ei_06_2003_s49-52.pdf

mgr in¿. Edward Skiepko

po¿arowe

zwi¹zane z nagrzewaniem siê silników

(czêæ 3)

czêciach artyku³u

(elektro.info nr

8/2002 i 1/2003) przedstawio-

no zagro¿enia zwi¹zane z na-

grzewaniem siê maszyn w sta-

nie cieplnym ustalonym i nieu-

stalonym oraz wp³yw tempera-

tury na trwa³oæ izolacji. Kolej-

nym zagadnieniem, które wy-

stêpuje podczas pracy silników

jest nagrzewanie siê przy pracy

ci¹g³ej i dorywczej.

trwaæ bêdzie zale¿nie od sta³ej

czasowej silnika od 1,5 godziny

do kilku godzin, po czym stan

cieplny silnika ustali siê i ca³a

moc cieplna doprowadzana bê-

dzie równa mocy cieplnej odpro-

wadzanej.

Praca ci¹g³a próbna zdarza

siê jednak w rzeczywistych wa-

runkach roboczych rzadko, dla-

tego te¿ czêciej mamy do czy-

nienia z prac¹ praktyczn¹ ci¹-

g³¹, w której obci¹¿enie silni-

ka zmienia siê w mniejszym lub

wiêkszym zakresie, wskutek

czego nie wystêpuje stan ciepl-

ny ustalony.

W zale¿noci od zmian ob-

ci¹¿enia, zmienia siê ci¹gle

przyrost temperatury uzwojenia

silnika wg pewnych krzywych

wyk³adniczych nagrzewania

i stygniêcia o przebiegu bardziej

stromym dla obci¹¿eñ wiêk-

szych, bardziej p³askim dla ob-

ci¹¿eñ mniejszych. Ka¿dej war-

toci pr¹du odpowiada pewna

wartoæ ustalonego przyrostu

temperatury i do tej wartoci

d¹¿y zawsze przyrost tempera-

tury silnika przy przep³ywie da-

nego pr¹du (rys.1a). Je¿eli przy-

rost temperatury przed pojawie-

niem siê danego pr¹du by³

mniejszy od odpowiadaj¹cego

mu przyrostu ustalonego, to wy-

st¹pi nagrzewanie, a je¿eli by³

wiêkszy stygniêcie.

silnika bêdzie przebiegaæ

znacznie szybciej ni¿ przy pr¹-

dzie znamionowym. Ustalony

przyrost temperatury odpowia-

daj¹cy pr¹dowi rozruchowemu

bêdzie znacznie, bo k 2 r razy,

wiêkszy od przyrostu odpowia-

daj¹cego pr¹dowi znamionowe-

mu. Natomiast czas trwania

rozruchu w stosunku do czasu

potrzebnego na osi¹gniêcie

przyrostu ustalonego k 2 r T dop

bêdzie bardzo ma³y. Wynika

st¹d, ¿e w porównaniu z rozpa-

trywaniem nagrzewania silnika

przy pr¹dzie równym znamiono-

wemu lub mniejszym, przybli-

¿one rozpatrywanie nagrzewa-

nia przy rozruchu, polegaj¹ce

na traktowaniu silnika jako jed-

norodnej ca³oci, bêdzie bar-

dziej niedok³adne. Wydzielaj¹-

ca siê bowiem moc cieplna bê-

dzie wiêksza, nie zd¹¿y w ci¹-

gu tak krótkiego czasu jak czas

rozruchu rozprzestrzeniæ siê

i zostanie poch³oniêta jedynie

przez samo uzwojenie. Wskutek

tego rozk³ad temperatury bê-

nagrzewanie przy

rozruchu

nagrzewanie przy

pracy

ci¹g³ej

Nagrzewanie wskutek prze-

p³ywu pr¹du rozruchowego

i strat powstaj¹cych przy rozru-

chu jest tym wiêksze, im wiêk-

szy jest pr¹d rozruchowy oraz

im d³u¿szy jest czas trwania

rozruchu. Najwiêksze nagrze-

wanie wyst¹pi wiêc w przypad-

ku rozruchu silnika klatkowego,

gdy rozruch ten jest ciê¿ki

i odbywa siê przez bezpore-

dnie w³¹czenie silnika do sieci.

