توصیه هایی برای جلوگیری از سوختن الکتروموتور

سوختن و آسیب به الکتروموتور عمدتا بدلیل دمای زیاد آن رخ می دهد در این مقاله توصیه هایی برای جلوگیری از سوختن الکتروموتور آورده شده است.

توصیه هایی برای جلوگیری از سوختن الکتروموتور

گرم شدن موتور

علتهای مختلفی برای افزایش درجه حرارت موتور وجود دارد.برای مثال،وقتی راه اندازی های متوالی بیش از ظرفیت نامی موتورانجام گیرد باعث گرم شدن بیش از حد و در نتیجه آسیب به موتور می شود.

بدلیل ایجاد جریانهای راه اندازی زیاددر موتور القایی،زمان لازم برای سرعت بخشیدن به بارهای با اینرسی بالا موجب افزایش ناگهانی حرارت موتور می شود.اگر فاصله بین راه اندازی های متوالی کم باشد،سیم پیچ های موتور در معرض دمای بسیار بالایی قرار می گیرد که در بلند مدت موجب آسیب جدی و کاهش عمر مفید موتورمی گردد.

جلوگیری از سوختن الکتروموتورها

افزایش درجه حرارت سیم پیچی موتور از حرارت ایجاد شده توسط منابع مختلفی نشات می گیرد که می تواند جزیی از عملکرد داخلی موتور یا ناشی از محیط اطراف آن باشد.دما همچنین متاثر از قابلیت موتور در اتلاف حرارت می باشد.

اجازه دهید راجع به عناوین مهم مرتبط با افزایش دمای موتور صحبت کنیم:
1- افزایش دمای سیم پیچی
      1- تلفات
      2- دفع حرارت
      3-  دمای بیرونی ترین سطح الکتروموتور
2- طول عمر الکتروموتور
3- کلاسهای عایقی
4- اندازه گیری افزایش دمای سیم پیچی
5- کاربردهایی از الکتروموتور که باعث افزایش بیش از حد دما می شود
     1- تغییرات بار موتور
     2- راه اندازیها و توقف های پی در پی
     3- اینرسی بار
     4- نوسانات ولتاژ و فرکانس
     5- کاربرد موتور با درایوهای فرکانس متغیر
     6- ارتفاع نامناسب

 1-افزایش دمای سیم پیچ

1-1 تلفات
توان موثر خروجی روی شفت موتور کمتر از توان ورودی جذب شده از منبع توان است در نتیجه راندمان همواره کمتر از 100 درصد است. اختلاف بین توان ورودی و خروجی بیانگر تلفاتی است که به گرما تبدیل می شود.این گرما موجب داغ شدن سیم پیچ می شود. از اینرو برای اجتناب از گرم شدن بیش از حد موتور باید دفع گردد.
دفع حرارت باید برای تمام انواع موتورها پیش بینی شود.برای مثال در موتور خودروها،حرارت ناشی از تلفات درونی موتور بوسیله گردش آب در رادیاتور یا فن دفع می شود.

2-1 دفع حرارت
گرمای تولید شده توسط تلفات داخلی، از طریق سطح خارجی فریم، به هوا منتقل می شود.در موتورهای کاملا محصور این کار توسط یک فن که به شفت موتور متصل است انجام می شود.

دفع کنندگی مناسب دما به فاکتورهای زیر بستگی دارد:
1- بازده سیستم تهویه
2- میزان سطح مبادله کننده حرارت فریم
3- تفاوت دما بین سطح خارجی فریم و هوای محیط(text − ta)

توصیه ها
1- طراحی یک سیستم تهویه خوب با یک فن کارآمد که قادر به جابجایی حجم زیادی از هوا باشد که باید این هوا را در سراسر سطح فریم موتور به جریان بیاندازد تا به تبادل گرمای مورد نیاز برسد. قطعا حجم زیاد هوا بدون برقراری تبادل حرارتی به بیرون از موتور هم بی فایده است.

