowym rezystancji mniejszym niż 5 Ω i pamiętać o zapisaniu temperatury otoczenia. Następnie trzeba uruchomić silnik przy znamionowym obciążeniu, aż ustabilizuje się temperatura (prawdopodobny czas pracy wyniesie do 8 godzin), a następnie odłączyć zasilanie. Po bezpiecznym zablokowaniu silnika, należy zmierzyć w stanie nagrzania rezystancję pomiędzy zaciskami fazowymi, tak jak opisano powyżej.
W dalszym etapie należy obliczyć temperaturę nagrzanego silnika, podstawiając do równania 1 wyniki pomiarów rezystancji w stanie zimnym i nagrzanym. Następnie w celu określenia przyrostu temperatury odejmuje się od temperatury silnika w stanie gorącym temperaturę otoczenia.
Równanie 1: Temperatura uzwojenia w stanie nagrzania
gdzie:
Th – temperatura w stanie nagrzania,
Tc – temperatura w stanie zimnym,
Rh – rezystancja w stanie nagrzania,
Rc – rezystancja w stanie zimnym,
K=234,5 (stała miedzi).
Przykład: Aby obliczyć temperaturę nagrzanego uzwojenia silnika o izolacji klasy F (obudowa otwarta, kroploszczelna o współczynniku SF=1,0, rezystancja 1,21 Ω przy temperaturze otoczenia 20°C, rezystancja w stanie nagrzanym 1,71 Ω, wykonaj następujące obliczenia:
Przyrost temperatury wynosi: temperatura uzwojenia w stanie nagrzanym minus temperatura otoczenia, a w tym przypadku:
Przyrost temperatury Δt = 125°C – 20°C = 105°C
Jak wskazuje tabela 1, obliczony przyrost temperatury wynosi 105°C i w tym przykładzie dokładnie tyle wynosi wartość dopuszczalna dla systemu izolacji klasy F (105°C). Taka sytuacja jest dopuszczalna, ale należy być świadomym, że jakiekolwiek zwiększenie obciążenia spowoduje przekroczenie dopuszczalnego przyrostu temperatury i poważne pogorszenie stanu izolacji silnika. Ponadto, jeżeli temperatura otoczenia w miejscu zainstalowania silnika wzrośnie powyżej 20°C, to obciążenie silnika musi być zmniejszone w celu uniknięcia przekroczenia dopuszczalnej temperatury uzwojenia w stanie nagrzanym.
Określenie przyrostu temperatury za pomocą czujników
Jeden ze sposobów określenia przybliżonej temperatury uzwojenia polega na użyciu termopary (rys. 2. Dzięki uprzejmości EASAMotors). Czujniki temperatury wbudowane do uzwojenia są zwykle monitorowane bezpośrednio odpowiednimi przyrządami.
Zazwyczaj pole rozdzielnicy zasilającej silniki ma mierniki tablicowe, które wskazują temperaturę gorącego uzwojenia mierzoną czujnikiem. Jeżeli mierniki tablicowe wskazują 125°C, to należy wyciągnąć podobne wnioski, jak w przykładzie powyżej.
Co zrobić, jeżeli zamierzamy określić temperaturę pracy uzwojenia silnika, w którym nie ma wbudowanych czujników? Dla silników o napięciu znamionowym do 600 V zazwyczaj można otworzyć skrzynkę przyłączeniową (pod warunkiem zachowania wszystkich obowiązujących przepisów bezpieczeństwa) silnika odłączonego od napięcia i następnie dotknąć termoparą do zewnętrznej powierzchni blachowanego rdzenia stojana (rys. 2). Temperatura na obudowie stojana jest inna od temperatury uzwojenia, ale zbliżona w porównaniu do temperatury innej łatwo dostępnej części silnika.
Jeżeli wynik działania: temperatura obudowy stojana minus temperatura otoczenia przekracza znamionowy przyrost temperatury, to należy przyjąć, że uzwojenie pracuje poza temperaturą znamionową. Na przykład, jeśli blachowany rdzeń stojana w powyższym przykładzie miał zmierzoną temperaturę 132°C, to przyrost temperatury w stojanie wyniósłby: 132°C – 20°C = 112°C. Wynik ten znacząco przekracza dopuszczalny przyrost temperatury 105°C dla uzwojenia podany w wytycznych NEMA. Rzeczywista temperatura uzwojenia, jak można się spodziewać, będzie wyższa niż blach stojana.
Wartość dopuszczalna temperatury dotyczy obudowy silnika lub miejsc o najwyższej temperaturze. Powtarzając poprzednie rozważania, jest to suma temperatury pokojowej i przyrostu temperatury. Obciążenie silnika w dużej mierze określa przyrost temperatury, ponieważ prąd płynący w uzwojeniu rośnie wraz z obciążeniem. Procentowo duży udział w stratach silnikowych i nagrzewania (zazwyczaj 35% do 40%) jest spowodowany stratami typu I2R w uzwojeniu. We wzorze I2R: I oznacza prąd mierzony w [A] w uzwojeniu, a R [Ω] jest rezystancją uzwojeń. W związku z powyższą zależnością straty w uzwojeniu wzrastają proporcjonalnie do kwadratu prądu uzwojenia.
Uwzględnienie temperatury otoczenia
Innym czynnikiem, który należy rozpatrywać w niektórych zastosowaniach silnikowych, jest temperatura otoczenia. Jeśli temperatura ta przekracza podaną w NEMA wartość graniczną 40°C, należy obniżyć moc silnika, aby utrzymać temperaturę dopuszczalną silnika lub gorącego uzwojenia. Aby osiągnąć ten cel, trzeba zmniejszyć dopuszczalny przyrost temperatury o wartość przekraczającą 40°C.
Na przykład, jeżeli temperatura otoczenia wynosi 48°C i dopuszczalny przyrost temperatury odczytany w tablicy 1 wynosi 105°C, to należy zmniejszyć dopuszczalny przyrost temperatury o 8°C (z 48°C do 40°C wynikającej z różnicy temperatury otoczenia) do 97°C. Pozwala to w obu przypadkach ograniczyć całkowitą temperaturę silnika do tej samej wartości: 105°C + 40°C wynosi 145°C, tak jak 97°C + 48°C.
Niezależnie od metody używanej do określenia temperatury uzwojenia – całkowitej lub w najgorętszym punkcie, temperatura stanowi zawsze rzeczywiste ograniczenie, im jest niższa, tym lepiej. Dlatego też należy regularnie sprawdzać temperaturę silników pod obciążeniem. Nie należy dopuszczać do nadmiernego wydzielania ciepła w silnikach, gdyż może to spowodować przedwczesne uszkodzenie izolacji.
Artykuł pod redakcją Marka Olesza
UR
Autor: Thomas H. Bishop