Przy przep³ywie pr¹du

o redniej krotnoci rozrucho-

wej , np. kr = 5 nagrzewanie

Rozró¿niamy dwa rodzaje

pracy ci¹g³ej silników elek-

trycznych:

pracê ci¹g³¹ próbn¹,

pracê ci¹g³¹ praktyczn¹.

Przy pracy ci¹g³ej próbnej,

tj. pracy w ci¹gu d³ugiego cza-

su przy obci¹¿eniu niezmien-

nym, najpierw wyst¹pi nieusta-

lony stan nagrzewania, który

6/2003 www.elektro.info.pl

zagro¿enie

W dwu wczeniejszych

Rys. 1 Wykresy obci¹¿enia i krzywe nagrzewania siê silnika w ró¿nych rodzajach pracy: a) praca ci¹g³a; b) praca

dorywcza; c) praca przerywana

jest z punktu widzenia nagrzewa-

nia silnika to, ¿e o ile przy pracy

ci¹g³ej jest na ogó³ obojêtne,

jak prêdko silnik osi¹gnie przy-

rost temperatury ustalony, o tyle

przy pracy dorywczej w³anie

prêdkoæ wzrostu temperatury

decyduje o obci¹¿alnoci silni-

ka. Przy pracy ci¹g³ej zachodzi

w stanie ustalonym, tj. po osi¹-

gniêciu przyrostu trwale dopusz-

czalnego, równoæ mocy ciepl-

nej doprowadzanej i mocy ciepl-

nej odprowadzanej, przy pracy

dorywczej odprowadzanie cie-

p³a odgrywa przy nagrzewaniu

siê ma³¹ rolê, a o obci¹¿alno-

ci decyduje pojemnoæ cieplna

silnika. Silniki na pracê doryw-

cz¹ powinny byæ budowane tak,

aby mia³y du¿¹ pojemnoæ cie-

pln¹, a wiêc stosunkowo du¿¹

sta³¹ czasow¹ nagrzewania.

dzie taki, ¿e ró¿nica miêdzy

przyrostem temperatury uzwoje-

nia a przyrostem temperatury

powierzchni D T z bêdzie znacz-

nie wiêksza ni¿ przy pr¹dzie

znamionowym D T ust i w³anie

dlatego traktowanie silnika jako

ca³oci bêdzie niedok³adne.

Dlatego te¿ przy rozpatrywa-

niu nagrzewania silnika podczas

rozruchu i przy wyznaczaniu

przyrostu temperatury uzwoje-

nia po up³ywie czasu rozruchu

bli¿sze prawdy bêdzie branie

pod uwagê nie sta³ej czasowej

nagrzewania ca³ego silnika,

lecz kilkakrotnie od niej mniej-

szej sta³ej czasowej samego

uzwojenia, wynosz¹cej 4... 12

min, np. rednio 6 min. Ponad-

to, poniewa¿ nagrzewanie przy

rozruchu przebiega w pocz¹tko-

wej czêci krzywej nagrzewa-

nia, mo¿emy bez pope³nienia

du¿ego b³êdu pos³ugiwaæ siê

przy wyznaczaniu przyrostu

temperatury po up³ywie krót-

kiego czasu rozruchu t f nie rów-

naniem krzywej nagrzewania,

lecz znacznie prostszym równa-

niem stycznej do tej krzywej, co

odpowiada za³o¿eniu, zgodnie

z którym podczas rozruchu

mo¿na pomin¹æ oddawanie

ciep³a na zewn¹trz.