2- سطح تبادل کننده حرارت باید تا حد ممکن بزرگ باشد.اما یک موتور با فریم بزرگ نیاز به یک منطقه خنک کنندگی بسیار بزرگ دارد که موجب افزایش قیمت، افزایش وزن و افزایش فضای مورد نیاز برای نصب موتور می شود. برای دستیابی به بزرگترین سطح ممکن در عین حال نگهداشتن اندازه و وزن در کمترین مقدار ممکن (الزامات اقتصادی) پره های خنک کننده ای در اطراف فریم موتور تعبیه شده اند.

3- یک سیستم خنک کنندگی کارآمد آن سیستمی است که بتواند بیشترین مقدار حرارت را از طریق کوچکترین سطح مبادله کننده ممکن عبور دهد. بنابراین،کاهش دمای درونی موتوربه کمترین حد ممکن(شکل 7-1)ضروری است.این یعنی انتقال بهینه حرارت باید از درون موتور به سطح خارجی آن اتفاق بیافتد.

همانطور که توضیح داده شد،هدف کاهش دمای درونی است(مثلا با بهبود انتقال حرارت)برای دستیابی به این هدف نیاز به سیستم دفع کننده مناسب دما است.کاهش دمای درونی به عوامل مختلفی وابسته است که نواحی مهم دمایی در شکل 1 بصورت زیر نشان داده و تشریح گردیده است.

نواحی دمایی موتور

شکل1:کاهش دمای درونی به فاکتورهای مختلفی وابسته است

A: داغترین نقطه سیم پیچ در مرکز آن قرار دارد در جاییکه در اثر تلفات در هادی ها گرما تولید می شود.

AB: کاهش دما بدلیل انتقال حرارت از داغ ترین نقطه(مرکز سیم پیچی)به قسمتهای بیرونی سیم پیچی است.از آنجایی که هوا انتقال دهنده حرارت ضعیفی است پس برای اجتناب ازباقی ماندن حرارت درون سیم پیچی باید سیم پیچی فشرده و پر از لاک باشد.

B: کاهش دما از طریق عایق شیار و تماس مواد عایقی با هادی ها و ورقه هسته صورت می گیرد.با بکارگیری مواد مدرن، انتقال گرما از طریق مواد عایق بسیار بهتر می شود.اشباع کامل سطح تماس بخش داخلی را با از بین بردن حفره ها بهبود می بخشد . حداکثر فشردگی لمینت های هسته، لایه های هوا را که اثر منفی در انتقال حرارت دارند حذف می کنند .

BC: کاهش دما با انتقال حرارت از طریق ورقه های هسته استاتور

C: کاهش حرارت از طریق تماس هسته استاتور با فریم موتور.انتقال دما به تماس کامل بین بخشهای مختلف بواسطه فشردگی ورقه ها و دقت بالا در ماشینکاری فریم بستگی دارد.سطوح ناهموار فضاهای خالی ایجاد می کند و موجب انتقال ضعیف حرارت می شوند.

CD: کاهش حرارت با انتقال آن از سطح فریم موتور
در طراحی های جدید، با استفاده از مواد باکیفیت، بهبود فرآیندهای تولید و کنترل کیفیت پیوسته، ضمن از بین بردن نقاط داغ در سیم پیچ ها، در انتقال حرارت از درون موتور به بیرون آن اطمینان ایجاد می کند.

3-1 دمای سطح بیرونی موتور
شکل زیر مکان هایی را توصیه می کند که باید در آن نقاط ، دمای سطح بیرونی یک الکتروموتور را با ابزار اندازه گیری درجه حرارت کالیبره شده بررسی کرد.

اندازه گیری دما سمت درپوش چلو نزدیک یاتاقان

 شکل2:سطوحی از یک موتور الکتریکی که پیشنهاد می شود دمای آن قسمتهااندازه گیری شود

نکته مهم: دمای محیط را در فاصله حداکثر یک متری از موتور اندازه گیری کنید.

2- طول عمر موتور

همانطور که می دانید، عمر مفید موتور تقریبا به عمرعایق سیم پیچی بستگی دارد.عمر مفید یک موتور به چند عامل مثل رطوبت،لرزش،محیط های خورنده و ... بستگی دارد.از میان این عوامل مهمترین آنها دمای کار مواد عایقی بکار برده شده در موتورها می باشد.لازم است بدانید که یک افزایش 5 تا 10 درجه ای بالاتر از کلاس حرارتی نامی سیستم عایقی می تواند باعث نصف شدن عمر مفید موتور گردد.

