電圧アンバランスの影響
三相システムを使用している場合、工業プラントの電力問題の代表格であるアンバランス電圧に注意する必要があります。 植物が不均衡になる可能性は、それを防ぐ対策がない場合に高くなる。 機器に深刻なダメージを与える前にアンバランスをキャッチすることが理想です。
以下では、電圧アンバランスとは何か、その原因は何か、電気システムを保護するために電圧アンバランスを防止し、テストする方法をご紹介します。
3相電圧のアンバランスとは？
三相電力系統は、三相の電圧と電流が同じ振幅を持つとき、平衡または対称となる。 アンバランスシステムとは、相電圧が不均等であることを意味します。
このアンバランスは、三相システムにおける電圧位相の差を測定するものです。 このような電力問題は、産業用発電所や強力なモーターを備えた大型機械を稼働させる工場でよく見られる。
電圧のアンバランスは、モーターの効率、コスト、損害など、事業の多くの側面に影響を及ぼします。
不平衡電圧の原因とは？
ANSI C84.1には次のように記載されている：電気供給システムは、無負荷条件下で電気メーターで測定した場合、最大電圧アンバランスが3%に制限されるように設計および運用されるべきである。 つまり、自工場の電圧のバランス状態を確認するのは、ユーザーの責任ということになります。
電圧がアンバランスになる場合、多くの場合、システムの負荷分散が原因です。 このようなアンバランスはシステムのどの地点でも起こりうるものであり、アンバランスな電力システムは様々な理由で起こりうるものです。
ここでは、アンバランス電圧の代表的な原因について説明します。
- 伝送路の対称性の欠如
- アーク炉や溶接機など、単相の大負荷の場合
- 力率改善コンデンサバンクの不具合
- オープンデルタまたはワイトランス
- トルク出力が低いため、機械的ストレスが発生する
- 三相整流器やモータの大電流化
- 中性導体に流れる電流のアンバランス
- 力率改善装置の動作不良
- アンバランスまたは不安定なユーティリティ電源
- バンクに対して大きすぎる三相負荷に供給するアンバランスなトランス・バンク
- 同一電力系統に偏在する単相負荷
- 未確認の単相対地絡故障
- コネクタやコンタクタの緩み、腐食、穴あき。
プラントの状態でも電圧アンバランスの原因や要因になることがあります。 例えば、過負荷の変圧器、誤動作の力率改善装置、周期的な制御、リアクトルのデチューンなどは、すべて不均衡につながる可能性がある。 隣の工場で起きていること、あるいはもっと上の送電線で起きていることも、あなたの施設の電圧アンバランスに影響を与える可能性があります。
電圧アンバランスの影響
電圧のアンバランスは、モーターにダメージを与える可能性があります。 三相モーターでは相電圧の違いにより循環電流が発生し、電圧アンバランスの6倍から15倍の電流アンバランスが発生します。 余分な電流はモータの加熱を助長し、アンバランスが十分大きいと深刻な事態を招きます。 このモーター温度の上昇は、周囲の絶縁を劣化させ、モーターの寿命を短くし、モーターの焼損につながります。
その他、電流や電圧の偏りによる影響として、脈動の増加、機械的ストレス、振動、損失などが挙げられます。 さらに、接点の摩耗や接続の緩みといったメンテナンスの問題もよくあります。 これらの問題は、モーターの動作音が大きくなったり、高温で動作したり、早期に故障したりする原因となります。
さらに、電圧アンバランスは、すでに比較的高いロックロータ巻線電流の割合を投げ出すことになり、全負荷速度はわずかに低下し、トルクは低下する。 電圧アンバランスが十分に大きい場合、低減されたトルク能力がアプリケーションに十分でない可能性があり、モータは定格速度に達しない。
NEMA規格MG-1では、多相モータは、モータ端子での電圧アンバランスが1％を超えない場合、定格負荷での運転条件下で正常に動作するものとされています。 さらに、5％を超えるアンバランス状態でのモータの運転は推奨されず、おそらくモータの損傷につながります。
一般的には好ましくないが、別の修正措置として、モータをディレーティングすることができる。 電圧アンバランスが1％を超えると、モーターを正常に動作させるためにディレーティングが必要です。 下図に示すディレーティングカーブは、NEMAがアンバランスに対して定めた5％の制限値では、モータは大幅にディレーティングされ、銘板定格馬力の約75％にしかならないことを示しています。
電圧アンバランスは、可変周波数ドライブ（VFD）で使用される3相DCコンバーターにダメージを与える可能性があります。 測定では異常がないにもかかわらず、回路が過負荷になるような不快なトリッピングを起こす問題のある可変周波数ドライブ（VFD）は、位相電流がアンバランスである可能性があります。 VFDのライン電流は、1相または2相に過大な電流が流れるため、非常にアンバランスになることがあります。 これは、三相の平均電流がVFDの定格電流を大きく下回っているにもかかわらず起こることです。
VFDのフロントエンドは、ハイパワー・ダイオードの配列を使って3相交流入力電力を変換し、パワー・インバータ・セクションのリザーバとしてDCバスを生成する。 入力整流部に流れる電流は、パルスで引き出される。 理想的には、各ダイオードを流れる電流は均等に分割されますが、VFDの入力に供給される電圧のアンバランスにより、各ダイオードを流れる電力が不均等になり、その結果、パワーダイオードの早期故障や頻繁な故障が発生します。 電流ダイオードのアンバランスな出力は、高調波成分の増加を生じさせます。 出力パルスがよりアンバランスになると、3倍の電流高調波も増加する。