Czas trwania rozruchu jest

zawsze krótki w stosunku do

czasu potrzebnego do ustalenia

siê temperatury przy pracy ci¹-

g³ej pod wp³ywem przep³ywu

pr¹du rozruchowego. Mo¿e on

jednak byæ bardzo krótki, gdy

rozruch jest ³atwy i wynosiæ

mo¿e u³amek sekundy, a mo¿e

byæ jednak znacznie d³u¿szy,

gdy rozruch jest trudny i wyno-

siæ nawet kilka minut. Przy roz-

ruchu przewlek³ym ciep³o wy-

dzielone w czasie jego trwania

osi¹ga niekiedy tak du¿e warto-

ci, ¿e mo¿e decydowaæ o do-

borze silnika. Na przyk³ad przy

wyborze silnika do napêdu wi-

rówki czêsto decyduj¹ warunki

rozruchowe, a nie wa-runki pra-

cy ci¹g³ej po dokonanym rozru-

chu.

osi¹ga, tylko 0,63 temperatury

ustalonej.

Moc znamionowa silnika przy

pracy dorywczej mo¿e wiêc byæ

wiêksza ni¿ przy pracy ci¹g³ej

i to tym wiêksza, im krótszy jest

czas pracy. Przyrost temperatu-

ry uzwojenia silnika przy koñcu

czasu pracy dorywczej powinien

byæ równy przyrostowi trwale

dopuszczalnemu. Przyrostu us-

talonego odpowiadaj¹cego temu

zwiêkszonemu obci¹¿eniu silnik

w ogóle nie osi¹gnie, poniewa¿

jego praca zostanie wczeniej

przerwana. Po czasie pracy na-

stêpuje czas przerwy, który jest

tak d³ugi, ¿e silnik przed po-

nownym czasem pracy ostyga

do temperatury otoczenia.

Przy pracy dorywczej nie po-

winno siê doprowadzaæ do

przekraczania temperatur trwa-

le dopuszczalnych dla pracy

ci¹g³ej, bo po pierwsze nawet

nieznaczne przekroczenie czasu

pracy dorywczej przy zwiêkszo-

nym obci¹¿eniu mo¿e spowo-

dowaæ znaczne przekroczenie

przyrostu temperatury trwale

dopuszczalnej i zagra¿aæ zni-

szczeniem izolacji, a w ka¿dym

razie znacznym zmniejszeniem

jej trwa³oci, po drugie za,

zwiêkszaj¹c jeszcze bardziej

moc znamionow¹ silnika, nie

mo¿na by³oby zachowaæ do-

statecznej przeci¹¿alnoci mo-

mentem.

Zasadnicz¹ ró¿nic¹ miêdzy

prac¹ ci¹g³¹ a prac¹ dorywcz¹

nagrzewanie przy

pracy

przerywanej

Je¿eli praca silnika jest prze-

rywana (rys.1c), to czasy pracy

i czasy przerw w pracy nastêpu-

j¹ na przemian, przy czym

w czasie przerwy, silnik nie zd¹-

¿y ostygn¹æ, poniewa¿ jeden

cykl roboczy silnika, tj. suma

czasu pracy i czasu przerwy,

wynosi nie wiêcej ni¿ 10 min,

a w praktyce na ogó³ znacznie

mniej, poniewa¿ czêstoæ

w³¹czeñ przy pracy przerywa-

nej dochodzi do 600 na godzi-

nê. Ka¿de nastêpne w³¹czenie

odbywa siê wiêc przy silniku

coraz bardziej nagrzanym. Stop-

niowy wzrost przyrostów tempe-

ratury silnika pod koniec po-

szczególnych czasów pracy trwa

a¿ do czasu ustalenia siê prze-

biegów. Przy pracy przerywanej,

podobnie jak przy pracy ci¹-

g³ej, a w odró¿nieniu od pracy

dorywczej, nastêpuje po pew-

nym czasie stan cieplny ustalo-

ny, w którym przyrosty tempera-

tury wahaj¹ siê miêdzy dwiema

wartociami skrajnymi (rys.1c).

nagrzewanie przy

pracy

dorywczej

Je¿eli praca silnika jest nie

ci¹g³a, lecz dorywcza (rys. 1b),

to po up³ywie czasu pracy do-

rywczej, wynosz¹cego np.