وقتی درباره کاهش طول عمرمفید موتور صحبت می کنیم، منظورمان دماهای بالایی که منجر به سوختن عایقها و نابودی ناگهانی سیم پیچی می شود نیست.بلکه منظورمان، پیری تدریجی مواد عایق است که خشک شده و خواص عایقی شان را از دست می دهند تا اینکه دیگرقادر به تحمل ولتاژ اعمال شده به آن نیست.در نتیجه سیستم عایقی دچار تخریب شده و در ادامه منجر به اتصال کوتاه سیم پیچی می شود.

تجربه نشان می دهد که اگر دما زیر حد معینی نگه داشته شود ،سیستم عایقی عمدتا طول عمر نامحدود خواهد داشت اما اگر از حد نرمال بالاتر رود در بلند مدت طول عمر عایق کاهش خواهد یافت.این حد دمایی، بسیار پایین تر از دمای سوزاندن سیستم عایق است و بستگی به نوع مواد عایق بکاربرده شده دارد.این حد دمایی به داغترین نقطه در سیستم عایق برمی گردد، اما لزوما مربوط به کل سیم پیچ نیست. این نقطه،یک نقطه ضعیف در داخلی ترین بخش سیم پیچی است که برای نابودی سیستم عایقی موتور کافی است.

پیشنهاد می شود بعنوان یک حفاظت اضافی برای الکترومتور از سنسورهای حرارتی استفاده شود.این ادوات حفاظتی، طول عمر و پایداری بیشتر الکتروموتورها را تضمین می کند.همچنین تنظیم هشدار و یا قطع موتورباید براساس کلاس حرارتی موتور انجام شود.

3- کلاسهای عایقی

تعریف کلاس عایقی
قبلا اشاره کردیم که حد دمایی به نوع مواد استفاده شده بستگی دارد.به منظور مطابقت با استانداردها، عایق ها و سیستم های عایقی(که از ترکیب چندین ماده تشکیل شده اند)به کلاس های عایقی مختلفی طبقه بندی می شوند.  که هرکدام در یک حد دمایی ویژه ای تعریف می شوند. یعنی بالاترین درجه حرارتی که ماده یا سیستم عایقی می تواند به طور مداوم و بدون تاثیر بر عمر مفید آن تحمل کند.

کلاس های عایقی مورد استفاده برای ماشین های الکتریکی و حدود دمایی مربوطه مطابق با استاندارد IEC 60034-1 بصورت زیر می باشند:                                                                                                                        

کلاس عایقی موتورها

 4- اندازه گیری افزایش دما در سیم پیچ

اندازه گیری دمای سیم پیچ با ترمومتر یا ترموکوپل دشوار است زیرا دما از یک نقطه به نقطه دیگر متفاوت است و اطمینان از اینکه آیا نقطه اندازه گیری شده نزدیکترین نقطه به نقطه داغ است یا خیر، دشوار می باشد.روش دقیق و قابل اطمینان برای تعیین دمای سیم پیچ از طریق اندازه گیری تغییرات مقاومت سیم پیچ به عنوان تابعی از دما می باشد.

اندازه گیری تغییرات یا افزایش دما با استفاده از روش مقاومت، برای هادی های مسی، بر اساس فرمول زیر محاسبه می شود. برای سیم پیچی آلومینیوم به جای عدد 235 عدد 225 درج می گردد.

تغییرات دمای سیم پیچی

 که:

Δt : افزایش دما
t1  : دمای سیم پیچ قبل از آزمایش، که مقداراندازه گیری شده با ترمومتر عملا بایستی برابر با محیط خنک کننده باشد.
t2  : دمای سیم پیچ در پایان آزمون
ta  : دمای محیط اطراف موتور در پایان آزمون
R1 : مقاومت سیم پیچ قبل از آزمون
R2 : مقاومت سیم پیچ بعد از آزمون

5- کاربرد موتورهای الکتریکی

مقدمه
دمای داغترین نقطه در سیم پیچ باید کمتر از دمای مجاز برای کلاس عایقی آن نگهداشته شود. دمای کل، مجموع مقدار دمای محیط، به علاوه افزایش دما (Δt)، به اضافه تفاوت بین میانگین سیم پیچ و داغترین نقطه است.

