Wpływ niezrównoważenia napięcia

Jeśli korzystasz z systemów trójfazowych, powinieneś być świadomy niezrównoważonych napięć, jednego z najczęstszych problemów związanych z zasilaniem elektrycznym w zakładach przemysłowych. Szanse na wystąpienie zaburzeń równowagi w roślinie są wysokie, jeśli nie zastosowano środków zapobiegających ich wystąpieniu. Idealnym rozwiązaniem jest wychwycenie nierównowagi, zanim spowoduje ona poważne uszkodzenie sprzętu.

Poniżej dowiesz się, czym są asymetrie napięcia, co je powoduje i jak można im zapobiegać i testować je w celu ochrony systemów elektrycznych.

Co to jest 3-fazowa nierównowaga napięcia?

Trójfazowy system zasilania jest zrównoważony lub symetryczny, gdy trójfazowe napięcia i prądy mają taką samą amplitudę. Niezrównoważony system oznacza, że napięcia fazowe są nierówne.

Ta nierównowaga mierzy różnicę między fazami napięcia w systemie trójfazowym. Ten problem z zasilaniem elektrycznym jest powszechny w elektrowniach przemysłowych lub innych zakładach, w których pracują duże maszyny z silnikami o dużej mocy.

Brak równowagi napięcia może mieć wpływ na wiele aspektów działalności, w tym wydajność silnika, koszty i szkody.

Co powoduje niezrównoważone napięcia?

Norma ANSI C84.1 stanowi: Systemy zasilania elektrycznego powinny być zaprojektowane i obsługiwane w celu ograniczenia maksymalnego niezrównoważenia napięcia do 3%, mierzonego na liczniku elektrycznym w warunkach bez obciążenia. Oznacza to, że użytkownik jest odpowiedzialny za sprawdzenie stanu równowagi napięcia w swojej instalacji.

Gdy napięcie jest niezrównoważone, często jest to spowodowane rozkładem obciążenia systemu. Brak równowagi może wystąpić w dowolnym punkcie systemu, a niezrównoważone systemy zasilania mogą wystąpić z wielu powodów.

Oto niektóre z najczęstszych przyczyn niezrównoważonych napięć:

• Brak symetrii w liniach przesyłowych
• Duże obciążenia jednofazowe, takie jak piece łukowe lub spawarki
• Wadliwe baterie kondensatorów do korekcji współczynnika mocy
• Otwarte transformatory w trójkąt lub w trójkąt
• Niski wyjściowy moment obrotowy powodujący naprężenia mechaniczne
• Wysoki prąd w prostownikach i silnikach trójfazowych
• Niezrównoważenie prądu płynącego w przewodzie neutralnym
• 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 do masy
• Luźne, skorodowane, uszkodzone złącza lub styczniki

Nawet warunki panujące w zakładzie mogą powodować lub przyczyniać się do asymetrii napięcia. Na przykład przeciążone transformatory, nieprawidłowo działające urządzenia do korekcji współczynnika mocy, cykliczne kontrole i rozstrojone dławiki mogą prowadzić do nierównowagi. Nawet to, co dzieje się w sąsiednim zakładzie lub dalej na linii energetycznej, może mieć wpływ na asymetrię napięcia w zakładzie.

Skutki niezrównoważenia napięcia

Niezrównoważenie napięcia może być szkodliwe dla silników. Różnica napięć fazowych powoduje prądy cyrkulacyjne w silnikach trójfazowych, co skutkuje asymetrią prądową od sześciu do 15 razy większą niż asymetria napięciowa. Dodatkowy prąd przyczynia się do zwiększonego nagrzewania silnika, które może być poważne przy wystarczająco dużym niezrównoważeniu. Wyższa temperatura silnika pogarsza otaczającą izolację, skracając żywotność silnika i prowadząc do jego przepalenia.

Inne skutki niezrównoważonego prądu i napięcia obejmują zwiększoną pulsację, naprężenia mechaniczne, wibracje i straty. Ponadto często występują problemy z konserwacją, takie jak zużyte styki i luźne połączenia. Problemy te mogą powodować głośną pracę silnika, podwyższoną temperaturę i przedwczesną awarię.

Co więcej, asymetria napięcia wpłynie na proporcje prądu zablokowanego uzwojenia wirnika, który jest już stosunkowo wysoki, prędkość przy pełnym obciążeniu zostanie nieznacznie zmniejszona, a moment obrotowy spadnie. Jeśli asymetria napięcia jest wystarczająco duża, zredukowany moment obrotowy może nie być odpowiedni dla danego zastosowania i silnik nie osiągnie prędkości znamionowej.