30,45 lub 60 min, uzwojenie

silnika osi¹gnie podczas prze-

p³ywu pr¹du znamionowego

odpowiadaj¹cego pracy ci¹g³ej

przyrost temperatury znacznie

mniejszy od trwale dopuszczal-

nego. Je¿eli przyj¹æ na przy-

k³ad, ¿e czas pracy dorywczej

silnika wynosi 60 min, a jego

sta³a czasowa te¿ 60 min, to

przyrost ten wyniesie niewiele

wiêcej ni¿ po³owa przyrostu

trwale dopuszczalnego. Po

up³ywie czasu równego sta³ej

czasowej nagrzewania silnik

www.elektro.info.pl 6/2003

byæ w ci¹gu tego samego czasu

te same, otrzymamy wzór:

silnika przy pracy przerywanej

jest nieregularne, pr¹d znamio-

nowy silnika przy pracy przery-

wanej jest pewnym pr¹dem za-

stêpczym i przejciowo mog¹

wystêpowaæ pr¹dy od niego

wiêksze, obliczenia za zarów-

no tego pr¹du, jak i wzglêdne-

go czasu roboczego, nie mog¹

byæ dok³adne i dlatego celowe

jest przewidzieæ pewien za-

pas. Ponadto izolacja silnika

pracuje w warunkach o tyle nie-

korzystnych, ¿e wystêpuj¹ du-

¿e zmiany temperatur, czêstsze

ni¿ w urz¹dzeniach na pracê

ci¹g³¹, a tak¿e wstrz¹sy oraz

drgania itp., wskutek czêstych

rozruchów.

w którym:

I p oraz t p pr¹d i ³¹czny czas pra-

cy przerywanej, I c oraz t c pr¹d

przy pracy ci¹g³ej i rozpatrywany

czas pracy.

A wiêc stosunek pr¹dów

(równy stosunkowi mocy):

Rys. 2 Nagrzewanie siê silnika w warunkach znamionowych pracy przerywa-

nej przy ró¿nej czêstoci w³¹czeñ:

1 nagrzewanie siê przy ma³ej czêstoci w³¹czeñ;

2 nagrzewanie siê przy du¿ej czêstoci w³¹czeñ;

3 krzywa nagrzewania siê przy pr¹dzie znamionowym;

4 krzywa stygniêcia

[2]

przy czym e wzglêdny czas robo-

czy.

Podczas przerwy zostaje odpro-

wadzana moc cieplna, poch³a-

niana podczas pracy. Je¿eli

w sposób przerywany bêdzie

pracowaæ silnik obci¹¿ony pr¹-

dem znamionowym odpowiada-

j¹cym pracy ci¹g³ej, to naj-

wiêkszy osi¹gany przyrost tem-

peratury uzwojeñ bêdzie mniej-

szy od przyrostu trwale dopu-

szczalnego i to tym mniejszy, im

mniejszy bêdzie czas roboczy.

Moc znamionowa silnika przy

pracy przerywanej mo¿e wiêc

byæ wiêksza ni¿ przy pracy ci¹-

g³ej.

Zak³adaj¹c, ¿e iloci ciep³a

wydzielane w uzwojeniach przy

obu rodzajach pracy powinny

Na przyk³ad przy e = 0,4

otrzymamy

[3]

W przypadku pracy doryw-

czej i przerywanej nie powinno

siê przekraczaæ przyrostu trwa-

le dopuszczalnego przy pracy

ci¹g³ej, poniewa¿ obci¹¿enie

wp³yw

czêstoci

w³¹czeñ na

nagrzewanie

Praca przerywana silnika

o danym wzglêdnym czasie ro-

6/2003 www.elektro.info.pl

[1]

su roboczego lub zmniejszania

obci¹¿alnoci silnika przy pra-

cy przerywanej.