استانداردهای موتور حداکثر افزایش دما رو مشخص می کند، بنابراین دمای داغترین نقطه در حد مجاز بر اساس ملاحظات زیر محاسبه می شود.در هر استانداردی دمای محیط نباید بیش از 40 درجه سانتیگراد باشد، بالاتر از این مقدار، شرایط کاری بعنوان شرایط ویژه در نظر گرفته می شود.

تفاوت میانگین درجه حرارت سیم پیچ و داغترین نقطه ،از یک موتور به موتور دیگر بسیار متفاوت نیست و مقدار آن در استاندارد مشخص شده است:5 درجه برای کلاس A و E ، 10 درجه برای کلاس B و F ، 15 درجه برای کلاس H|
بنابراین، استانداردهای موتور، حداکثر دمای مجاز محیط و همچنین حداکثر افزایش دمای مجاز برای هر کلاس عایقی را تعیین می کنند .

دمای مجاز برای گرمترین نقطه در جدول 1  نشان داده شده است.

دمای مجاز براساس کلاس عایقی

 5-1 تغییرات بار موتور

موتوری که در بار نامی یا بیشتر از آن کار می کند نسبت به موتوری که در کمتر از توان نامی خود کار می کند حرارت بیشتری تولید می کند وافزایش دمای بیشتری خواهد داشت.
جدول 2 را ببینید که نشان می دهد اگر برای راه اندازی باری که به موتور1150HP نیاز دارد یک موتور 1000HPنصب کنیم (ضریب سرویس 1.15) تقریبا 11 درصد هزینه کمتری نسبت به نصب یک موتور 1250HP با ضریب سرویس 1 در پی خواهد داشت.

جدول تغییر دما و راندمان موتورها

 در موتور بزرگتر عمر عایقی 3.9 برابر و راندمان 0.8٪ (95.2 - 94.2) بیشتر است، که احتمالا منجر به کاهش هزینه نگهداری موتور خواهد شد.
توجه کنید که برای کاربردهایی که بطور مداوم نیاز به قدرت 1000hp دارند،استفاده از موتور بزرگتر موجب 2.8 برابر شدن طول عمر (7/10 تقسیم بر 8/3) و افزایش 0.6درصدی راندمان (2/95منهای 6/94) می شود.این قانون در مورد بیشتر موتورها صادق است که راندمان موتور در حالت بارگذاری کمتر ازبار نامی بیشتر از راندمان بار کامل است.برعکس، راندمان موتور با ضریب سرویس 1.15 برابری ،عموما کمتر از بار نامی است.

2-5  راه اندازی و توقفهای پی در پی

وقتی یک موتور زیر بار راه اندازی می شود،6 تا 7 برابر جریان نامی خود جریان می کشد که این امر موجب افزایش ناگهانی تلفات مسی و ایجاد گرما می شود.این مشکل وقتیکه موتور خاموش و بلافاصله روشن شود بدون اینکه فرصت کافی برای کاهش دما را داشته باشد، مضاعف می شود.راه اندازی و توقفهای پی د رپی در یک فاصله زمانی کوتاه همیشه آثار مخربی بر سیم پیچهای موتورخواهد داشت که میزان این آثار مخرب به فرکانس منبع و ماهیت بار بستگی دارد.

3-5 اینرسی بار

استاندارد NEMAمقدار اینرسی استاندارد را برای هر موتور را مشخص می کند. راه اندازی بارهای با اینرسی بیشتر موجب ایجاد گرمای اضافی هنگام افزایش سرعت می شود که می تواند بر عمر مفید عایق تاثیر بگذارد.برای چنین مواقعی باید با سازنده الکتروموتور تماس برقرار شود تا طراحی مناسبی برای این نوع کاربردها صورت گیرد.