Norma NEMA MG-1 stanowi, że silniki polifazowe powinny działać z powodzeniem w warunkach pracy przy obciążeniu znamionowym, gdy asymetria napięcia na zaciskach silnika nie przekracza 1%. Ponadto, praca silnika z niewyważeniem powyżej 5% nie jest zalecana i prawdopodobnie spowoduje uszkodzenie silnika.

Chociaż generalnie nie jest to pożądane, innym działaniem naprawczym może być obniżenie wartości znamionowych silnika. Gdy asymetria napięcia przekracza 1%, silnik musi mieć obniżone parametry znamionowe, aby mógł skutecznie działać. Krzywa obniżania wartości znamionowych, pokazana poniżej, wskazuje, że przy limicie 5% ustanowionym przez NEMA dla niewyważenia, silnik zostałby znacznie obniżony, do zaledwie około 75% jego mocy znamionowej.

Niezrównoważenie napięcia może być szkodliwe dla 3-fazowych przetwornic prądu stałego stosowanych w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD). Problematyczne napędy o zmiennej częstotliwości (VFD), które wykazują wszystkie oznaki przeciążenia obwodu, mimo że pomiary wskazują inaczej, mogą mieć niezrównoważone prądy fazowe. Prądy linii VFD mogą stać się bardzo niezrównoważone z powodu nadmiernego prądu w jednej lub dwóch fazach. Dzieje się tak, mimo że średni prąd trzech faz jest znacznie poniżej wartości znamionowej prądu VFD.

Przedni koniec VFD wykorzystuje układ diod o dużej mocy do konwersji 3-fazowej mocy wejściowej AC w celu utworzenia szyny DC jako rezerwuaru dla sekcji falownika mocy. Prąd przepływający przez sekcję prostownika wejściowego jest pobierany impulsowo. W idealnej sytuacji przepływ prądu przez każdą diodę jest równomiernie podzielony, jednak brak równowagi napięcia dostarczanego do wejścia VFD powoduje nierównomierne zasilanie poszczególnych diod, co skutkuje przedwczesnymi i częstymi awariami diod mocy. Niezrównoważone wyjście diod prądowych spowoduje zwiększenie zawartości harmonicznych. Gdy impulsy wyjściowe stają się bardziej niezrównoważone, potrójne harmoniczne prądu również się zwiększają.

Dlaczego jest to ważne?

Najbardziej oczywistymi powodami, dla których należy dbać o niezrównoważenie napięcia, są obniżona sprawność i wydajność silnika – oba te czynniki wpływają na rentowność firmy. Sprawność każdego silnika będzie się różnić w zależności od takich czynników, jak rodzaj zastosowania, obciążenie i napięcie zasilania.

Praca z zasilaczem o większym niezrównoważeniu napięcia zwiększy straty ^I2R– czyli prąd podniesiony do kwadratu razy rezystancja – w wirniku i stojanie, co oznacza, że więcej dostarczonej mocy zostanie zamienione na ciepło, a mniej na pracę. Silnik będzie pracował goręcej, a w konsekwencji mniej wydajnie. Należy pamiętać, że zwiększone straty wirnika zwiększą “poślizg”, więc silnik będzie obracał się nieco wolniej i wykona mniej pracy w danym czasie.

Podstawowe równanie Arrheniusa mówi, że szybkość chemiczna podwaja się na każdy stopień C wzrostu temperatury. Stosując to równanie do izolacji silnika, łatwo zauważyć, że każdy wzrost temperatury drastycznie skraca jego żywotność. Poniższa tabela przedstawia wpływ temperatury uzwojenia wynikający z asymetrii napięcia.

Ponieważ brak wyważenia powoduje uszkodzenie sprzętu, zakład doświadcza przestojów, ponieważ silniki nie pracują tak wydajnie, jak powinny. Oprócz pieniędzy utraconych podczas przestoju, uszkodzone silniki będą wymagały kosztownych wymian lub napraw

Jak zapobiec niezrównoważonemu systemowi zasilania

Aby zapobiec niezrównoważeniu napięcia, obciążenia muszą być równomiernie rozłożone na fazach tablicy rozdzielczej. Gdy jedna faza jest bardziej obciążona niż pozostałe, napięcie na tej fazie będzie niskie, co spowoduje niezrównoważenie. Równomierne rozłożenie obciążeń zapobiega przeciążeniu jednej fazy.