W skrajnym przypadku moc

znamionowa silnika przy pracy

przerywanej mo¿e byæ nawet

mniejsza ni¿ moc znamionowa

przy pracy ci¹g³ej. Jest to

przedstawione na rys. 3. Odcin-

ki krzywej nagrzewania siê sil-

nika przy pracy przerywanej,

odpowiadaj¹ce nagrzewaniu

siê, sk³adaj¹ siê z odcinków

o bardzo stromym przebiegu,

odpowiadaj¹cym nagrzewaniu

siê wskutek pr¹du rozruchowe-

go, równoleg³ych do krzywej 2

i odcinków odpowiadaj¹cych

nagrzewaniu siê wskutek prze-

p³ywu pr¹du znamionowego

(dla pracy przerywanej) odpo-

wiadaj¹cych krzywym 1 (na-

grzewanie siê przy pr¹dzie zna-

mionowym) oraz 4 (stygniêcie

po nagrzaniu siê pr¹dem rozru-

chowym). Odcinki odpowiada-

j¹ce stygniêciu maj¹ przebieg

odpowiadaj¹cy krzywym sty-

gniêcia 3 oraz, 5. W miarê

wzrostu temperatury stygniêcie

w czasie nagrzewania pr¹dem

znamionowym jest coraz wiêk-

sze i odcinki krzywej odpowia-

daj¹ce nagrzewaniu pr¹dem

znamionowym staj¹ siê coraz

mniej strome, aby wreszcie

przejæ w odcinki odpowiada-

j¹ce stygniêciu, a nie nagrze-

waniu w czasie pracy po usta-

niu rozruchu. Jak widaæ na ry-

sunku, gdyby silnik pracowa³

w sposób ci¹g³y pobieraj¹c

z sieci pr¹d znamionowy odpo-

wiadaj¹cy pracy przerywanej,

to osi¹gn¹³by przyrost tempe-

ratury T ust mniejszy od przyro-

stu temperatury T dop . Wynika

st¹d, ¿e pr¹d pobierany przez

silnik przy pracy ci¹g³ej mo¿e

byæ wiêkszy od pr¹du pobiera-

nego przy pracy przerywanej,

a wiêc moc znamionowa silni-

ka przy pracy przerywanej jest

mniejsza wskutek du¿ych

wzrostów pr¹du przy rozruchu

ni¿ moc znamionowa tego sa-

mego silnika przy pracy

Rys.3 Nagrzewanie siê silnika w warunkach znamionowych pracy przerywa-

nej z uwzglêdnieniem wzrostów pr¹du przy rozruchu

1 krzywa nagrzewania siê przy pr¹dzie znamionowym;

2 krzywa nagrzewania siê przy pr¹dzie rozruchowym;

3 krzywa stygniêcia po nagrzaniu siê pr¹dem znamionowym;

4 krzywa stygniêcia po nagrzaniu siê pr¹dem rozruchowym;

5 krzywa stygniêcia po nagrzaniu siê pr¹dem rozruchowym przy

przep³ywie pr¹du znamionowego;

6 krzywa nagrzewania siê przy pracy przerywanej

literatura

1. H. Markiewicz, Bezpieczeñstwo

w elektroenergetyce, WNT. War-

szawa 1999.

2. Praca zbiorowa, Poradnik in¿ynie-

ra elektryka, WNT, Warszawa

1997

3. PN-91/E-050009/473, Instalacje

elektryczne w obiektach budowla-

nych. rodki ochrony przed pr¹-

dem przetê¿eniowym.