なぜこれが重要なのか？
電圧アンバランスを気にする最も分かりやすい理由は、モータの効率と性能の低下であり、これらはいずれも企業の収益に影響します。 モーターの効率は、アプリケーションの種類、負荷、電源電圧などの要因によって異なります。
電圧アンバランスが大きい電源では、ローターとステーターのI2R損失（電流の2乗×抵抗）が大きくなり、供給された電力のうち熱に変換される部分が多くなり、働きが少なくなります。 モーターが高温になり、その結果、効率が悪くなります。 ローターの損失が増えると「滑り」が大きくなり、モーターの回転が少し遅くなり、一定時間での仕事量が少なくなることに注意してください。
基本的なアレニウスの式では、温度が1℃上昇するごとに化学速度は2倍になる。 この方程式をモーターの絶縁に当てはめれば、温度が上昇すればモーターの寿命が劇的に短くなることが簡単にわかる。 電圧アンバランスに起因する巻線温度の影響は、以下の表の通りです。
アンバランスが機器にダメージを与えると、モーターが本来の効率で稼働しないため、工場はダウンタイムを経験することになります。 ダウンタイムの損失に加えて、破損したモーターは高価な交換や修理が必要になります。
電源のアンバランスを防ぐには
電圧アンバランスを防ぐには、パネルボードの各相に負荷を均等に分散させる必要があります。 ある相が他の相より負荷が大きくなると、その相の電圧は低くなり、アンバランスになります。 負荷を均等に分散させることで、1つの相に負荷がかかるのを防ぐことができます。
アンバランスの原因を理解することで、お客様と技術者はその兆候を探し、予防に努めることができます。 アンバランスを防ぐ最善の方法は、電圧のアンバランスをテストし、その原因となるものを特定することです。 たとえシステムのどこかにわずかなアンバランスがあったとしても、今それをテストすることで、影響が損なわれる前に発見することができるかもしれません。 ATPOL III™通電式電気信号解析（ESA）試験装置と付属のATPOL 8.0ソフトウェアは、1分以内に終わる通電式モーター試験の一環として、これらの業界の主力製品に供給される電圧アンバランスを迅速かつ正確に測定および計算できます。 ATPOL 8.0ソフトウェアは、%電圧アンバランスを計算し、適切な電圧ディレーティング係数を提供します。
ポータブルATPOL III™は、あらかじめ設置されたALL-SAFE©コネクタに専用コネクタを使用するか、簡単にアクセスできるモーター制御装置や断路器に取り外し可能なCTと電圧プローブを使用して素早く接続できます。 ますます普及しているVFDの保護を強化するために、これらの高価なコントローラへの入力電力をテストして、整流器セクションの電流不平衡につながる電圧不平衡条件が存在しないことを確認することもできます。
不平衡電流の計算方法
アンバランスな電圧の割合を手動で計算するには、まず平均的な電流または電圧と最大の偏差を決定する必要があります。 そして、偏差を平均電圧で割り、その数字を100倍してパーセンテージを求めます。
電圧アンバランスの割合です。
例えば、以下のような感じです。V1 = 469
V2 = 478
V3 = 461
平均電圧 = 469.33 V2の最大偏差は8.66667
VUB % = 100(8.66667/469.33) = 1.84
ATPOLは、予知保全のツールボックスに追加して、通電モータのテストを行うのに理想的なツールです。 ALL-SAFE PRO©を使用したESAモーターテストを定期的に実施することで、工場はモーターシステム全体の完全な検査を迅速に実施することができます。
ATPOL III™は、モーターの電圧と電流を利用してアクセスします。
- 入電からの状態
- モータの電気的、機械的な状態やアンバランス
- ミスアライメント
- ベアリングの状態
- ルーズネス
- 負荷の擦れ
- キャビテーションなどのプロセスの異常
ポータブルCT、クランプオンCT、フレキシブルCTを使用すれば、全セーフを持たないモーターでも簡単にポータブル測定が可能です。
ATPOL III™は、三相の電圧と電流を同時にデータキャプチャし、グラフ、表、ディスプレイを作成することで、世界トップクラスの設備に必要な予知保全ツールとして電力品質を活用することができます。 Vアンバランスを利用して巻線絶縁不良の早期予測を行い、電圧アンバランスによるモータ寿命の低下を判断する。
ALL-TEST PROでモーターを正確にテストする。
モーターテストは、機器が正常に動作していることを確認し、エラーや潜在的な問題を発見し、解決するために非常に重要です。 モーターをテストする際には、精度を確保するために、ALL-TEST製品を使用してください。 電圧のアンバランスをテストする場合でも、無通電テストを実施する場合でも、当社の製品はモーターの状態を判断するのに役立ちます。
ATPはモーターを知る。 ATPは、フィールドテスト用の通電および非通電ソリューションを専門としています。 ATP製品は、現場で持ち運びができ、軽量で、使いやすく、正確で、潜在的な問題を早期に発見し、プラントを効率的かつ安全に稼動させることができます。
