Eliminacja asymetrii napięcia

Niezrównoważenie napięcia pogarsza wydajność i skraca żywotność silnika trójfazowego. Niezrównoważenie napięcia na zaciskach silnika może powodować niezrównoważenie prądu, które jest znacznie nieproporcjonalne do niezrównoważenia napięcia. Niezrównoważone prądy prowadzą do pulsacji momentu obrotowego, zwiększonych wibracji i naprężeń mechanicznych, zwiększonych strat skutkujących niższą wydajnością i przegrzaniem silnika, co skraca żywotność izolacji uzwojenia.

Procentowa asymetria napięcia jest definiowana przez National Electrical Manufacturers Association (NEMA) jako 100-krotność bezwzględnej wartości maksymalnego odchylenia napięcia linii od średniego napięcia w systemie trójfazowym, podzielona przez średnie napięcie. Na przykład, jeśli zmierzone napięcia linii wynoszą 462, 463 i 455 woltów, średnia wynosi 460 woltów. Niezrównoważenie napięcia wynosi:

(460 – 455) /460 x 100 = 1.1%

Zaleca się, aby asymetria napięcia na zaciskach silnika nie przekraczała 1%. Niewyważenie przekraczające 1% wymaga obniżenia wartości znamionowych silnika, zgodnie z rysunkiem 20-2 NEMA MG-1-2011, i spowoduje unieważnienie gwarancji większości producentów. Do najczęstszych przyczyn asymetrii napięcia należą

– Wadliwe działanie urządzeń do korekcji współczynnika mocy

– Niezrównoważone lub niestabilne zasilanie

– Niezrównoważona bateria transformatorów zasilająca trójfazowe obciążenie, które jest zbyt duże dla baterii.

– Nierównomiernie rozłożone obciążenia jednofazowe w tym samym systemie zasilania

– Niezidentyfikowane zwarcia jednofazowe z uziemieniem

– Przerwa w obwodzie pierwotnym systemu dystrybucyjnego

Sprawność silnika o prędkości 1800 obrotów na minutę (RPM) i mocy 100 koni mechanicznych (hp) jest podana jako funkcja asymetrii napięcia i obciążenia silnika w tabeli 1 poniżej. Ogólny trend spadku sprawności wraz ze wzrostem asymetrii napięcia jest obserwowany dla silników we wszystkich warunkach obciążenia.

Niezrównoważenie napięcia jest prawdopodobnie głównym problemem związanym z jakością zasilania, który prowadzi do przegrzania silnika i jego przedwczesnej awarii. W przypadku wykrycia niezrównoważonych napięć należy przeprowadzić dokładne badanie w celu ustalenia przyczyny. Oszczędności energii i kosztów pojawiają się, gdy podejmowane są działania naprawcze.

Sugerowane działania

• Okresowo monitoruj napięcie na zaciskach silnika, aby sprawdzić, czy asymetria napięcia utrzymuje się poniżej 1%. Rozważ zainstalowanie czujników, które wysyłają alarmy w przypadku niedopuszczalnych wartości lub szybkości zmian wartości. Bezprzewodowe sieci czujników ISA100 mogą być interesujące.
• Sprawdź schematy jednokreskowe instalacji elektrycznej, aby upewnić się, że obciążenia jednofazowe są równomiernie rozłożone.
• Zainstaluj wskaźniki zwarcia doziemnego zgodnie z wymaganiami i przeprowadzaj coroczne inspekcje termograficzne. Innym wskaźnikiem, że problemem może być asymetria napięcia, są wibracje o częstotliwości 120 Hz. Stwierdzenie wibracji o częstotliwości 120 Hz powinno spowodować natychmiastowe sprawdzenie balansu napięcia.

Niezrównoważenie napięcia Przykład oszczędności energii

Załóżmy, że silnik o mocy 100 KM testowany zgodnie z Tabelą 1 był w pełni obciążony i pracował przez 8000 godzin rocznie (h/rok), przy niezrównoważonym napięciu wynoszącym 2,5%. Przy cenie energii wynoszącej 0,08 USD za kilowatogodzinę (kWh), roczne oszczędności energii i kosztów po podjęciu działań naprawczych wynoszą:

Roczne oszczędności energii = 100 KM x 0,746 kW/KM x 8000 godzin/rok x (100/93 – 100/94,4) = 9 517 kWh

Roczne oszczędności = 9 517 kWh x 0,08 USD/kWh = 760 USD

Ogólne oszczędności mogą być znacznie większe, ponieważ niezrównoważone napięcie zasilania może zasilać wiele silników i innych urządzeń elektrycznych.

Dalsze rozważania

Niezrównoważenie napięcia powoduje bardzo duże niezrównoważenie prądu. Wielkość asymetrii prądu może być od 6 do 10 razy większa niż asymetria napięcia. W przypadku silnika o mocy 100 KM w poprzednim przykładzie, prądy sieciowe (przy pełnym obciążeniu z asymetrią napięcia 2,5%) były niezrównoważone o 27,7%.

Silnik będzie się bardziej nagrzewał podczas pracy z zasilaczem o niezrównoważonym napięciu. Dodatkowy wzrost temperatury jest szacowany za pomocą następującego równania1 :

Całkowity wzrost temperatury = zrównoważony wzrost temperatury x (1 + 2 x (% niezrównoważenia napięcia)2 /100)

Na przykład silnik o wzroście temperatury o 80°C spowodowanym rezystancją doświadczyłby wzrostu temperatury o 6,4°C podczas pracy w warunkach 2% asymetrii napięcia. Żywotność izolacji uzwojenia zmniejsza się o połowę na każde 10°C wzrostu temperatury roboczej.2

Zasoby

National Electrical Manufacturers Association (NEMA) – Odwiedź stronę www.nema.org, aby uzyskać dodatkowe informacje na temat asymetrii napięcia.

Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) – aby uzyskać więcej informacji na temat wydajności silników i systemów napędzanych silnikami oraz pobrać narzędzie programowe MotorMaster+, odwiedź stronę internetową Advanced Manufacturing Office (AMO) pod adresem manufacturing.energy.gov.

Referencje

Reliance Electric, “Power Supply”, wrzesień 1998 r.

2 “Stopping a Costly Leak: Wpływ niezrównoważonego napięcia na żywotność i sprawność trójfazowych silników elektrycznych”. Energy Matters. Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Zima 2005.

Dodatkowe referencje

Informacje zawarte w tym arkuszu porad pochodzą z publikacji NEMA Standards Publication MG-1-2011, Motors and Generators, którą można kupić na stronie www.nema.org.