4. PN-91/E-05009/42 Instalacje

elektryczne w obiektach budow-

lanych. Ochrona przed skutkami

oddzia³ywania cieplnego.

5. PN-91/E-050009/43, Instalacje

elektryczne w obiektach budowla-

nych. Ochrona przed pr¹dem

przetê¿eniowy.

6. B. Walentynowicz Zabezpieczenia

silników indukcyjnych PWT War-

szawa 1977.

boczym mo¿e odbywaæ siê przy

ró¿nej czêstoci w³¹czeñ. Na

przyk³ad przy wzglêdnym cza-

sie roboczym wynosz¹cym 0,4

(40%) i przebiegu regularnym,

mo¿e nast¹piæ w ci¹gu godziny

10 w³¹czeñ po 144 s lub 120

w³¹czeñ po 12 s, jak to jest po-

kazane na rys. 2, przy ma³ej

czêstoci w³¹czeñ (krzywa 1),

a wiêc przy stosunkowo d³ugo-

trwa³ych w³¹czeniach, nagrze-

wanie siê ju¿ w ci¹gu pierwsze-

go w³¹czenia jest du¿e, choæ

silnik bêdzie mia³ czas osty-

gn¹æ w ci¹gu stosunkowo d³u-

giego czasu przerwy, to jednak

ju¿ po niewielu w³¹czeniach

zostanie osi¹gniêty przyrost

temperatury równy dopuszczal-

nemu.

Natomiast przy du¿ej czê-

stoci w³¹czeñ (krzywa 2) na-

grzewanie siê przy tym samym

pr¹dzie i tym samym wzglêd-

nym czasie roboczym odbywa

siê wolniej, a dopuszczalny

przyrost temperatury jest osi¹-

gany po up³ywie czasu znacz-

nie d³u¿szego.

Je¿eli wiêc ca³kowity czas

pracy (u¿ytkowania, okresu pra-

cy) silnika jest ograniczony, tzn.

nie trwa bez przerywania pracy

wielu godzin, to mo¿na przyj¹æ,

¿e warunki nagrzewania siê sil-

nika w pracy przerywanej przy

du¿ej czêstoci w³¹czeñ s¹

korzystniesze ni¿ przy ma³ej

czêstoci w³¹czeñ.

Jest to jednak tylko wtedy

s³uszne, kiedy przyjmujemy,

¿e w ci¹gu ca³ych czasów

pracy silnik pobiera zawsze ten

sam pr¹d o sta³ej wartoci.

Warunek ten rzadko jest spe³-

niany, bo ka¿de w³¹czenie

silnika jest zwi¹zane z jego

rozruchem, a przy rozruchu

wystêpuj¹ przecie¿ w prakty-

ce niemal zawsze wiêksze lub

mniejsze wzrosty pr¹du.

Przy u¿yciu silników klatko-

wych wzrosty te s¹ du¿e i je-

¿eli czêstoæ w³¹czeñ jest

du¿a, to zaznacza siê jej du¿y

wp³yw na nagrzewanie. O ile

bowiem czas rozruchu silnika

o pracy ci¹g³ej jest w porów-

naniu z ca³kowitym czasem

pracy silnika znikomo ma³y,

o tyle suma czasów rozruchu

przy du¿ej czêstoci w³¹czeñ

mo¿e stanowiæ po³owê sumy

czasów pracy, a przy bardzo

du¿ej czêstoci w³¹czeñ na-

wet wiêcej.

Je¿eli wiêc wzrosty pr¹du

przy rozruchu s¹ du¿e, to

oczywicie warunki pracy

przerywanej silnika przy du¿ej

czêstoci w³¹czeñ s¹ mniej

korzystne ni¿ przy ma³ej czê-

stoci w³¹czeñ. Du¿a czê-

stoæ w³¹czeñ zmusza do

zmniejszania wzglêdnego cza-

www.elektro.info.pl 6/2003

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: