Практика применения приборов и устройств на примере приводов и термошкафов в условиях низких температур

Обеспечение возможности эксплуатации преграждающих изделий при температуре окружающей среды ниже минус 40 °C требует от разработчиков решения ряда задач, особенно если изделие с электроприводом должно эксплуатироваться в широком диапазоне температур.

При понижении температуры окружающего воздуха ниже минус 50 °C, по сведениям из разных источников, коэффициент полезного действия мотора-редуктора может упасть на 40–50%. Причинами такого явления являются загустевание смазочных материалов подшипников и зубчатых передач, изменение конструктивных размеров деталей вследствие явления температурного объемного расширения. В результате возрастают потери на трение, падает крутящий момент мотора-редуктора, резко вырастает пусковой ток электродвигателя. Все это приводит к уменьшению ресурса работы электропривода. При определенных условиях, если статический момент (момент сопротивления) мотора-редуктора превысит крутящий момент электродвигателя, изделие окажется неработоспособным.

Указанные явления могут привести как к отказам в работе изделий, так и необратимым последствиям, требующим дорогостоящего ремонта. К примеру, пуск нагруженного электродвигателя с превышением номинального момента нагрузки приводит к перегреву обмоток и, как следствие, вызывает его поломку.

Использование в составе шкафов управления преграждающих изделий преобразователей частоты позволяет в некоторой мере защитить электродвигатель, но не обеспечивает полную работоспособность при низких температурах.

Одним из способов решения данной проблемы, чтобы уменьшить потери на трение, является использование редуктора с картерным смазыванием зубчатых передач. Другими словами, зубчатые колеса погружаются в масляную ванну. Этот способ имеет ряд недостатков, накладывает определенные ограничения по способу монтажа. Мотор-редуктор с горизонтальным расположением выходного вала нельзя устанавливать вертикально. Предъявляются повышенные требования по вязкости к маслу. Необходимо использовать низкотемпературные синтетические трансмиссионные масла или масла на силиконовой основе. Уплотнительные манжеты и сальники не должны терять свою эластичность в заявленном температурном диапазоне. Предъявляются повышенные требования к объему и периодичности проведения технического обслуживания.

Следующий вариант обеспечения работоспособности изделий с электроприводом – это применение системы обогрева мотора-редуктора.

Важнейшим шагом в развитии систем электрообогрева стало изобретение и начало производства нагревательных кабелей на основе эффекта саморегуляции. Это изобретение было сделано в ходе изучения свойств проводящих угленаполненных пластмасс. Выделяемые мощности таких кабелей существенно ниже, чем у резистивных лент, но, благодаря появлению эффективных теплоизоляционных материалов, данной мощности достаточно для решения широкого спектра вопросов обогрева. По схеме тепловыделения данные кабели относятся к следующему типу: саморегулирующиеся кабели (ленты) с тепловыделением в проводящей полимерной матрице или проводящих пластмассовых элементах. Саморегулирующиеся кабели имеют, как правило, овальную форму исследующую типовую конструкцию: две параллельные токопроводящие жилы, покрытые слоем полупроводящего, наполненного углеродом полимера, так называемой матрицей. Поверх матрицы укладываются слои электрической изоляции, экранирующая оплетка и защитная оболочка.

Полупроводящую матрицу можно условно представить в виде очень большого числа сопротивлений, подключенных параллельно токопроводящим жилам. При подаче напряжения на токопроводящие жилы в полупроводящей матрице возникает ток, вызывающий выделение тепла. За счет выделения тепла материал матрицы расширяется и контактные связи между отдельными частицами углерода нарушаются. Сопротивление матрицы растет, и ток уменьшается. Через некоторое время ток и температура стабилизируются. Сопротивление матрицы, приведенное к одному метру кабеля, обычно составляет несколько сот Ом.

Главная характеристика – мощность тепловыделения. Она измеряется в ваттах на погонный метр и в зависимости от моделей может быть от 5 до 150 Вт/м. Чем больше мощность, тем больше потребление электричества и больше отдача тепла. Типовая зависимость мощности тепловыделения от температуры кабеля приведена на следующем рисунке.

Благодаря данным свойствам, саморегулирующиеся нагревательные кабели обладают следующими уникальными свойствами:

• могут использоваться при подключении на полное напряжение любыми длинами: от минимальных (десятки сантиметров) до предельно допустимых;
• способны изменять свое тепловыделение локально. Если на обогреваемом  объекте  в какой-либо зоне температура повышается, то тепловыделение кабеля в этой зоне падает. Данное свойство значительно повышает безопасность системы обогрева и упрощает процесс монтажа саморегулирующихся кабелей, поскольку допускается сближение и пересечение витков кабеля.

Отдельный вопрос – это обеспечение работоспособности электротехнических шкафов на открытом воздухе. Контрольно-измерительная аппаратура и приборы очень чувствительны к микроклимату внутри шкафа. Многие приборы не рассчитаны на работу при низких температурах, как минимум, уменьшается эффективность их работы, и зачастую такие неблагоприятные внешние условия приводят к поломке. В случае, когда шкаф установлен в неотапливаемом помещении или на открытом воздухе, при перепадах температур, возможно возникновение конденсата.

Мотор-редуктор привода распашных ворот «Препона ПВР-02», оснащенный системой обогрева

Ниже приведен перечень последствий его образования:

• возникновение открытой дуги, вплоть до короткого замыкания;
• ток утечки и искрение;
• окисление контактов;
• пробои на электронных платах;
• изменение сопротивления контактов;
• неопределимые блуждающие токи;
• ухудшение изоляционных свойств;
• коррозия рабочих групп электрических и электронных компонентов.

Шкаф управления шлюзом наружного исполнения

Для решения этих проблем, до появления саморегулирующихся кабелей, применялся обогрев с помощью обогревателей конвекционного типа. Это устройство представляет собой довольно громоздкую конструкцию. К примеру, конвекционный обогреватель ОША-IP20 мощностью 100 Вт имеет габаритные размеры 170 × 135 × 92 мм, вес 0,5 кг. Одним из недостатков его использования является неравномерный прогрев внутреннего объема шкафа.

Использование саморегулирующегося кабеля для организации микроклимата в электротехнических шкафах позволяет более рационально использовать их объем при монтаже на дверку, а также обеспечивает более равномерный прогрев внутреннего объема.

Другим вариантом защиты электротехнических шкафов, в случае, когда необходимо обеспечить работоспособность серийно изготавливаемого шкафа без изменения его конструкции, является использование так называемой «Матрешки». На дверке большинства шкафов управления преграждающих изделий устанавливаются управляющие кнопки, световые индикаторы, отображающие состояние и режимы работы. Такие элементы, как правило, требуют не только обогрева, но и защиты от других неблагоприятно воздействующих факторов окружающей среды. В таких случаях этот шкаф следует устанавливать внутрь шкафа с обогревом с подходящими габаритными размерами.

Применение обогрева является оптимальным, а иногда и единственным, способом обеспечения работоспособности электротехнических шкафов, электроприводов преграждающих изделий в условиях пониженных отрицательных температур. Появление современных греющих и теплоизоляционных материалов позволяет создать простую, надежную и безопасную систему обогрева