Zrozumienie przyczyn nierównowagi pomaga Tobie i Twoim technikom szukać oznak i pracować nad ich zapobieganiem. Najlepszym sposobem zapobiegania nierównowadze jest sprawdzenie nierównowagi napięcia i określenie, co może ją powodować. Nawet jeśli gdzieś w systemie występuje niewielka nierównowaga, przetestowanie jej teraz może pomóc w jej wykryciu, zanim skutki będą szkodliwe. Przyrząd testujący ATPOL III™ Energized Electrical Signature Analysis (ESA) z dołączonym oprogramowaniem ATPOL 8.0 może szybko i dokładnie zmierzyć i obliczyć niezrównoważenie napięcia dostarczanego do tych wołów roboczych w ramach rutynowych testów silników pod napięciem, które trwają mniej niż 1 minutę. Oprogramowanie ATPOL 8.0 oblicza % niezrównoważenia napięcia i zapewnia odpowiedni współczynnik obniżenia napięcia.

Przenośny ATPOL III™ można szybko podłączyć za pomocą specjalnego złącza do wstępnie zainstalowanych złączy ALL-SAFE© lub za pomocą wyjmowanych przekładników prądowych i sond napięciowych w dowolnym łatwo dostępnym sterowniku silnika lub odłączniku. Aby zapewnić dodatkową ochronę coraz bardziej popularnych VFD, mogą nawet przetestować moc wejściową tych drogich sterowników, aby upewnić się, że nie występują warunki asymetrii napięcia, które mogą prowadzić do asymetrii prądu w sekcjach prostownika.

Jak obliczyć prąd niezrównoważony

Aby ręcznie obliczyć procent niezrównoważonego napięcia, należy najpierw określić średni prąd lub napięcie oraz największe odchylenie. Następnie należy podzielić odchylenie przez średnie napięcie i pomnożyć tę liczbę przez 100, aby uzyskać wartość procentową.

Procent niezrównoważenia napięcia:

Na przykład: V1 = 469

V2 = 478

V3 = 461

Średnie napięcie = 469,33 V2 ma maksymalne odchylenie 8,66667

% VUB = 100(8.66667/469.33) = 1.84%

ATPOL jest idealnym narzędziem, które można dodać do zestawu narzędzi konserwacji predykcyjnej do testowania silników pod napięciem. Rutynowe wykonywanie testu silnika ESA przy użyciu ALL-SAFE PRO©pozwala zakładom szybko przeprowadzić pełną kontrolę całego układu silnika.

ATPOL III™wykorzystuje napięcie i prąd silnika w celu uzyskania dostępu:

• Stan zasilania przychodzącego
• Stan elektryczny i mechaniczny silnika oraz niewyważenie
• Niewspółosiowość
• Warunki łożyskowania
• Luźność
• Pocieranie ładunku
• Anomalie w procesie, takie jak kawitacja

Pomiary przenośne mogą być łatwo wykonywane z dowolnych silników, które nie mają wszystkich zabezpieczeń, przy użyciu przenośnych, zaciskowych lub elastycznych przekładników prądowych.

ATPOL III™ wykonuje jednoczesne przechwytywanie danych wszystkich trzech faz napięcia i prądu w celu tworzenia wykresów, tabel i wyświetlaczy w celu wykorzystania jakości zasilania jako narzędzia konserwacji zapobiegawczej niezbędnego do umieszczenia sprzętu na szczycie światowej klasy obiektów. Wykorzystanie asymetrii V do przewidywania przedwczesnego uszkodzenia izolacji uzwojenia w celu określenia skróconej żywotności silnika spowodowanej asymetrią napięcia.

Dokładne testowanie silników za pomocą ALL-TEST PRO

Testowanie silników ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia prawidłowego działania sprzętu i znalezienia wszelkich błędów lub potencjalnych problemów, aby można je było rozwiązać. Aby zapewnić dokładność podczas testowania silników, należy używać produktów ALL-TEST. Niezależnie od tego, czy testujesz asymetrię napięć, czy przeprowadzasz testy beznapięciowe, nasze produkty mogą pomóc w określeniu stanu silnika.

ATP zna silniki. ATP specjalizuje się w rozwiązaniach pod napięciem i bez napięcia do testów w terenie. Produkty ATP są przenośne, lekkie, łatwe w użyciu, dokładne i zapewniają najwcześniejsze wykrywanie potencjalnych problemów, aby zapewnić wydajną i bezpieczną pracę zakładu.