4-5  نوسانات ولتاژ و فرکانس

نوسانات ولتاژ یا فرکانس سیستم می تواند موجب ایجاد حرارت اضافی و خرابی زودرس سیم پیچ شود. استانداردNEMAحداکثر تغییرات ولتاژ و فرکانس که برای موتور مناسب و قابل تحمل است را مشخص کرده است:

1- تغییرات 10 درصدی ولتاژ در فرکانس نامی
2- تغییرات 5 درصدی فرکانس در ولتاژ نامی
3- حداکثر 10٪ (مطلق) همراه با حد مجاز 5٪ در فرکانس

تغییرات فراتر از محدوده فوق باعث آسیب به سیم پیچهای موتور(بسته به نوع طراحی موتور)می شود.یک موتور با تراکم شار بالا بیشتر تحت تاثیر شرایط اضافه ولتاژ قرار خواهد گرفت زیرا تلفات هسته افزایش خواهد یافت.موتورهای با تراکم شار کمتر، بیشتر تحت تاثیر اضافه جریان ناشی از کاهش ولتاژ قرار خواهند گرفت.

فرکانس بیش از اندازه درموتورهایی که دستگاههای سانتریفیوژ را به حرکت در می آورند موجب اضافه بار می شود; درحالیکه فرکانس پایین موجب آسیب به موتورهایی می شود که بارهای گشتاور ثابت را به حرکت در می آورند(بدلیل ناکارآمدی سیستم خنک کنندگی موتور در فرکانسهای پایین)

عدم تعادل بیش از 1٪در ولتاژ فاز منجر به جریانهای توالی منفی می شود که ممکن است باعث ایجاد گرمای بیش از حد روتور همراه با افزایش دمای سیم پیچ، و تولید سر و صدا و ارتعاش شود.

5-5  کارکرد موتور با درایوهای فرکانس متغیر

اغلب، کارکرد موتورها با درایوهای فرکانس متغیر موجب ایجاد هارمونیک در موتور شده که می تواند باعث افزایش دما در نقاط داغ سیم پیچ ها شود.هارمونیکهای موجود در در شبکه برق هم(حتی اگر موتور با درایو راه اندازی نشود)اثر مشابهی در موتور ایجاد می کنند.به همین دلیل،موتورهای مورد استفاده در درایوهای سرعت متغیر،عموما ضریب سرویس بیش از 1.0 ندارند.

مشخصه چنین موتورهایی عموما بصورت زیر بیان می شود: 90 درجه افزایش دما توسط RTD در بار نامی (1.0 SF )با موج سینوسی 60 هرتز که برای کلاس عایقی F هنگام استفاده از اینورتر مناسب است.

درصورتی که موتور ضریب سرویس نداشته باشد (موتورهای تحت استاندارد IEC ضریب سرویس ندارند) ، برای افزایش جبران حرارت ناشی از هارمونیک ها و کاهش سرعت تهویه در سرعت های پایین، یک ضریب ایمنی 25 درجه سانتیگرادی مورد نیاز است.
 
بنابراین، یک موتوری که با درایو کار می کند و بار نامی را می گرداند در مقایسه با موتوری که بدون درایو کار می کند داغتر است. و در نتیجه عمر عایقی مورد انتظار برای آن کمتر می باشد.در موتورهایی که به طور ویژه برای کار با درایو طراحی شده اند می توان با استفاده از فن ها،فریم های بزرگ ویا کاربرد مواد مخصوص در آنها،این افزایش دما را جبران نمود.

6-5 ارتفاع ناکافی

موتورهایی که در ارتفاع بالای 1000 متر کار می کنند نسبت به موتورهایی که در سطح دریا نصب می شوند افزایش دمای بیشتری دارند، زیرا در آن ارتفاع تراکم هوا کم است و در نتیجه تبادل دما ضعیف تراست.توصیه می شود که در صورت استفاده از موتور در ارتفاعات بالاتر، توان نامی آن را مطابق موارد زیر کوچکتر از مقدار درج شده در پلاک آن در نظر بگیرید.

ارتفاع نصب الکتروموتور

7-5 تهویه نا مناسب

موتورهایی که در شرایط هوایی کثیف و تهویه نامناسب قرار دارند تأثیر گرمای زیاد قرار می گیرند و طول عمرشان کوتاه می شود.

 

 

 

 

Reference

Practical tips on how not to burnout an electric motor- ELECTRICAL ENGINEERING PORTAL-EEP

 

 

 

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code